CN112491418A - 电流频率转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流频率转换电路，其包括：积分器，其输入端用于获取输入电流，并配置成对输入电流进行积分处理；积分电容，连接于积分器的输入端与输出端之间；门限比较电路，与积分器的输出端连接，用于将积分器的输出信号与阈值电压进行比较，并输出门限比较信号；逻辑运算电路，与门限比较电路的输出端连接，用于将门限比较信号与时钟信号进行逻辑运算，产生频率脉冲信号；以及参考电流源，配置成在频率脉冲信号的控制下与积分器的输入端接通，从而对积分电容进行充放电，维持积分电容的电荷平衡。本发明的方案，由于直接使用时钟信号用于进行电荷平衡，无需进行降频处理，大大提高了响应速度。

Description

电流频率转换电路

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别是涉及一种电流频率转换电路。

背景技术

电流频率转换(IF转换)指电流输入信号转换为对应脉冲输出信号的信号处理技术，其基本原理是将电流大小精确量化成等比例的频率信号。一般而言，电流频率转换按约定好标定频率，将电流的大小，正比例的量化成标定频率的脉冲数。这是一种常见的模数信号转换(AD转换)方式，应用广泛。相较于传统的AD转换技术，电流频率转换技术具有电路简单，体积小，灵敏度高，输出幅值大，线性度好等特点。电流频率转换具体。

高精度的电流频率转换应用十分广泛。在医疗领域，该技术可以用来测量微弱信号；在检测领域，该技术可以用来测量加速度计；在信息领域，该技术可以用于连续采集数据。

目前已经有了一些相应的技术和方法来实现电流到频率的转换。其中一种的方案为使用分立的电子元器件，加上FPGA的逻辑编程控制，实现电流到频率的转变。这些方案因为元器件的性能限制，降低了时钟频率，限制了系统的响应速度，并且功耗较大。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种至少解决上述技术问题任一方面的电流频率转换电路。

本发明一个进一步的目的是要实现一种降低功耗的电流频率转换电路。

特别地，本发明提供了一种电流频率转换电路，该电流频率转换电路包括：

积分器，其输入端用于获取输入电流，并配置成对输入电流进行积分处理；

积分电容，连接于积分器的输入端与输出端之间；

门限比较电路，与积分器的输出端连接，用于将积分器的输出信号与阈值电压进行比较，并输出门限比较信号；

逻辑运算电路，与门限比较电路的输出端连接，用于将门限比较信号与时钟信号进行逻辑运算，产生频率脉冲信号；以及

参考电流源，配置成在频率脉冲信号的控制下与积分器的输入端接通，从而对积分电容进行充放电，维持积分电容的电荷平衡。

可选地，上述电流频率转换电路还包括：标频时钟电路，用于输出时钟信号，并且时钟信号的开关比可调。

可选地，时钟信号的开关比设置为大于或等于50％。

可选地，标频时钟电路利用3比特的计数器实现开关比计数，以实现最高值为7/8的占空比。

可选地，逻辑运算电路包括：

D触发器模块，与门限比较电路的输出端以及标频时钟电路连接，并配置成利用时钟信号对门限比较信号进行触发输出，得到触发脉冲；

与门模块，与D触发器模块的输出端以及标频时钟电路连接，并配置成通过对触发脉冲以及时钟信号进行与运算，得到频率脉冲信号。

可选地，门限比较电路包括：

第一门限比较器，与积分器的输出端连接，用于将积分器的输出信号与正阈值电压进行比较，并输出正门限比较信号；

第二门限比较器，与积分器的输出端连接，用于将积分器的输出信号与负阈值电压进行比较，并输出负门限比较信号；

D触发器模块包括：

第一D触发器，与第一门限比较器的输出端相连，并配置成利用时钟信号对正门限比较信号进行触发输出，得到第一触发脉冲；

第二D触发器，与第二门限比较器的输出端相连，并配置成利用时钟信号对负门限比较信号进行触发输出，得到第二触发脉冲；

与门模块包括：

第一与门，与第一D触发器的输出端相连，并配置成对第一触发脉冲以及时钟信号进行与运算，得到第一频率脉冲信号；

第二与门，与第二D触发器的输出端相连，并配置成对第二触发脉冲以及时钟信号进行与运算，得到第二频率脉冲信号。

可选地，参考电流源包括：

负电流源，配置成在第一频率脉冲信号的控制下，向积分器的输入端提供负向参考电流；

正电流源，配置成在第二频率脉冲信号的控制下，向积分器的输入端提供负向参考电流。

可选地，上述电流频率转换电路还包括：

第一电流源开关，连接于负电流源与积分器的输入端之间，其控制端与第一与门的输出端相连，并配置成受第一频率脉冲信号的控制开断，以使得负电流源与积分器的输入端连接或断开；

第二电流源开关，连接于正电流源与积分器的输入端之间，其控制端与第二与门的输出端相连，并配置成受第二频率脉冲信号的控制开断，以使得正电流源与积分器的输入端连接或断开。

可选地，上述电流频率转换电路还包括：输出电路，与逻辑运算电路的输出端连接，并配置成将频率脉冲信号进行驱动，以输出频率转换信号。

可选地，上述电流频率转换电路集成设置于一块芯片内。

本发明的电流频率转换电路，输入电流通过积分器进行积分处理后，积分器的输出信号与阈值电压进行比较，然后将输出的门限比较信号与时钟信号进行逻辑运算，产生频率脉冲信号。该频率脉冲信号一方面用于作为转换结果，另一方面还用于对参考电流源进行控制，对积分电容进行充放电，维持积分电容的电荷平衡。由于直接使用时钟信号用于进行电荷平衡，无需进行降频处理，从而可以保证输入电流的变化可以更快地反映为频率脉冲信号变化，大大提高了响应速度。

进一步地，本发明的电流频率转换电路，还可以通过调整时钟信号的开关比，在保证电荷均衡的条件下，可以在相同电流量程的条件下，减小功耗。另一方面，在同等功耗下也可以提高电流量程。

更进一步地，本发明的电流频率转换电路，利用时钟频率进行逻辑运算以及进行电荷均衡，可以保障输出的脉冲严格均匀。

更进一步地，本发明的电流频率转换电路可将整体电路集成于同一芯片上，可以做到7mm*7mm的较小尺寸

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的电流频率转换电路的示意框图；

图2是根据本发明另一实施例的电流频率转换电路的示意框图；

图3是根据本发明一个实施例的电流频率转换电路的电路原理图；以及

图4为根据本发明一个实施例的电流频率转换电路中时钟信号的开关比为1/2情况下的信号时序图；

图5为根据本发明一个实施例的电流频率转换电路中时钟信号的开关比为7/8情况下的信号时序图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的电流频率转换电路的示意框图，该电流频率转换电路一般性地可包括：积分器110、积分电容150、门限比较电路120、逻辑运算电路130、参考电流源140。

积分器110的输入端用于获取输入电流Iin，并配置成对输入电流Iin进行积分处理。积分器110可以由高输入阻抗的运算放大器实现。积分电容150连接于积分器110的输入端与输出端之间。积分电容150优选绝缘性能好、漏电流小的电容器。

积分器110和积分电容150配合，可以实现电荷的贮存，在工作过程中，积分器110对电流进行积分。

门限比较电路120与积分器110的输出端连接。门限比较电路120用于将积分器110的输出信号与阈值电压进行比较，并输出门限比较信号。门限比较电路120在积分器110的输出电压在达到阈值电压时，门限比较信号翻转。

逻辑运算电路130与门限比较电路120的输出端连接，逻辑运算电路130用于将门限比较信号与时钟信号进行逻辑运算，产生频率脉冲信号。逻辑运算电路130可以通过D触发器以及与门实现门限比较信号与时钟信号的逻辑运算。

参考电流源140配置成在频率脉冲信号的控制下与积分器110的输入端接通，从而对积分电容150进行充放电，维持积分电容150的电荷平衡。参考电流源140要求输出的参考电流恒定，其输出直接影响了积分电容150的充放电输出。在现有技术中，参考电流源140是主要的功率消耗部件。

上述实施例的电流频率转换电路，输入电流通过积分器110进行积分处理后，积分器110的输出信号与阈值电压进行比较，然后将输出的门限比较信号与时钟信号进行逻辑运算，产生频率脉冲信号。该频率脉冲信号一方面用于作为转换结果，另一方面还用于对参考电流源140进行控制，对积分电容150进行充放电，维持积分电容150的电荷平衡。由于直接使用时钟信号用于进行电荷平衡，无需进行降频处理，从而可以保证输入电流的变化可以更快地反映为频率脉冲信号变化，大大提高了响应速度。

图2是根据本发明另一实施例的电流频率转换电路的示意框图，该电流频率转换电路可以进一步增加标频时钟电路160、输出电路170。

标频时钟电路160可以用于输出时钟信号，并且时钟信号的开关比可调。时钟信号的开关比设置为大于或等于50％。具体地，标频时钟电路160可以利用3比特的计数器实现开关比计数，以实现最高值为7/8的占空比。本实施例的电流频率转换电路，还可以通过调整时钟信号的开关比，在保证电荷均衡的条件下，可以在相同电流量程的条件下，减小功耗。另一方面，在同等功耗下也可以提高电流量程。

输出电路170与逻辑运算电路130的输出端连接，并配置成将频率脉冲信号进行驱动，以输出频率转换信号。输出电路170可以采用直接耦合输出的方式输出信号，也可以通过抗干扰更强的脉冲变压器输出信号。

逻辑运算电路130可以包括：D触发器模块131、与门模块132。

D触发器模块131与门限比较电路120的输出端以及标频时钟电路160连接，并配置成利用时钟信号对门限比较信号进行触发输出，得到触发脉冲。与门模块132与D触发器模块131的输出端以及标频时钟电路160连接，并配置成通过对触发脉冲以及时钟信号进行与运算，得到频率脉冲信号。

在电流频率转换电路的电流转换量程为正负电流时，可以通过设置正负参考电流源140来提供正向参考电流和负向参考电流。相应地，门限比较电路120、D触发器模块131、与门模块132可以分别设置相应正负部件。

图3是根据本发明一个实施例的电流频率转换电路的电路原理图。在该图中示出了针对正负电流进行转换的电流频率转换电路的电路原理。

门限比较电路120包括：第一门限比较器121以及第二门限比较器122。其中第一门限比较器121用于对正向输出电流的积分结果进行门限比较。具体地，第一门限比较器121，与积分器110的输出端连接，用于将积分器110的输出信号与正阈值电压进行比较，并输出正门限比较信号。第二门限比较器122用于对负向输出电流的积分结果进行门限比较。具体地，第二门限比较器122与积分器110的输出端连接，用于将积分器110的输出信号与负阈值电压进行比较，并输出负门限比较信号。

D触发器模块131包括：第一D触发器1311、第二D触发器1312。第一D触发器1311与第一门限比较器121的输出端相连，并配置成利用时钟信号对正门限比较信号进行触发输出，得到第一触发脉冲。第一D触发器1311用于对正向输出电流的信号进行触发。

第二D触发器1312与第二门限比较器122的输出端相连，并配置成利用时钟信号对负门限比较信号进行触发输出，得到第二触发脉冲。第二D触发器1312用于对负向输出电流的信号进行触发。

与门模块132包括：第一与门1321和第二与门1322。第一与门1321与第一D触发器1311的输出端相连，并配置成对第一触发脉冲以及时钟信号进行与运算，得到第一频率脉冲信号。第二与门1322与第二D触发器1312的输出端相连，并配置成对第二触发脉冲以及时钟信号进行与运算，得到第二频率脉冲信号。

参考电流源140包括：正电流源141和负电流源142。

负电流源142，配置成在第一频率脉冲信号的控制下，向积分器110的输入端提供负向参考电流。负电流源142可以对积分电容150进行放电，从而在输入电流为正向电流时，释放积分电容150的电荷。

正电流源141，配置成在第二频率脉冲信号的控制下，向积分器110的输入端提供负向参考电流。正电流源141可以对积分电容150进行充电，从而在输入电流为负向电流时，向积分电容150提供电荷。

参考电流源140可以由开关控制与积分器110的输入端的开断。具体地，上述电流频率转换电路还包括：第一电流源开关144和第二电流源开关143。其中第一电流源开关144连接于负电流源142与积分器110的输入端之间，其控制端与第一与门1321的输出端相连，并配置成受第一频率脉冲信号的控制开断，以使得负电流源142与积分器110的输入端连接或断开。

第二电流源开关143连接于正电流源141与积分器110的输入端之间，其控制端与第二与门1322的输出端相连，并配置成受第二频率脉冲信号的控制开断，以使得正电流源141与积分器110的输入端连接或断开。

本实施例的电流频率转换电路的工作过程为：输入电流通过积分器110，与第一门限比较器121以及第二门限比较器122分别进行正阈值电压和负阈值电压比对，其后与标频时钟信号进行逻辑运算，产生频率脉冲信号。频率脉冲信号控制电流源开关，分别导入正负参考电流源140与输入电流做电荷平衡运算。

电流频率转换电路可由正负两个通道组成。对于正向通道，在输入电流Iin为正的情况下，积分器110的输出信号的电压V_O上升。在V_O到达正阈值电压V+时，第一门限比较器121翻转，输出正门限比较信号V_1+。V_1+经过第一D触发器1311利用时钟信号CLK_INT进行采样后，得到第一触发脉冲V_2+。V_2+进一步与超高精度的时钟信号CLK_INT再次进行逻辑运算，产生精准的第一频率脉冲信号S-。第一频率脉冲信号S-通过第一电流源开关144来控制负电流源142放电，输入Iref-，最终在积分器110电容端达到电荷平衡。同时第一频率脉冲信号最终通过输出电路170把频率转换信号Fout+送出。

对于负向通道，在输入电流Iin为负的情况下，积分器110的输出信号的电压V_O下降。在V_O下降至负阈值电压V-时，第二门限比较器122翻转，输出负门限比较信号V_1-。V_1-经过第二D触发器1312利用时钟信号CLK_INT进行采样后，得到第二触发脉冲V_2-。V_2-进一步与超高精度的时钟信号CLK_INT再次进行逻辑运算，产生精准的第二频率脉冲信号S+。第二频率脉冲信号S+通过第二电流源开关143来控制正电流源141放电，输入Iref+，最终在积分器110电容端达到电荷平衡。同时第二频率脉冲信号最终通过输出电路170把频率转换信号Fout-送出。

在输入电流Iin为零的情况下，也即输入没有电流的时候，第一门限比较器121和第二门限比较器122均不会被触发，正负脉冲Fout+、Fout-输出都是0。

本实施例的电流频率转换电路，可以利用单一芯片集成运算放大器(积分器110)，比较器(第一门限比较器121和第二门限比较器122)，高精度参考电压源(正阈值电压V+和负阈值电压V-)，参考电流源140(正电流源141以及负电流源142)，以及数字控制逻辑模块，从而可以大幅减小电路的体积。

另外，本实施例的电流频率转换电路，直接利用输入的时钟信号进行电荷平衡，不需要降频，这样输入电流的任何变化，都能很快地反映在输出频率上。通过在触发脉冲(V_1-、V_2-)处加入与高精度时钟信号的运算逻辑，可以使得控制开关的频率脉冲信号(S+、S-)与频率转换信号(Fout+、Fout-)标频同频，系统响应速度更快，输出更均匀化。

本实施例的电流频率转换电路的另一重要改进在于：时钟信号的开关比可调。通过时钟信号的开关比的调整，可以大幅降低电路功耗。图4和图5分别为本实施例的电流频率转换电路中时钟信号的开关比为1/2以及7/8的情况下的信号时序图，在图中，T为时钟信号周期、T1为一周期内时钟信号为正的时长，CLK_INT为时钟信号，Iin为输入电流，其最大值可为Iin_max。Iref-Iin为参考电流与输入电流的差。V+为正阈值电压，V_O为积分器110的输出信号的电压。在时钟信号的开关比DT＝T1/T时，若输入电流的最大量程为Iin_max(可为正输入电流或负输入电流的绝对最大值)，在满足电荷平衡的条件时，满足以下条件：Iin_max*T＝Iref*T1，其中Iref为参考电流值(可为Iref-或Iref+的绝对值)。根据上述条件可以得出：Iref＝Iin_max/DT。

因此，时钟信号的开关比可调，可以在量程一定的情况下，改变Iref的大小，这直接影响了功耗。在时钟信号的开关比为1/2时，Iref应为Iin_max的2倍。

在标频时钟电路160利用3比特的计数器实现开关比计数的情况下，可以实现最高值为7/8的占空比。在时钟信号的开关比为1/2时，Iref应为Iin_max的8/7倍。从上述分析可以看出，达到同样的电流量程Iin_max时，通过开关比调整可以将Iref从2倍Iin_max降低到8/7Iin_max，大幅度地降低了系统功耗。上述3比特的计数器实现开关比计数，电路实现简单可靠。

在另一方面，如果维持Iref不变，则可将电流量程Iin_max从1/2倍的Iref，提高到7/8倍的Iref。

图4和图5示出了正向输入电流的情况，本领域技术人员可根据正向输入电流得到负向输入电流的信号时序。

本实施例的电流频率转换电路，还可以通过调整时钟信号的开关比，在保证电荷均衡的条件下，可以在相同电流量程的条件下，减小功耗。另一方面，在同等功耗下也可以提高电流量程。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种电流频率转换电路，包括：

积分器，其输入端用于获取输入电流，并配置成对所述输入电流进行积分处理；

积分电容，连接于所述积分器的输入端与输出端之间；

门限比较电路，与所述积分器的输出端连接，用于将所述积分器的输出信号与阈值电压进行比较，并输出门限比较信号；

逻辑运算电路，与所述门限比较电路的输出端连接，用于将所述门限比较信号与时钟信号进行逻辑运算，产生频率脉冲信号；以及

参考电流源，配置成在所述频率脉冲信号的控制下与所述积分器的输入端接通，从而对所述积分电容进行充放电，维持所述积分电容的电荷平衡。

2.根据权利要求1所述的电流频率转换电路，其中

标频时钟电路，用于输出所述时钟信号，并且所述时钟信号的开关比可调。

3.根据权利要求2所述的电流频率转换电路，其中

所述时钟信号的开关比设置为大于或等于50％。

4.根据权利要求2所述的电流频率转换电路，其中

所述标频时钟电路利用3比特的计数器实现开关比计数，以实现最高值为7/8的占空比。

5.根据权利要求2所述的电流频率转换电路，其中所述逻辑运算电路包括：

D触发器模块，与所述门限比较电路的输出端以及所述标频时钟电路连接，并配置成利用所述时钟信号对所述门限比较信号进行触发输出，得到触发脉冲；

与门模块，与所述D触发器模块的输出端以及所述标频时钟电路连接，并配置成通过对所述触发脉冲以及所述时钟信号进行与运算，得到所述频率脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的电流频率转换电路，其中

所述门限比较电路包括：

第一门限比较器，与所述积分器的输出端连接，用于将所述积分器的输出信号与正阈值电压进行比较，并输出正门限比较信号；

第二门限比较器，与所述积分器的输出端连接，用于将所述积分器的输出信号与负阈值电压进行比较，并输出负门限比较信号；

所述D触发器模块包括：

第一D触发器，与所述第一门限比较器的输出端相连，并配置成利用所述时钟信号对所述正门限比较信号进行触发输出，得到第一触发脉冲；

第二D触发器，与所述第二门限比较器的输出端相连，并配置成利用所述时钟信号对所述负门限比较信号进行触发输出，得到第二触发脉冲；

所述与门模块包括：

第一与门，与所述第一D触发器的输出端相连，并配置成对所述第一触发脉冲以及所述时钟信号进行与运算，得到所述第一频率脉冲信号；

第二与门，与所述第二D触发器的输出端相连，并配置成对所述第二触发脉冲以及所述时钟信号进行与运算，得到所述第二频率脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的电流频率转换电路，其中所述参考电流源包括：

负电流源，配置成在所述第一频率脉冲信号的控制下，向所述积分器的输入端提供正向参考电流；

正电流源，配置成在所述第二频率脉冲信号的控制下，向所述积分器的输入端提供负向参考电流。

8.根据权利要求7所述的电流频率转换电路，还包括：

第一电流源开关，连接于所述负电流源与所述积分器的输入端之间，其控制端与所述第一与门的输出端相连，并配置成受所述第一频率脉冲信号的控制开断，以使得所述负电流源与所述积分器的输入端连接或断开；

第二电流源开关，连接于所述正电流源与所述积分器的输入端之间，其控制端与所述第二与门的输出端相连，并配置成受所述第二频率脉冲信号的控制开断，以使得所述正电流源与所述积分器的输入端连接或断开。

9.根据权利要求1所述的电流频率转换电路，还包括：

输出电路，与所述逻辑运算电路的输出端连接，并配置成将所述频率脉冲信号进行驱动，以输出频率转换信号。

10.根据权利要求1所述的电流频率转换电路，集成设置于一块芯片内。

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