CN103441764A - 一种电流频率转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流频率转换电路，包括一个积分器，4组开关+K1、+K2、-K1、-K2，4组恒流源+I1、+I2、-I1、-I2，其中|+I1|=|-I1|，|+I2|=|-I2|，且|+I2|≥|+I1|；4组比较器+C1、+C2、-C1、-C2；4组定时器+T1、+T2、-T1、-T2。本发明利用电荷平衡原理，根据输入电流的大小，自动切换与之平衡的恒流源，较好的解决了分辨率与量程之间的矛盾，实现了高精度、大量程电流-频率转换，采用相同性能开关条件下大大提高了动态转换范围；本发明采用一个积分器，不对输入信号切换，全量程转换过程中电流信息不丢失，避免了两个积分器交替工作不能良好衔接的问题，具有很高的转换精度。

Description

一种电流频率转换电路

技术领域

本发明涉及一种电流频率转换电路。

背景技术

电流-频率转换电路是应用广泛的一种信号处理电路，尤其是在惯性技术领域。陀螺和加速度计控制电路输出与敏感角速度成比例的电流，为了便于信号处理，往往需要将电流转换为与之成比例的频率信号。传统的电流-频率转换电路原理基于电荷平衡原理，电路将输入电流积分后与标准的离散化的电量进行比较，定时器控制开关动作实现电荷平衡，从而获得频率与输入电流成正比的脉冲信号。这种积分型电荷平衡式转换原理，可对输入信号进行连续测量，不存在离散采样导致的信息丢失问题，因此在惯性仪表中得到广泛应用。

“电流-频率转换类型综述”（导航与控制第8卷第1期2009年2月）一文综述了几种电流-频率转换电路的工作原理及电路组成，文中所述电路均为单一刻度电流-频率转换电路，即输出频率f=K·I，电流分辨率的高低与采样频率和量程相关。提高采样频率可以提高电流分辨率，但是同时会使转换过程中误差项显著增加，将增大转换的零位不稳定性和非线性。因此，对于大量程、高分辨率电流-频率转换，传统电路转换精度极大受到开关性能的影响，开关频率和过渡过程直接影响转换精度。

专利（CN201020551468.7）名为一种基于双积分器的高精度电流频率转换电路，通过增加一路分流模式的电流-频率转换电路实现大量程电流-频率转换。电路复杂，两个积分器交替工作不能良好衔接，存在无法克服的系统误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种高精度、大量程的双刻度因子电流频率转换电路，采用相同性能开关条件下大大提高了动态转换范围。

本发明包括如下技术方案：

一种电流频率转换电路，包括一个积分器，4组开关+K1、+K2、-K1、-K2，4组恒流源+I1、+I2、-I1、-I2，其中|+I1|=|-I1|，|+I2|=|-I2|，且|+I2|≥|+I1|；4组比较器+C1、+C2、-C1、-C2；4组定时器+T1、+T2、-T1、-T2；

比较器+C1的反相输入端接固定门限电压+VT1，比较器+C2的反相输入端接固定门限电压+VT2，比较器-C1的同相输入端接固定门限电压-VT1，比较器-C2的同相输入端接固定门限电压-VT2；输入电流连接到积分器的输入端；积分器将输入电流积分后输出电压信号Vi；所述输出电压信号Vi连接到比较器+C1、+C2的同相输入端和比较器-C1、-C2的反相输入端；比较器+C1的输出端TRG1+连接至定时器+T1的输入端；定时器+T1的输出信号控制开关+K1，同时作为脉冲输出信号-P1；比较器+C2的输出端TRG2+连接到定时器+T2的输入端，定时器+T2的输出信号控制开关+K2，同时作为脉冲输出信号-P2；比较器-C1的输出端TRG1-连接至定时器-T1的输入端，定时器-T1的输出信号控制开关-K1，同时作为脉冲输出信号+P1；比较器-C2的输出端TRG2-连接至定时器-T2的输入端，定时器-T2的输出信号控制开关-K2，同时作为脉冲输出信号+P2；

开关+K1的一端连接到恒流源+I1，另一端连接到积分器的输入端；开关+K2的一端连接到恒流源+I2，另一端连接到积分器的输入端；开关-K1的一端连接到恒流源-I1，另一端连接到积分器的输入端；开关-K2的一端连接到恒流源-I2，另一端连接到积分器的输入端。

门限电压满足|+VT1|=|-VT1|，|+VT2|=|-VT2|，|+VT2|>|+VT1|。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明利用电荷平衡原理，根据输入电流的大小，自动切换与之平衡的恒流源，较好的解决了分辨率与量程之间的矛盾，实现了高精度、大量程电流-频率转换，采用相同性能开关条件下大大提高了动态转换范围；

（2）本发明采用一个积分器，不对输入信号切换，全量程转换过程中电流信息不丢失，避免了两个积分器交替工作不能良好衔接的问题，具有很高的转换精度。

附图说明

图1是本发明的电流-频率转换电路原理框图；

图2是本发明的电流-频率转换电路在某卫星上应用框图；

图3是本发明积分器电路图；

图4是本发明4组开关的控制示意图；

图5是本发明恒流源电路图；

图6是其中一个比较器+C1的电路图；

图7是本发明定时器状态转移图；图8是本发明是信号波形图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，本发明的电流-频率转换电路，包括基于运算放大器的电流积分器，如图3所示；4组开关+K1、+K2、-K1、-K2，它们可以是单片集成电路芯片，本发明的一个实施例如图4所示，或者由半导体分立器件组成；4组恒流源电路+I1、+I2、-I1、-I2，其中|+I1|=|-I1|，|+I2|=|-I2|，且|+I2|≥|+I1|，图5是本发明恒流源的一个实施例；4组比较器+C1、+C2、-C1、-C2，如图6所示，比较器+C1的反相输入端接固定门限电压+VT1，比较器+C2的反相输入端接固定门限电压+VT2，比较器-C1的同相输入端接固定门限电压-VT1，比较器-C2的同相输入端接固定门限电压-VT2，所述门限电压由电阻分压产生，且满足|+VT1|=|-VT1|，|+VT2|=|-VT2|，|+VT2|>|+VT1|；4组定时器+T1、+T2、-T1、-T2，定时器由FPGA或者CPLD实现，其状态转移图如图7所示，初始状态为swinit，输出VF为‘0’，在系统时钟上升沿，检测比较器的输出信号TRG，如果TRG=‘1’，则状态转移到swion状态，否则保持swinit状态，在swion状态输出VF为‘1’，在swion状态启动定时器，定时时间到达高电平定时时间设定值TH时状态转移到swioff状态，否则保持在swion状态，在swioff状态，输出信号VF为‘0’，在swioff状态启动定时器，定时时间到达低电平定时时间设定值TL时状态转移到swinit状态，否则保持在swioff状态，输出信号VF一方面用于控制开关，另一方面作为本发明电流-频率转换的输出。所述定时时间TH、TL一般满足TH≥TL>0，脉冲最高输出频率fmax=1/(TH+TL)。

输入电流连接到积分器I的输入端；积分器I的输出电压为Vi，连接到比较器+C1、+C2的同相输入端和比较器-C1、-C2的反相输入端；比较器+C1、+C2、-C1、-C2的输出端TRG1+、TRG2+、TRG1-、TRG2-分别连接到定时器+T1、+T2、-T1、-T2的输入端；定时器+T1的输出信号控制开关+K1，同时作为本发明脉冲输出信号-P1，定时器+T2的输出信号控制开关+K2，同时作为本发明脉冲输出信号-P2，定时器-T1的输出信号控制开关-K1，同时作为本发明脉冲输出信号+P1，定时器-T2的输出信号控制开关-K2，同时作为本发明脉冲输出信号+P2；开关+K1的一端连接到恒流源+I1，另一端连接到积分器输入端，开关+K2的一端连接到恒流源+I2，另一端连接到积分器输入端，开关-K1的一端连接到恒流源-I1，另一端连接到积分器输入端，开关-K2的一端连接到恒流源-I2，另一端连接到积分器输入端。图8所示，输入电流i为正且较小时，积分器I的输出电压Vi为负，随着电量增加积分电压下降，当积分电压Vi降低到比较器门限值-VT1时，比较器-C1的输出TRG1-由低电平转换为高电平，定时器-T1开始工作，此时输出信号+P1由低电平转换为高电平，使得开关-K1闭合，恒流源-I1与积分器I输入端接通，积分器I反相放电，积分电压Vi逐渐上升；经过固定时间TH，定时器-T1的输出+P1变为低电平，恒流源-I1与积分器I输入端断开，+P1端输出一个脉冲，积分电压Vi再次逐渐下降，当积分电压Vi降低到比较器门限值-VT1时，重复上述动作过程；在这种情况下，电流-频率转换电路只有+P1有脉冲信号输出，+P2无脉冲输出。图8所示，随着输入电流i增大时，积分器I的输出电压Vi下降速度增加，开关-K1即使以最高频率动作，仍然不能平衡积分电量，积分电压Vi越过-VT1继续下降，当降低到比较器门限值-VT2时，比较器-C2的输出TRG2-由低电平转换为高电平，定时器-T2开始工作，此时输出信号+P2由低电平转换为高电平，使得开关-K2闭合，恒流源-I2与积分器I输入端接通，积分器I反相放电，积分电压Vi才得以上升；经过固定时间TH，定时器-T2的输出+P2变为低电平，恒流源-I2与积分器I输入端断开，+P2端输出一个脉冲，积分电压Vi再次逐渐下降，当积分电压Vi降低到比较器门限值-VT2时，重复上述动作过程。在这种情况下，电流-频率转换电路+P1、+P2均有脉冲信号输出。

同理，当输入电流i流出积分器I时，比较器+C1、+C2，定时器+T1、+T2，开关+K1、+K2按照上述过程动作，实现负电流的转换。

恒流源电流大小、定时时间TH、TL等参数可根据具体要求灵活选择。

总之，在输入电流绝对值较小时，积分器输出不会触发比较器+C2、-C2，开关+K2与-K2关断，电荷平衡由恒流源+I1、-I1及开关+K1、-K1实现，定时器+T2、-T2不工作，对应的脉冲输出电路+P2、-P2没有信号输出，脉冲输出+P1和脉冲输出-P1的频率与输入电流正比，电路工作在小量程档，具有较高的分辨率。在输入电流绝对值较大时，恒流源+I1、-I1不能保持电荷平衡，积分器输出将触发比较器+C2、-C2（同时触发比较器+C1、-C1），定时器+T1、+T2、-T1、-T2将分别控制开关+K1、-K1、+K2、-K2动作，电路自动实现大输入电流转换。

对上述4组脉冲输出+P1、+P2、-P1、-P2进行计数，其频率分别记作f₊₂、f₊₁、f_-1、f_-2，则输入电流与脉冲输出频率有如下关系：

i=K₁(f₊₁-f_-1)+K₂(f₊₂-f_-2)，其中，K1、K2为两个刻度因子，且K₂≥K₁，刻度因子是电流-频率转换的分辨率，可根据量程和最高输出频率合理选择。

如T时间内4组脉冲计数值为N₊₂、N₊₁、N_-1、N_-2，则输入电流的积分与计数值有如下关系：

${\∫}_t^{t+T}\mathrm{idt}=K_1(N_{+1}-N_{-1})+K_2\left(N_{+2}\text{-}{N}_{-1}\right).$

本发明中两个刻度因子可根据需要灵活调整，如在某型陀螺产品中，要求分辨率2.2×10^-5°/脉冲，量程-6～+6°/s，如按照传统电流-频率转换电路，最高输出频率将达到273kHz，脉冲宽度1.8μs，现有开关无法满足该频率范围内精度要求；图2所示，按照本发明实施，设计K1=2.2×10^-5°/脉冲，K2=6×10^-5°/脉冲，开关最高工作频率100kHz，即可满足要求。4组计数器对电流-频率转换输出的脉冲信号计数，通过星载计算机可以获得一个控制周期内的平均电流及电流积分值，进而可以获得角速度和角度。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种电流频率转换电路，其特征在于，包括一个积分器，4组开关+K1、+K2、-K1、-K2，4组恒流源+I1、+I2、-I1、-I2，其中|+I1|=|-I1|，|+I2|=|-I2|，且|+I2|≥|+I1|；4组比较器+C1、+C2、-C1、-C2；4组定时器+T1、+T2、-T1、-T2；

比较器+C1的反相输入端接固定门限电压+VT1，比较器+C2的反相输入端接固定门限电压+VT2，比较器-C1的同相输入端接固定门限电压-VT1，比较器-C2的同相输入端接固定门限电压-VT2，所述门限电压满足|+VT1|=|-VT1|，|+VT2|=|-VT2|，|+VT2|>|+VT1|；

输入电流连接到积分器的输入端；积分器将输入电流积分后输出电压信号Vi；所述输出电压信号Vi连接到比较器+C1、+C2的同相输入端和比较器-C1、-C2的反相输入端；比较器+C1的输出端TRG1+连接至定时器+T1的输入端；定时器+T1的输出信号控制开关+K1，同时作为脉冲输出信号-P1；比较器+C2的输出端TRG2+连接到定时器+T2的输入端，定时器+T2的输出信号控制开关+K2，同时作为脉冲输出信号-P2；比较器-C1的输出端TRG1-连接至定时器-T1的输入端，定时器-T1的输出信号控制开关-K1，同时作为脉冲输出信号+P1；比较器-C2的输出端TRG2-连接至定时器-T2的输入端，定时器-T2的输出信号控制开关-K2，同时作为脉冲输出信号+P2；

开关+K1的一端连接到恒流源+I1，另一端连接到积分器的输入端；开关+K2的一端连接到恒流源+I2，另一端连接到积分器的输入端；开关-K1的一端连接到恒流源-I1，另一端连接到积分器的输入端；开关-K2的一端连接到恒流源-I2，另一端连接到积分器的输入端。

2.根据权利要求1所述的电流频率转换电路，其特征在于，

门限电压满足|+VT1|=|-VT1|，|+VT2|=|-VT2|，|+VT2|>|+VT1|。

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