CN110868215A - 一种自适应控制的高精度电流/频率转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应控制的高精度电流/频率转换电路，包括积分器、上比较器及下比较器，所述上比较器及下比较器的同相输入端与积分器的输出端连接，积分器的输入端连接输入电流，上比较器及下比较器的输出端与FPGA的输入端连接；所述上比较器与下比较器的门槛电平在同一电流输入情况下绝对值相等,符号相反，两个门槛电平绝对值正比例阶跃变化于输入电流。本发明通过两路门槛电平自适应跟踪于输入电流，使电路积分复位频率自适应调节于输入电流，使小电流输入的工作频率得以提高，使大电流输入时的工作频率基本不变，从而保证了电路的整体分辨率和转换精度。

Description

一种自适应控制的高精度电流/频率转换电路
技术领域
本发明涉属于模拟数字混合电路技术领域，具体涉及一种自适应控制的高精度电流/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，该类电路为了保证转换精度,一般将电路工作频率尽量设计的比较低,导致其分辨率很难提高,给产品性能的升级换代带来一定困难。
为了在保证电路精度的同时提高电路分辨率,目前行业内也提出了一些解决方案,如通过切换大小双横流源反馈方案(一种高分辨率电流/频率转换电路,专利申请号:201510938856.8),通过可编成多门限比较的方案(一种可编程多门限比较的电流频率转换电路,专利申请号:201811123272.5)以及积分采样脉冲扩展方案(硕士论文,吴伟伟,大量程精密I/F转换电路研究,中国航天科技集团公司第一研究院)等,这些方案在实施过程中实时性较差,不利于系统工作,因此有必要在现有研究基础上对目前的电路进行改进，简化电路以实现在保证电路精度的同时提高电路分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应控制的高精度电流/频率转换电路，在最大工作频率的基础上,提高小电流输入时电路积分复位切换频率,实现在保证电路精度的同时提高电路分辨率。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种自适应控制的高精度电流/频率转换电路，包括积分器、上比较器及下比较器，所述上比较器及下比较器的同相输入端与积分器的输出端连接，积分器的输入端连接输入电流，上比较器及下比较器的输出端与FPGA的输入端连接；所述上比较器与下比较器的门槛电平在同一电流输入情况下绝对值相等，符号相反，两个门槛电平绝对值正比例阶跃变化于输入电流。
作为上述技术方案的进一步改进：
还包括开关电路及恒流源，所述开关电路的输入端与FPGA的输出端连接，所述开关电路的输出端经恒流源与积分器的输入端连接。
所述上比较器的门槛电平通过第一门槛电路实现，所述第一门槛电路包括数/模转换器及ARM处理器，所述数/模转换器的输入端与ARM处理器的输出端连接，ARM处理器的输入端与积分器的输出端连接，所述数/模转换器的输出端与上比较器的反相输入端连接。
所述下积分器的门槛电平通过第二门槛电路实现，所述第二门槛电路包括1倍反相比例放大器，所述反相比例放大器的输入端与下比较器的反相输入端连接。
积分器输出ARM处理器进行采样后，通过FPGA处理后输出到数/模转换器，经数/模转换后一路送到上比较器的门槛电平输入端，另一路经1倍反向比例放大器后送到下比较器的门槛电平输入端，使上比较器和下比较器的门槛电平自适应变化于输入电流，提高小电流输入时的分辨率，因为电路分辨率主要受限于小电流输入的工作频率，只要提高了小电流时的输入分辨率，就可以使电路整体分辨率得到提升。
由上述技术方案可知，本发明提供自适应控制的电流/频率转换器电路，解决了现有的电流频率转换采样率低、精度难提高的缺点，可以用于对电流分辨率高和转换精度要求较高的场合。两路门槛电平自适应跟踪于输入电流，使电路积分复位频率自适应调节于输入电流，使小电流输入的工作频率得以提高，使大电流输入时的工作频率基本不变，从而保证了电路的整体分辨率和转换精度。
附图说明
图1是本发明的电路框图；
图2是本发明的上、下比较器门槛电平与输入电流关系图；
图3是本发明的电路小电流输入和大电流输入时积分器输出波形图；
图4是本发明的电路FPGA逻辑算法原理框图。
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，本实施例的自适应控制的高精度电流/频率转换电路，包括积分器2、上比较器4、下比较器7、开关电路9及恒流源8，上比较器及下比较器的同相输入端与积分器的输出端连接，积分器的输入端连接输入电流，上比较器4及下比较器7的输出端与FPGA的输入端连接；上比较器4与下比较器7的门槛电平在同一电流输入情况下绝对值相等，符号相反，两个门槛电平绝对值正比例阶跃变化于输入电流；开关电路的输入端与FPGA的输出端连接，开关电路的输出端经恒流源与积分器的输入端连接。
还包括第一门槛电路和第二门槛电路，该第一门槛电路由数/模转换器5及ARM处理器3构成，数/模转换器5的输入端与ARM处理器3的输出端连接，ARM处理器3的输入端与积分器2的输出端连接，数/模转换器5的输出端与上比较器4的反相输入端连接。该第二门槛电路采用1倍反相比例放大器6，反相比例放大器6的输入端与下比较器7的反相输入端连接。
其中，上比较器4的门槛电平由ARM处理器3数字处理后经数/模转换器5数模转换后得到，下比较器7门槛电平由上比较器4门槛电平经过1倍反向比例放大器6进行1倍反向比例放大得到,上比较器4和下比较器7门槛电平绝对值相等,符号相反,而上比较器4门槛电平由ARM处理器3对积分器2进行采样和处理得到，于是上比较器4和下比较器7的门槛电平自适应变化于积分器2输出电压,从而使上下比较器7的门槛电平自适应变化于输入电流，提高小电流输入时的分辨率，因为电路分辨率主要受限于小电流输入的工作频率，只要提高了小电流时的输入分辨率，就可以使电路整体分辨率得到提升。本实施例的FPGA的型号为XC3S400，ARM处理器3为带AD采样功能AD7022,数/模转换器5的型号DAC芯片AD8802。
ARM处理器3实现对积分电路输出信号采样和输出，并将采样到的数据进行处理后输出给数/模转换器5，两路门槛电平自适应跟踪于输入电流，使电路积分复位频率自适应调节于输入电流，使小电流输入的工作频率得以提高，使大电流输入时的工作频率基本不变，从而保证了电路的整体分辨率和转换精度。
如图2所示，图2为本发明电路上比较器4和下比较器7的门槛电平与输入电流关系图,上比较器4的门槛电压为数/模转换器5的输出，数/模转换器5的输入由ARM处理器3对积分器2进行采样和处理得到，上比较器4的门槛电压其电压公式为UT1＝DUJ，其中UJ为积分器输出电压，D为比例常数，其大小可根据实际电路测试优化得到。上比较器4和下比较器7的门槛电平在同一电流输入情况下绝对值相等,符号相反小。两个门槛电平绝对值正比例阶跃变化于输入电流。
如图3所示，图3为本发明电路小电流输入和大电流输入积分器输出Uj工作波形图，在小电流输入电流情况下，其输出最大幅度在Vr1和-Vr1之间，在大电流输入电流时,其输出最大幅度在Vr2和-Vr2之间，这样在任何输入电流情况下Uj电压均值为零，可以保证电路转换精度。按此方法,小电流输入积分器输出Uj工作频率和大电流时相当，这样假如工作时钟频率256KHz情况下,转换量程50mA时,若按传统恒定门槛方式,1mA电平工作频率约为5KHz,1pulse/s对应的输入电流约为200uA，采用本发明的自适应门槛电平时，1mA电平工作频率约为256KHz，1pulse/s对应的输入电流约为3.9nA,分辨率指标提高50倍左右。
如图4所示，图4为本发明FPGA逻辑算法原理框图，其包括分频模块，触发器组合电路和输出频率产生电路组成。晶振提供1.024M的时钟频率输入到FPGA的分频模块，分频模块产生低频fT＝8KHz用于提供开关控制产生逻辑时序，分频模块产生标频fS＝256KHz用于提供输出频率产生逻辑时序。开关控制产生逻辑和输出控制逻辑输入均由触发器组合逻辑电路产生，触发器组合逻辑电路输入接上比较器和下比较器。开关控制产生逻辑输出开关控制信号KO输入到开关电路，输出控制逻辑产出输出控制信号FO输出到频率输出电路。
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 (5)

1.一种自适应控制的高精度电流/频率转换电路，其特征在于：包括积分器、上比较器及下比较器，所述上比较器及下比较器的同相输入端与积分器的输出端连接，积分器的输入端连接输入电流，上比较器及下比较器的输出端与FPGA的输入端连接；所述上比较器与下比较器的门槛电平在同一电流输入情况下绝对值相等,符号相反，两个门槛电平绝对值正比例阶跃变化于输入电流。
2.根据权利要求1所述的自适应控制的高精度电流/频率转换电路，其特征在于：还包括开关电路及恒流源，所述开关电路的输入端与FPGA的输出端连接，所述开关电路的输出端经恒流源与积分器的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的自适应控制的高精度电流/频率转换电路，其特征在于：所述上比较器的门槛电平通过第一门槛电路实现，所述第一门槛电路包括数/模转换器及ARM处理器，所述数/模转换器的输入端与ARM处理器的输出端连接，ARM处理器的输入端与积分器的输出端连接，所述数/模转换器的输出端与上比较器的反相输入端连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的自适应控制的高精度电流/频率转换电路，其特征在于：所述下积分器的门槛电平通过第二门槛电路实现，所述第二门槛电路包括反相比例放大器，所述反相比例放大器的输入端与下比较器的反相输入端连接。
5.根据权利要求4所述的自适应控制的高精度电流/频率转换电路，其特征在于：所述反相比例放大器采用1倍反相比例放大器。
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