CN109885121A - 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，包括积分器、逻辑控制电路、恒流源、模拟电子开关和温度补偿电路；积分器输入端连接输入电流，输出端连接逻辑控制电路；逻辑控制电路的控制信号输出端连接模拟电子开关，逻辑控制电路上还设置用于输出数字脉冲频率的数字输出端以及用于输入外接时钟的时钟输入端；模拟电子开关一端连接恒流源输出端，另一端连接积分器输入端；温度补偿电路与恒流源的调整端口连接。通过温度补偿电路直接改变基准电压，从而改变恒流源输出，补偿整个电路的温度变化，保证电流/频率转换电路很好的温度系数。不依赖单个器件的指标，极大的提高了电路的温度系数。同时，线路结构简单，不会影响转换器的稳定性。

Description

一种电流/频率转换电路

技术领域

本发明属于电流/频率转换领域，涉及一种电流/频率转换电路。

背景技术

电流/频率转换器具有较高分辨率、抗干扰能力强等特点，广泛用于惯性导航系统中加速度计、陀螺信号的转换。作为信号转换的电路，较好的线性度、温度系数等参数是必不可少的。但环境温度的变化会造成半导体器件内部载流子发生变化，直接影响到器件的参数特性，对于这种高精度转换电路影响更为明显。转换器的温度系数直接影响到系统的标度因数温度系数，影响导航精度。未进行温度补偿的电流/频率转换电路温度系数在(10—50)ppm/℃。

文献“董明杰，汪渤，石永生，高志峰.高精度V/F转换电路的温度补偿方法[J].兵工学报，2011年6月第32卷第6期”公开了一种通过改变V/F转换电路中开关三极管基极注入电流，补偿温度系数。但是，这种方法调试困难，完全通过大量实验数据线性拟合得到；同时，由于分立器件参数的离散性，难以应用于工程实践中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电流/频率转换电路。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种电流/频率转换电路，包括积分器、逻辑控制电路、模拟电子开关、恒流源和温度补偿电路；

积分器输入端连接输入电流，输出端连接逻辑控制电路；逻辑控制电路的控制信号输出端连接模拟电子开关，逻辑控制电路上还设置用于输出数字脉冲频率的数字输出端以及用于输入外接时钟的时钟输入端；模拟电子开关一端连接恒流源输出端，另一端连接积分器输入端；温度补偿电路与恒流源的调整端口连接；

积分器用于对输入电流进行积分并输出电压三角波至逻辑控制电路；

逻辑控制电路用于将积分器输出的电压三角波与预设的固定电平比较，将电压三角波转换为数字逻辑电平，当数字逻辑电平达到逻辑控制电路的逻辑高电平后，输出预设宽度的高电平控制信号至模拟电子开关；

模拟电子开关用于当接收到逻辑控制电路的高电平控制信号后，将与积分器输入电流极性相反的恒流源输出端与积分器输入端连接；

温度补偿电路用于当温度变化时，改变恒流源的电压基准输出电压使逻辑控制电路的数字输出端输出的数字脉冲频率不变。

本发明进一步的改进在于：

积分器包括运算放大器和电容；

运算放大器的第一输入端为积分器的输入端且连接输入电流；运算放大器的第二输入端接地；运算放大器的输出端连接逻辑系统的输入端；运算放大器的输出端和第一输入端通过电容连接。

恒流源包括正恒流源和负恒流源；模拟电子开关内部设置两个开关结构；第一开关结构连接正恒流源，第二开关结构连接负恒流源；每个开关结构均包括三个触点；第一触点接地，第二触点连接正/负恒流源的输出端，第三触点连接积分器的输入端。

温度补偿电路包括温度传感器和温度补偿电阻；温度传感器用于当温度变化时，改变温度补偿电阻上的电压；温度补偿电阻包括第一电阻和第二电阻；温度传感器的芯片正端接电源，负端连接第一电阻和第二电阻，第一电阻的另一端连接恒流源电压基准的调整端口，第二电阻的另一端接恒流源电压基准的VDD端。

温度传感器为AD590温度传感器。

第一电阻和第二电阻的阻值大小按照下式计算：

其中，F′为电流/频率转换电路无温度系数的理论输出，Iin为正/负输入电流的大小，Fcp为逻辑系统的外接时钟频率，Rs为恒流源精密采样电阻，Vref为恒流源的基准电压，Vref′为恒流源补偿后的基准电压，T为逻辑系统设定的输出宽度，ΔT为整个电流/频率转换电路随温度变化造成的等效误差时间的和，t为环境变化温度，单位为℃，Vz为集成电压基准内部稳压值，R_T为集成电压基准内部的调整电阻；R_F为集成电压基准内部的反馈电阻，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻。

逻辑控制电路包括比较器和D触发器；

比较器的输入端连接积分器的输出端，输出端连接D触发器的输入端；比较器上设置时钟输入端，时钟输入端用于输入外接时钟；D触发器上设置控制信号输出端、数字输出端以及控制信号输出端，控制信号输出端连接模拟电子开关；数字输出端用于输出数字脉冲频率；控制信号输出端连接模拟电子开关。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过温度补偿电路直接改变基准电压，从而改变恒流源输出，补偿整个电路的温度变化，保证电流/频率转换电路很好的温度系数。从整体入手，不依赖单个器件的指标，测量出电路本身的标度因数温度系数，通过设计相应的温度补偿电路；解决了电流/频率转换电路中由于器件较多，所有元器件均会对电路温度系数产生影响，即使严格控制单个元器件的参数指标，仍很难保证器件间温度系数的匹配，达到很高的精度的问题，极大的提高了电路的温度系数。同时，线路结构简单，不会影响转换器的稳定性。

进一步的，温度补偿电路仅仅包括两个电阻和一个温度传感器，电路结构简单，便于实现，成本低。

附图说明

图1为本发明的电流/频率转换电路原理框图

图2为本发明的电流/频率转换电路示意图；

图3为负恒流源示意图；

图4为本发明的增加补偿后负恒流源示意图。

其中：1-积分器；2-逻辑控制电路；3-模拟电子开关；4-恒流源；5-恒流源电压基准5；6-温度补偿电路；U1、U2均为运算放大器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和2，一种电流/频率转换电路，包括积分器1、逻辑控制电路2、恒流源4、模拟电子开关3和温度补偿电路6；积分器1输入端连接输入电流，输出端连接逻辑控制电路2；逻辑控制电路2的控制信号输出端连接模拟电子开关3，逻辑控制电路2上还设置用于输出数字脉冲频率的数字输出端以及用于输入外接时钟的时钟输入端；模拟电子开关3一端连接恒流源4输出端，另一端连接积分器1输入端；温度补偿电路6与恒流源4的调整端口连接；

积分器1用于对输入电流进行积分并输出电压三角波至逻辑控制电路2；积分器1包括运算放大器和电容；运算放大器的第一输入端为积分器1的输入端且连接输入电流；运算放大器的第二输入端接地；运算放大器的输出端连接逻辑系统的输入端；运算放大器的输出端和第一输入端通过电容连接。

逻辑控制电路2用于将积分器1输出的电压三角波与预设的固定电平比较，将电压三角波转换为数字逻辑电平，当数字逻辑电平达到逻辑控制电路2的逻辑高电平后，输出预设宽度的高电平控制信号至模拟电子开关3；逻辑控制电路2可以逻辑控制电路2包括比较器和D触发器；比较器的输入端连接积分器1的输出端，输出端连接D触发器的输入端；比较器上设置时钟输入端，时钟输入端用于输入外接时钟；D触发器上设置控制信号输出端、数字输出端以及控制信号输出端，控制信号输出端连接模拟电子开关3；数字输出端用于输出数字脉冲频率；控制信号输出端连接模拟电子开关3。具有上述功能的逻辑控制电路2均可以选用，此处给出的只是一种具体的实现方式。

模拟电子开关3用于当接收到逻辑控制电路2的高电平控制信号后，将与积分器1输入电流极性相反的恒流源4输出端与积分器1输入端连接；

本实施例中，恒流源4包括正恒流源和负恒流源，模拟电子开关内部具有两组开关结构；一组开关结构连接正恒流源，另一组开关结构连接负恒流源；每组开关结构均设置3个触点，其中第一触点接地，第二触点连接正/负恒流源的输出端，第三触点连接积分器1的输入端。当逻辑控制电路输出预设宽度的高电平控制信号时；如果输入电流为正输入电流，模拟电子开关3中与负恒流源连接的开关结构的第二触点与第三触点连通，第一触点悬空；与正恒流源连接的开关结构的第二触点与第一触点连通，第三触点悬空；如果输入电流为负输入电流，模拟电子开关3中与正恒流源连接的开关结构的第二触点与第三触点连通，第一触点悬空；与负恒流源连接的开关结构的第二触点与第一触点连通，第三触点悬空。当逻辑控制电路没有输出预设宽度的高电平控制信号时；模拟电子开关3的两组开关结构的第一触点均与第二触点连通，第三触点悬空。

温度补偿电路6用于当温度变化时，改变恒流源4的电压基准输出电压使逻辑控制电路2的数字输出端输出的数字脉冲频率不变。温度补偿电路6包括温度传感器和温度补偿电阻；温度补偿电阻包括第一电阻和第二电阻；温度传感器的芯片正端接电源，负端连接第一电阻和第二电阻，第一电阻的另一端连接恒流源电压基准5芯片的调整端口，第二电阻的另一端接恒流源电压基准5芯片的VDD端。温度传感器可选择为AD590温度传感器，具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、抗干扰能力强且使用方便等优点。

AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。当温度变化时，AD590的输出电流线性变化，在第一电阻和第二电阻上产生的分压也线性变化。此电压变化经过集成电压基准的调整端对基准输出电压进行调节，从而实现对基准输出电压的温度补偿。

第一电阻和第二电阻的阻值大小按照下式计算：

其中，F′为电流/频率转换电路无温度系数的理论输出，Iin为正/负输入电流，Fcp为逻辑系统的外接时钟频率，Rs为恒流源4精密采样电阻，Vref为恒流源4的基准电压，Vref′为恒流源4补偿后的基准电压，T为逻辑系统设定的输出宽度，ΔT为整个电流/频率转换电路随温度变化造成的等效误差时间的和，t为环境变化温度，单位为℃，Vz为集成电压基准内部稳压值，R_T为集成电压基准内部的调整电阻；R_F为集成电压基准内部的反馈电阻，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻。

下面详细介绍本发明的原理：

积分器1用于对输入的正负电流Iin进行积分，输出电压随时间线性变化；通过与固定电平比较将积分波形转换为数字逻辑电平，当一路达到逻辑高电平后，逻辑控制电路2输出固定宽度为T的高电平控制信号，通过控制模拟电子开关3将与输入极性相反的恒流源4输出电流反馈至积分器1端，形成整个电流反馈回路。逻辑控制电路2输出固定宽度T的高电平时间与低电平时间的比例即反映输入电流的大小。整个电流/频率转换电路的实际输出：

其中：Iin为输入电流大小，Fcp为逻辑部分的外接时钟频率，Rs为恒流源4精密采样电阻的大小，Vref为恒流源4的基准电压大小，T为逻辑部分设定的输出宽度，ΔT为整个电路随温度变化造成的等效误差时间的和，Iref为恒流源输出电流大小。

参见图3，负恒流源通用原理框图，正恒流源只需先将基准电压进行反相即可，原理一致，U1为通用集成电压基准，U2为通用运算放大器。根据原理框图可得：

最终整个电流/频率转换电路输出：

其中，时钟频率Fcp、精密采样电阻Rs均可以做到极低的温度系数，而随着温度升高，半导体器件的响应时间会减小；随着温度降低，半导体器件响应时间会增大，因而通常电流/频率转换电路为负温度系数。

整个电流/频率转换电路无温度系数的理论输出：

参见图4，利用恒流源电压基准5的调整端口，增加AD590温度传感器和温度补偿电路6，从而改变基准输出电压Vref，增加补偿后的电压基准：

其中，t为环境温度，单位为℃，Vz为集成电压基准内部稳压值，可通过测试悬空Adj引脚得到；R_T为集成电压基准内部的调整电阻；R_F为集成电压基准内部的反馈电阻，通过测试、简单计算得到。R₁为温度补偿电路6第一电阻的阻值，R₂为温度补偿电路6第二电阻的阻值。

以实际电流/频率转换电路为例，未补偿前由于温度变化Δt对输出频率变化为ΔF，设定除基准外所有参数均保持不变，通过计算得出温度补偿电路6的R1、R2比值，选取合适电阻值，保证电流/频率转换器在温度变化Δt时，输出频率变化为-ΔF，最终提高整个电流/频率转换器的温度系数。

电流/频率转换电路中器件较多，所有元器件均会对电路温度系数产生影响，即使严格控制单个元器件的参数指标，仍很难保证器件间温度系数的匹配，达到很高的精度。本发明从整体入手，不依赖单个器件的指标，不考虑电流/频率转换电路中单个器件、单元的温度系数，即假定除恒流源4外，其他模块不受温度变化。通过输出脉冲数反向推算，将整个转换电路的温度系数全部换算至恒流源4的变化；在原有恒流源4的基准电压端上增加温度传感器和补偿网络。温度变化时，通过补偿网络直接改变基准电压，从而改变恒流源4输出，补偿整个电路的温度变化，保证电流/频率转换电路很好的温度系数。且线路结构简单，不会影响转换器的稳定性。经过工程实践，相比未进行补偿的电路，极大的提高了电路的温度系数。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电流/频率转换电路，其特征在于，包括积分器(1)、逻辑控制电路(2)、模拟电子开关(3)、恒流源(4)和温度补偿电路(6)；

积分器(1)输入端连接输入电流，输出端连接逻辑控制电路(2)；逻辑控制电路(2)的控制信号输出端连接模拟电子开关(3)，逻辑控制电路(2)上还设置用于输出数字脉冲频率的数字输出端以及用于输入外接时钟的时钟输入端；模拟电子开关(3)一端连接恒流源(4)输出端，另一端连接积分器(1)输入端；温度补偿电路(6)与恒流源(4)的调整端口连接；

积分器(1)用于对输入电流进行积分并输出电压三角波至逻辑控制电路(2)；

逻辑控制电路(2)用于将积分器(1)输出的电压三角波与预设的固定电平比较，将电压三角波转换为数字逻辑电平，当数字逻辑电平达到逻辑控制电路(2)的逻辑高电平后，输出预设宽度的高电平控制信号至模拟电子开关(3)；

模拟电子开关(3)用于当接收到逻辑控制电路(2)的高电平控制信号后，将与积分器(1)输入电流极性相反的恒流源(4)输出端与积分器(1)输入端连接；

温度补偿电路(6)用于当温度变化时，改变恒流源(4)的电压基准输出电压使逻辑控制电路(2)的数字输出端输出的数字脉冲频率不变。

2.根据权利要求1所述的电流/频率转换电路，其特征在于，所述积分器(1)包括运算放大器和电容；

运算放大器的第一输入端为积分器(1)的输入端且连接输入电流；运算放大器的第二输入端接地；运算放大器的输出端连接逻辑系统的输入端；运算放大器的输出端和第一输入端通过电容连接。

3.根据权利要求1所述的电流/频率转换电路，其特征在于，所述恒流源(4)包括正恒流源和负恒流源；模拟电子开关(3)内部设置两个开关结构；第一开关结构连接正恒流源，第二开关结构连接负恒流源；每个开关结构均包括三个触点；第一触点接地，第二触点连接正/负恒流源的输出端，第三触点连接积分器(1)的输入端。

4.根据权利要求1所述的电流/频率转换电路，其特征在于，所述温度补偿电路(6)包括温度传感器和温度补偿电阻；温度传感器用于当温度变化时，改变温度补偿电阻上的电压；温度补偿电阻包括第一电阻和第二电阻；温度传感器的芯片正端接电源，负端连接第一电阻和第二电阻，第一电阻的另一端连接恒流源电压基准(5)的调整端口，第二电阻的另一端接恒流源电压基准(5)的VDD端。

5.根据权利要求4所述的电流/频率转换电路，其特征在于，所述温度传感器为AD590温度传感器。

6.根据权利要求5所述的电流/频率转换电路，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的阻值大小按照下式计算：

其中，F′为电流/频率转换电路无温度系数的理论输出，Iin为正/负输入电流的大小，Fcp为逻辑系统的外接时钟频率，Rs为恒流源(4)精密采样电阻，Vref为恒流源(4)的基准电压，Vref′为恒流源(4)补偿后的基准电压，T为逻辑系统设定的输出宽度，ΔT为整个电流/频率转换电路随温度变化造成的等效误差时间的和，t为环境变化温度，单位为℃，Vz为集成电压基准内部稳压值，R_T为集成电压基准内部的调整电阻；R_F为集成电压基准内部的反馈电阻，R₁为第一电阻，R₂为第二电阻。

7.根据权利要求1所述的电流/频率转换电路，其特征在于，所述逻辑控制电路(2)包括比较器和D触发器；

比较器的输入端连接积分器(1)的输出端，输出端连接D触发器的输入端；比较器上设置时钟输入端，时钟输入端用于输入外接时钟；D触发器上设置控制信号输出端、数字输出端以及控制信号输出端，控制信号输出端连接模拟电子开关(3)；数字输出端用于输出数字脉冲频率；控制信号输出端连接模拟电子开关(3)。