CN110492882B - 一种展宽复位高精度电流/频率转换电路 - Google Patents

一种展宽复位高精度电流/频率转换电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种展宽复位高精度电流/频率转换电路，包括积分器、门槛电平产生电路、晶振、分频电路、恒流源、比较器、复位开关、输出电路，所述积分器的输入端接输入电流，整形电路、前级D触发器、单稳态触发器及后级D触发器，积分器及门槛电平产生电路的输出端与比较器的输入端连接，所述前级D触发器的输入端与比较器的输出端连接，其输出端经单稳态触发器与后级D触发器的输入端，后级D触发器的输出端与输出电路连接；所述晶振通过分频电路与整形电路的输入端连接，所述整形电路的输出端分别与前级D触发器及后级D触发器的CLK端连接。本发明能够降低积分器输出波形水平偏移和过冲，从机理上减小线性误差，提升电路转换精度。

Description

一种展宽复位高精度电流/频率转换电路
技术领域
本发明属于电流/频率转换领域，具体涉及一种展宽复位高精度电流/频率转换电路。
背景技术
电流/频率转换电路是惯导系统的重要部件之一，在惯性导航系统中与加速度计一起使用，将加速度计的输出电流转换成与其成正比的数字脉冲信号。目前，采用电荷平衡原理的电流/频率转换电路得到广泛应用，目前主要包括变宽、等宽、展宽和调宽几种方式。其中展宽复位方式由于拓扑结构简单、理论上可以均衡开关过渡过程误差、高效率利用恒流源和有效扩大测量量程，得到广泛应用。但是传统的单通道时钟跟踪展宽复位方法采用单一时钟跟踪积分和复位过程，使在大电流输入时，积分器输出波形水平下降过大，影响电路转换精度。
如图5所示为传统单时钟跟踪展宽电路小电流输入和大电流输入时积分器输出波形图，输入电流为小电流时，积分速度较慢，积分斜率绝对值小，反馈斜率绝对值很大，一个脉宽即可使积分器输出电压Uj回落至门槛电平UM，波形分布在UM水平线上，在大电流模式下，纯积分速度较快，积分斜率绝对值大，反馈斜率绝对值较小，一个脉宽可能不能使回落至UM，于是波形出现缓慢上移的多个小锯齿波，波形整体下移更加明显，大部分时间段内波形分布在UM水平线下方。
另外电路积分时，恒流源通常设计为通过二极管连接到地，会使积分波长产生较大过冲，影响电路转换精度。因此有必要对目前的电路进行改进，减小积分波形偏移和过冲，提升电路精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种展宽复位高精度电流/频率转换电路，降低积分器输出波形水平偏移和过冲，从机理上减小线性误差，提升电路转换精度。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种展宽复位高精度电流/频率转换电路，包括积分器、门槛电平产生电路、晶振、分频电路、恒流源、比较器、复位开关、输出电路，所述积分器的输入端接输入电流，积分器及门槛电平产生电路的输出端与比较器的输入端连接，还包括整形电路、前级D触发器、单稳态触发器及后级D触发器，所述前级D触发器的输入端与比较器的输出端连接，所述前级D触发器的输出端与单稳态触发器的输入端连接，所述单稳态触发器的输出端与后级D触发器的输入端，所述后级D触发器的输出端与输出电路连接；所述晶振通过分频电路与整形电路的输入端连接，所述整形电路的输出端分别与前级D触发器及后级D触发器的时钟输入CLK端连接，所述后级D触发器的输出端与复位开关的控制端连接，所述复位开关的输入端与恒流源的输出端连接，复位开关的输入端与积分器的输入端连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
还包括泄流开关，所述泄流开关的输入端与恒流源的输出端连接，所述泄流开关的输出端与比较器的输入端连接，泄流开关的控制端与后级D触发器的输出端连接。
所述整形电路采用由555定时器构成的施密特触发器。
所述积分器包括高精密运放N1及由三极管VJ1、VJ2构成的推挽放大电路，所述高精密运放N1的反相输入端经电阻RJ1接输入电流，高精密运放N1的输出端经电阻RJ2与三极管VJ1、VJ2的基极连接，且三极管VJ1、VJ2的基极并经电阻RJ3与比较器的输入端连接，所述三极管VJ1、VJ2的发射极分别与电阻RJ4、RJ5的一端连接，电阻RJ4、RJ5的另一端与比较器的输入端连接、且经过电容cf1与高精密运放N1的反相输入端连接。
所述单稳态触发器包括控制电路、输出缓冲电路及施密特触发器，所述控制电路的输入端与前级D触发器的输出端连接，控制电路的输出端与输出缓冲电路的输入端连接，所述输出缓冲电路的输出端与后级D触发器的输入端连接，所述控制电路的控制端与施密特触发器的输出端连接。
由上述技术方案可知，本发明所述的展宽复位高精度电流/频率转换电路，在前级D触发器和后级D触发器中接入单稳态触发器,使电路积分时间和复位时间不受单一时钟限制,避免了积分输出波形偏移，提高了产品精度。恒流源输出通过泄流开关电路接入积分器输出端,使积分器输出电压在电路积分和复位切换过程中避免产生电压突变和过冲,使输出波形平滑,有利于保证电路的精度。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2是本发明积分器电路图；
图3是本发明整形电路原理图；
图4是本发明单稳态触发器逻辑框图；
图5是单时钟跟踪展宽电路小电流和大电流输入时积分器输出波形图；
图6是本发明电路小电流和大电流输入时积分器输出波形图；
图7是本发明电路与单时钟跟踪展宽电路输入输出转换线性度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例的展宽复位高精度电流/频率转换电路，包括积分器1、门槛电平产生电路2、晶振3、分频电路4、恒流源12、比较器5、复位开关11、输出电路13、整形电路6、前级D触发器7、单稳态触发器8及后级D触发器8，该积分器1的输入端接输入电流，积分器1及门槛电平产生电路2的输出端与比较器1的输入端连接，前级D触发器7的输入端与比较器5的输出端连接，前级D触发器7的输出端与单稳态触发器8的输入端连接，单稳态触发器8的输出端与后级D触发器9的输入端，后级D触发器9的输出端与输出电路13连接；晶振3通过分频电路4与整形电路6的输入端连接，整形电路6的输出端分别与前级D触发器7及后级D触发器9的时钟输入CLK端连接，后级D触发器9的输出端与复位开关11的控制端连接，复位开关11的输入端与恒流源12的输出端连接，复位开关11的输入端与积分器1的输入端连接。
本实施例还包括泄流开关10，该泄流开关10的输入端与恒流源12的输出端连接，泄流开关10的输出端与比较器1的输入端连接，泄流开关10的控制端与后级D触发器9的输出端连接。电流信号输入积分器1，经比较器5和前级D触发器7形成触发脉冲，后由单稳态触发器8形成宽脉冲，由后级D触发器9同步整形后产生精确的等宽复位脉冲控制复位开关电路11和泄流开关电路10进行开关切换，使积分器1形成积分和复位过程，将输入电流信号转换为频率信号输出。
如图2所示，图2为积分器1的内部电路图，其主要由高精密运放N1及三极管VJ1和VJ2组成的推挽放大电路构成，该高精密运放N1的反相输入端经电阻RJ1接输入电流，高精密运放N1的输出端经电阻RJ2与三极管VJ1、VJ2的基极连接，且三极管VJ1、VJ2的基极并经电阻RJ3与比较器的输入端连接，三极管VJ1、VJ2的发射极分别与电阻RJ4、RJ5的一端连接，电阻RJ4、RJ5的另一端与比较器的输入端连接、且经过电容cf1与高精密运放N1的反相输入端连。其中电容Cf1为积分电容，高精密运放N1的输出端经电阻RJ2、RJ3串联后作为积分输出与比较器的输入端连接, RJ3电压为积分器1输出电压Uj。
如图3所示，图3为整形电路原理图，其为由555定时器构成的施密特触发器,晶振分频后可能产生的畸变脉冲波形输入到TH端,此时555定时器的上限阈值电压为2VDD/3,下限阈值电压为1VDD/3,回差电压为1VDD/3,当输入脉冲由低电平上升到上限阈值电压2VDD/3时, OUT输出由低电平跳变到高电平,但输入脉冲由高电平下降到上限阈值电压2VDD/3时, OUT输出确不改变,只有当输入脉冲下降到上限阈值电压1VDD/3时, OUT输出才跳变到低电平,通过这种滞回特性可以在OUT输出端获得理想的矩形波形,达到脉冲整形的目的。
如图4所示，图4为单稳态触发器逻辑框图，其由控制电路，施密特触发器和输出缓冲电路组成；控制电路的输入端与前级D触发器的输出端连接，控制电路的输出端与输出缓冲电路的输入端连接，输出缓冲电路的输出端与后级D触发器的输入端连接，控制电路的控制端与施密特触发器的输出端连接。其中，控制电路的B端为上升沿触发输入端，CLR端为复位端；在采用上升沿触发时，从B端加入正的脉冲信号，即该B端与前级D触发器的输出端连接；A接低电平，CLR端接高电平。暂稳态维持的时间长短取决于外接的电阻 R和电容C的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关，通过调整电阻 R和电容C的值可以将触发脉冲的宽度调整到需要的值。输出缓冲电路的输出Q端接到后级D触发器输入端。
工作原理：电流流入积分器1，积分器1进行积分工作，积分器1输出电压Uj降低，当电压下降到比较器5的门槛电平UM时，比较器5输出高电平输出到前级D触发器7，前级D触发器7在整形电路6输出频率的上升沿输出为高电平，并触发单稳态触发器8形成一定宽度的宽脉冲，该脉冲经过后级D触发器9后形成的脉冲宽度为整形电路6周期整数倍的脉冲，保证了复位宽度不受单稳态触发器8的RC参数微小波动的影响，只受整形电路6的周期的影响，整形电路6的输出是由高性能晶振3分频得到，其周期非常稳定，保证了复位时间的稳定及电路转换精度。由于前级D触发器7和后级D触发器9之间接入单稳态触发器8，实现双同步时钟触发，使电路积分时段和复位时段不受单一时钟限制，使积分输出波形不产生电平偏移，提高了产品精度。而恒流源12输出通过泄流开关电路10接入积分器1输出端,使积分器1输出电压在电路积分和复位切换过程中避免产生电压突变,使输出波形平滑,有利于保证电路的精度。
如图6所示，图6为本发明电路小电流输入和大电流输入时积分器输出波形图，输入电流为小电流时，积分速度较慢，积分斜率绝对值小，反馈斜率绝对值很大，一个脉宽即可使积分器输出电压Uj回落至门槛电平UM，波形分布在UM水平线上，在大电流模式下，纯积分速度较快，积分斜率绝对值大，反馈斜率绝对值较小，但是由于前级D触发器7和后级D触发器9之间接入单稳态触发器8，使前级D触发器7后级D触发器9所触发的电路积分时段和复位时段不受单一时钟脉宽限制，于是积分器输出波形表现为在同一水平线上的多个小锯齿波，波形分布在UM水平线上，与小电流时基本没有偏差，通过理论分析可以发现这样可以减小积分器非理想特性引入的误差，提高电路转换精度。
图7所示为本发明电路与传统单时钟跟踪展宽电路输入输出转换线性度对比图。由图7可以看出，在其他元件参数相同的情况下,在0～40mA输入电流时,实测传统单时钟跟踪展宽电路的非线性度在100ppm左右,本发明电路的非线性度可以达到20ppm左右, 可以看出本发明电路的转换线性度比传统展宽电路转换精度有明显提升。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种展宽复位高精度电流/频率转换电路，包括积分器、门槛电平产生电路、晶振、分频电路、恒流源、比较器、复位开关、输出电路，所述积分器的输入端接输入电流，积分器及门槛电平产生电路的输出端与比较器的输入端连接，其特征在于：还包括整形电路、前级D触发器、单稳态触发器及后级D触发器，所述前级D触发器的输入端与比较器的输出端连接，所述前级D触发器的输出端与单稳态触发器的输入端连接，所述单稳态触发器的输出端与后级D触发器的输入端，所述后级D触发器的输出端与输出电路连接；所述晶振通过分频电路与整形电路的输入端连接，所述整形电路的输出端分别与前级D触发器及后级D触发器的时钟输入CLK端连接，所述后级D触发器的输出端与复位开关的控制端连接，所述复位开关的输入端与恒流源的输出端连接，复位开关的输出端与积分器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的展宽复位高精度电流/频率转换电路，其特征在于：还包括泄流开关，所述泄流开关的输入端与恒流源的输出端连接，所述泄流开关的输出端与比较器的输入端连接，泄流开关的控制端与后级D触发器的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的展宽复位高精度电流/频率转换电路，其特征在于：所述整形电路，用于通过一定回差的上限和下限触发电平产生的滞回输入输出特性,将晶振分频后可能产生的畸变脉冲波形整形获得理想的矩形波形。
4.根据权利要求1所述的展宽复位高精度电流/频率转换电路，其特征在于：所述整形电路采用由555定时器构成的施密特触发器。
5.根据权利要求1所述的展宽复位高精度电流/频率转换电路，其特征在于：所述积分器包括高精密运放N1及由三极管VJ1、VJ2构成的推挽放大电路，所述高精密运放N1的反相输入端经电阻RJ1接输入电流，高精密运放N1的输出端经电阻RJ2与三极管VJ1、VJ2的基极连接，且三极管VJ1、VJ2的基极并经电阻RJ3与比较器的输入端连接，所述三极管VJ1、VJ2的发射极分别与电阻RJ4、RJ5的一端连接，电阻RJ4、RJ5的另一端与比较器的输入端连接、且经过电容cf1与高精密运放N1的反相输入端连接。
6.根据权利要求1所述的展宽复位高精度电流/频率转换电路，其特征在于：所述单稳态触发器包括控制电路、输出缓冲电路及施密特触发器，所述控制电路的输入端与前级D触发器的输出端连接，控制电路的输出端与输出缓冲电路的输入端连接，所述输出缓冲电路的输出端与后级D触发器的输入端连接，所述控制电路的控制端与施密特触发器的输出端连接。
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