CN113984047B - 一种i/f转换电路标度因数正负对称性调整方法 - Google Patents

一种i/f转换电路标度因数正负对称性调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体混合集成电路领域,公开了一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,包括以下步骤:S1、获取正通道输出脉冲数和负通道输出脉冲数,计算标度因数正负对称性;S2、判断标度因数正负对称性大小,根据判断结果调整标度因数正负对称性,具体为:若标度因数正负对称性小于等于百分之一,采用微调基准电压调整标度因数正负对称性;若标度因数正负对称性大于等于百分之一,采用微调采样电阻调整标度因数正负对称性,直至修正后的标度因数正负对称性小于等于预设标度因数正负对称性阈值。若变化率小,则对电压基准微调;若变化率大,则对采样电阻微调;该调试方法可操作性强,工艺可实现性高,成本低且补偿效果明显。

Description

一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法
技术领域
本发明属于半导体混合集成电路领域,具体涉及一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法。
背景技术
I/F转换电路具有抗干扰能力强、测量范围宽、测量精度高以及测量信息不丢失等特性,主要用于将电流信号转换为数字信号。而惯性导航系统中加速度计输出为模拟电流信号,因此,必须通过I/F电路转换为数字信号以适应供惯性导航系统中的计算机处理。
标度因数正负对称性是对I/F转换器模块在正通道、负通道输入相同大小电流条件下对标度因数差异性的一种度量,作为惯导系统速度误差的影响因素之一,其标定精度的提高对惯导系统导航精度的提升具有重要意义。受材料工艺和制造工艺水平制约,在I/F转换电路的实际工作中,受运算放大器的失调电流、幅度、相位裕度、带宽等,积分电容的吸收效应,频标电路的频率稳定度,模拟开关的开关过渡过程和关断漏电流,稳压管的稳压特性影响,采样电阻的精度、电压基准的精度与稳定性等因素影响,I/F转换电路正负通道输出标度因数存在较大差异。目前,一般采取更换元器件方式来调整标度因数正负对称性,但该方式可操作性低、需要反复试验而且效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,解决了采取更换元器件方式来调整标度因数正负对称性,可操作性低、需要反复试验而且效果较差的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,包括以下步骤:
S1、获取正通道输出脉冲数和负通道输出脉冲数,计算标度因数正负对称性;
S2、判断标度因数正负对称性大小,根据判断结果调整标度因数正负对称性,具体为:
若标度因数正负对称性小于等于百分之一,采用微调基准电压调整标度因数正负对称性,直至修正后的标度因数正负对称性小于等于预设标度因数正负对称性阈值;
若标度因数正负对称性大于等于百分之一,采用微调采样电阻调整标度因数正负对称性,直至修正后的标度因数正负对称性小于等于预设标度因数正负对称性阈值。
进一步,正通道输出脉冲数记为F+和负通道输出脉冲数记为F-;采用微调基准电压调整标度因数正负对称性,直至修正后的标度因数正负对称性小于等于预设标度因数正负对称性阈值;具体包括以下两种情况:
第一种情况:F+>F-,且(F+-F-)/F+≤0.01,则减小正恒流源基准电压输出量,得到正恒流源调整后的电压基准;
根据正恒流源调整后的电压基准控制调整正恒流源电压基准输出,然后采集I/F转换电路调整后的正通道输出脉冲数F+和负通道输出脉冲数F* -,得到修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+-F- *|/(F++F- *)
若满足|K- *|≤KMAX,KMAX为标度因正负对称性容差,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K- *|≤KMAX,则继续改变正恒流源基准电压输出量,直至满足|K- *|≤KMAX
第二种情况:若F+<F-,且(F--F+)/F-≤0.01,则减小负恒流源电压基准输出量,得到负恒流源调整后的电压基准;
根据负恒流源调整后的电压基准控制调整负恒流源电压基准输出,然后采集I/F转换电路调整后的正通道输出脉冲数F* +和负通道输出脉冲数F_,得到修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F_-F* +|/(F* ++F_)
若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K*|≤KMAX,则继续改变负恒流源基准电压输出量,直至满足|K*|≤KMAX
进一步,第一种情况中:正恒流源基准电压输出调整量为ΔV+ *
ΔV+ *=KV+
K=1-R+V_/V+R_
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V_为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R_为负恒流源采样电阻;
此时正恒流源调整后电压基准V+ *满足如下:
V+ *=V+-ΔV+ *
进一步,第二种情况中:负恒流源基准电压输出调整量为ΔV- *
ΔV- *=KV-
K=1-R-V+/V-R+
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V-为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R-为负恒流源采样电阻;
此时负恒流源调整后电压基准V- *满足如下:
V- *=V--ΔV- *
进一步,正通道输出脉冲数记为F+和负通道输出脉冲数记为F-
选择基于采样电阻微调的标度因数正负对称性调整方法,包括以下两种情况:
第一种情况:若F+>F-,且(F+-F-)/F+>0.01,则在负恒流源采样电阻处并联电阻r-
根据得到的并联电阻阻值r-,构建电阻补偿网络,在r-阻值附近设计多个阻值点,然后采集正负通道输出脉冲数F+*和F-,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F--F* +|/(F* ++F_)
若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K*|≤KMAX,则继续选择电阻补偿网络中其他阻值进行键合,然后采集正通道输出脉冲数F+*和负通道输出脉冲数F-,直至修正后的正负标度因数正负对称性满足|K*|≤KMAX
第二种情况:若F+<F-,且(F--F+)/F->0.01,则在正恒流源采样电阻处并联微调电阻r+
根据得到的并联电阻阻值r+,构建电阻补偿网络,在r+阻值附近设计多个阻值点,然后采集负通道输出脉冲数F-*和正通道输出脉冲数F+,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+-F- *|/(F++F- *)
若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K*|≤KMAX,则继续选择电阻补偿网络中其他阻值进行键合,然后采集负通道输出脉冲数F+*和负通道输出脉冲数F-,直至修正后的正负标度因数正负对称性满足|K*|≤KMAX
进一步,第一种情况中,r-满足以下公式:
r-=R-/K;
K=1-R+V_/V+R_
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V-为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R-为负恒流源采样电阻。
进一步,第二种情况中,r+满足以下公式:
r+=R+/K;
K=1-R-V+/V-R+
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V-为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R-为负恒流源采样电阻。
进一步,在r-阻值附近设计多个阻值点,阻值点的电阻值范围为r-±3%r-
在r+阻值附近设计多个阻值点,阻值点的电阻值范围为r+±3%r+
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明公开了一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,将输出差异转换为恒流源输出量,根据输出脉冲数对应微调恒流源采样电阻值或微调恒流源基准电压值实现对I/F转换电路标度因数对称性的修正,该补偿方式灵活方便,可根据正负通道对称性差异合理选择调整位置,具备调整结构简单,调整快捷,成本低等特点。本发明设计的I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,可根据电路状态和指标要求,针对不同的正负通道输出脉冲数变化率,选择恒流源调整位置下,若变化率小,则对电压基准微调;若变化率大,则对采样电阻微调;该调试方法可操作性强,工艺可实现性高,成本低且补偿效果明显,可应用于分流型、高精度型、单恒流源型、电流可拓展型等各类I/F电路频率转换器方案,通用性强,广泛适用于高精度惯性导航电路。
附图说明
图1为I/F电流频率转换电路原理图;
图2为I/F模块标度因数正负对称性调试流程图;
图3为利用数字电位计的基准电压微调流程图;
图4为利用薄膜电阻网络的电阻微调流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示,IF转换电路由积分器、双路比较器、逻辑控制器、开关电路以及恒流源五部分组成;其中积分器部分共用,逻辑控制器中包含正通道逻辑控制单元和负通道逻辑控制单元两部分。正通道由积分器、比较器、正通道逻辑控制单元、开关电路和负恒流源组成;负通道由积分器、比较器、负通道逻辑控制单元、开关电路和正恒流源组成。
正通道脉冲输出数通过正通道逻辑控制单元输出,负通道输出脉冲数通过负通道逻辑控制单元输出。
IF转换器基于电荷平衡原理,当负通道输入电流时,通过正恒流源进行反馈,此时对应逻辑控器负通道输出脉冲数。
根据电荷平衡原理,假定时钟频率为fcp,则输出脉冲数F与输入电流I满足函数关系:
Figure BDA0003329956290000061
式(1)中,Ie为恒流源输出电流;
Ie=V/R (2)
式(2)中,V为电压基准,R为采样电阻;
根据公式(1)和公式(2),得到正通道输出脉冲数F+为:
Figure BDA0003329956290000062
式(3)中,V-为负恒流源基准电压,I+为正通道输入电流,R-为负恒流源采样电阻,fcp为时钟频率,Ie-为负恒流源输出电流。
同理,负通道输出脉冲数F-为:
Figure BDA0003329956290000063
式(4)中,V+为正恒流源电压基准,I-为负通道输入电路,R+为正恒流源采样电阻,fcp为时钟频率,Ie+为正恒流源输出电流。
本发明所述的I/F转换电路的原理图如图1,电路采用厚膜混合集成电路工艺,电路组装完成后,首先采集正通道输出脉冲数F+和负通道输出脉冲数F_,然后计算标度因数正负对称性K:
K=2|F+-F_|/(F++F_) (5)
当F+>F_时,进一步:
K≈F+-F-/F+ (6)
将式(3)和式(4)带入式(6),同时满足I+=I_进一步可得公式(7)
K=1-R+V-/V+R- (7)
当F+<F_时,进一步:
K≈F--F+/F- (8)
将式(3)和式(4)带入式(5),同时满足I+=I_进一步可得公式(9):
K=1-R-V+/V-R+ (9)
本发明所述的I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法调试流程如图2,若标度因数正负对称性小于等于百分之一,则选择基于基准电压微调标度因数正负对称性调整方法:否则,选择基于采样电阻微调的标度因数正负对称性调整方法。
标度因数正负对称性小于等于百分之一,选择基于基准电压微调标度因数正负对称性调整方法,包括以下两种情况:
第一种情况:F+>F-,且(F+-F-)/F+≤0.01,则改变正恒流源基准电压输出量;
此时正恒流源调整后电压基准V+ *满足如下:
V+ *=V+-ΔV+ * (10)
此时,根据公式(4)得到修正后的负通道输出脉冲数:
Figure BDA0003329956290000071
令调整后的负通道输出脉冲数F- *=F+,当正负通道输入电流大小一样时,即I+=I-,正负通道输出脉冲数也一样,即标度因数正负对称性为零时,可得到对应正恒流源基准调整量(这是理想条件下的结果,为理论值),根据式(11)和式(3)可得;
R-V+*=R+V- (12)
根据式(7)、式(10)以及式(12),得到正恒流源调整量为ΔV+ *
ΔV+ *=KV+ (13)
利用数字电位计对正恒流源基准电压进行微调,使用高温绝缘胶将数字电位计芯片块胶粘接在厚膜陶瓷基板上预留的位置,控制数字电位计调整正恒流源电压基准输出,然后采集I/F转换电路调整后的正通道输出脉冲数F+和负通道输出脉冲数F* -,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+-F* -|/(F++F- *) (14)
若满足|K- *|≤KMAX,KMAX为标度因正负对称性容差,则标度因数正负对称性调整完成;若不满|K- *|≤KMAX,则继续调整数字电位计,改变正恒流源基准电压输出量,按图3所示步骤直至满足指标要求,即满足|K- *|≤KMAX
第二种情况:若F+<F-,且(F--F+)/F-≤0.01,则减小负恒流源电压基准,此时负恒流源调整后电压基准V- *满足如下:
V- *=V--ΔV- * (15)
此时,根据公式(3)得到修正后的正通道输出脉冲数:
Figure BDA0003329956290000081
令调整后的负通道输出脉冲数F+ *=F-,当正负通道输入电流大小一样时,即I+=I-,正负通道输出脉冲数也一样,即标度因数正负对称性为零时,可得到对应正恒流源基准调整量(这是理想条件下的结果,为理论值),根据式(16)和式(4)可得;
R-V+=R+V-* (17)
根据式(9)、式(15)以及式(17),得到正恒流源调整量为ΔV- *
ΔV- *=KV- * (18)
使用高温绝缘胶将数字电位计芯片块胶粘接在厚膜陶瓷基板上预留的位置,控制数字电位计调整负恒流源电压基准输出,然后采集I/F转换电路调整后的正通道输出脉冲数F+*和负通道输出脉冲数F-,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+*-F-|/(F+*+F-) (19)
若满足|K+ *|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K+ *|≤KMAX,则继续调整数字电位计,改变负恒流源基准电压输出量,按图3所示步骤直至满足指标要求。
标度因数正负对称性大于百分之一,选择基于采样电阻微调的标度因数正负对称性调整方法,包括以下两种情况:
第一种情况:若F+>F-,且(F+-F-)/F+>0.01,则在负恒流源采样电阻处并联电阻r-,并联后的等效电阻
Figure BDA0003329956290000091
满足:
Figure BDA0003329956290000092
此时,根据公式(3)得到修正后的正通道输出脉冲数:
Figure BDA0003329956290000093
令F+ *=F-,当正负通道输入电流大小一样时,即I+=I-,正负通道输出脉冲数也一样,即标度因数正负对称性为零时,可得到对应负恒流源采样电阻并联微调电阻阻值(这是理想条件下的结果,为理论值);根据公式(21)和公式(4),此时有:
Figure BDA0003329956290000101
根据式(7)、式(20)以及式(22),则在负恒流源采样电阻处并联微调电阻阻值r-
r-=R-/K (23)
根据上述公式(23)计算的并联微调电阻阻值,利用薄膜工艺构建电阻补偿网络,在r_阻值附近(r_±3%r_)设计多个阻值点,使用高温绝缘胶将薄膜电阻块胶粘接在厚膜陶瓷基板上预留的位置,选择其中一个阻值,通过金丝键合实现薄膜电阻与厚膜基板上负恒流源采样电阻并联,然后测试电路正通道输出脉冲数F+*和负通道输出脉冲数F_,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+*-F_|/(F+*+F_) (24)
若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K*|≤KMAX,则按图4所示步骤,剔除原有金丝,继续选择电阻补偿网络中其他阻值进行键合,然后测试电路负通道输出脉冲数F+*和负通道输出脉冲数F_,直至修正后的正负标度因数正负对称性满足指标要求。
第二种情况:若F+<F_,且(F_-F+)/F_>0.01,则在正恒流源采样电阻处并联电阻r+,并联后的等效电阻R+ *满足:
Figure BDA0003329956290000102
此时,根据公式(3)得到修正后的正通道输出脉冲数:
Figure BDA0003329956290000103
令F+=F_ *,当正负通道输入电流大小一样时,即I+=I_,正负通道输出脉冲数也一样,即标度因数正负对称性为零时,可得到对应负恒流源采样电阻并联微调电阻阻值(这是理想条件下的结果,为理论值);根据公式(26)和公式(3),此时有:
Figure BDA0003329956290000111
根据式(9)、式(25)以及式(27),则在负恒流源采样电阻处并联微调电阻阻值r-
r+=R+/K (28)
根据上述公式(28)计算的并联微调电阻阻值,利用薄膜工艺构建电阻补偿网络,在r+阻值附近(r+±3%r+)设计多个阻值点,使用高温绝缘胶将薄膜电阻块胶粘接在厚膜陶瓷基板上预留的位置,选择其中一个阻值,通过金丝键合实现薄膜电阻与厚膜基板上负恒流源采样电阻并联,然后采集负通道输出脉冲数F-*和正通道输出脉冲数F+,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+-F* -|/(F++F- *) (29)
根据上述公式(22)计算的并联微调电阻阻值,利用薄膜工艺构建电阻补偿网络,按图4所示步骤进行标度因数对称性调整,若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满|K*|≤KMAX,则按图4所示步骤,继续选择电阻补偿网络中其他阻值进行键合,直至满足指标要求。
由于I/F转换电路模块中逻辑控制电路、模拟开关电路、恒流源电路部分均有独立的正负电流通道,器件性能差异最终体现为I/F模块正负通道输出脉冲数的差异,即导致标度因数正负不对称,而实际中通过调整元器件改变标度因数对称性不仅成本高,而且调试难度大。因此,本发明将输出差异转换为恒流源输出量,根据输出脉冲数对应微调恒流源采样电阻值或微调恒流源基准电压值实现对I/F转换电路标度因数对称性的修正,该补偿方式灵活方便,可根据正负通道对称性差异合理选择调整位置,具备调整结构简单,调整快捷,成本低等特点。

Claims (7)

1.一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、获取正通道输出脉冲数和负通道输出脉冲数,计算标度因数正负对称性;
S2、判断标度因数正负对称性大小,根据判断结果调整标度因数正负对称性,具体为:
若标度因数正负对称性小于等于百分之一,采用微调基准电压调整标度因数正负对称性,直至修正后的标度因数正负对称性小于等于预设标度因数正负对称性阈值;
若标度因数正负对称性大于等于百分之一,采用微调采样电阻调整标度因数正负对称性,直至修正后的标度因数正负对称性小于等于预设标度因数正负对称性阈值;
正通道输出脉冲数记为F+和负通道输出脉冲数记为F-;采用微调基准电压调整标度因数正负对称性,直至修正后的标度因数正负对称性小于等于预设标度因数正负对称性阈值;具体包括以下两种情况:
第一种情况:F+>F-,且(F+-F-)/F+≤0.01,则减小正恒流源基准电压输出量,得到正恒流源调整后的电压基准;
根据正恒流源调整后的电压基准控制调整正恒流源电压基准输出,然后采集I/F转换电路调整后的正通道输出脉冲数F+和负通道输出脉冲数F* -,得到修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+-F- *|/(F++F- *)
若满足|K- *|≤KMAX,KMAX为标度因正负对称性容差,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K- *|≤KMAX,则继续改变正恒流源基准电压输出量,直至满足|K- *|≤KMAX
第二种情况:若F+<F-,且(F--F+)/F-≤0.01,则减小负恒流源电压基准输出量,得到负恒流源调整后的电压基准;
根据负恒流源调整后的电压基准控制调整负恒流源电压基准输出,然后采集I/F转换电路调整后的正通道输出脉冲数F* +和负通道输出脉冲数F-,得到修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F--F* +|/(F* ++F-)
若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K*|≤KMAX,则继续改变负恒流源基准电压输出量,直至满足|K*|≤KMAX
2.根据权利要求1所述的一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,其特征在于,第一种情况中:正恒流源基准电压输出调整量为ΔV+ *
ΔV+ *=KV+
K=1-R+V-/V+R-
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V-为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R-为负恒流源采样电阻;
此时正恒流源调整后电压基准V+ *满足如下:
V+ *=V+-ΔV+ *
3.根据权利要求1所述的一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,其特征在于,第二种情况中:负恒流源基准电压输出调整量为ΔV- *
ΔV- *=KV-
K=1-R-V+/V-R+
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V-为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R-为负恒流源采样电阻;
此时负恒流源调整后电压基准V- *满足如下:
V- *=V--ΔV- *
4.根据权利要求1所述的一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,其特征在于,正通道输出脉冲数记为F+和负通道输出脉冲数记为F-
选择基于采样电阻微调的标度因数正负对称性调整方法,包括以下两种情况:
第一种情况:若F+>F-,且(F+-F-)/F+>0.01,则在负恒流源采样电阻处并联电阻r-
根据得到的并联电阻阻值r-,构建电阻补偿网络,在r-阻值附近设计多个阻值点,然后采集正负通道输出脉冲数F+*和F-,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F--F* +|/(F* ++F-)
若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K*|≤KMAX,则继续选择电阻补偿网络中其他阻值进行键合,然后采集正通道输出脉冲数F+*和负通道输出脉冲数F-,直至修正后的正负标度因数正负对称性满足|K*|≤KMAX
第二种情况:若F+<F-,且(F--F+)/F->0.01,则在正恒流源采样电阻处并联微调电阻r+
根据得到的并联电阻阻值r+,构建电阻补偿网络,在r+阻值附近设计多个阻值点,然后采集负通道输出脉冲数F-*和正通道输出脉冲数F+,则修正后的标度因数正负对称性K*
K*=2|F+-F- *|/(F++F- *)
若满足|K*|≤KMAX,则标度因数正负对称性调整完成;若不满足|K*|≤KMAX,则继续选择电阻补偿网络中其他阻值进行键合,然后采集负通道输出脉冲数F+*和负通道输出脉冲数F-,直至修正后的正负标度因数正负对称性满足|K*|≤KMAX
5.根据权利要求4所述的一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,其特征在于,第一种情况中,r-满足以下公式:
r-=R-/K;
K=1-R+V-/V+R-
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V-为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R-为负恒流源采样电阻。
6.根据权利要求4所述的一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,其特征在于,第二种情况中,r+满足以下公式:
r+=R+/K;
K=1-R-V+/V-R+
其中,K为S1计算得到的标度因数正负对称性,V+为正恒流源电压基准;
V-为负恒流源基准电压,R+为正恒流源采样电阻,R-为负恒流源采样电阻。
7.根据权利要求4所述的一种I/F转换电路标度因数正负对称性调整方法,其特征在于,在r-阻值附近设计多个阻值点,阻值点的电阻值范围为r-±3%r-
在r+阻值附近设计多个阻值点,阻值点的电阻值范围为r+±3%r+
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