CN116054826A - 一种数字式低成本高精度电流频率转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，首先通过I/V转换电路将加速度计电流信号转换成模拟电压信号，并通过ADC模块将模拟电压信号转换为数字电压信号；同时，采用外部基准电压对ADC模块提供参考供电，采用测温电路对ADC模块的温度进行采集；最后通过FPGA处理电路将接收到的数字电压信号进行运算和温度补偿后，以脉冲的形式输出至外部，由外部通过脉冲计数得到频率；由此可见，本发明电路组成简单，器件少，成本低，数字方案实现，器件少，精度影响因素少，可对造成主要误差的ADC模块进行有效温度补偿，提高电流频率的转换精度，特别适用于石英加速度计输出的微弱电流信号的采集和转换。

Description

一种数字式低成本高精度电流频率转换系统
技术领域
本发明属于模/数转换应用设备技术领域，尤其涉及一种数字式低成本高精度电流频率转换系统。
背景技术
石英加速度计是惯性导航系统的重要组成部分，其输出为正比于加速度大小的电流信号，由于电流信号无法直接采集，需要转换成脉冲或者频率信号再由后端处理电路进行采集。
传统模拟电流频率转换电路主要由恒流源、积分器、比较器和开关电路等部分组成，通过积分器将输入的电流进行积分，积分得到的电压值与固定数值的比较器进行比较，通过输出控制信号控制恒流源对积分器的积分电容进行充放电，进而产生相应的等比例脉冲信号，实现电流频率转换功能。该方案对积分电路、恒流源、模拟开关等器件精度要求极高，常规器件很难达到预期精度要求。
现有部分数字式电流频率转换电路采用I/V变换和ADC采集方案，但对于部分细节研究不够透彻，前端I/V转换电路精度损失高，板上ADC采集噪声大，整体精度较低，实现成本较高。也就是说，现有的电流频率转换电路具有组成复杂、元器件数量多的缺点，导致成本较高；同时，现有的电流频率转换电路在进行模拟方案实现时，分立器件较多，器件精度影响因素多，导致实际转换精度低，且很难对模拟器件自身温漂等因素导致的精度损失进行有效补偿。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，电路组成简单，器件少，成本低，电流频率的转换精度高。
一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，包括I/V转换电路、ADC模块、FPGA处理电路、测温电路、基准电压模块以及频标源；
所述I/V转换电路用于将外部输入的加速度计电流信号转换成模拟电压信号；所述ADC模块用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号发送给FPGA处理电路；所述测温电路用于实时测量ADC模块的温度，并将采集到的温度信号传输给FPGA处理电路；所述基准电压模块用于为ADC模块提供参考供电；所述FPGA处理电路用于向ADC模块提供工作所需的配置信号，完成ADC模块的初始化工作；同时，FPGA处理电路还根据温度信号对数字电压信号进行运算和温度补偿，再将运算和温度补偿后的数字电压信号以脉冲的形式输出至外部，再由外部通过脉冲计数得到频率；所述频标源用于为FPGA处理电路提供基准时钟源，同时，FPGA处理电路还将频标源提供的频标进行分频，并将分频结果作为ADC模块的工作时钟，使得ADC模块的工作时钟和FPGA处理电路的工作时钟同源同相。
进一步地，所述I/V转换电路包括电阻R1、电阻R2以及电容C1；
电阻R1一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端接地的同时，还作为电压输出差分负端AD_IN_N连接至ADC模块的电压采集负端AIN3；
电阻R2一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端作为电压输出差分正端AD_IN_P连接至ADC模块的电压采集正端AIN2；
电容C1一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端接地。
进一步地，电阻R1为高精度、低温度系数的电阻，且电阻R1的具体阻值根据外部输入的加速度计电流信号的大小和ADC模块的输入量程确定，需保证加速度计电流信号的最大值与电阻R1的乘积要小于ADC模块的最大输入量程；电阻R2选用100Ω以上的电阻；电容C1选用低温度系数、小容值的电容；同时，电阻R1和电容C1在实际PCB布局时采用单点接地方式。
进一步地，所述测温电路包括电阻R3~R6，其中，电阻R4为PT1000铂电阻；
电阻R3的一端接入外部提供的参考供电VCC_REF，另一端作为差分正端PT_AD_IN_P连接FPGA处理电路的差分正端的同时，还通过串联电阻R4后接地；其中，电阻R4通过导热胶固定在ADC模块的正上方，两端分别连接差分正端PT_AD_IN_P和地端；
电阻R5的一端接入外部提供的参考供电VCC_REF，另一端作为差分负端PT_AD_IN_N连接FPGA处理电路的差分负端的同时，还通过串联电阻R6后接地。
进一步地，所述基准电压模块包括电压基准芯片ADR4520、电感L1以及电容C31~C35，其中，电感L1、电容C31、C32、C33组成p型滤波电路，电容C34与C35为输出滤波电容；
电感L1一端接入供电电压VCC_D2V5A，另一端连接电压基准芯片ADR4520的输入端VIN；
电容C31一端接入供电电压VCC_D2V5A，另一端接地；
电容C32和C33的一端均连接电压基准芯片ADR4520的输入端VIN，另一端均接地；
电容C34和C35的一端均连接电压基准芯片ADR4520的输出端VOUT，另一端均接地；
电压基准芯片ADR4520的输出端VOUT同时还接入外部基准电压2.048V。
进一步地，所述ADC模块采用ADC转换芯片AD7177。
进一步地，所述测温电路通过导热胶固定在ADC模块的正上方。
有益效果：
1、本发明提供一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，首先通过I/V转换电路将加速度计电流信号转换成模拟电压信号，并通过ADC模块将模拟电压信号转换为数字电压信号；同时，采用外部基准电压对ADC模块提供参考供电，采用测温电路对ADC模块的温度进行采集；最后通过FPGA处理电路将接收到的数字电压信号进行运算和温度补偿后，以脉冲的形式输出至外部，由外部通过脉冲计数得到频率；由此可见，本发明电路组成简单，器件少，成本低，数字方案实现，器件少，精度影响因素少，可对造成主要误差的ADC模块进行有效温度补偿，提高电流频率的转换精度，特别适用于石英加速度计输出的微弱电流信号的采集和转换。
2、本发明提供一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，电阻R1需要选用高精度、低温度系数的电阻，可以提高转换精度，同时减少温度变化对电路转换精度的影响；电阻R2选用100Ω以上阻值电阻，能够减少ADC模块输入端漏电流的影响，从而减小ADC模块输入端造成的精度损失；电容C1选用低温度系数，小容值的电容，可以减小外部高频噪声对信号的转换精度的影响；电阻R1和电容C1在实际PCB布局时采用单点接地方式，能够减小地线干扰及共模干扰造成的精度采集误差。
3、本发明提供一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，频标进入FPGA后作为FPGA工作的基准频率时钟，同时将频标分频结果作为ADC模块的工作时钟，使得板上ADC模块工作时钟和FPGA处理电路的工作时钟同源同相，保证信号采集的同步性，减少信号噪声，提高电路转换精度。
4、本发明提供一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，测温电路通过导热胶固定在ADC模块的正上方，能够准确感知ADC模块的实际温度。
附图说明
图1为本发明提供的一种数字式低成本高精度电流频率转换系统的原理图。
图2为本发明提供的I/V转换电路原理图。
图3为本发明提供的测温电路原理图。
图4为本发明提供的ADC模块原理图。
图5为本发明提供的基准电压模块的电路图。
图6为本发明提供的ADC时钟生成示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明主要涉及I/F转换电路，即电流频率转换电路，特别适用于石英加速度计输出的微弱电流信号的采集和转换。具体的，如图1所示，一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，包括I/V转换电路、ADC模块、FPGA处理电路、测温电路、基准电压模块以及频标源。
所述I/V转换电路用于将外部输入的加速度计电流信号转换成模拟电压信号；所述ADC模块用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号发送给FPGA处理电路；所述测温电路用于实时测量ADC模块的温度，并将采集到的温度信号传输给FPGA处理电路；所述基准电压模块用于为ADC模块提供参考供电；所述FPGA处理电路用于向ADC模块提供工作所需的配置信号，完成ADC模块的初始化工作；同时，FPGA处理电路还根据温度信号对数字电压信号进行运算和温度补偿，再将运算和温度补偿后的数字电压信号以脉冲的形式输出至外部，再由外部通过脉冲计数得到频率；所述频标源用于为FPGA处理电路提供基准时钟源，同时，FPGA处理电路还将频标源提供的频标进行分频，并将分频结果作为ADC模块的工作时钟，使得ADC模块的工作时钟和FPGA处理电路的工作时钟同源同相。
需要说明的是，由于电流信号无法直接被采集，因此外部输入的加速度计电流信号先通过I/V转换电路将电流信号转换成电压信号；I/V转换电路主要由高精度、低温漂电阻组成，电流流入电阻产生模拟电压，模拟电压进入后端进行AD采集。
进一步地，如图2所示，所述I/V转换电路包括电阻R1、电阻R2以及电容C1；电阻R1一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端接地的同时，还作为电压输出差分负端AD_IN_N连接至ADC模块的电压采集负端AIN3；电阻R2一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端作为电压输出差分正端AD_IN_P连接至ADC模块的电压采集正端AIN2；电容C1一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端接地。
需要说明的是，电阻R1需要选用高精度、低温度系数的电阻，可以提高转换精度，同时减少温度变化对电路转换精度的影响，具体数值根据外部输入的加速度计电流信号的大小和ADC模块中的ADC模数转换芯片的输入量程确定，应保证输入的加速度计电流信号的最大值与电阻的乘积，小于ADC模数转换芯片的最大输入量程；电阻R2选用100Ω以上阻值电阻，减少ADC模数转换芯片输入端漏电流的影响，减小ADC模数转换芯片输入端造成的精度损失；电容C1可以选用低温度系数，小容值，如NPO及以上高稳定性电容，用来减小外部高频噪声对信号的转换精度的影响。同时，电阻R1和电容C1在实际PCB布局时采用单点接地方式，且电阻R1的接地端应连接至ADC模块的输入端，电容C1与电阻R1电压采集端（即电阻R1连接外部输入电流的输入端管脚）组成差分采集电路，以减小地线干扰及共模干扰造成的精度采集误差。
同时，为保证ADC转换的有效采样精度，ADC模块选用24位分别率及以上高精度ADC数模转换芯片。由于ADC转换时的精度受温度和基准电压影响较大，因此采用外部基准电压对ADC模块做参考供电；同时采用测温电路对ADC数模转换芯片的温度进行采集，为了直接获取有效的ADC数模转换芯片的实际温度，电路中采用铂电阻差分采集电路对ADC数模转换芯片进行测温，铂电阻使用PT1000，通过导热胶固定在ADC数模转换芯片正上方，用于准确感知ADC数模转换芯片的温度。
具体的，测温电路如图3所示，包括电阻R3~R6，其中，电阻R4为PT1000铂电阻；电阻R3的一端接入外部提供的参考供电VCC_REF，另一端作为差分正端PT_AD_IN_P连接FPGA处理电路的差分正端的同时，还通过串联电阻R4后接地；其中，电阻R4通过导热胶固定在ADC模块的正上方，两端分别连接差分正端PT_AD_IN_P和地端；电阻R5的一端接入外部提供的参考供电VCC_REF，另一端作为差分负端PT_AD_IN_N连接FPGA处理电路的差分负端的同时，还通过串联电阻R6后接地。
需要说明的是，电阻R3、R5、R6为差分测温桥电阻，阻值选取1KΩ；PT_AD_IN_P和PT_AD_IN_N为测温电路输出差分正端和差分负端，分别接至FPGA处理电路内置温度采集电路的差分输入正、负端。
进一步地，本发明的ADC模块具体电路设计如图4所示，高精度ADC模数转换芯片采用AD7177，ADC模数转换芯片供电包括数字IO 3.3V供电VCC_D3V3A，模拟±2.5V供电VCC_D2V5A和VCC_D-2V5A，基准电压供电采用外部基准电路2.048V供电VCC_2.048V；AD_IN_P和AD_IN_N为前端I/V转换电路的输出信号；AD7177_XCLK为ADC工作的时钟信号，AD7177_DOUT、AD7177_DIN、AD7177_SCLK、AD7177_CS为ADC模数转换芯片的SPI接口控制信号，AD7177_SYNC为ADC模数转换芯片的同步采样信号，以上信号均有FPGA处理电路控制。电容C10为输入端匹配电容，数值选取1uF，电容C11至C22为电源输入端滤波电容，容值为1uF和0.1uF组成。
同时，如图5所示，本发明的基准电压模块包括电压基准芯片ADR4520、电感L1以及电容C31~C35，其中，电感L1、电容C31、C32、C33组成p型滤波电路，电容C34与C35为输出滤波电容；电感L1一端接入供电电压VCC_D2V5A，另一端连接电压基准芯片ADR4520的输入端VIN；电容C31一端接入供电电压VCC_D2V5A，另一端接地；电容C32和C33的一端均连接电压基准芯片ADR4520的输入端VIN，另一端均接地；电容C34和C35的一端均连接电压基准芯片ADR4520的输出端VOUT，另一端均接地；电压基准芯片ADR4520的输出端VOUT同时还接入外部基准电压2.048V。
也就是说，ADC模数转换芯片所需的基准电压为2.048V，由基准电压模块中的电压基准芯片ADR4520产生，同时，电压基准芯片ADR4520采用板上2.5V电压VCC_D2V5A供电。
进一步地，本发明的频标源为FPGA处理电路的基准时钟源，可用于多路I/F转换电路同步工作的基准电路。频标进入FPGA处理电路后作为FPGA处理电路工作的基准频率时钟，同时将频标分频后作为ADC模块的工作转换时钟，使得板上ADC模块工作时钟和FPGA处理电路工作时钟同源同相，保证信号采集的同步性，减少信号噪声，提高电路转换精度。如图5所示，为ADC模数转换芯片所需时钟产生示意图，ADC模数转换芯片工作所需时钟由频标源经FPGA处理电路分频得到，该工作时钟与频标源时钟保持相位同步，保证多路采样的同步性，同时减少单独时钟电路设计导致的成本增加。
由此可见，本发明FPGA处理器主要用于提供ADC工作所需的配置信号，完成ADC的初始化工作；接收高精度ADC转换完成后输出的电压数字信号；同时对测温电路输出的温度信号进行采集和处理，用于AD转换后的温度补偿，提高I/F转换精度，FPGA将接收到的数字信号进行运算和温度补偿后，以脉冲的形式输出至外部。此外，当需要多路I/F转换电路时，可以共用一片FPGA处理器。
综上所述，本发明提供一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，首先通过I/V转换电路将加速度计电流信号转换成模拟电压信号，并通过ADC模块将模拟电压信号转换为数字电压信号；同时，采用外部基准电压对ADC模块提供参考供电，采用测温电路对ADC模块的温度进行采集；最后通过FPGA处理电路将接收到的数字电压信号进行运算和温度补偿后，以脉冲的形式输出至外部，由外部通过脉冲计数得到频率；由此可见，本发明电路组成简单，器件少，成本低，数字方案实现，器件少，精度影响因素少，可对造成主要误差的ADC模块进行有效温度补偿，提高电流频率的转换精度。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，其特征在于，包括I/V转换电路、ADC模块、FPGA处理电路、测温电路、基准电压模块以及频标源；
所述I/V转换电路用于将外部输入的加速度计电流信号转换成模拟电压信号；所述ADC模块用于将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号发送给FPGA处理电路；所述测温电路用于实时测量ADC模块的温度，并将采集到的温度信号传输给FPGA处理电路；所述基准电压模块用于为ADC模块提供参考供电；所述FPGA处理电路用于向ADC模块提供工作所需的配置信号，完成ADC模块的初始化工作；同时，FPGA处理电路还根据温度信号对数字电压信号进行运算和温度补偿，再将运算和温度补偿后的数字电压信号以脉冲的形式输出至外部，再由外部通过脉冲计数得到频率；所述频标源用于为FPGA处理电路提供基准时钟源，同时，FPGA处理电路还将频标源提供的频标进行分频，并将分频结果作为ADC模块的工作时钟，使得ADC模块的工作时钟和FPGA处理电路的工作时钟同源同相。
2.如权利要求1所述的一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，其特征在于，所述I/V转换电路包括电阻R1、电阻R2以及电容C1；
电阻R1一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端接地的同时，还作为电压输出差分负端AD_IN_N连接至ADC模块的电压采集负端AIN3；
电阻R2一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端作为电压输出差分正端AD_IN_P连接至ADC模块的电压采集正端AIN2；
电容C1一端接入外部输入的加速度计电流信号，另一端接地。
3.如权利要求2所述的一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，其特征在于，电阻R1为高精度、低温度系数的电阻，且电阻R1的具体阻值根据外部输入的加速度计电流信号的大小和ADC模块的输入量程确定，需保证加速度计电流信号的最大值与电阻R1的乘积要小于ADC模块的最大输入量程；电阻R2选用100Ω以上的电阻；电容C1选用低温度系数、小容值的电容；同时，电阻R1和电容C1在实际PCB布局时采用单点接地方式。
4.如权利要求1所述的一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，其特征在于，所述测温电路包括电阻R3~R6，其中，电阻R4为PT1000铂电阻；
电阻R3的一端接入外部提供的参考供电VCC_REF，另一端作为差分正端PT_AD_IN_P连接FPGA处理电路的差分正端的同时，还通过串联电阻R4后接地；其中，电阻R4通过导热胶固定在ADC模块的正上方，两端分别连接差分正端PT_AD_IN_P和地端；
电阻R5的一端接入外部提供的参考供电VCC_REF，另一端作为差分负端PT_AD_IN_N连接FPGA处理电路的差分负端的同时，还通过串联电阻R6后接地。
5.如权利要求2所述的一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，其特征在于，所述基准电压模块包括电压基准芯片ADR4520、电感L1以及电容C31~C35，其中，电感L1、电容C31、C32、C33组成p型滤波电路，电容C34与C35为输出滤波电容；
电感L1一端接入供电电压VCC_D2V5A，另一端连接电压基准芯片ADR4520的输入端VIN；
电容C31一端接入供电电压VCC_D2V5A，另一端接地；
电容C32和C33的一端均连接电压基准芯片ADR4520的输入端VIN，另一端均接地；
电容C34和C35的一端均连接电压基准芯片ADR4520的输出端VOUT，另一端均接地；
电压基准芯片ADR4520的输出端VOUT同时还接入外部基准电压2.048V。
6.如权利要求1~5任一权利要求所述的一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，其特征在于，所述ADC模块采用ADC转换芯片AD7177。
7.如权利要求1~5任一权利要求所述的一种数字式低成本高精度电流频率转换系统，其特征在于，所述测温电路通过导热胶固定在ADC模块的正上方。
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