CN115133934A - 一种高精度低功率电流频率转换电路及转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度低功耗电流频率转换电路及转换方法，本发明通过利用电流源产生两个大小相等、极性相反的基准电压并将这两个基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准，然后根据输入电流的变化情况利用正向基准恒流源或负向基准恒流源对积分器进行适时充放电，实现高精度电流向频率的转换。同时通过独有的硬件构架，减小了整个电流频率转换模块的功耗损失，避免在工作过程中，由于功耗过高导致温度过高，从而影响检测数据的精度。
Description
技术领域
本发明涉及惯导系统电流频率转换技术领域，尤其涉及一种高精度低功耗电流频率转换电路及转换方法。
背景技术
电流频率转换，通常称为I/F转换，是一种将电流转换为频率信号的高精度电流检测模块，目前主要用于惯导系统的石英挠性加速度计采集。
目前行业内的I/F转换主要采用两种方案，一是高精度I/F转换，特点是精度高、长期稳定性好，缺点是价格昂贵、功耗大、发热严重；二是V/F转换，其本质是低功耗I/F转换的一种，特点是功耗低、调试简便、体积小、价格便宜，缺点是精度较低、存在零位。
I/F转换的核心原理是利用电荷平衡实现检测，外部输入电流通过积分电路对积分电容进行充放电，当电荷水平达到一定门限后，触发比较电路输出翻转，经过量化模块实现对模拟开关的控制，控制固定恒流源以固定的电荷量输入实现闭环反馈，实现积分电路的电荷平衡，将输入电流转换成脉冲数。
然而高精度I/F转换模块，通常采用高精度带隙电压基准LM199作为电压基准，给出正负向基准恒流源，而LM199需要用±12V以上的电压转换成±7V左右的基准电压，因此高精度I/F转换模块会采用±12V～±15V的模拟电源，外加+5V的数字电源进行供电。这种构架虽然能够实现I/F转换的极限精度，即10ppm的非线性，1ppm/℃的标度温度系数，全温零位低于10nA。但这种构架的I/F检测模块有个最大的缺点，功耗较大，发热严重。以量程为±20mA的高精度I/F模块为例，其功耗约为4W，所有的功耗都会以发热的形式体现出来。而一个光纤陀螺惯导系统功耗也就10W左右，接近一半的功耗由I/F模块贡献的，更重要的是高精度惯导系统的陀螺和加速度计都是对温度非常敏感的，在高精度器件附近放置一个大热源会导致系统整体精度下降，也会降低系统的温度适用范围。
低功耗V/F转换模块的核心原理与上述I/F转换模块的区别，只是在电流输入端加上了I/V和V/I转换，如图1所示：经过图1的转换，等效于将输入电流I1缩小到I2,比例值为R2/R1。由于输入电流减小了，所以正负基准恒流源也相应变小，起到降功耗的目的。但在I/V和V/I转换过程中会带来零位(高精度I/F零位可忽略)，同时，由于正负基准恒流源大幅缩小，导致电流转换非线性指标变差。一般全温非线性只能做到100ppm左右，零位和标度均存在一定温度系数，给后续补偿带来难度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高精度低功耗电流频率转换电路及转换方法，通过利用电流镜产生两个大小相等、极性相反的基准电压并将这两个基准电压作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准，然后根据输入电流的变化情况利用正向基准恒流源或负向基准恒流源对积分器进行适时充放电，实现电流向频率的转换。通过独有的硬件构架，减小了整个电流频率转换模块的功耗损失，避免在工作过程中，由于功耗过高导致温度过高，从而影响检测数据的精度。
一种高精度低功耗电流频率转换电路，包括恒流源转换模块、积分器、比较器、量化模块和模拟开关，
所述恒流源转换模块包括电流镜和电流源，电流镜用于将正向基准电压转换为大小相等、极性相反的负向基准电压，将正向基准电压和负向基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准；
所述积分器用于将输入电流转化为积分电压；
所述比较器用于将积分器输出的积分电压与预设电压进行比较并根据比较结果对应输出相应的电平信号；
所述量化模块用于对比较器输出的电平信号进行量化并输出脉冲信号；
所述模拟开关用于根据量化模块输出的脉冲信号的极性将正向基准恒流源或负向基准恒流源与积分器导通，以使正向基准恒流源对积分器充电或负向基准恒流源对积分器放电。
优选地，所述电流镜包括第一电阻、第二电阻、MOS管和运算放大器，第一电阻的一端与正向电源相连、另一端与MOS管的漏极相连并输出反向基准电压，MOS管的栅极与运算放大器的输入端相连，运算放大器的正相输出端输出正向基准电压、反相输出端通过第二电阻与负向电源相连，正向基准电压作为正向基准恒流源送至模拟开关的一个输入端，反向基准电压作为负向基准恒流源送至模拟开关的另一输入端。
优选地，所述正向电源为﹢5v电压，负向电源为-5v电压。
优选地，所述量化模块采用的是FPGA逻辑控制电路，FPGA逻辑控制电路的信号输入端连接比较器的电平信号输出端，用于根据比较器输出的电平信号输出正向脉冲或负向脉冲，并控制正向脉冲或负向脉冲的脉冲宽度，将脉冲信号反馈给模拟开关。
优选地，量化模块向模拟开关反馈正向脉冲时，模拟开关控制使负向基准恒流源对积分器放电，以使积分器输出的积分电压降低至正向预设电压以下；
量化模块输出向模拟开关反馈负向脉冲时，模拟开关控制使正向基准恒流源对积分器充电，以使积分器输出的积分电压上升至负向预设电压以上。
一种高精度低功耗电流频率转换方法，包括以下步骤：
S1，恒流源转换模块产生两个大小相等、极性相反的基准电压，将这两个基准电压作为正向基准恒流源和负向基准恒流源；
S2，当输入电流为正向电流时，积分器的积分电流极性为正，当积分器输出的积分电压达到或超过正向预设电压后，触发比较器输出的电平翻转，量化模块对比较器输出的电平信号进行量化并向模拟开关反馈正向脉冲信号，模拟开关控制使恒流源转换模块输出的负向基准恒流源对积分器放电，以使积分器输出的积分电压降低至正向预设电压以下；
当输入电流为负向电流时，积分器的积分电流极性为负，当积分器输出的积分电压达到或低于负向预设电压后，触发比较器输出的电平翻转，量化模块对比较器输出的电平信号进行量化并向模拟开关反馈负向脉冲信号，模拟开关控制使恒流源转换模块输出的正向基准恒流源对积分器充电，以使积分器输出的积分电压降低至负向预设电压以下。
优选地，所述恒流源转换模块包括电流镜和电流源，电流镜用于将正向基准电压转换为大小相等、极性相反的负向基准电压，将正向基准电压和负向基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准。
优选地，所述电流镜包括第一电阻、第二电阻、MOS管和运算放大器，第一电阻的一端与正向电源相连、另一端与MOS管的漏极相连并输出反向基准电压，MOS管的栅极与运算放大器的输入端相连，运算放大器的正相输出端输出正向基准电压、反相输出端通过第二电阻与负向电源相连，正向基准电压作为正向基准恒流源送至模拟开关的一个输入端，反向基准电压作为负向基准恒流源送至模拟开关的另一输入端。
优选地，所述正向电源为﹢5v电压，负向电源为-5v电压。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过利用电流源产生两个大小相等、极性相反的基准电压并将这两个基准电压作为正向基准恒流源和负向基准恒流源，然后根据输入电流的变化情况利用正向基准恒流源或负向基准恒流源对积分器进行适时充放电，减小了整个电流频率转换模块的功耗损失，避免在工作过程中，由于功耗过高导致温度过高，从而影响检测数据的精度。
2、本发明采用±5V电流源进行供电以生成高精度的正负基准恒流源，其输入的供电电压从±15V降低至±5V，功耗仅为1W，在确保I/F转换模块转换精度的同时，也降低了I/F转换模块的功耗，使其功耗比传统高精度I/F转换模块降低70％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为背景技术中V/F转换模块的I/V和V/I转换示意图。
图2为本申请高精度低功耗电流频率转换电路的示意图。
图3为本申请高精度低功耗电流频率转换电路的方法流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
本发明给出一种高精度低功耗电流频率转换电路，包括恒流源转换模块、积分器、比较器、量化模块和模拟开关。
所述恒流源转换模块用于利用电流源产生出两个大小相等、极性相反的基准电压。
恒流源转换模块包括电流源和电流镜。
电流源用于提供正向电源+VCC和负向电源-VCC，正向电源为﹢5v电压，负向电源为-5v电压。
电流镜用于将正向电压基准电压VREF+转换为大小相等、极性相反的反向基准电压VREF-，将正向基准电压VREF+、反向基准电压VREF-分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准。
具体地，如图2所示，电流镜包括第一电阻R1、第二电阻R2、MOS管Q1和运算放大器。第一电阻R1的一端与正向电源+VC相连、另一端与MOS管Q1的漏极相连并输出反向基准电压VREF-，MOS管Q1的栅极与运算放大器的输入端相连，运算放大器的正相输出端输出正向基准电压VREF+、反相输出端通过第二电阻R2与负向电源-VCC相连，正向基准电压VREF+作为正向基准恒流源送至模拟开关的一个输入端，反向基准电压VREF-作为负向基准恒流源送至模拟开关的另一输入端。
所述积分器用于将输入电流转化为积分电压，当输入电流进入积分器后，积分器开始积分，将输入电流转换为积分电压。积分器的控制信号输入端与模拟开关的信号输出端相连，积分器的信号输出端与比较器的信号输入端相连。
所述比较器用于将积分器输出的积分电压与预设电压进行比较并根据比较结果对应输出相应的电平信号，当积分器输出的积分电压为正向电压且该电压达到或超过正向预设电压时，比较器输出的电平会翻转，从而输出高电平；当积分器输出的积分电压为负向电压且该电压达到或低于负向预设电压时，比较器输出的电平会翻转，从而输出低电平。比较器的信号输出端与量化模块的信号输入端相连。
所述量化模块用于对比较器输出的电平信号进行量化并输出脉冲信号，即输出正向脉冲或反向脉冲。量化模块的信号输出端与模拟开关的控制信号输入端相连，模拟开关的信号输出端与积分器的控制信号输入端相连。
所述模拟开关用于根据量化模块输出的脉冲信号的极性将正向基准恒流源或负向基准恒流源与积分器导通，以使正向基准恒流源对积分器充电或负向基准恒流源对积分器放电。
本实施例中，所述量化模块采用的是FPGA逻辑控制电路，并通过FPGA逻辑控制电路的I/O口实现控制。FPGA逻辑控制电路的信号输入端连接比较器的电平信号输出端，用于根据比较器输出的电平信号输出正向脉冲或负向脉冲，并控制正向脉冲或负向脉冲的脉冲宽度，将脉冲信号反馈给模拟开关。
当量化模块向模拟开关反馈正向脉冲时，模拟开关根据接收到的正向脉冲控制使负向基准恒流源对积分器放电，以使积分器输出的积分电压降低至正向预设电压以下；
当量化模块向模拟开关反馈负向脉冲时，模拟开关根据接收到的负向脉冲控制使正向基准恒流源对积分器充电，以使积分器输出的积分电压上升至负向预设电压以上。
由于常规惯性导航系统需要采集三路加速度计输出的电流信号，因此有3对正负基准恒流源，每对正负基准恒流源的电流均来自电源，即±15V供电、±35mA的电流源，其功耗为30*0.035*3＝3.15W。
本申请的高精度低功耗电流频率转换电路采用±5V电流源进行供电以生成高精度的正负基准恒流源，其输入的供电电压从±15V降低至±5V，功耗仅为1W，在确保I/F转换模块转换精度的同时，也降低了I/F转换模块的功耗，使其功耗比传统高精度I/F转换模块要降低70％。对于量程为±20mA的低功耗高精度I/F转换模块，其总功耗不到1.5W，进一步使低功耗高精度I/F转换模块的标度非线性、对称性、温度系数指标均和传统高精度I/F转换模块保持一致，长期稳定性指标略低于传统高精度I/F转换模块。
本发明还给出一种高精度低功耗电流频率转换方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1，恒流源转换模块产生两个大小相等、极性相反的基准电压，将这两个基准电压作为正向基准恒流源和负向基准恒流源。
S2，当输入电流为正向电流时，积分器的积分电流极性为正，当积分器输出的积分电压达到或超过正向预设电压后，触发比较器输出的电平翻转，量化模块对比较器输出的电平信号进行量化并向模拟开关反馈正向脉冲信号，模拟开关控制使恒流源转换模块输出的负向基准恒流源对积分器放电，以使积分器输出的积分电压降低至正向预设电压以下；
当输入电流为负向电流时，积分器的积分电流极性为负，当积分器输出的积分电压达到或低于负向预设电压后，触发比较器输出的电平翻转，量化模块对比较器输出的电平信号进行量化并向模拟开关反馈负向脉冲信号，模拟开关控制使恒流源转换模块输出的正向基准恒流源对积分器充电，以使积分器输出的积分电压降低至负向预设电压以下。
本申请的高精度低功耗电流频率转换电路与传统主流的高精度I/F转换模块和低功耗V/F转换模块相比，有以下优点：
1、低功耗：±20mA功耗小于1.5W，±28mA功耗小于2W；功耗相比高精度I/F转换模块大幅降低；
2、超低温度系数：全温范围温度系数优于1ppm/℃；
3、标度短期稳定性高：温度稳定条件下，标度稳定性优于5ppm；
4、标度非线性度高：满量程范围内，标度非线性度优于15ppm；小量程(±10g)范围内，标度非线性优于10ppm；
5、零位低：全温范围，测量零位低于10nA，基本可以忽略；
6、电源简单，并且适应性高：对外部供电不敏感，使用单5V供电，外部电源在0.1V范围内波动对标度没影响，对系统供电要求非常低。
7、和高精度IF模块比较：低功耗IF模块最大的优点是功耗低，发热量小，成本低；缺点是模块标度的长期稳定性和温度系数较高精度IF模块要差一些。
8、和VF模块比较：低功耗IF模块的优点在于：没有零位，标度非线性指标高，整体精度指标均优于VF模块；缺点是成本要比VF略高一些，主要体现在调试标校成本上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种高精度低功耗电流频率转换电路，其特征在于，包括恒流源转换模块、积分器、比较器、量化模块和模拟开关，
所述恒流源转换模块包括电流镜和电流源，电流镜用于将正向基准电压转换为大小相等、极性相反的负向基准电压，将正向基准电压和负向基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准；
所述积分器用于将输入电流转化为积分电压；
所述比较器用于将积分器输出的积分电压与预设电压进行比较并根据比较结果对应输出相应的电平信号；
所述量化模块用于对比较器输出的电平信号进行量化并输出脉冲信号；
所述模拟开关用于根据量化模块输出的脉冲信号的极性将正向基准恒流源或负向基准恒流源与积分器导通，以使正向基准恒流源对积分器充电或负向基准恒流源对积分器放电。
2.根据权利要求1所述的高精度低功耗电流频率转换电路，其特征在于，所述电流镜包括第一电阻、第二电阻、MOS管和运算放大器，第一电阻的一端与正向电源相连、另一端与MOS管的漏极相连并输出反向基准电压，MOS管的栅极与运算放大器的输入端相连，运算放大器的正相输出端输出正向基准电压、反相输出端通过第二电阻与负向电源相连，正向基准电压作为正向基准恒流源送至模拟开关的一个输入端，反向基准电压作为负向基准恒流源送至模拟开关的另一输入端。
3.根据权利要求1或2所述的高精度低功耗电流频率转换电路，其特征在于，所述正向电源为﹢5v电压，负向电源为-5v电压。
4.根据权利要求1所述的高精度低功耗电流频率转换电路，其特征在于，所述量化模块采用的是FPGA逻辑控制电路，FPGA逻辑控制电路的信号输入端连接比较器的电平信号输出端，用于根据比较器输出的电平信号输出正向脉冲或负向脉冲，并控制正向脉冲或负向脉冲的脉冲宽度，将脉冲信号反馈给模拟开关。
5.根据权利要求4所述的高精度低功耗电流频率转换电路，其特征在于，量化模块向模拟开关反馈正向脉冲时，模拟开关控制使负向基准恒流源对积分器放电，以使积分器输出的积分电压降低至正向预设电压以下；
量化模块输出向模拟开关反馈负向脉冲时，模拟开关控制使正向基准恒流源对积分器充电，以使积分器输出的积分电压上升至负向预设电压以上。
6.一种高精度低功耗电流频率转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，恒流源转换模块产生两个大小相等、极性相反的基准电压，将这两个基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准；
S2，当输入电流为正向电流时，积分器的积分电流极性为正，当积分器输出的积分电压达到或超过正向预设电压后，触发比较器输出的电平翻转，量化模块对比较器输出的电平信号进行量化并向模拟开关反馈正向脉冲信号，模拟开关控制使恒流源转换模块输出的负向基准恒流源对积分器放电，以使积分器输出的积分电压降低至正向预设电压以下；
当输入电流为负向电流时，积分器的积分电流极性为负，当积分器输出的积分电压达到或低于负向预设电压后，触发比较器输出的电平翻转，量化模块对比较器输出的电平信号进行量化并向模拟开关反馈负向脉冲信号，模拟开关控制使恒流源转换模块输出的正向基准恒流源对积分器充电，以使积分器输出的积分电压降低至负向预设电压以下。
7.根据权利要求6所述的高精度低功耗电流频率转换方法，其特征在于，所述恒流源转换模块包括电流镜和电流源，电流镜用于将正向基准电压转换为大小相等、极性相反的负向基准电压，将正向基准电压和负向基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准。
8.根据权利要求7所述的高精度低功耗电流频率转换方法，其特征在于，所述电流镜包括第一电阻、第二电阻、MOS管和运算放大器，第一电阻的一端与正向电源相连、另一端与MOS管的漏极相连并输出反向基准电压，MOS管的栅极与运算放大器的输入端相连，运算放大器的正相输出端输出正向基准电压、反相输出端通过第二电阻与负向电源相连，正向基准电压作为正向基准恒流源送至模拟开关的一个输入端，反向基准电压作为负向基准恒流源送至模拟开关的另一输入端。
9.根据权利要求7所述的高精度低功耗电流频率转换方法，其特征在于，所述正向电源为﹢5v电压，负向电源为-5v电压。
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