一種電流頻率轉換電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電流頻率轉換電路，包括一個積分器，4組開關+K1、+K2、-K1、-K2，4組恒流源+I1、+I2、-I1、-I2，其中|+I1|=|-I1|，|+I2|=|-I2|，且|+I2|≥|+I1|；4組比較器+C1、+C2、-C1、-C2；4組定時器+T1、+T2、-T1、-T2。本發明利用電荷平衡原理，根據輸入電流的大小，自動切換與之平衡的恒流源，較好的解決了分辨率與量程之間的矛盾，實現了高精度、大量程電流-頻率轉換，采用相同性能開關條件下大大提高了動態轉換范圍；本發明采用一個積分器，不對輸入信號切換，全量程轉換過程中電流信息不丟失，避免了兩個積分器交替工作不能良好銜接的問題，具有很高的轉換精度。
【專利說明】一種電流頻率轉換電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電流頻率轉換電路。
【背景技術】
[0002]電流-頻率轉換電路是應用廣泛的一種信號處理電路，尤其是在慣性【技術領域】。陀螺和加速度計控制電路輸出與敏感角速度成比例的電流，為了便于信號處理，往往需要將電流轉換為與之成比例的頻率信號。傳統的電流-頻率轉換電路原理基于電荷平衡原理，電路將輸入電流積分后與標準的離散化的電量進行比較，定時器控制開關動作實現電荷平衡，從而獲得頻率與輸入電流成正比的脈沖信號。這種積分型電荷平衡式轉換原理，可對輸入信號進行連續測量，不存在離散采樣導致的信息丟失問題，因此在慣性儀表中得到廣泛應用。
[0003]“電流-頻率轉換類型綜述”(導航與控制第8卷第I期2009年2月)一文綜述了幾種電流-頻率轉換電路的工作原理及電路組成，文中所述電路均為單一刻度電流-頻率轉換電路，即輸出頻率f=K.Ι，電流分辨率的高低與采樣頻率和量程相關。提高采樣頻率可以提高電流分辨率，但是同時會使轉換過程中誤差項顯著增加，將增大轉換的零位不穩定性和非線性。因此，對于大量程、高分辨率電流-頻率轉換，傳統電路轉換精度極大受到開關性能的影響，開關頻率和過渡過程直接影響轉換精度。
[0004]專利(CN201020551468.7)名為一種基于雙積分器的高精度電流頻率轉換電路，通過增加一路分流模式的電流-頻率轉換電路實現大量程電流-頻率轉換。電路復雜，兩個積分器交替工作不能良好銜接，存在無法克服的系統誤差。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是:針對現有技術的不足，提供一種高精度、大量程的雙刻度因子電流頻率轉換電路，采用相同性能開關條件下大大提高了動態轉換范圍。
[0006]本發明包括如下技術方案:
[0007]一種電流頻率轉換電路，包括一個積分器，4組開關+Κ1、+Κ2、-Κ1、_Κ2，4組恒流源+11、+12、-11、-12，其中 +11 I = 1-1l I，|+12| = |-12|，且 +12 +11 ;4 組比較器+Cl、+C2、-C1、-C2 ；4 組定時器 +T1、+T2、-T1、-T2 ；
[0008]比較器+Cl的反相輸入端接固定門限電壓+VT1，比較器+C2的反相輸入端接固定門限電壓+VT2，比較器-Cl的同相輸入端接固定門限電壓-VT1，比較器-C2的同相輸入端接固定門限電壓-VT2 ;輸入電流連接到積分器的輸入端；積分器將輸入電流積分后輸出電壓信號Vi ;所述輸出電壓信號Vi連接到比較器+Cl、+C2的同相輸入端和比較器-Cl、-C2的反相輸入端；比較器+C l的輸出端TRGl+連接至定時器+Tl的輸入端；定時器+Tl的輸出信號控制開關+Kl，同時作為脈沖輸出信號-Pl ;比較器+C2的輸出端TRG2+連接到定時器+Τ2的輸入端,定時器+Τ2的輸出信號控制開關+Κ2,同時作為脈沖輸出信號-Ρ2 ；比較器-Cl的輸出端TRGl-連接至定時器-Tl的輸入端，定時器-Tl的輸出信號控制開關-Kl，同時作為脈沖輸出信號+Pl ;比較器-C2的輸出端TRG2-連接至定時器-T2的輸入端，定時器-T2的輸出信號控制開關-K2,同時作為脈沖輸出信號+P2 ；
[0009]開關+Kl的一端連接到恒流源+11，另一端連接到積分器的輸入端；開關+K2的一端連接到恒流源+12，另一端連接到積分器的輸入端；開關-Kl的一端連接到恒流源-11，另一端連接到積分器的輸入端；開關-K2的一端連接到恒流源-12，另一端連接到積分器的輸入端。
[0010]門限電壓滿足+VTl I = 1-VTl I, +VT2 I = 1-VT2 I, +VT2|>|+VT1| O
[0011]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0012](I)本發明利用電荷平衡原理，根據輸入電流的大小，自動切換與之平衡的恒流源，較好的解決了分辨率與量程之間的矛盾，實現了高精度、大量程電流-頻率轉換，采用相同性能開關條件下大大提高了動態轉換范圍；
[0013](2)本發明采用一個積分器，不對輸入信號切換，全量程轉換過程中電流信息不丟失，避免了兩個積分器交替工作不能良好銜接的問題，具有很高的轉換精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的電流-頻率轉換電路原理框圖；
[0015]圖2是本發明的電流-頻率轉換電路在某衛星上應用框圖；
[0016]圖3是本發明積分器電路圖；
[0017]圖4是本發明4組開關的控制示意圖；
[0018]圖5是本發明恒流源電路圖；
[0019]圖6是其中一個比較器+Cl的電路圖；
[0020]圖7是本發明定時器狀態轉移圖；圖8是本發明是信號波形圖。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面就結合附圖對本發明做進一步介紹。
[0022]如圖1所示，本發明的電流-頻率轉換電路，包括基于運算放大器的電流積分器，如圖3所示；4組開關+Κ1、+Κ2、-KU -Κ2，它們可以是單片集成電路芯片，本發明的一個實施例如圖4所示，或者由半導體分立器件組成；4組恒流源電路+11、+12、-11、-12，其中+11 I = 1-1l |，|+12| = |-12|，且I+12 I≥I+111，圖5是本發明恒流源的一個實施例；4組比較器+Cl、+C2、-Cl、-C2，如圖6所示，比較器+Cl的反相輸入端接固定門限電壓+VTl,比較器+C2的反相輸入端接固定門限電壓+VT2，比較器-Cl的同相輸入端接固定門限電壓-VT1，比較器-C2的同相輸入端接固定門限電壓-VT2，所述門限電壓由電阻分壓產生，且滿足 l+VTl I = 1-VTl I，+VT2 I = 1-VT2 I, |+VT2|>|+VT11 ;4組定時器+1'1、+了2、-11、12，定時器由FPGA或者CPLD實現，其狀態轉移圖如圖7所示，初始狀態為swinit，輸出VF為‘0’，在系統時鐘上升沿，檢測比較器的輸出信號TRG，如果TRG= ‘I’，則狀態轉移到swion狀態，否則保持swinit狀態，在swion狀態輸出VF為‘ I’，在swion狀態啟動定時器，定時時間到達高電平定時時間設定值TH時狀態轉移到swioff狀態，否則保持在swion狀態，在swioff狀態，輸出信號VF為‘0’，在swioff狀態啟動定時器，定時時間到達低電平定時時間設定值TL時狀態轉移到swinit狀態，否則保持在swiofT狀態，輸出信號VF —方面用于控制開關，另一方面作為本發明電流-頻率轉換的輸出。所述定時時間TH、TL 一般滿足TH - TL>0,脈沖最高輸出頻率fmax=l/(TH+TL)。
[0023]輸入電流連接到積分器I的輸入端；積分器I的輸出電壓為Vi，連接到比較器+CU+C2的同相輸入端和比較器-Cl、-C2的反相輸入端；比較器+C1、+C2、-C1、-C2的輸出端TRG1+、TRG2+、TRG1-、TRG2-分別連接到定時器+Tl、+T2、-Tl、-T2的輸入端；定時器+Tl的輸出信號控制開關+K1，同時作為本發明脈沖輸出信號-P1，定時器+T2的輸出信號控制開關+K2,同時作為本發明脈沖輸出信號-P2,定時器-Tl的輸出信號控制開關-Kl,同時作為本發明脈沖輸出信號+P1，定時器-T2的輸出信號控制開關-K2,同時作為本發明脈沖輸出信號+P2 ;開關+Kl的一端連接到恒流源+11，另一端連接到積分器輸入端，開關+K2的一端連接到恒流源+12，另一端連接到積分器輸入端，開關-Kl的一端連接到恒流源-11，另一端連接到積分器輸入端，開關-K2的一端連接到恒流源-12，另一端連接到積分器輸入端。圖8所示，輸入電流i為正且較小時，積分器I的輸出電壓Vi為負，隨著電量增加積分電壓下降，當積分電壓Vi降低到比較器門限值-VTl時，比較器-Cl的輸出TRGl-由低電平轉換為高電平，定時器-Tl開始工作 ，此時輸出信號+Pl由低電平轉換為高電平，使得開關-Kl閉合，恒流源-1 I與積分器I輸入端接通，積分器I反相放電，積分電壓Vi逐漸上升；經過固定時間TH，定時器-Tl的輸出+Pl變為低電平，恒流源-1l與積分器I輸入端斷開，+Pl端輸出一個脈沖，積分電壓Vi再次逐漸下降，當積分電壓Vi降低到比較器門限值-VTI時，重復上述動作過程；在這種情況下，電流-頻率轉換電路只有+Pl有脈沖信號輸出，+P2無脈沖輸出。圖8所示，隨著輸入電流i增大時，積分器I的輸出電壓Vi下降速度增加，開關-Kl即使以最高頻率動作，仍然不能平衡積分電量，積分電壓Vi越過-VTl繼續下降，當降低到比較器門限值-VT2時，比較器-C2的輸出TRG2-由低電平轉換為高電平，定時器-T2開始工作，此時輸出信號+P2由低電平轉換為高電平，使得開關-K2閉合，恒流源-12與積分器I輸入端接通，積分器I反相放電，積分電壓Vi才得以上升；經過固定時間TH，定時器-T2的輸出+P2變為低電平，恒流源-12與積分器I輸入端斷開，+P2端輸出一個脈沖，積分電壓Vi再次逐漸下降，當積分電壓Vi降低到比較器門限值-VT2時，重復上述動作過程。在這種情況下，電流-頻率轉換電路+P1、+P2均有脈沖信號輸出。
[0024]同理，當輸入電流i流出積分器I時，比較器+Cl、+C2，定時器+Tl、+T2，開關+K1、+K2按照上述過程動作，實現負電流的轉換。
[0025]恒流源電流大小、定時時間TH、TL等參數可根據具體要求靈活選擇。
[0026]總之，在輸入電流絕對值較小時，積分器輸出不會觸發比較器+C2、-C2，開關+K2與-K2關斷，電荷平衡由恒流源+11、-11及開關+Κ1、-Κ1實現，定時器+T2、-T2不工作，對應的脈沖輸出電路+Ρ2、-Ρ2沒有信號輸出，脈沖輸出+Pl和脈沖輸出-Pl的頻率與輸入電流正比，電路工作在小量程檔，具有較高的分辨率。在輸入電流絕對值較大時，恒流源+11、-11不能保持電荷平衡，積分器輸出將觸發比較器+C2、-C2 (同時觸發比較器+C1、-C1)，定時器+T1、+T2、-T1、-T2將分別控制開關+Κ1、-Κ1、+Κ2、-Κ2動作，電路自動實現大輸入電流轉換。
[0027]對上述4組脈沖輸出+Ρ1、+Ρ2、-Ρ1、-Ρ2進行計數，其頻率分別記作f+2、f+1、L1、f-2，則輸入電流與脈沖輸出頻率有如下關系:
[0028]I=K1 (f+rfj +K2 (f+2-f_2)，其中，Kl、K2為兩個刻度因子，且K2 > K1，刻度因子是電流-頻率轉換的分辨率，可根據量程和最高輸出頻率合理選擇。[0029]如T時間內4組脈沖計數值為N+yN+pN+Nf則輸入電流的積分與計數值有如下關系:
【權利要求】
1.一種電流頻率轉換電路，其特征在于，包括一個積分器，4組開關+1(1、+1(2、-1(1、-1(2，4組恒流源+11、+12、-11、-12，其中 |+11| = |-11|，|+12| = |-12|，且 |+12| ≥ +11 ;4 組比較器 +C1、+C2、-C1、-C2 ；4 組定時器 +T1、+T2、-T1、-T2 ； 比較器+Cl的反相輸入端接固定門限電壓+VT1，比較器+C2的反相輸入端接固定門限電壓+VT2，比較器-Cl的同相輸入端接固定門限電壓-VT1，比較器-C2的同相輸入端接固定門限電壓-VT2，所述門限電壓滿足 I +VTl I = 1-VTl I，I +VT2 I = 1-VT2 I，I +VT2 I > I +VTl I ；輸入電流連接到積分器的輸入端；積分器將輸入電流積分后輸出電壓信號Vi;所述輸出電壓信號Vi連接到比較器+Cl、+C2的同相輸入端和比較器-Cl、-C2的反相輸入端；比較器+Cl的輸出端TRGl+連接至定時器+Tl的輸入端；定時器+Tl的輸出信號控制開關+Kl，同時作為脈沖輸出信號-Pl ;比較器+C2的輸出端TRG2+連接到定時器+Τ2的輸入端，定時器+Τ2的輸出信號控制開關+Κ2，同時作為脈沖輸出信號-Ρ2 ;比較器-Cl的輸出端TRGl-連接至定時器-Tl的輸入端,定時器-Tl的輸出信號控制開關-κι,同時作為脈沖輸出信號+Pl ;比較器-C2的輸出端TRG2-連接至定時器-Τ2的輸入端，定時器-Τ2的輸出信號控制開關-Κ2,同時作為脈沖輸出信號+Ρ2 ； 開關+Kl的一端連接到恒流源+11，另一端連接到積分器的輸入端；開關+Κ2的一端連接到恒流源+12，另一端連接到積分器的輸入端；開關-Kl的一端連接到恒流源-11，另一端連接到積分器的輸入端；開關-Κ2的一端連接到恒流源-12，另一端連接到積分器的輸入端。
2.根據權利要求1所述的電流頻率轉換電路，其特征在于，
門限電壓滿足 I+VT1 I = 1-VTI |，+VT21 = 1-VT21, |+ντ2|>|+ντι I。
【文檔編號】H03M1/12GK103441764SQ201310364490
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】馬官營, 王沖, 李勇, 陳小娟, 付明睿, 陳超, 姚寧 申請人:北京控制工程研究所