CN108494407A - 一种电压到时间的转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压到时间的转换电路，包括：依次连接的启动控制电路、反相积分电路、门控比较电路、时钟选通电路和计数器；启动控制电路根据启动脉冲的下降沿控制反相积分电路开始积分，使得反相积分电路输出第一电压信号；当被转换电压信号小于第一电压信号时，门控比较电路输出高电平以控制时钟选通电路输出时钟脉冲，使得所述计数器计数；当被转换电压信号大于或等于第一电压信号时，门控比较电路输出低电平以控制时钟选通电路输出低电平，使得计数器停止计数，得到数字时间信号。采用本发明的转换电路可有效提高电压信号转换成数字时间信号的转换精度，降低转换成本。

Description

一种电压到时间的转换电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电压到时间的转换电路。

背景技术

在工业自动化生产及环境监控应用场景中，通常需要利用传感器技术对温度、压力或流量等物理参数进行测量得到电压信号，进而对电压信号进行转换、传输、处理等对被控对象进行控制。然而，由于被测量对象往往受结构或环境的限制，通常距离控制器的距离较远，或者被控对象距离控制器较远，因而会导致测量的电压信号与控制器之间的距离较远，或者控制器与被控对象之间的距离较远，因而需要对电压信号或控制信号进行传输。为了提高传输过程中的抗干扰能力，现有技术通常会将电压信号转化成时间信号来进行传输。

目前，将电压信号转换为时间信号通常利用电路先将电压信号转换成模拟的时间信号，再将模拟的时间信号转换成数字信号，多次转换降低转换精度，增加了转换成本。

发明内容

针对上述问题，本发明的一种电压到时间的转换电路，可有效提高电压信号转换成数字时间信号的转换精度，降低了转换成本。

为解决上述技术问题，本发明的一种电压到时间的转换电路，包括：

依次连接的启动控制电路、反相积分电路、门控比较电路、时钟选通电路和计数器；其中，被转换电压信号输入至所述门控比较电路中；

启动脉冲同时输入至所述启动控制电路的输入端和所述计数器的复位端，以使所述反相积分电路和所述计数器复位；

所述启动控制电路根据所述启动脉冲的下降沿控制所述反相积分电路开始积分，使得所述反相积分电路输出第一电压信号；

当被转换电压信号小于第一电压信号时，所述门控比较电路输出高电平以控制所述时钟选通电路输出时钟脉冲，使得所述计数器计数；

当所述被转换电压信号大于或等于所述第一电压信号时，所述门控比较电路输出低电平以控制所述时钟选通电路输出低电平，使得所述计数器停止计数，得到数字时间信号。

作为上述方案的改进，所述反相积分电路包括第一运算放大器、第一电阻、负基准电源和电容；其中，

所述第一运算放大器的同相输入端接地，反相输入端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述负基准电源的负极连接，所述负基准电源的正极接地，所述负基准电源的电压幅值小于所述启动脉冲的电压幅值；所述电容连接于所述反相输入端与输出端之间。

作为上述方案的改进，所述启动控制电路包括第二电阻、第一二极管和第二二极管；其中，

所述第二电阻的第一端用于输入所述启动脉冲，所述第二电阻的第二端与所述第一二极管的阳极连接；所述第一二极管的阴极分别与所述第一运算放大器的反相输入端及所述第二二极管的阳极连接；所述第二二极管的阴极连接至所述第一运算放大器的输出端。

作为上述方案的改进，所述第二电阻阻值为所述第一电阻阻值的1/100。

作为上述方案的改进，所述门控比较电路包括第一电压比较器和第二电压比较器；所述时钟选通电路为逻辑与门，所述逻辑与门包括第一输入端、第二输入端和第三输入端和一个输出端；其中，

所述第一电压比较器的反相输入端接地，同相输入端与所述第二电压比较器的反相端连接并与所述反相积分电路的输出端连接，输出端与所述逻辑与门的第一输入端连接；

所述第二电压比较器的同相输入端用于输入所述被转换电压信号，输出端与所述逻辑与门的第二输入端连接；

所述逻辑与门的第三输入端用于输入时钟脉冲，所述逻辑与门的输出端与所述计数器时钟控制端连接。

与现有技术相比，本发明的一种电压到时间的转换电路具有以下有益效果：

(1)利用依次连接的启动控制电路、反相积分电路、门控比较电路、时钟选通电路和计数器将被转换电压信号直接转换为数字时间信号，减少电压信号到时间数字信号的转化次数，提高转换效率；

(2)本发明的转换电路结构简单、成本低，在测量速度要求不高的情况下，可实现被转换电压信号与时间间隔T之间具有良好的线性特征关系，进而得到线性特征的数字时间信号，提高电压信号到数字时间信号的转换精度，增加抗干扰能力

附图说明

图1是本发明实施例1的一种电压到时间的转换电路的结构示意图。

图2是本发明实施例1中各个电路的结构示意图。

图3是本发明实施例1中转换电路工作时的波形示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

如图1所示，是本发明实施例1的一种电压到时间的转换电路，包括：依次连接的启动控制电路1、反相积分电路2、门控比较电路3、时钟选通电路4和计数器5；其中，启动脉冲同时输入至启动控制电路1的输入端和计数器5的复位端Cr，以使反相积分电路2和计数器5复位；启动控制电路1根据启动脉冲的下降沿控制反相积分电路2开始积分，使得反相积分电路2输出第一电压信号；其中，被转换电压信号输入至门控比较电路3中。当被转换电压信号小于第一电压信号时，门控比较电路3输出高电平以控制时钟选通电路4输出时钟脉冲，使得计数器5计数；当被转换电压信号大于或等于第一电压信号时，门控比较电路3输出低电平以控制时钟选通电路4输出低电平，使得计数器5停止计数，得到数字时间信号。

具体地，如图2所示，反相积分电路2包括第一运算放大器A₁、第一电阻R₁，电容C和负基准电源-E₁；启动控制电路1包括第二电阻R₂、第一二极管D₁和第二二极管D₂；其中，第一运算放大器A₁的同相输入端接地，反相输入端与第一电阻R₁的第一端连接，第一电阻R₁的第二端与负基准电源-E₁的负极连接，负基准电源-E₁的接地，负基准电源-E₁的电压幅值E₁小于启动脉冲的电压幅值；电容C连接于第一运算放大器A₁的反相输入端与输出端之间；第二电阻R₂的第一端用于输入启动脉冲，第二电阻R₂的第二端与第一二极管D₁的阳极连接；第一二极管D₁的阴极分别与第一运算放大器A₁的反相输入端及第二二极管D₂的阳极连接；第二二极管D₂的阴极连接至第一运算放大器A₁的输出端。

优选地，第二电阻R₂的阻值为第一电阻R₁的阻值的1/100，即R₂＝1/100R₁。

进一步地，门控比较电路3包括第一电压比较器A₂和第二电压比较器A₃；时钟选通电路4为逻辑与门41，包括第一输入端B、第二输入端A和第三输入端C和一个输出端；其中，第一电压比较器A₂的反相输入端接地，其同相输入端与第二电压比较器A₃的反相端连接并与反相积分电路2的输出端连接，第一电压比较器A₂的输出端与逻辑与门41的第一输入端B连接；第二电压比较器A₃的同相输入端用于输入被转换电压信号U_i，第二电压比较器A₃的输出端与逻辑与门41的第二输入端A连接；逻辑与门41的第三输入端C用于输入时钟脉冲。

进一步地，逻辑与门41的输出端与计数器5的时钟控制端CP连接，以控制计数器5计数。

在上述具体实施方式中，启动脉冲周期性地输入至启动控制电路1的输入端和计数器5的复位端，下面结合附图2和附图3对启动脉冲1个周期内的电压到时间的转换过程进行详细说明。

当启动脉冲位于高电平“1”状态时，一方面使得计数器5复位清零；另一方面，启动控制电路1中的第一二极管D₁导通，由于启动脉冲的电压幅值大于负基准电压-E₁的电压幅值，且第二电阻R₂的阻值为第一电阻R₁的阻值的1/100，因此，第一电流远大于第二电流，其中，第一电流为经第二电阻R₂和第一二极管D₁流入第一运算放大器A₁反相输入端的电流，第二电流为经第一电阻R₁和负基准电压-E₁流出第一运算放大器A₁反相输入端的电流，从而促使第二二极管D₂导通，使得电容C两端的电压被复位为0，反相积分电路2经输出端输出的第一电压信号U_O1为“0”；再者，由于第一电压信号U_O1＝0且U_O1<U_i，则门控比较器3中的第一电压比较器A₂输出的第二电压信号U_O2为“0”、第二电压比较器A₃输出的第三电压信号U_O3为“1”，使得逻辑与门41向计数器5的时钟控制端CP输出低电平，计数器5保持在清零状态。

当启动脉冲从高电平下降到低电平(即启动脉冲的下降沿)状态时，第一二极管D₁和第二二极管D₂截止，反相积分电路2在负基准电源-E₁的作用下开始积分，第一运算放大器A₁的输出的第一电压信号U_O1>0，此时，电压比较器3中的第一电压比较器A₂输出的第二电压信号U_O2为“1”，第二电压比较器A₃输出的第三电压信号U_O3为“1”，使得逻辑与门41输出时钟脉冲，即加到计数器5的时钟控制端CP的是时钟脉冲，计数器5开始计数。

当启动脉冲为保持低电平状态时，反相积分电路2中第一运算放大器A₁在负基准电源-E₁的作用下继续积分，在第一运算放大器A₁输出端输出的第一电压信号U_O1≧U_i时，第一电压比较器A₂输出的第二电压信号U_O2为“1”，第二电压比较器A₃输出的第三电压信号U_O3为“0”，使得逻辑与门41输出为“0”，即加到计数器5的时钟控制端CP的是低电平，计数器5停止计数，计数器5得到数字输出量N，完成一次电压到时间信号的转换。

当启动脉冲为继续保持低电平状态时，反相积分电路2在负基准电源-E₁的作用下继续积分，直至反相积分电路2输出的第一电压信号U_O1饱和为止(即反相积分电路2反相积分到工作电压E)；当下一个启动脉冲输入时，开始另一次新的转换过程。

如图3所示，由于在计数器5开始计数到停止计数的时间间隔T内，反相积分电路2输出的第一电压信号U_O1变化是一条从0到U_i且斜率为1/R₁C的直线，其中，E表示第一运算放大器A₁的工作电压，因而，在计数器5开始计数到停止计数的时间间隔T内，得到当时钟脉冲的频率为f_i时，则计数器5得到的计数N可表示为其中，R₁、C、E₁和f_i均是选择的已知量，因此，时间间隔T与被转换电压信号U_i成正比关系，进而在时间间隔T内，计数器5的数字输出量N与被转换电压信号U_i成正比关系，实现电压信号到数字时间信号的转换。

与现有技术相比，本发明的一种电压到时间的转换电路具有以下有益效果：

(1)利用依次连接的启动控制电路、反相积分电路、门控比较电路、时钟选通电路和计数器将被转换电压信号直接转换为数字时间信号，减少电压信号到时间数字信号的转化次数，提高转换效率；

(2)本发明的转换电路结构简单、成本低，在测量速度要求不高的情况下，可实现被转换电压信号与时间间隔T之间具有良好的线性特征关系，进而得到线性特征的数字时间信号，提高电压信号到数字时间信号的转换精度，增加抗干扰能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种电压到时间的转换电路，其特征在于，包括：

依次连接的启动控制电路、反相积分电路、门控比较电路、时钟选通电路和计数器；其中，被转换电压信号输入至所述门控比较电路中；

启动脉冲同时输入至所述启动控制电路的输入端和所述计数器的复位端，以使所述反相积分电路和所述计数器复位；

所述启动控制电路根据所述启动脉冲的下降沿控制所述反相积分电路开始积分，使得所述反相积分电路输出第一电压信号；

当被转换电压信号小于第一电压信号时，所述门控比较电路输出高电平以控制所述时钟选通电路输出时钟脉冲，使得所述计数器计数；

当所述被转换电压信号大于或等于所述第一电压信号时，所述门控比较电路输出低电平以控制所述时钟选通电路输出低电平，使得所述计数器停止计数，得到数字时间信号。

2.如权利要求1所述的转换电路，其特征在于，所述反相积分电路包括第一运算放大器、第一电阻、负基准电源和电容；其中，

所述第一运算放大器的同相输入端接地，反相输入端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述负基准电源的负极连接，所述负基准电源的正极接地，所述负基准电源的电压幅值小于所述启动脉冲的电压幅值；所述电容连接于所述反相输入端与输出端之间。

3.如权利要求2所述的转换电路，其特征在于，所述启动控制电路包括第二电阻、第一二极管和第二二极管；其中，

所述第二电阻的第一端用于输入所述启动脉冲，所述第二电阻的第二端与所述第一二极管的阳极连接；所述第一二极管的阴极分别与所述第一运算放大器的反相输入端及所述第二二极管的阳极连接；所述第二二极管的阴极连接至所述第一运算放大器的输出端。

4.如权利要求3所述的转换电路，其特征在于，所述第二电阻阻值为所述第一电阻阻值的1/100。

5.如权利要求1所述的转换电路，其特征在于，所述门控比较电路包括第一电压比较器和第二电压比较器；所述时钟选通电路为逻辑与门；

所述逻辑与门包括第一输入端、第二输入端和第三输入端和一个输出端；其中，

所述第一电压比较器的反相输入端接地，同相输入端与所述第二电压比较器的反相端连接并与所述反相积分电路的输出端连接，输出端与所述逻辑与门的第一输入端连接；

所述第二电压比较器的同相输入端用于输入所述被转换电压信号，输出端与所述逻辑与门的第二输入端连接；

所述逻辑与门的第三输入端用于输入时钟脉冲，所述逻辑与门的输出端与所述计数器的时钟控制端连接。