电流积分型电流频率转换器的设计

电流积分型电流频率转换器的设计

作者/王起、杨亚敏，天水生产力促进中心

摘要：本文介绍了一种电流积分型电流频率转换器的电路设计，设计的电路输入电流范围为±0.5mA〜±25mA,输出频率为0〜512kHz, 在工作温度范围为-55°C〜+85°C条件下其非线性度小于0.05%。关键词：电流频率转换器；加速度计；电流积分型

1.积分型I/F转换原理

电流频率（以下简称丨/F)转换方案是惯性仪表数字化输 出的优选方案。用失调电流小、输入阻抗高的运算放大器和 漏电流小的电容器便可组成精确的电流积分器，再加上适当 的逻辑电路，便可进一步构成I/F转换器，图1示出了一种

I/F转换器的工作原理。

图1电流积分型电流频率转换器工作原理示意图

积分器由高输入阻抗运算放大器叱和反馈电容C组成。 加速度计的输出流丨i输入到积分器Z点，与另外两路来的 电流lf和le平衡，略去运算放大器失调电流和偏置电流的 影响，可得到Z点的电流方程式：

式中：lf—

量化脉冲电流；le—

积分器反馈电流。

当忽略Z点的电压Uz吋，积分器输出电压U」Q与le的 积分成比例，即：

UJ〇=-^J〇Icdt = -^J〇(I1-If)dt

⑵

可将式(2)改写成：

QjOIV

⑶

其中Q^CU」。为积分器储存电荷。

方程⑶右边的第一项为惯性仪表输出电流li在0-T吋 间内的积分值，即惯性仪表输出电荷的总电荷量Qj，第二项 为在同一时间内输入到积分的量化脉冲电荷的总和Qf。

设开关在T吋间内的接通次数为N次，贝U:

Qf=J〇 Ifdt = IfNtk=Nq

(4)

式中，q=lftk定义为量化电荷。将方程(4)代入方程(3):

Q^Q.-N,

(5)

N^QrQ^/q

(6)

这说明开关接通次数N正比于积分器输入电荷和积 分器电容储存电荷Qj之差。当Qi远大于Q吋，N就正比 于

，从而可以实现对输入电荷量的数字化。

2•电路设计

丨/F转换器的具体电路见图2,它主要由电流积分器， 逻辑控制电路、极性开关、恒流源、输出电路、频标和供 电电路组成，完整电流频率转换器的组成电路框图如图2 所示。

结合图2所示电路图，将L转换成频率的详细过程如下：

输入电流般可归结为IfO, ^>0, ^<0等三种 情况。下面将结合这三种情况，来讨论电路工作的全过程.

(1)当IpO时

由于IfO,电流积分器的U」。保持在UM+ > UjD > UM， 因此N2的输出为高电平，叱的输出为低电平。在fx的作用 下，D触发器的&端输出高电平，Q2端输出低电平，从而

使开关三极管％和\\/2均处于饱和导通状态。这时，因两个 开关三极管的Vees，（饱和压降）远小于V3、V4的开启电压， 所以丨H+和丨H_只能流经％、V2回到地，无lf流向积分器，

UJ0仍保持不变。

与此同时，因D触发器端和Q2端的输出电平（均 为低电平）加到与非门h和D2上，使其处于关闭状态，因 而^无法通过匕和02，此吋输出信号f^、f〇2均保持在高

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电子电路设计与方案

电平上，即输出频率为0。

(2)当丨i > 0时

此时按方程(2)，U」。逐渐上升，当LU > UM+时，N2 的输出由“1”变“0”，D触发器的^，端输入亦为“0”， 但在fx的前沿到来之前。（^端仍保持“1”，它不改变极性 开关的工作状态。当fx的前沿到来的瞬间，Qi端由“1”变 为“0”，使％截止，开关二极管V3开始导通，lH+经过V3 转换器处于“归零”状态，其输出电路电平保持不变。具备 以上特征的丨/ F转换器的逻辑称为三元变宽逻辑。■ 2.1电流频率转换的误差分析与设计

电流频率转换的误差，主要取决于积分放大器、恒流源、 逻辑电路、极性开关以及输入的连接方式，要想提高电路的 精度，就必须研究如何选用高精度的元件和合适的参数。下 面着重介绍一下积分放大器和恒流源的设计依据：输入到积分器的虚地点。由于％的截止电流和二极管V4的 零偏漏电流均远小于lH+，因此lf的大小几乎等于lH+。lf经过C、 叱的功放级及其电源到地，回到恒流源lH+的负极。

由于加到虚地点的lf的方向与丨：相反，而且设计时保 证lf的绝对值大于I:的绝对值叱。逐渐下降。当U」。< UM+时， 叱的输出由“0”变“1”，Dt端也跟着变“1”，因此等 到fx的前沿到来时，Qi由“0”变“1”，W导通，使lf = 0。

由此可见，由于lf =IH+的时间受匕前沿的控制，lf的 宽度只能是^的周期的整倍数，而量化电荷q = lHtk也就 精确地为一常值，输出电路D1接收泛和fx的电平，只有 泛为“1”时让fx通过形成输出脉冲，即f01=@,而 且输出频率f01正比于llt>

⑶当^ < 0时此时UJD逐渐下降，当

吋

，化的输出变“1”，

在fx的作用下&变“1”，接着V2截止，使1+通过地、 积分器的电源和功率放大级、电容C、虚地点、开关二极管

V4，回到恒流源lH_的负极。这_过程完全类似于^>0的

情况，但由于\\/2截止，改变了 lf的流向。此时与非门02有

$BU 出，且 f〇2 = 02乂。

综上所述，当丨i > 0时，Di门即正通道有输出，而当< 0 时，D2门即负通道有输出；当^ = 0时，01和02均无输出，

24 |电子制作2017年8月

2.1.1积分》的分析与设计

运放

I税分器I

图4

积分放大器

图4是一个典型的积分放大器，图中如果去掉电阻R， 直接输入电流，则为_个电流积分器。图中C2的作用是消 除高频振荡。由于普通的放大器不能输出较大的电流（几十 毫安），所以引入电流扩展器B，相应增大了运算放大器的 输出能力。与普通的积分放大器的分析一样，该电流积分器， 在理想的情況下，输入的电流将给积分电容器C1充电，充 电过程是输入电流在电容C上随吋间延长的电荷积累过程。

输出电压与输入电压的关系为：

(7)

输出电压与输入电流的关系则为：

V〇=-*jli_

⑶

在设计中需要注意：

(1) 放大系数有限引起的误差

只要选用高增益运算放大器就能降低放大系数K有限 而引入的相对误差。

(2) 漂移和失调引入的误差

在设计中应根据精度要求选择输入失调电流和失调电 压小的放大器，或则对积分器所用的运算放大器加入外部调 零电路。根据公式qc=lo At可知，输出一个脉冲，最少需 要一个周期的时钟脉冲宽度的反馈电流来使电荷达到平衡。 也就是说在确保积分速率的前提下，使积分电容的容量大一 些，可以使漂移减小。

(3) 放大器输入阻抗有限引入的误差

输入阻抗Ri值越小，其非线性误差就越大。在积分器

积分电阻即加速度计输出电阻一定时，可选输入阻抗高的 结型场效应管作输入级。且要求有快的响应速度和短的建

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立时间。

2.1.2商精度恒鄉的分析与设计

恒流源是指一个能提供与负载、电源、温度等变化无关 的直流电流电路，它要有长期稳定性和较好的过渡过程。在 电流频率转换电路中，恒流源被用来提供幅值不变的反馈脉 冲，是决定转换精度的关键之一，图5为±40mA横流源 设计图。

2.1.3极性开关分析与设许

在电流-频率转换电路中，极性开关对电路的输出频率 的线性度、温度系数即温漂影响极大。元件的选择、外偏置 电路的设计、反馈补偿电路的引入是最重点的工作之一。应 该说，极性开关是极为重要。由于温漂影响静态工作点，减 小温漂，是保证电路高、低温稳定地工作的重要条件。极性 开关中的晶体管的开关速度更为重要。

3.结束语

采用电流积分型电路结构制作的电流频率转换器，经各 项测试和试验，测试该电路在满刻度为512kHz下其非线性 度小于0.05%,标度因数漂移小于20PPm广C。这种频率转 换器具有工作频率高、温度性能好等优点，可广泛用于通讯、 仪器仪表、雷达、远距离传输等领域。

参考文献

氺[1]何希才.运算放大器应用电路设计[M].北京：科学出版社， 2007,

氺[2]康华光，电子技术基础（第4版）[M].北京：离等教育出版社， 1998.

氺[3]孟俊芳.弹载惯导系统中的加速度计I/F变换电路[」].航空兵 器，1998(3): 13-16。

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