一种电压到时间转换电路的制作方法

本实用新型涉及一种信号转换电路。

背景技术：

在工业生产控制场合，许多产品的加工和装配工艺过程需要对产品或设备进行跟踪和定位信号，但被跟踪对象往往受结构和环境的限制远离控制台，获取控制信号的地方距离控制器比较远，或者被控制对象离处理器比较远，这时就需要进行信号传输。电压信号在传输的过程中易受到干扰，一般要转换成时间信号来传输，以提高系统抗干扰能力。此外，随着计算机技术与大规模集成电路技术的飞速发展，模数转换电路技术也在不断的进步与发展，时间到数字转换更易于实现，便于对控制信号的后续处理。

电压到时间转换器是把电压信号转换为时间信号的电路,该电路需要有良好的精度及线性输人的特点，传统上主要有两种测量方法，一种是采用与数字电压表原理相同的双积分转换技术，如果电压转换成的时间是转换电路工作脉冲的N个周期，则所需的转换时间要大于工作脉冲的2N个周期，被转换的电压信号越大转换精度要求越高，转换时间就越长，这极大的限制了电路的转换速率，并且对小信号的电压信号而言，电路的动态响应，抗干扰能力均比较差，无法高精度地实现电压到时间的转换。另一种电压到时间转换电路是基于电荷平衡原理，产生与输入电压信号成正比的时间脉冲信号，由于电荷平衡电路采用的是正反两个方向的积分平衡电路，该积分电路的非线性无法消除，尤其对小信号影响比较大，此外输入电压信号需要转换成电流信号再进行比较，所以对比较器的性能要求大大提高，为了降低比较器的失调，它的前级需要功放进行驱动，这会给电路带来更大的功耗和复杂度。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于提供一种在较大输入电压变化范围内电压到时间转换保持良好的线性特性，能提高电压到时间转换精度，降低了转换时间的电压到时间转换电路。

本实用新型是这样实现的，包括方波信号、反相积分电路、电压跟随器、电压比较器、四选一开关控制电路，反相积分电路包括电阻R₁、运算放大器A₁、电容C，电阻R₁的一端与方波信号U_f相连，电阻R₁的另一端与运算放大器A₁的反相端相连，运算放大器A₁的反相端通过电容C与运算放大器A₁的输出端U₀₁相连，运算放大器A₁的同相端接地，电压跟随器包括运算放大器A₂、运算放大器A₅，串联后的电阻R₂、R₃的一端与电源U₊相连，串联后的电阻R₂、R₃的另一端与运算放大器A₁的输出端相连，运算放大器A₂的同相端连接在串联后的电阻R₂、R₃之间，这里R₂=R₃，运算放大器A₂的反相端与运算放大器A₂的输出端U₀₂相连，运算放大器A₅的同相端与四选一开关控制电路的输出端相连，运算放大器A₅的反相端与运算放大器A₅的输出端相连，运算放大器A₅的输出端输出为时间宽度与被转换电压U_i成正比的脉冲电压信号U₀，电压比较器包括运算放大器A₃、运算放大器A₄，运算放大器A₃的反相端与被转换电压信号输入U_i相连，运算放大器A₃的同相端与运算放大器A₂的输出端U₀₂相连，运算放大器A₄的反相端与运算放大器A₂的输出端U₀₂相连，运算放大器A₄的同相端接地，四选一开关控制电路的两逻辑选通控制信号输入端A、B分别与运算放大器A₃的输出端U₀₃及运算放大器A₃的输出端U₀₄相连，四选一开关控制电路的其中一开关输入与恒定电压U相连，四选一开关控制电路的另三个开关输入接地，四选一开关控制电路的四路开关输入经两逻辑选通控制信号A、B选通一路作为四选一开关控制电路的输出，四选一开关逻辑选通控制电路的开关选通是这样实现的，当两逻辑选通控制信号输入端A、B均为低电平时，四选一开关控制电路的输出选通与恒定正电压U相连的其中一开关闭合，当两信号输入端A、B不全为低电平时，四选一开关控制电路的输出分别选通与接地相连的另三个开关中的一个闭合，其中U₊/2>U_i。

工作时，以一定重复周期（如100ms）的方波信号U_f被加到反相积分电路的输入端，当被积分的信号U_f是低电平，即U_f=0V时，积分器输出U_O1为零，U_O1经R₂、R₃和U构成的电压提升电路升压和运算放大器A₂构成的电压跟随器进行隔离，U_O2=U₊/2，由于U₊/2>U_i>0，并且U_O2=U₊/2同时加到电压比较器A₃的同相端和电压比较器A₄的反相端，电压比较器A₃输出高电平，此电平被加到四选一开关控制电路的逻辑选通控制位A，即A=1，电压比较器A₄输出低电平，此电平被加到四选一开关控制电路的逻辑选通控制位B，即B=0，A=1、B=0时四选一开关控制电路的输出选通与GND（为接地符号，其表示的电位为零）连接，经运算放大器A₅构成的电压跟随器进行隔离输出，其输出U_o=0V。

当被积分的信号U_f是高电平，如U_f=＋5V时，积分器输出U_O1是一条初始值为零且斜率为负值的直线。积分器输出U_O1经R₂、R₃和U₊构成的电压提升电路升压和运算放大器A₂构成的电压跟随器进行隔离，积分器的输出被增加了U₊/2 ，即U_O2为初始值为U₊/2斜率为负的直线。当积分器输出下降，U_O2也随之下降。当U_O2>U_i>0时，整个电路保持被积分的信号U_f是低电平，即U_f=0V时的状态；当下降到U_O2≤U_i时，电压比较器A₃由高电平翻转到低电平，A=0，电压比较器A₄状态不变，B=0，A=0、B=0时四选一开关控制电路的输出选通与恒定正电压U连接，经运算放大器A₅构成的电压跟随器进行隔离输出，其输出U_o为恒定正电压U；当下降到U_O2≤0V时，电压比较器A₄由低电平翻转到高电平，B=1，电压比较器A₃状态不变，此时A=0、B=1时四选一开关控制电路的输出选通与GND（为接地符号，其表示的电位为零）连接，经运算放大器A₅构成的电压跟随器进行隔离输出，其输出U_o=0V。显然在0≤U_O2≤U_i期间，A=0、B=0，运算放大器A₅输出保持U_o为恒定正电压U，保持的时间为T，由于T与U_i以及积分输出的直线构成直角三角形关系，所以T=kU_i，k是常系数，即当U_i是被转换的电压变化时，运算放大器A₅输出电压U_o的宽度T也随之成比例地变化，即实现了电压到时间的转换。

本实用新型与已有技术相比，由于采用反相积分电路、电压跟随器，电压比较器、四选一开关控制电路等，直接采用电压比较，避免了传统方案中双积分转换或电压到电流的转换后再比较的方法，实现在较大输入电压变化范围内电压到时间转换保持良好的线性特性，提高了电压到时间转换精度，降低了转换时间。因此，具有电路简单可靠，抗干扰能力强，电路数字兼性强适用于TTL、COMS等主要逻辑电路、动态能量损耗小的优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路图；

图2为电压到时间转换的波形图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型包括方波信号U_f、反相积分电路1、电压跟随器2、电压比较器3、四选一开关控制电路4，反相积分电路1包括电阻R₁、运算放大器A₁、电容C，电阻R₁的一端与方波信号U_f相连，方波信号U_f是重复周期为100ms，电压为+5V的方波，电阻R₁的另一端与运算放大器A₁的反相端相连，运算放大器A₁的反相端通过电容C与运算放大器A₁的输出端U₀₁相连，运算放大器A₁的同相端接地，电压跟随器2包括运算放大器A₂、运算放大器A₅，串联后的电阻R₂、R₃的一端与电源U₊相连，串联后的电阻R₂、R₃的另一端与运算放大器A₁的输出端相连，运算放大器A₂的同相端连接在串联后的电阻R₂、R₃之间，这里R₂=R₃，运算放大器A₂的反相端与运算放大器A₂的输出端U₀₂相连，运算放大器A₅的同相端与四选一开关控制电路4的输出端相连，运算放大器A₅的反相端与运算放大器A₅的输出端相连，运算放大器A₅的输出端输出为时间宽度与被转换电压U_i成正比的脉冲电压信号U₀，电压比较器3包括运算放大器A₃、运算放大器A₄，运算放大器A₃的反相端与被转换电压信号输入U_i相连，运算放大器A₃的同相端与运算放大器A₂的输出端U₀₂相连，运算放大器A₄的反相端与运算放大器A₂的输出端U₀₂相连，运算放大器A₄的同相端接地，四选一开关控制电路4的两逻辑选通控制信号输入端A、B分别与运算放大器A₃的输出端U₀₃及运算放大器A₃的输出端U₀₄相连，四选一开关控制电路4的其中一开关输入与恒定电压U相连，四选一开关控制电路4的另三个开关输入接地，四选一开关控制电路4的四路开关输入经两逻辑选通控制信号A、B选通一路作为四选一开关控制电路4的输出，四选一开关逻辑选通控制电路的开关选通是这样实现的，当两逻辑选通控制信号输入端A、B均为低电平时，四选一开关控制电路4的输出选通与恒定正电压U相连的其中一开关闭合，当两信号输入端A、B不全为低电平（即A=1、B=0；A=1、B=1；A=0、B=1）时，四选一开关控制电路4的输出分别选通与接地相连的另三个开关中的一个闭合，其中U₊/2>U_i。

工作时，方波信号U_f被加到反相积分电路1的输入端，当被积分的信号U_f是低电平，即U_f=0V时，积分器输出U_O1为零，U_O1经R₂、R₃和U构成的电压提升电路升压和运算放大器A₂构成的电压跟随器2进行隔离，U_O2=U₊/2，由于U₊/2>U_i>0，并且U_O2=U₊/2同时加到电压比较器A₃的同相端和电压比较器A₄的反相端，电压比较器A₃输出高电平，此电平被加到四选一开关控制电路4的逻辑选通控制位A，即A=1，电压比较器A₄输出低电平，此电平被加到四选一开关控制电路4的逻辑选通控制位B，即B=0，A=1、B=0时四选一开关控制电路的输出选通与GND（为接地符号，其表示的电位为零）连接，经运算放大器A₅构成的电压跟随器2进行隔离输出，其输出U_o=0V。

如图2所示，当被积分的信号U_f是高电平＋5V时，积分器输出U_O1是一条初始值为零且斜率为负值(－1/RC)的直线C。积分器输出U_O1经R₂、R₃和U₊构成的电压提升电路升压和运算放大器A₂构成的电压跟随器2进行隔离，积分器的输出被增加了U₊/2，即U_O2为初始值为U₊/2斜率为负值(－1/RC)的直线D。当积分器输出下降，U_O2也随之下降。当U_O2>U_i>0时，整个电路保持被积分的信号U_f是低电平，即U_f=0V时的状态；当下降到U_O2≤U_i时，电压比较器A₃由高电平翻转到低电平，A=0，电压比较器A₄状态不变，B=0，A=0、B=0时四选一开关控制电路4的输出选通与恒定正电压U连接，经运算放大器A₅构成的电压跟随器2进行隔离输出，其输出U_o为恒定正电压U；当下降到U_O2≤0V时，电压比较器A₄由低电平翻转到高电平，B=1，电压比较器A₃状态不变，此时A=0、B=1时四选一开关控制电路4的输出选通与GND（为接地符号，其表示的电位为零）连接，经运算放大器A₅构成的电压跟随器2进行隔离输出，其输出U_o=0V。显然在0≤U_O2≤U_i期间，A=0、B=0，运算放大器A₅输出保持U_o为恒定正电压U=+3V，保持的时间为T，由于T与U_i以及积分输出的直线构成直角三角形关系，所以T=kU_i，k是常系数，即当U_i是被转换的电压变化时，运算放大器A₅输出电压U_o的宽度T也随之成比例地变化，即实现了电压到时间的转换。