CN115567057A - 一种量程可切换高精度i/f转换器及转换方法 - Google Patents

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CN115567057A CN202211310468.1A CN202211310468A CN115567057A CN 115567057 A CN115567057 A CN 115567057A CN 202211310468 A CN202211310468 A CN 202211310468A CN 115567057 A CN115567057 A CN 115567057A
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李锦涛
黄征
郑东飞
徐鑫
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    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/50—Analogue/digital converters with intermediate conversion to time interval
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Abstract

本发明给提供一种量程可切换高精度I/F转换器及转换方法，I/F转换器信号输入端Iin设置有电阻R1、模拟开关U1和电阻R2；其中模拟开关U1和电阻R2构成分流电路，积分器连接有比较电路，比较电路输出端连接逻辑控制电路，逻辑控制电路还接入有时钟电路，逻辑控制电路输出端分别连接脉冲信号和模拟开关电路；模拟开关U1互联有正负恒流源，且还接入电阻R1和积分器之间；本申请通过逻辑控制电路实时检测输出脉冲数，根据脉冲数大小控制分流电阻处开关导通与关断，实现分流模式的进入与退出，即大小量程的切换；本申请可应用于各类传感器信号数字化、高精度模数转换与惯性导航系统、姿态系统等场合，具有广泛的应用前景。

Description

一种量程可切换高精度I/F转换器及转换方法
技术领域
本发明属于半导体混合集成电路领域，具体涉及一种量程可切换高精度I/F转换器及转换方法。
背景技术
I/F转换器主要用于将模拟信号电压信号或电流信号，转换为数字脉冲信号，主要应用于加速度计产品、IMU产品中的加速度计测量通道、机械陀螺产品的模数转换。
专利(CN 103441764 B)名为一种电流频率转换电路，根据输入电流的大小，自动切换与之平衡的恒流源，虽较好的解决了分辨率与量程之间的矛盾，但导致线路复杂，元器件种类与数量增多，且随着多个恒流源的引入，电路体积增大且功耗居高不下。
专利(CN201020551468.7)名为一种基于双积分器的高精度电流频率转换电路，通过增加一路分流模式的电流-频率转换电路实现大量程电流-频率转换，其电路复杂，两个积分器交替工作不能良好衔接，存在无法克服的系统误差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种量程可切换高精度I/F转换器及转换方法，能够降低电路体积，且提到转换精度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种量程可切换高精度I/F转换器，包括并联电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端接入I/F转换器信号输入端Iin，另一端连接有积分器；I/F转换器信号输入端Iin还连接有模拟开关U1，模拟开关U1输出端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接入积分器，模拟开关U1和电阻R2为分流电路；
所述积分器连接有比较电路，比较电路输出端连接逻辑控制电路，所述逻辑控制电路还接入有时钟电路，逻辑控制电路输出端分别连接脉冲信号和模拟开关电路；
所述模拟开关互联有正负恒流源，且还接入电阻R1和积分器之间。
进一步的，所述积分器包括积分电容C1和运算放大器U2；
所述积分电容C1的一端连接运算放大器U2输出端后接入比较电路，另一端与运算放大器U2反相输入端，与电阻R1一端、模拟开关输出端连接在一起构成∑点，∑点为积分器实际输入端。
进一步的，所述逻辑控制电路采用FPGA。
进一步的，所述电容R2连与运算放大器U2输入侧正极之间连接有地线。
一种量程可切换高精度I/F转换方法，包括以下步骤：
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率小于最大输出频率，则逻辑控制电路输出低电平信号控制模拟开关U1保持开关断开；
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率不小于最大输出频率，逻辑控制电路输出由低电平信号转为高电平信号，控制模拟开关U1导通，电阻R2接入电流输入端，对输入电流信号进行分流；
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流再次小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率小于最小输出频率，逻辑控制电路输出由高电平信号转为低电平信号，控制模拟开关U1断开，退出分流状态，且往返循环。
进一步的，所述最大输出频率为：
Figure BDA0003907864520000031
其中，Ie为积分器输入最大电流，FMAX为最大输出频率，tcp为，tcp为。
进一步的，当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，实际输入积分器的电流为：
Figure BDA0003907864520000032
其中，
Figure BDA0003907864520000033
为实际输入积分器的电流，Iin为。
进一步的，当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，预设电阻R1和电阻R2的分流比，使得输入积分器电流的始终小于积分器可输入最大电流，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，此时，输出频率大于最小输出频率，逻辑控制电路输出保持高电平信号，控制模拟开关U1持续导通，电路保持分流状态。
进一步的，量程可切换高精度I/F转换器输出脉冲数F满足：
Figure BDA0003907864520000034
式中，K1与K2为标度因数，
Figure BDA0003907864520000035
Iin为输入电流大小。
进一步的，Ie为设定输入积分器最大电流值，由电荷平衡原理可知，要满足I/F转换电路重复进行，Ie需满足：
Figure BDA0003907864520000036
式中，Iref表示恒流源大小。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明给提供一种量程可切换高精度I/F转换器及转换方法，I/F转换器输入端设置有电阻R1、模拟开关U1和电阻R2；其中模拟开关U1和电阻R2构成分流电路；积分器由积分电容C1和运算放大器U2组成；积分器后连接比较电路，可对积分信号进行量化处理；比较电路连接逻辑控制电路，输出脉冲信号的同时控制正负恒流源的反馈；时钟电路为逻辑控制电路提供时钟脉冲信号，经分频处理后产生固定脉冲宽度信号，即生成逻辑控制电路定时宽度；本申请通过逻辑控制电路实时检测输出脉冲数，根据脉冲数大小控制分流电阻处开关导通与关断，实现分流模式的进入与退出，即大小量程的切换；电路采用混合集成电路制造，减小了尺寸的同时降低了重量；与传统I/F转换器相比有效解决了量程与分辨率之间矛盾，降低了电路功耗，尤其在大量程时，保证了电路的可靠性与稳定性；本申请可应用于各类传感器信号数字化、高精度模数转换与惯性导航系统、姿态系统等场合，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种量程可切换高精度I/F转换器电路图。
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。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供一种量程可切换高精度I/F转换器，如图1所示，包括并联电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端接入I/F转换器信号输入端Iin，另一端连接有积分器；I/F转换器信号输入端Iin还连接有模拟开关U1，模拟开关U1输出端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接入积分器；
所述积分器连接有比较电路，比较电路输出端连接逻辑控制电路，所述逻辑控制电路还接入有时钟电路，逻辑控制电路输出端分别连接脉冲信号和模拟开关电路；
所述模拟开关互联有正负恒流源，且还接入电阻R1和积分器之间。
具体的，所述积分器连接比较电路，用于对积分信号进行量化处理；比较电路连接逻辑控制电路，用于输出脉冲信号的同时控制正负恒流源的反馈；所述时钟电路为逻辑控制电路提供时钟脉冲信号，经分频处理后产生固定脉冲宽度信号，生成逻辑控制电路定时宽度；所述正负恒流源，当输入信号为正电流时，逻辑电路控制模拟开关导通负电流反馈；当输入信号为负电流时，逻辑控制电路控制模拟开关U1导通正电流反馈。
优选的，所述积分器包括积分电容C1和运算放大器U2；所述积分电容C1的一端连接运算放大器U2输出端后接入比较电路，另一端与运算放大器U2反相输入端，与电阻R1一端、模拟开关输出端连接在一起构成∑点，∑点为积分器实际输入端。
优选的，所述逻辑控制电路采用FPGA，FPGA用于对时钟信号分频处理生成逻辑控制电路定时宽度；同时输出脉冲信号的同时产生控制信号控制恒流源的导通；且产生信号控制模拟开关的导通与关断。
优选的，所述电容R2连与运算放大器U2输入侧正极之间连接有地线。
本发明提供一种量程可切换高精度I/F转换方法，包括以下步骤：
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率小于最大输出频率，则逻辑控制电路输出低电平信号控制模拟开关U1保持开关断开；
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率不小于最大输出频率，逻辑控制电路输出由低电平信号转为高电平信号，控制模拟开关U1导通，电阻R2接入电流输入端，对输入电流信号进行分流；
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流再次小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率小于最小输出频率，逻辑控制电路输出由高电平信号转为低电平信号，控制模拟开关U1断开，退出分流状态，且往返循环。
进一步的，所述最大输出频率为：
Figure BDA0003907864520000061
其中，Ie为积分器输入最大电流，FMAX为最大输出频率，tcp为，tcp为。
进一步的，当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，实际输入积分器的电流为：
Figure BDA0003907864520000062
其中，
Figure BDA0003907864520000063
为实际输入积分器的电流，Iin为。
进一步的，当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，预设电阻R1和电阻R2的分流比，使得输入积分器电流的始终小于积分器可输入最大电流，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，此时，输出频率大于最小输出频率，逻辑控制电路输出保持高电平信号，控制模拟开关U1持续导通，电路保持分流状态。
进一步的，量程可切换高精度I/F转换器输出脉冲数F满足：
Figure BDA0003907864520000071
式中，K1与K2为标度因数，
Figure BDA0003907864520000072
Iin为输入电流大小。
进一步的，Ie为设定输入积分器最大电流值，由电荷平衡原理可知，要满足I/F转换电路重复进行，Ie需满足：
Figure BDA0003907864520000073
式中，Iref表示恒流源大小。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种量程可切换高精度I/F转换器，其特征在于，包括并联电阻R1和电阻R2，所述电阻R1一端接入I/F转换器信号输入端Iin，另一端连接有积分器；I/F转换器信号输入端Iin还连接有模拟开关U1，模拟开关U1输出端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接入积分器，模拟开关U1和电阻R2为分流电路；
所述积分器连接有比较电路，比较电路输出端连接逻辑控制电路，所述逻辑控制电路还接入有时钟电路，逻辑控制电路输出端分别连接脉冲信号和模拟开关电路；
所述模拟开关互联有正负恒流源，且还接入电阻R1和积分器之间。
2.根据权利要求1所述一种量程可切换高精度I/F转换器，其特征在于，所述积分器包括积分电容C1和运算放大器U2；
所述积分电容C1的一端连接运算放大器U2输出端后接入比较电路，另一端与运算放大器U2反相输入端，与电阻R1一端、模拟开关输出端连接在一起构成∑点，∑点为积分器实际输入端。
3.根据权利要求1所述一种量程可切换高精度I/F转换器，其特征在于，所述逻辑控制电路采用FPGA。
4.根据权利要求1所述一种量程可切换高精度I/F转换器，其特征在于，所述电容R2连与运算放大器U2输入侧正极之间连接有地线。
5.一种量程可切换高精度I/F转换方法，其特征在于，基于权利要求1-4所述一种量程可切换高精度I/F转换器，包括以下步骤：
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率小于最大输出频率，则逻辑控制电路输出低电平信号控制模拟开关U1保持开关断开；
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率不小于最大输出频率，逻辑控制电路输出由低电平信号转为高电平信号，控制模拟开关U1导通，电阻R2接入电流输入端，对输入电流信号进行分流；
当I/F转换器信号输入端Iin输入电流再次小于积分器输入最大电流时，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，若输出频率小于最小输出频率，逻辑控制电路输出由高电平信号转为低电平信号，控制模拟开关U1断开，退出分流状态，且往返循环。
6.根据权利要求5所述一种量程可切换高精度I/F转换方法，其特征在于，所述最大输出频率为：
Figure FDA0003907864510000021
其中，Ie为积分器输入最大电流，FMAX为最大输出频率，tcp为，tcp为。
7.根据权利要求5所述一种量程可切换高精度I/F转换方法，其特征在于，当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，实际输入积分器的电流为：
Figure FDA0003907864510000022
其中，
Figure FDA0003907864510000023
为实际输入积分器的电流，Iin为。
8.根据权利要求7所述一种量程可切换高精度I/F转换方法，其特征在于，当I/F转换器信号输入端Iin输入电流不小于积分器输入最大电流时，预设电阻R1和电阻R2的分流比，使得输入积分器电流的始终小于积分器可输入最大电流，逻辑控制电路检测I/F转换器输出频率，此时，输出频率大于最小输出频率，逻辑控制电路输出保持高电平信号，控制模拟开关U1持续导通，电路保持分流状态。
9.根据权利要求5所述一种量程可切换高精度I/F转换方法，其特征在于，量程可切换高精度I/F转换器输出脉冲数F满足：
Figure FDA0003907864510000024
式中，K1与K2为标度因数，
Figure FDA0003907864510000031
Iin为输入电流大小。
10.根据权利要求9所述一种量程可切换高精度I/F转换方法，其特征在于，Ie为设定输入积分器最大电流值，由电荷平衡原理可知，要满足I/F转换电路重复进行，Ie需满足：
Figure FDA0003907864510000032
式中，Iref表示恒流源大小。
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