一种电压/频率转换电路的实时自校准方法与流程

本发明属于电压/频率转换电路技术领域，具体涉及一种电压/频率转换电路的实时自校准方法。

背景技术：

电压/频率转换电路从原理上可分为积分电路，电流源电路，同步逻辑控制电路等三个基本的功能模块。同步逻辑控制电路的主要功能是提供基准频率，检测积分电路的输出电压，据此确定反馈电流的极性与反馈时间；电流源电路用于提供反馈基准电流。电压/频率转换电路的工作原理是：当电路有电压信号输入时，输入电压加到积分电路输入端，积分电路输出电压开始增长。当积分电路的输出电压值超过设定的门槛电压时，在同步逻辑控制电路的作用下引入与输入电压极性相反的反馈基准电流。在输入电压和反馈基准电流的共同作用下，积分电路的输出电压值降低到门槛电压以下。同步逻辑控制电路检测到积分电路输出电压低于门槛电压后，将关闭反馈基准电流通道，在输入电压的单独作用下，积分电路输出电压又开始增长，并超过门槛电压。以上两个过程周而复始，以保证积分电路的输出电压围绕设定的门槛电压上下变化。单位时间内引入反馈基准电流的次数即为电压/频率转换电路的输出频率。

电压/频率转换电路的零偏是指电路零输入时的实际输出值与零位值的偏差；标度因数是指电路输出脉冲频率数与输入电压值的比例系数。零偏及标度因数的温度漂移是电压/频率转换电路的重要技术指标，以往的电压/频率转换电 路通常需要在电压/频率转换电路的工作温度范围内对其进行温度标定，建立零偏及标度因数随环境温度变化的模型，据此进行温度补偿来降低零偏及标度因数的温度漂移。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种电压/频率转换电路的实时自校准方法，能够省去电压/频率转换电路的温度标定环节，提高调试效率，提升电压/频率转换电路的零偏及标度因数的温度漂移指标。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种实时自校准电压/频率转换电路，该电路包括a路转换电路、b路转换电路和计数及校准运算电路；

a路转换电路或b路转换电路包括多路选择器、积分电路、同步逻辑控制电路和电流源电路；

同步逻辑控制电路用于提供基准频率，检测积分电路的输出电压，据此确定反馈电流的极性与反馈时间；电流源电路用于提供反馈基准电流；

当电压/频率转换电路通电后，a路转换电路进入工作模式，b路转换电路进入校准模式，a路转换电路的多路选择器将输入电压与a路的积分电路输入端接通，由a路转换电路对输入电压进行转换，由计数及校准运算电路完成对电压/频率转换结果的输出；当b路转换电路校准完成后，b路转换电路进入工作模式，a路转换电路进入校准模式，b路转换电路的多路选择器将输入电压与b路的积分电路输入端接通，由b路转换电路对输入电压进行转换，由计数及校准运算电路完成对电压/频率转换结果的输出；如此交替工作，完成对电压/频 率的转换。

所述同步逻辑控制电路包括双路比较器、双路触发器、分频器、晶振和模拟开关；分频器对晶振的输出时钟进行分频，得到同步逻辑控制电路的基准频率，提供给双路触发器作为其工作时钟；双路比较器分别设置正、负门槛电压，用于检测积分电路的输出电压和极性；

当a路转换电路或b路转换电路有负电压信号输入时，输入电压加到积分电路输入端，积分电路输出端电压增长，当积分电路的输出电压值超过双路比较器设定的正门槛电压时，双路比较器正门槛电压对应的输出端电平由低变高，当双路触发器工作时钟上升沿到来时，双路比较器正门槛电压对应的输出端高电平使得双路触发器对应输出端电平由低变高，进而打开控制正反馈电流的模拟开关，将正反馈电流引入积分电路输入端，正反馈电流引入的时间为双路触发器的一个工作时钟周期；

当a路转换电路或b路转换电路有正电压信号输入时，输入电压加到积分电路输入端，积分电路输出电压开始降低，当积分电路的输出电压值超过双路比较器设定的负门槛电压时，双路比较器负门槛电压对应的输出端电平由低变高，当双路触发器工作时钟上升沿到来时，双路比较器负门槛电压对应的输出端高电平使得双路触发器对应输出端电平由低变高，进而打开控制正反馈电流的模拟开关，将负反馈电流引入积分电路输入端，负反馈电流引入的时间为双路触发器的一个工作时钟周期。

当a路转换电路或b路转换电路进入工作模式时，多路选择器将输入电压与积分电路输入端接通，积分电路输出电压开始增长，当积分电路的输出电压值超过设定的门槛电压时，在同步逻辑控制电路的作用下引入与输入电压极性 相反的反馈基准电流，在输入电压和反馈基准电流的共同作用下，积分电路的输出电压值降低到门槛电压以下，同步逻辑控制电路检测到积分电路输出电压低于门槛电压后，将关闭反馈基准电流通道，在输入电压的单独作用下，积分电路输出电压又开始增长，并超过门槛电压，以上两个过程周而复始，以保证积分电路的输出电压围绕设定的门槛电压上下变化，单位时间内引入反馈基准电流的次数即为电压/频率转换电路的输出频率。

当b路转换电路进入校准模式时，

b路转换电路的多路选择器将b路转换电路的积分电路输入端接地，对零偏进行校准，校准时间为cal_f0，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，得到b路转换电路的零偏校准值为fb0；

然后b路转换电路的多路选择器将b路转换电路的积分电路输入端接入正电压基准，对正标度因数进行校准，校准时间为cal_fp，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，得到b路转换电路的正电压基准的校准值为fb+基准；

然后b路转换电路的多路选择器将b路转换电路的积分电路输入端接电路板内产生的负电压基准，对负标度因数进行校准，校准时间为cal_fn，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，得到b路转换电路的负电压基准的校准值fb-基准，至此b路转换电路的校准完成；

b路转换电路转入工作模式，由b路转换电路的多路选择器将输入电压与b路转换电路的积分电路输入端接通，由b路转换电路对输入电压进行转换，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，并根据校准值fb0、fb+基准、fb-基准对b路转换电路的计数结果进行修正后作为电压/频率转换结果输出；

同时，a路转换电路进入校准模式，

a路转换电路的多路选择器将a路转换电路的积分电路输入端接地，对零偏进行校准，校准时间为cal_f0，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到a路转换电路的零偏校准值为fa0；

然后a路转换电路的多路选择器将a路转换电路积分电路输入端接电路板内产生的正电压基准，对正标度因数进行校准，校准时间为cal_fp，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到a路转换电路的正电压基准的校准值为fa+基准；

然后a路转换电路的多路选择器将a路转换电路的积分电路输入端接电路板内产生的负电压基准，对负标度因数进行校准，校准时间为cal_fn，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到a路转换电路的负电压基准的校准值fa-基准，至此a路转换电路校准完成；

a路转换电路转入工作模式，b路转换电路又进入校准模式，如此交替工作。

所述cal_f0的取值范围为10s～60s；所述cal_fp的取值范围为1s～10s；所述cal_fn的取值范围为1s～10s。

所述cal_f0的取值范围为20s～30s；所述cal_fp的取值范围为2s～4s；所述cal_fn的取值范围为2s～4s。

一种电压/频率转换电路的实时自校准方法，该电压/频率转换电路包括a路转换电路、b路转换电路和计数及校准运算电路；

a路转换电路或b路转换电路包括多路选择器、积分电路、同步逻辑控制电路和电流源电路；

同步逻辑控制电路用于提供基准频率，检测积分电路的输出电压，据此确 定反馈电流的极性与反馈时间；电流源电路用于提供反馈基准电流；

步骤一、当电压/频率转换电路通电后，a路转换电路进入工作模式，b路转换电路进入校准模式；

a路转换电路的多路选择器将输入电压与a路转换电路的积分电路输入端接通，由a路转换电路对输入电压进行转换；

步骤二、当b路转换电路进入校准模式后；

(1)b路转换电路的多路选择器将b路转换电路的积分电路输入端接地，对零偏进行校准，校准时间为cal_f0，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，得到b路转换电路的零偏校准值为fb0；

(2)b路转换电路的多路选择器将b路转换电路的积分电路输入端接入正电压基准，对正标度因数进行校准，校准时间为cal_fp，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，得到b路转换电路的正电压基准的校准值为fb+基准；

(3)b路转换电路的多路选择器将b路转换电路的积分电路输入端接电路板内产生的负电压基准，对负标度因数进行校准，校准时间为cal_fn，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，得到b路转换电路的负电压基准的校准值fb-基准，至此b路转换电路校准完成；

步骤三、当b路转换电路校准完成后，b路转换电路进入工作模式，同时，a路转换电路进入校准模式；

(1)b路转换电路进入工作模式，由b路转换电路的多路选择器将输入电压与b路转换电路的积分电路输入端接通，由b路转换电路对输入电压进行转换，计数及校准运算电路对b路转换电路的输出频率进行计数，并根据校准值 fb0、fb+基准、fb-基准对b路转换电路的计数结果进行修正后作为电压/频率转换结果输出；

(2)当a路转换电路进入校准模式，a路转换电路的多路选择器将a路转换电路的积分电路输入端接地，对零偏进行校准，校准时间为cal_f0，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到a路转换电路的零偏校准值为fa0；

(3)a路转换电路的多路选择器将a路转换电路的积分电路输入端接入正电压基准，对正标度因数进行校准，校准时间为cal_fp，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到a路转换电路的正电压基准的校准值为fa+基准；

(4)a路转换电路的多路选择器将a路转换电路的积分电路输入端接入负电压基准，对负标度因数进行校准，校准时间为cal_fn，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到a路转换电路的负电压基准的校准值fa-基准，至此a路转换电路校准完成；

步骤四、当a路转换电路校准完成，a路转换电路进入工作模式，b路转换电路又进入校准模式，如此交替工作，实现电压/频率转换。

所述cal_f0的取值范围为10s～60s；所述cal_fp的取值范围为1s～10s；所述cal_fn的取值范围为1s～10s。

所述cal_f0的取值范围为20s～30s；所述cal_fp的取值范围为2s～4s；所述cal_fn的取值范围为2s～4s。

所述的电压/频率转换电路的实时自校准方法，当b路转换电路进入工作模式，a路转换电路进入校准模式时；

(1)当a路转换电路的输入电压为正向输入电压时，设理想的标度因数为k理；k理由电压/频率转换电路的最大转换电压v及满量程输出频率f确定，具体为：

k理＝f/v(a)

式中：理想的标度因数为k理，单位v/hz；最大转换电压v，单位v；满量程输出频率f，单位hz；

a路转换电路的积分电路输入端接地时的a路转换电路的零偏校准值为fa0，校准时间为cal_f0；a路转换电路的积分电路输入端接入正电压基准v+基准时的a路转换电路的正电压基准的校准值为fa+基准，校准时间为cal_fp；

(2)当a路转换电路处于工作模式，且a路转换电路的输入电压为正向输入电压v+时，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到的计数结果fa+满足式(b)：

式中：正向输入电压v+，单位v；计数及校准运算电路的计数结果fa+，单位hz；零偏校准值为fa0，无量纲；零偏校准时间为cal_f0，单位s；正电压基准v+基准，单位v；正电压基准的校准值为fa+基准，无量纲；正电压基准校准时间为cal_fp，单位s；

此时a路转换电路的理想输出频率fa+理满足式(c)：

fa+理＝k理·v+(c)

式中：理想输出频率fa+理，单位hz；理想的标度因数为k理，单位v/hz；正向输入电压v+，单位v；

将式(b)代入式(c)可得式(d)：

式中：理想输出频率fa+理，单位hz；理想的标度因数为k理，单位v/hz；计数及校准运算电路的计数结果fa+，单位hz；零偏校准值为fa0，无量纲；零偏校准时间为cal_f0，单位s；正电压基准的校准值为fa+基准，无量纲；正电压基准校准时间为cal_fp，单位s；正电压基准v+基准，单位v；

计数及校准运算电路根据式(d)计算得到此时a路转换电路的理想输出频率fa+理作为a路转换电路的电压/频率转换结果输出；

(3)当a路转换电路的输入电压为正向输入电压时，设理想的标度因数为k理，a路转换电路的积分电路输入端接地时的a路转换电路的零偏校准值为fa0，校准时间为cal_f0；a路转换电路的积分电路输入端接负电压基准v-基准时的a路转换电路的负电压基准的校准值为fa-基准，校准时间为cal_fn；

(2)当a路转换电路处于工作模式，且a路转换电路的输入电压为负向输入电压为v-时，计数及校准运算电路对a路转换电路的输出频率进行计数，得到的计数结果fa-满足式(e)：

式中：负向输入电压为v-，单位v；计数及校准运算电路的计数结果fa-，单位hz；零偏校准值为fa0，无量纲；零偏校准时间为cal_f0，单位s；正电压基准v-基准，单位v；正电压基准的校准值为fa-基准，无量纲；正电压基准校准时间为cal_fp，单位s；

此时a路转换电路的理想输出频率fa-理满足式(f)：

fa-理＝k理·v-(f)

式中：理想输出频率fa-理，单位hz；理想的标度因数为k理，单位v/hz；正向输入电压v-，单位v；

将式(e)代入式(f)可得式(g)：

式中：理想输出频率fa-理，单位hz；理想的标度因数为k理，单位v/hz；计数及校准运算电路的计数结果fa-，单位hz；零偏校准值为fa0，无量纲；零偏校准时间为cal_f0，单位s；正电压基准的校准值为fa-基准，无量纲；正电压基准校准时间为cal_fp，单位s；正电压基准v-基准，单位v；

计数及校准运算电路根据式(g)计算得到此时a路转换电路的理想输出频率fa-理作为a路的电压/频率转换结果输出。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明的目的在于提供一种电压/频率转换电路的实时自校准方法，能够省去电压/频率转换电路的温度标定环节，提高调试效率，提升电压/频率转换电路的零偏及标度因数的温度漂移指标，同时通过对电压/频率转换电路的输出脉冲进行计数及校准运算，实现将电压/频率转换电路由脉冲输出转换为数字输出。

附图说明

图1是本发明实施例实时自校准电压/频率转换电路示意图；

图2是本发明实施例同步逻辑控制电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种电压/频率转换电路的实时自校 准方法作详细说明。

如图1所示，本发明实时自校准电压/频率转换电路包括a路转换电路、b路转换电路两路转换电路和计数及校准运算电路，每一路转换电路包括多路选择器、积分电路、同步逻辑控制电路和电流源电路；同步逻辑控制电路的主要功能是提供基准频率，检测积分电路的输出电压，据此确定反馈电流的极性与反馈时间；电流源电路用于提供反馈基准电流；当电路有电压信号输入时，输入电压加到积分电路输入端，积分电路输出电压开始增长，当积分电路的输出电压值超过设定的门槛电压时，在同步逻辑控制电路的作用下引入与输入电压极性相反的反馈基准电流，在输入电压和反馈基准电流的共同作用下，积分电路的输出电压值降低到门槛电压以下，同步逻辑控制电路检测到积分电路输出电压低于门槛电压后，将关闭反馈基准电流通道，在输入电压的单独作用下，积分电路输出电压又开始增长，并超过门槛电压，以上两个过程周而复始，以保证积分电路的输出电压围绕设定的门槛电压上下变化，单位时间内引入反馈基准电流的次数即为电压/频率转换电路的输出频率。

如图2所示，同步逻辑控制电路包括双路比较器、双路触发器、分频器、晶振和模拟开关；分频器对晶振的输出时钟进行分频，得到同步逻辑控制电路的基准频率，提供给双路触发器作为其工作时钟；双路比较器分别设置正、负门槛电压，用于检测积分电路的输出电压和极性；

当电压/频率转换电路有负电压信号输入时，输入电压加到积分电路输入端，积分电路输出端电压增长，当积分电路的输出电压值超过双路比较器设定的正门槛电压时，双路比较器正门槛电压对应的输出端电平由低变高，当双路触发器工作时钟上升沿到来时，双路比较器正门槛电压对应的输出端高电平使得双 路触发器对应输出端电平由低变高，进而打开控制正反馈电流的模拟开关，将正反馈电流引入积分电路输入端，正反馈电流引入的时间为双路触发器的一个工作时钟周期；

当电压/频率转换电路由正电压信号输入时，输入电压加到积分电路输入端，积分电路输出电压开始降低，当积分电路的输出电压值超过双路比较器设定的负门槛电压时，双路比较器负门槛电压对应的输出端电平由低变高，当双路触发器工作时钟上升沿到来时，双路比较器负门槛电压对应的输出端高电平使得双路触发器对应输出端电平由低变高，进而打开控制正反馈电流的模拟开关，将负反馈电流引入积分电路输入端，负反馈电流引入的时间为双路触发器的一个工作时钟周期。

本发明一种电压/频率转换电路的实时自校准方法，当电压/频率转换电路通电后，a路进入工作模式，b路进入校准模式；

a路的多路选择器将输入电压与a路积分电路输入端接通，由a路对输入电压进行转换；

b路的多路选择器将b路积分电路输入端接地，对零偏进行校准，校准时间为cal_f0(从提高校准精度的角度考虑，校准时间越长越好；但是校准时间越长，a、b路进行校准模式与工作模式的切换周期就越长，校准结果的实时性越差；由于电压/频率转换电路的零偏校准值较低，因此cal_f0的取值以10s～60s为宜，cal_f0的取值为20s～30s时可较好的兼顾校准精度及实时性)，计数及校准运算电路对b路的输出频率进行计数，得到b路零偏校准值为fb0；

然后b路的多路选择器将b路积分电路输入端接电路板内产生的正电压基准，对正标度因数进行校准，校准时间为cal_fp(由于电压/频率转换电路的正 电压基准的校准值较高，因此cal_fp的取值以1s～10s为宜，cal_fp的取值为2s～4s时可较好的兼顾校准精度及实时性)，计数及校准运算电路对b路的输出频率进行计数，得到b路正电压基准的校准值为fb+基准；

然后b路的多路选择器将b路积分电路输入端接电路板内产生的负电压基准，对负标度因数进行校准，校准时间为cal_fn(由于电压/频率转换电路的负电压基准的校准值较高，因此cal_fn的取值以1s～10s为宜，cal_fn的取值为2s～4s时可较好的兼顾校准精度及实时性)，计数及校准运算电路对b路的输出频率进行计数，得到b路负电压基准的校准值fb-基准；

至此b路校准完成，b路进入工作模式，由b路的多路选择器将输入电压与b路积分电路输入端接通，由b路对输入电压进行转换，计数及校准运算电路对b路的输出频率进行计数，并根据校准值fb0、fb+基准、fb-基准对b路的计数结果进行修正后作为电压/频率转换结果输出；

同时，a路进入校准模式，a路的多路选择器将a路积分电路输入端接地，对零偏进行校准，校准时间为cal_f0，计数及校准运算电路对a路的输出频率进行计数，得到a路零偏校准值为fa0；

然后a路的多路选择器将a路积分电路输入端接电路板内产生的正电压基准，对正标度因数进行校准，校准时间为cal_fp，计数及校准运算电路对a路的输出频率进行计数，得到a路正电压基准的校准值为fa+基准；

然后a路的多路选择器将a路积分电路输入端接电路板内产生的负电压基准，对负标度因数进行校准，校准时间为cal_fn，计数及校准运算电路对a路的输出频率进行计数，得到a路负电压基准的校准值fa-基准；

至此a路校准完成，a路进入工作模式，b路进入校准模式，如此交替工 作，实现电压/频率转换。

下面以a路校正，b路工作为例，说明本发明一种电压/频率转换电路的实时自校准方法；

以a路正向为例，设理想的标度因数为k理(hz/v)(k理由电压/频率转换电路的最大转换电压v及满量程输出频率f确定，具体为k理＝f/v)，a路积分电路输入端接地时的a路零偏校准值为fa0，校准时间为cal_f0(s)；a路积分电路输入端接正电压基准v+基准时的a路正电压基准的校准值为fa+基准，校准时间为cal_fp(s)。

当a路处于工作模式，正向输入电压为v+时，计数及校准运算电路对a路的输出频率进行计数，得到的计数结果fa+满足式(1)：

此时a路理想的输出频率fa+理满足式(2)：

fa+理＝k理·v+(2)

将式(1)代入式(2)可得式(3)：

计数及校准运算电路根据式(3)计算得到此时a路理想的输出频率fa+理作为a路的电压/频率转换结果输出。

以a路负向为例，设理想的标度因数为k理(hz/v)，a路积分电路输入端接地时的a路零偏校准值为fa0，校准时间为cal_f0(s)；a路积分电路输入端接负电压基准v-基准时的a路负电压基准的校准值为fa-基准，校准时间为cal_fn(s)。

当a路处于工作模式，负向输入电压为v-时，计数及校准运算电路对a路 的输出频率进行计数，得到的计数结果fa-满足式(4)：

此时a路理想的输出频率fa-理满足式(5)：

fa-理＝k理·v-(5)

将式(4)代入式(5)可得式(6)：

计数及校准运算电路根据式(6)计算得到此时a路理想的输出频率fa-理作为a路的电压/频率转换结果输出。