CN109714054B - 恒流源电路及具有恒流源电路的三元离散i/f模数转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种恒流源电路及具有恒流源电路的三元离散I/F模数转换电路，电路设计上选用高精度自稳定高精度恒流源设计，其是一个负反馈自动调整系统，包括稳压电路、反馈输出电路及用于屏蔽稳压电路的屏蔽系统；通过负反馈调整系统达到恒定电流的目的。保证基准稳压管1000小时失调电压漂移≤5uV，对IF电路稳定性来讲，其影响为10‑7量级，保证了本发明中电路的稳定性精度。

Description

恒流源电路及具有恒流源电路的三元离散I/F模数转换电路

技术领域

本发明属于模数转化领域，具体涉及一种恒流源电路及具有该恒流源电路的三元离散I/F模数转换电路。

背景技术

在以陀螺仪和加速度计为基础组成的捷联惯性测量装置中，为实现输出数字化，在陀螺仪和加速度计的输出端增加了I/F转换器，它将陀螺仪、加速度表敏感的模拟量信号转换为数字量脉冲，送往弹上计算机。随着航天技术的进一步发展，对同惯性仪表紧密联系的I/F转换器提出了更高的精度要求。

I/F转换电路有两种常用类型：多谐振荡器式和电荷平衡式。由于电荷平衡式比多谐振荡式的转换电路精度明显高，因此在惯导系统中多采用电荷平衡式的I/F转换电路。电荷平衡式的I/F转换电路，包括：积分电路、比较电路、基准电压电路、频标电路、逻辑控制电路、开关电路、恒流源基准电路、整形电路、输出驱动电路。模拟电流信号输入到积分电路经过积分电路模块的处理后，输出到比较电路与基准电压进行比较处理后，输出高低电平信号，该信号进入逻辑控制电路的输入端，同时频标电路输出标准的频率信号至逻辑控制电路的另一个的输入端，两路信号经过逻辑控制电路的处理后，其输出分成两路，一路输出控制信号至开关电路，开关电路根据该控制信号控制恒流源基准电路与积分电路的连通或断开；另一路输出检测信号至整形电路的输入端，经过处理后通过输出驱动电路输出频率信号。在这种电路中，模数转换电路上三路模数转换电路采用三个独立恒流源及供电电源设计，将导致其中一个恒流源变化将通过电源耦合影响到其他两路的恒流源变化，即影响到模数转换电路输出。此IF转换电路依据数据可知，其稳定性为5.1×10^-5，线性度为4.5×10^-5，对称性为7.9×10^-5，相比较精度略差。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于三元离散I/F模数转换电路的恒流源及该三元离散I/F模数转换电路，解决解决了供电电源对IF转换电路的影响，抗干扰能力显著提高。

本发明的技术解决方案是提供一种恒流源电路，其特殊之处在于：包括稳压电路、反馈输出电路及用于屏蔽稳压电路的屏蔽系统；

上述稳压电路包括基准稳压管V_Z与第一运算放大器N1，上述基准稳压管与第一运算放大器N1的同相输入端电连接，第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1接地；第一运算放大器的输出端通过电阻R2与反相输入端电连接；

上述反馈输出电路包括第二运算放大器N2与功放；

上述功放包括场效应开关管V1、三极管V2；三极管V2的集电极与场效应开关管V1的漏极电连接，作为电流输出端；

上述第二运算放大器N2的同相输入端与基准稳压管V_Z输出端及第一运算放大器的同相输入端电连接，上述第二运算放大器N2的输出端与场效应开关管V1的栅极电连接，场效应开关管V1的源极与三极管V2的基极通过电阻R5与第二运算放大器N2的反相输入端电连接，三极管V2的发射极通过电阻R6与第二运算放大器N2的反相输入端电连接；

第二运算放大器N2的反相输入端通过精密电阻器RST接地。

进一步地，为了滤除基准稳压管上的干扰，该恒流源电路还包括并联在基准稳压管V_Z两端的电容器C1与C2。

进一步地，通过第一运算放大器N1将基准稳压管电压V_Z反馈输出后不受供电电源变化的影响，第一运算放大器N1输出为V_O＝(1+R₂)V_Z/R₁，通过公式可知V_O不随电源电压变化而变化，且保证V_O恒定，同时通过V_O-V_Z的电压恒定以保证流过V_O的电流恒定，最终保证V_Z不受电源的影响及其稳定性。

进一步地，为了保证第一运算放大器N1反馈时工作稳定性，还包括并联在R2两端的电容器C3。

进一步地，为了消除磁对恒流源基准稳压管的影响，上述屏蔽系统为采用软磁合金材料制成的罩体，安装在稳压电路所在区域上。

进一步地，还包括温控系统，上述温控系统用于反馈控制恒流源电路温度。采用铂电阻作为温度敏感元件，通过调理电路将铂电阻敏感到的温度信号转化为电压信号，该信号与目标值进行PID控制运算，驱动VMOS管控制加温量。加温器件直接采用VMOS管管芯，通过控制管芯发热量来控制恒流源温度。

进一步地，为保证恒流源的运算放大器N2及场效应开关管V1工作状态的稳定，在第二运算放大器N2的输出端与场效应开关管V1的栅极之间通过电阻R₄电连接，降低输出噪声对场效应开关管V1的影响。

进一步地，还包括并联在R_ST两端的电容器C4，利用电容器C4作用平滑开关频率死区带来的振荡，以保证恒流源工作于平稳状态。

进一步地，基准稳压管采用自稳定高精密基准稳压管LM199AH/883。

本发明还提供一种高精度三元离散I/F模数转换电路，包括积分电路、数字逻辑电路、正模拟开关电路、负模拟开关电路、正恒流源电路、负恒流源电路、频率源及输出电路；其特殊之处在于：

上述正恒流源电路与负恒流源电路采用上述的恒流源电路；

上述积分电路的输入端为模拟电流信号输入端；

正恒流源电路的输出端与正模拟开关电路电连接，负恒流源电路的输出端与负模拟开关电路电连接；所述数字逻辑电路的输出端分别与正模拟开关电路及负模拟开关电路、输出电路电连接；所述频率源的输出端分别与数字逻辑电路及输出电路电连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明IF转换电路采用离散电荷平衡拓扑结构，本电路为三个模数转换通道供用一个恒流源电路及供电电源设计，即三个通道为一个恒流源电路及供电电源设计共同工作，不涉及相互之间的耦合影响，解决了供电电源耦合对IF转换电路的影响，抗干扰能力显著提高。高精度三元离散IF转换电路采用离散电荷平衡式I/F转换器来实现高精度转换。

2、恒流源电路分三部分组成，基准产生电路，跟随采样电路及功率放大电路，其工作原理如下：

基准产生电路的主要功能为通过运算放大器N1完成自反馈功能，保证基准稳压管电压Vz不受时间、温度及电源的影响，其输出电压精度较高。通过跟随采样电路完成基准稳压管电压Vz的电压跟随至精密电阻器Rst上，转换成采样电阻上的电流，即Io＝Vz/Rst。功率放大电路将输出恒流源电流Io通过功率晶体管放大提供足够的电流输出，并保证输出恒流源具有较高的稳定性。

3、本电路输入电流Ia(t)对电流积分器积分(电荷存储)，而反馈电流脉冲以量化电荷形式对积分器进行反积分(电荷释放)。而量化电荷是通过输出脉冲控制送入积分器的，积分器处于动态平衡中，即它储存有限量电荷。因而一定时间内，输入Ia(t)产生电荷总量应与反馈的量化电荷总量近似相等。从而实现了量化电荷的个数正比于输入电流的关系。即达到了模数转换的目的。电路中的量化电荷为恒流源电路输出的电流在积分电容器上的表现形式，本电路中三个模数转换通道，其供用一个恒流源电路及供电电源设计，不涉及相互之间的耦合影响。

附图说明

图1为本发明三元离散I/F模数转换电路功能框图；

图2为本发明恒流源电路原理框图；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

从图1可以看出，本发明三元离散I/F模数转换电路由积分器、继电环节、数字逻辑电路、模拟开关、恒流源、频率源及输出电路组成。

积分电路的输入端为模拟电流信号输入端；正恒流源电路的输出端与正模拟开关电路电连接，负恒流源电路的输出端与负模拟开关电路电连接；数字逻辑电路的输出端分别与正模拟开关电路及负模拟开关电路、输出电路电连接；频率源的输出端分别与数字逻辑电路及输出电路电连接。输入电流Ia(t)对电流积分器积分(电荷存储)，而反馈电流脉冲以量化电荷形式对积分器进行反积分(电荷释放)。而量化电荷是通过输出脉冲控制而一个一个地送入积分器的，积分器处于动态平衡中，即它储存有限量电荷。因而一定时间内，输入Ia(t)产生电荷总量应与反馈的量化电荷总量近似相等。从而实现了量化电荷的个数正比于输入电流的关系。即达到了模数转换的目的。当外输入电流为零时，反馈脉冲电流为零；当外输入电流为正时，反馈电流只有负电流脉冲；当外输入电流为负时，反馈电流只有正电流脉冲。

本发明采用自稳定高精度恒流源，其是一个负反馈自动调整系统，通过负反馈调整系统达到恒定电流的目的。采用高精密基准稳压管及低输入失调运算放大器和精密电阻器完成自稳定高精度恒流源设计，其自稳定高精度恒流源工作原理框图如图2所示(正向、负向恒流源原理图类似)，包括稳压电路及反馈输出电路。

稳压电路包括基准稳压管V_Z与第一运算放大器N1，基准稳压管V_Z两端并联电容器C1和电容器C2，基准稳压管与第一运算放大器N1的同相输入端电连接，第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1接地；第一运算放大器的输出端通过电阻R2与反相输入端电连接；第一运算放大器的输出端通过电阻R3与同相输入端电连接，电阻R2两端并联电容器C3。C1和C2电容器是将基准稳压管上的干扰滤除，以保证基准稳压管V_Z电压的稳定性，通过第一运算放大器N1将基准稳压管电压V_Z反馈输出后不受供电电源变化的影响，其运放输出为V_O＝(1+R2)V_Z/R1，设置R2和R1阻值，使V_O≈V_Z。电容器C3以保证运放反馈时工作稳定。本发明对此单元电路增加屏蔽系统，采用软磁合金材料制作成一个屏蔽罩，安装至恒流源电路上，消除磁对恒流源基准稳压管的影响。

本发明基准稳压管采用自稳定高精密基准稳压管LM199AH/883，普通稳压管是在半导体的表面产生齐纳击穿的，因此噪声电压高，稳定性差。本发明自稳定高精密基准稳压管采用次表面隐埋技术在半导体内部的次表面上发生齐纳击穿，使器件的噪声电压显著降低，稳定性大为提高。此器件的基准电压，就是采用次表面隐埋技术制成的齐纳稳压管来提供的，具有长期稳定性好、噪声电压低等优点。此外它还具有恒温特性，只要环境温度TA＜90℃，就能消除温度变化对基准电压的影响，使αT＝0.3×10－6/℃(典型值)。保证基准稳压管1000小时失调电压漂移≤5uV，对三元IF转换电路稳定性来讲，其影响为10-7量级。

反馈输出电路包括第二运算放大器N2与功放；功放包括场效应开关管V1、三极管V2；三极管V2的集电极与场效应开关管V1的漏极电连接，作为电流输出端；

第二运算放大器N2的同相输入端与基准稳压管V_Z的输出端及第一运算放大器N1的同相输入端电连接，第二运算放大器N2的输出端通过电阻R4与场效应开关管V1的栅极电连接，场效应开关管V1的源极与三极管V2的基极通过电阻R5与第二运算放大器N2的反相输入端电连接，三极管V2的发射极通过电阻R6与第二运算放大器N2的反相输入端电连接；第二运算放大器N2的反相输入端通过精密电阻器R_ST接地。精密电阻器R_ST两端并联电容器C4。在后级电路中，采用第二运算放大器N2将基准电压Vz跟随到输出端，即精密电阻器R_ST两端。通过场效应开关管V1和三极管V2，完成功放作用(即放大输出)，完成恒流源电流的输出。为保证恒流源运放及场效应开关管V1工作状态的稳定，在第二运算放大器N2输出端接入R4电阻，降低输出噪声对场效应开关管V1的影响。同时，在三极管V2的E极，增加电阻R6，降低三极管V2的功耗，保证三极管V2处于低功耗状态，可保证稳定性。电阻器R5跨接器件V2的B、E结之间，提高器件V2的开关速度，同时保证V1和V2的工作点，保证了恒流源Io输出的稳定性即保证了三元IF转换电路的稳定性，同时可提高三元IF转换电路的线性度。

高精度第二运算放大器N2将VZ电压跟随输出到精密电阻器RST上，完成恒流源Io输出的作用，Io即等于VZ/RST的比值。在精密电阻器R_ST应用时，RST两端并联电容器C4，利用电容器作用平滑开关频率死区带来的振荡，以保证恒流源工作于平稳状态。

采用自稳定高精度恒流源，现供电电源对IF转换电路无影响，IF转换电路抗干扰能力显著提高。且该IF转换电路零位始终为“0”，保证更好的零位稳定性。对IF转换电路进行测试，根据如下公式进行精度计算，

线性度计算公式如下：

式中：

M+—测试数据归一化的极差；

—测试数据归一化的平均值。

注：归一化为数据折合成统一的电流时计算。

对称性计算公式如下：

式中：

—负脉冲和正脉冲，测试数据的平均值。

当量稳定性计算公式如下：

式中：

—测试数据的平均值；

N0—测试数据的极差。

根据上述公式计算出IF转换电路的各项精度指标如下若是零位稳定性优于5×10-6，当量稳定性优于1×10-5，线性度优于2×10-5，对称性优于2×10-5。零位稳定性与当量稳定性计算公式同样可计算。

Claims (10)

1.一种恒流源电路，其特征在于：包括稳压电路、反馈输出电路及用于屏蔽稳压电路的屏蔽系统；

所述稳压电路包括基准稳压管V_Z与第一运算放大器N1，所述基准稳压管与第一运算放大器N1的同相输入端电连接，第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1接地；第一运算放大器的输出端通过电阻R2与反相输入端电连接；

所述反馈输出电路包括第二运算放大器N2与功放；

所述功放包括场效应开关管V1、三极管V2；三极管V2的集电极与场效应开关管V1的漏极电连接，作为电流输出端；

所述第二运算放大器N2的同相输入端与基准稳压管V_Z输出端及第一运算放大器的同相输入端电连接，所述第二运算放大器N2的输出端与场效应开关管V1的栅极电连接，场效应开关管V1的源极与三极管V2的基极通过电阻R5与第二运算放大器N2的反相输入端电连接，三极管V2的发射极通过电阻R6与第二运算放大器N2的反相输入端电连接；

第二运算放大器N2的反相输入端通过精密电阻器RST接地。

2.根据权利要求1所述的恒流源电路，其特征在于：还包括并联在基准稳压管V_Z两端的电容器C1与C2。

3.根据权利要求2所述的恒流源电路，其特征在于：R₂和R₁阻值满足：V_O＝(1+R₂)V_Z/R₁，使V_O≈V_Z，其中V_O为第一运算放大器输出。

4.根据权利要求2所述的恒流源电路，其特征在于：还包括并联在R2两端的电容器C3。

5.根据权利要求1所述的恒流源电路，其特征在于：所述屏蔽系统为采用软磁合金材料制成的罩体，安装在稳压电路所在区域上。

6.根据权利要求1所述的恒流源电路，其特征在于：还包括温控系统，所述温控系统用于反馈控制恒流源电路温度。

7.根据权利要求1所述的恒流源电路，其特征在于：第二运算放大器N2的输出端与场效应开关管V1的栅极之间通过电阻R₄电连接。

8.根据权利要求1所述的恒流源电路，其特征在于：还包括并联在电阻R_ST两端的电容器C4。

9.根据权利要求1所述的恒流源电路，其特征在于：基准稳压管采用自稳定高精密基准稳压管LM199AH/883。

10.一种高精度三元离散I/F模数转换电路，包括积分电路、数字逻辑电路、正模拟开关电路、负模拟开关电路、正恒流源电路、负恒流源电路、频率源及输出电路；其特征在于：

所述正恒流源电路与负恒流源电路采用权利要求1-8任一所述的恒流源电路；

所述积分电路的输入端为模拟电流信号输入端；正恒流源电路的输出端与正模拟开关电路电连接，负恒流源电路的输出端与负模拟开关电路电连接；所述数字逻辑电路的输出端分别与正模拟开关电路及负模拟开关电路、输出电路电连接；所述频率源的输出端分别与数字逻辑电路及输出电路电连接。

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