一种对称式高速高精度电压–频率转换电路及转换方法
【专利摘要】本发明涉及一种对称式高速高精度电压–频率转换电路及转换方法，属于电力【技术领域】。本发明由符号电路、积分电路、比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号ui由符号电路的输入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输出端uo1与积分电路的输入端相连接，积分电路的输出端uo2与比较电路的输入端相连接，比较电路的一个输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端uo为系统的输出端，电子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接。本发明解决了现有模拟电压—频率转换技术中转换误差随输出频率的升高急剧增大的问题。
【专利说明】一种对称式高速高精度电压-频率转换电路及转换方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对称式高速高精度电压-频率转换电路及转换方法，属于电力
【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在恒能量斩波方式合成100KH以上的中大功率正弦电压或电流波形的过程中，需 要用到输出频率范围为〇?4MHz的高速高精度电压一频率转换电路来作为系统的控制单 元。由于用数字方式完成此类波形的动态运算量很大，因此，即使用当前速度最快的DSP芯 片来实现，其最高输出频率只能到达300KHz左右，离目标要求的最高输出频率4MHz相距甚 远，为此，只能采用模拟方式实现， 但在已有技术中，无论是电荷平衡式还是复位式模拟电压一频率的转换电路，其转换 误差都将随着输出频率的升高而急剧增大。原因是在这两类转换电路中，线性积分电路的 输出波形均为锯齿波，如图1所示。其中，在决定电压一频率转换精度的线性积分电路中， 只有正程时间?\是输入电压绝对值的倒数，而逆程时间T 2则是固定的。这样，由于输出波 形的周期为：Τ=Ι\+Τ2，而输出频率为：f=l / Τ= 1 / (?\ +Τ2)，不难看出，只有当1\ >> Τ2 时，才有Τ ~1\和€ ~ 1 / Τ = 1 / ?\。实际上，随着输入电压幅值的不断增大，正程时 间?\将逐渐变小，但由于逆程时间Τ2固定，所以转换误差必将随着输出频率的升高而急剧 增大。实测表明，在转换后的输出频率在最高极限的50%?100%范围内时，实际输出的频 率要低于理论计算值的10%?30%以上，从而导致最终合成的正弦波在幅度上全面失真。
[0003] 由于这种电压一频率转换方法已使功率主开关器件在20nS左右的极限速度下开 通和关断，因此，已不可能通过提高开关器件的转换速度或采用深度负反馈等方式来减小 这种失真了，唯一的办法另找解决问题的新途径。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种对称式高速高精度电压-频率转换电路及转换方法，以用于 解决现有模拟电压一频率转换技术中转换误差随输出频率的升高急剧增大的问题。
[0005] 本发明的技术方案是：一种对称式高速高精度电压-频率转换电路，由符号电 路、积分电路、比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号W由 符号电路的输入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输 出端与积分电路的输入端相连接，积分电路的输出端1!。 2与比较电路的输入端相连接，比 较电路的一个输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端u。为系统 的输出端，电子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接。
[0006] 所述符号电路由运算放大器A1，电阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6共同构成，并由电子开 关电路中的受控开关SW的通断状态控制符号电路的不同运算组态，从而实现增益正负交 替。
[0007] 所述对称校正电路输出电压值为可调；其中通过调整对称校正电路的输出电压 值，使得在输入电压的全范围内符号电路的输出幅值完全对称。
[0008] -种对称式高速高精度电压-频率转换方法，所述方法的具体步骤如下： Stepl、输出电压u。控制电子开关电路中的受控开关SW的通断状态，进而控制符号电 路的不同运算组态，最终控制符号电路的增益： Stepl. 1、当输出电压u。满足输出为商电平11。=!^时，电子开关电路中的受控开关SW断 开，使符号电路的增益为+1，则1^=4 ; Stepl. 2、当输出电压u。满足输出为低电平11。=!^时，电子开关电路中的受控开关SW闭 合，使符号电路的增益为-1，则1^= 一Ui ; Step2、将保留了输入电压信号Ui幅值特征的正负交替周期性信号U()1送入积分电路， 产生三角波信号11。2 : St印2. 1、当U()1为低电平，则电容放电，11。2上升； St印2. 2、当U()1为高电平，则电容充电，11。2下降； St印3、将积分电路输出的正三角波信号11。2与输出电压信号u。通过R8、R9串联电阻 分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比 较： Step3. 1、当A3的同相输入端电压大于0V，则11。=!^ ; Step3. 2、当A3的同相输入端电压小于0V，则n ; Step4、重复执行步骤Stepl-步骤Step3 ;得出Um与ιιΛ交替出现，从而产生输出频率 f。与输入电压W的绝对值成正比的矩形波u。。
[0009] 本发明的工作原理是： 电路构成如下： 符号电路由集成运放A1及电阻R1?R6共同构成，并由电子开关电路中受控开关SW 的通断状态控制符号电路的不同运算组态，实现增益正负交替；积分电路为传统集成运放 构成的积分运算电路，由集成运放A2、电阻R7及电容C共同构成；比较电路由集成运放A3 和电阻R8、R9共同构成，11。 2与u。通过R8、R9串联电阻分压共同作用于集成运放A3的同相 输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比较，R9为正反馈环节，进一步加快输 出矩形波的上升、下降沿时间；电子开关电路采用视频模拟开关集成电路PI5V330,由比较 电路输出端信号控制，受控开关接入符号电路的电阻网络，其通断状态改变符号电路的不 同运算组态；对称校正电路XZ采用分压加电压跟随的方式构成可调电压范围为±0. 3V、最 大输出电流为3mA的可调直流电压源；所述电源电路为7805和7905三端集成稳压电路组 成的± 5V对称电源。
[0010] 电路转换方法的工作原理如下： 输出电压U。控制电子开关电路中受控开关SW的通断状态，进而控制符号电路的不同 运算组态，最终控制符号电路的增益(输出为高电平）时，电子开关电路中的受控开 关SW断开，使符号电路的增益为+1，这时u^Ui (输出为低电平）时，电子开关电路 中的受控开关SW闭合，使符号电路的增益为-1，这时;实现将输入电压信号Ui转换 为幅值不变但极性为正负交替的周期性信号1^。
[0011] 将保留了输入电压信号Ui幅值特征的正负交替周期性信号U()1送入积分电路，产 生三角波信号11。 2 :如果U()1为低电平，电容放电，11。2上升，如果U()1为高电平，电容充电，11。 2 下降。Ud的幅值大小与积分电路的正程或者逆程的时间成反比，而U()1又是保留了输入电 压信号Ui幅值特征的正负交替周期性信号，因此11。2的电压波形中正程或者逆程时间都与 输入电压Ui的绝对值成反比，为对称正三角波。
[0012] 比较电路中，积分电路输出的正三角波信号11。2与输出信号u。通过R8、R9串联电 阻分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压 比较：如果A3的同相输入端电压大于0V，则11。=^，如果A3的同相输入端电压小于0V，则 ;由于积分电路输出电压波形的正程或者逆程时间都与输入电压Ui的绝对值成反比， 因此比较电路输出高、低电平的时间也与输入电压Ui的绝对值成反比；U()H与ιιΛ交替出现， 构成对称矩形波u。，其频率f。与输入电压 Ui的绝对值成正比。单限比较器加入了正反馈环 节R9,可进一步加快输出矩形波的上升、下降沿时间。
[0013] 若由于R1?R6的阻值误差和电子开关电路中的受控开关SW的直流电阻不为0 而导致符号电路的输出幅值不对称，则对转换误差产生较大的影响，消除误差的方法是调 整对称校正电路XZ的输出电压值，使之在输入电压&的全范围内，符号电路的输出幅值均 完全对称即可。
[0014] 电路转换方法工作原理也可以解释如下： u。为低电平期间，由于符号电路的增益为-1，Uf-Up该值输入积分电路，使得11。2上 升，当11。2的上升使得后续比较电路中集成运放A3的同相输入端电压过零，比较电路输出 由低电平跳变为高电平，电子开关电路中的受控开关SW断开，符号电路增益由-1变为+1， &由低电平跳变为高电平，积分由正程变为逆程；逆程开始，，该值输入积分电路，使 得11。 2下降，当11。2的下降使得后续比较电路中集成运放A3的同相输入端电压过零，比较电 路输出由高电平跳变为低电平，电子开关电路中的受控开关SW闭合，符号电路增益由+1变 为-1，由高电平跳变为低电平，积分由逆程变为正程。
[0015] 本发明的有益效果是：通过将增益为±1的符号电路与高速电子开关结合，共同 构成输入信号的极性转换电路，使之在输出波形的正程和逆程期间均能对称地对积分电流 实施控制，从而达到使输出频率精确地为输入电压的线性函数关系的目的，不仅实现了输 出矩形波的频率精确地受控于输入电压的幅值的要求，而且还能满足转换特性的瞬时动态 跟踪要求。采用本发明方案，而且在全部采用上升速率大于ιοοον/μ S的超高速电压反馈 型集成运放构成各单元电路的情况下，输入电压的幅度范围为0?5V，转换后的输出频率 范围为0?4MHz，且在最高输出频率时的转换误差小于0. 01%，达到了目标的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为已有技术中电压一频率转换电路的输出波形； 图2本发明的电路结构框图； 图3本发明的电路原理图。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1 :如图1-3所示，一种对称式高速高精度电压-频率转换电路，由符号电 路、积分电路、比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号W由 符号电路的输入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输 出端Ud与积分电路的输入端相连接，积分电路的输出端1!。2与比较电路的输入端相连接，比 较电路的一个输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端U。为系统 的输出端，电子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接。
[0018] 所述符号电路由运算放大器A1，电阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6共同构成，并由电子开 关电路中的受控开关SW的通断状态控制符号电路的不同运算组态，从而实现增益正负交 替。
[0019] 所述对称校正电路输出电压值为可调；其中通过调整对称校正电路的输出电压 值，使得在输入电压的全范围内符号电路的输出幅值完全对称。
[0020] -种对称式高速高精度电压-频率转换方法，所述方法的具体步骤如下： Stepl、输出电压u。控制电子开关电路中的受控开关SW的通断状态，进而控制符号电 路的不同运算组态，最终控制符号电路的增益： Stepl. 1、当输出电压u。满足输出为商电平11。=!^时，电子开关电路中的受控开关SW断 开，使符号电路的增益为+1，则1^=4 ; Stepl. 2、当输出电压u。满足输出为低电平11。=!^时，电子开关电路中的受控开关SW闭 合，使符号电路的增益为-1，则1^= 一Ui ; Step2、将保留了输入电压信号Ui幅值特征的正负交替周期性信号U()1送入积分电路， 产生三角波信号11。2 : St印2. 1、当U()1为低电平，则电容放电，11。2上升； St印2. 2、当U()1为高电平，则电容充电，11。2下降； St印3、将积分电路输出的正三角波信号11。2与输出电压信号u。通过R8、R9串联电阻 分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比 较： Step3. 1、当A3的同相输入端电压大于0V，则11。=!^ ; Step3. 2、当A3的同相输入端电压小于0V，则n ; Step4、重复执行步骤Stepl-步骤Step3 ;得出Um与ιιΛ交替出现，从而产生输出频率 f。与输入电压W的绝对值成正比的矩形波u。。
[0021] 上面结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前 提下作出各种变化。
【权利要求】
1. 一种对称式高速高精度电压-频率转换电路，其特征在于：由符号电路、积分电路、 比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号Ui由符号电路的输 入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输出端与积分 电路的输入端相连接，积分电路的输出端11。 2与比较电路的输入端相连接，比较电路的一个 输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端U。为系统的输出端，电 子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接。
2. 根据权利要求1所述的对称式高速高精度电压-频率转换电路，其特征在于：所述 符号电路由运算放大器A1，电阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6共同构成，并由电子开关电路中的受 控开关SW的通断状态控制符号电路的不同运算组态，从而实现增益正负交替。
3. 根据权利要求1所述的对称式高速高精度电压-频率转换电路，其特征在于：所述 对称校正电路输出电压值为可调；其中通过调整对称校正电路的输出电压值，使得在输入 电压的全范围内符号电路的输出幅值完全对称。
4. 一种对称式高速高精度电压-频率转换方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如 下： Stepl、输出电压u。控制电子开关电路中的受控开关SW的通断状态，进而控制符号电 路的不同运算组态，最终控制符号电路的增益： Stepl. 1、当输出电压u。满足输出为商电平11。=!^时，电子开关电路中的受控开关SW断 开，使符号电路的增益为+1，则1^=4 ; Stepl. 2、当输出电压u。满足输出为低电平11。=!^时，电子开关电路中的受控开关SW闭 合，使符号电路的增益为-1，则1^= 一Ui ; Step2、将保留了输入电压信号Ui幅值特征的正负交替周期性信号U()1送入积分电路， 产生三角波信号11。2 : St印2. 1、当U()1为低电平，则电容放电，11。2上升； St印2. 2、当U()1为高电平，则电容充电，11。2下降； St印3、将积分电路输出的正三角波信号11。2与输出电压信号u。通过R8、R9串联电阻 分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比 较： Step3. 1、当A3的同相输入端电压大于0V，则11。=!^ ; Step3. 2、当A3的同相输入端电压小于0V，则n ; Step4、重复执行步骤Stepl-步骤Step3 ;得出Um与ιιΛ交替出现，从而产生输出频率 f。与输入电压W的绝对值成正比的矩形波u。。
【文档编号】H03M1/12GK104158544SQ201410392777
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】吴玉虹, 张晓凡, 王潇, 卢诚 申请人:昆明理工大学