一种基于三角波调制的高精度电流/频率转换电路及转换方法与流程

本发明模拟数字混合电路技术领域，具体涉及一种基于三角波调制的高精度电流/频率转换电路及转换方法。

背景技术

电流/频率转换电路是惯导系统的重要部件之一，在惯性导航系统中与加速度计一起使用，将加速度计的输出电流转换成与其成正比的数字脉冲信号。目前，采用电荷平衡原理的电流/频率转换电路得到广泛应用，传统的方法中与主积分器比较的门槛电平采用固定门槛电平，在大输入电流信号时恒流源切换过次数较大，由于恒流源切换过程中过渡时间是影响转换精度的主要因素，所以其精度难以达到理想目标，通常采用补偿或数字校准方法进行补偿，但是其过程复杂，调试工作量大，对元件要求较高。因此有必要对传统电路结构进行改进，从机理上减小上述过渡过程造成的误差，提升电路精度，降低调试难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于三角波调制的高精度电流/频率转换电路及转换方法，降低电路的整体开关工作频率,从机理上减小过渡过程造成的误差，提升电路精度，降低调试难度。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于三角波调制的高精度电流/频率转换电路，其特征在于：包括主积分器、比较器、数字处理电路、整形电路、超高速开关电路、恒流源电路、输出电路及三角波产生电路，所述主积分器的输入端为输入电流端，主积分器及三角波产生电路的输出端与比较器的输入端连接，比较器的输出端与数字处理电路的一路输入端连接，数字处理电路的两路输出端分别与超高速开关电路的控制端、输出电路的输入端连接，超高速开关电路的输入端与恒流源电路的输出端连接，超高速开关电路的输出端与主积分器的输入端连接，整形电路的输出端与数字处理电路的另一路输入端连接，整形电路的输入端与三角波产生电路的输出端连接。

进一步的，所述三角波产生电路包括分频电路、门槛积分放大电路及晶振，所述分频电路的输入端经晶振与整形电路的输入端连接，分频电路的输出端与门槛积分放大电路的输出入连接，门槛积分放大电路的输出端与比较器的输入端连接。

进一步的，所述主积分器包括精密运放n1、积分电容cf1、三极管vj1及三极管vj2，所述精密运放n1的同相输入端接地，其反相输入端经电阻rj1作为输入电流端，精密运放n1的输出端依次经电阻rj2、rj3与比较器的输入端连接，所述三极管vj1及三极管vj2的基极连接在电阻rj2与电阻rj3之间的节点处，三极管vj1及三极管vj2的集电极与电源连接，三极管vj1及三极管vj2的发射极分别经电阻rj4、rj5与比较器的输入端、积分电容cf1的一端连接，积分电容cf1的另一端与精密运放n1的反相输入端连接。

进一步的，所述门槛积分放大电路包括积分器n2及比例运算放大器n3，所述积分器n2的同相输入端接地，其反相输入端经电阻rt1与分频电路的输出端连接，积分器n2的输出端经电阻rt2与比例运算放大器n3的反相输入端连接，比例运算放大器n3的同相输入端接地，比例运算放大器n3的输出端与比较器连接。

进一步的，所述超高速开关电路由三极管v1、v2、场效应晶体管v3及外围电路组成，所述三极管v1的基极经电阻r1、电容c1并联后与数字处理电路的输出端连接，三极管v1的集电极与电源连接，三极管v1的发射极经电阻r2与场效应晶体管v3的栅极连接；所述三极管v2集电极与场效应晶体管v3的栅极连接，其发射极与电源连接，其基极经电容c3连接在电容c1与电阻r1之间的节点处，场效应晶体管v3的源极及栅极为超高速开关电路的输出端。

一种基于三角波调制的高精度电流/频率转换电路的转换方法，包括以下步骤：

（1）恒流源电路及输入电流通过主积分器不断的积分和复位，产生周期性的锯齿波积分电压；

（2）所述积分电压通过比较器与门槛电平比较后将积分电压数字化，形成高低脉冲波形；

（3）所述脉冲波形通过数字处理电路使数字化后的脉冲波按照整形电路输出频率进行整形，使脉冲波的脉宽和频率同步到整形电路输出的频率的整数倍，同时通过数字处理电路输出的脉冲控制超高速开关电路的通断，实现恒流源电路的断开和接入，控制主积分器的积分和复位时间。

由上述技术方案可知，本发明所述的基于三角波调制的高精度电流/频率转换电路,降低电路的整体开关工作频率,采用分立器件组成的超高速开关,从机理上减小过渡过程造成的误差，提升电路精度。通过本发明提供的电流/频率变换电路无需补偿就可达到较高精度,解决了目前生产调试过程中调试难度大、对调试人员要求较高、无法满足批量生产需求的问题。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是本发明的主积分器的电路图；

图3是本发明的门槛积分放大电路的电路图；

图4是本发明的超高度开关电路的电路图；

图5是本发明电路工作信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例的基于三角波调制的高精度电流/频率转换电路，包括主积分器1、比较器5、数字处理电路7、整形电路6、超高速开关电路8、恒流源电路9、输出电路10及三角波产生电路，主积分器1的输入端为输入电流端，主积分器1及三角波产生电路的输出端与比较器5的输入端连接，比较器5的输出端与数字处理电路7的一路输入端连接，数字处理电路7的两路输出端分别与超高速开关电路8的控制端、输出电路10的输入端连接，超高速开关电路8的输入端与恒流源电路9的输出端连接，超高速开关电路8的输出端与主积分器1的输入端连接，整形电路6的输出端与数字处理电路7的另一路输入端连接，整形电路6的输入端与三角波产生电路的输出端连接。

主积分器1的输出接比较器5的一个输入，与比较器5的另一路门槛电平进行比较,另一路门槛电平为低频三角波，该低频三角波由门槛积分放大电路4产生，门槛积分放大电路4的输入是16khz低频方波信号，其由晶振通过分频电路3得到。数字处理电路7的一路输出通过控制超高速开关电路8将恒流源电路9接入主积分器1的输入端，根据数字处理电路7的输出情况控制超超高速开关电路8的通断，晶振2产生的128khz频标信号通过整形电路整形后输入到数字处理电路7，控制输出电路10产生脉冲输出。

三角波产生电路包括分频电路3、门槛积分放大电路4及晶振2，分频电路3的输入端经晶振2与整形电路6的输入端连接，分频电路3的输出端与门槛积分放大电路4的输出入连接，门槛积分放大电路4的输出端与比较器5的输入端连接。

如图2所示，主积分器1包括精密运放n1、积分电容cf1、三极管vj1及三极管vj2，精密运放n1的同相输入端接地，精密运放的反相输入端经电阻rj1作为输入电流端，精密运放n1的输出端依次经电阻rj2、rj3与比较器5的输入端连接，三极管vj1及三极管vj2的基极连接在电阻rj2与电阻rj3之间的节点处，三极管vj1及三极管vj2的集电极与电源连接，三极管vj1及三极管vj2的发射极分别经电阻rj4、rj5与比较器5的输入端、积分电容cf1的一端连接，积分电容cf1的另一端与精密运放n1的反相输入端连接。

如图3所示，门槛积分放大电路4由前级积分器n2构成的积分电路和后级比例运算放大器n3构成的比例运算放大电路构成，积分器n2的同相输入端接地，积分器n2的反相输入端经电阻rt1与分频电路的3输出端连接，积分器n2的输出端经电阻rt2与比例运算放大器n3的反相输入端连接，比例运算放大器n3的同相输入端接地，比例运算放大器n3的输出端与比较器连接。

前级积分器n2构成的积分电路为晶振分频得到的低频方波，其频率为16khz,n2构成的积分电路中积分电容ct1容值为0.033uf,可根据需要灵活调整节rt2和rt3的值来微调整输出门槛三角波的水平电位，以便对电路实测线性度进行微调整，使电路达到期望的工作精度。

如图4所示，超高速开关电路8由三极管v1、v2、场效应晶体管v3及外围电路组成，三极管v1的基极经电阻r1、电容c1并联后与数字处理电路7的输出端连接，三极管v1的集电极与电源连接，三极管v1的发射极经电阻r2与场效应晶体管v3的栅极连接；三极管v2的集电极与场效应晶体管v3的栅极连接，三极管v2的发射极与电源连接，三极管v2的基极经电容c3连接在电容c1与电阻r1之间的节点处，场效应晶体管v3的源极及栅极为超高速开关电路8的输出端。

当输入为高电平时，三极管v1截止，jfet管v3的g级电压为-15v时，开关断开。当输入为低电平时。三极管v1导通，通过合理分配r2和r3的电阻值，可以使jfet管v3的g级电压在-2v左右，开关导通。开启过程的充放电路径由三极管v1和电容c2构成，而关断过程的充放电路径由三极管v2构成。通常三极管的导通时间比关断时间要小，可以利用这个特点，当输入为高电平时，三极管v2的先导通，然后三极管v1关断，这将使jfet管v3的g级电压为-15v,因为，即使在三极管v1还未完全关断时，三极管v2的导通会使jfet的g级立即充电到-15v。三极管v2基极电容c3会产生激励使三极管保持导通到v1完全关断。同样当输入为低电平时三极管v1基极电容c1会产生激励使三极管v1导通，电容立即c2给jfet充电使jfet导通。通过优化各元件参数，可以使超高速开关电路的开关速率小于5ns

工作原理：输入电流连接到主积分器5的输入端，恒流源电路9通过超高速开关电路8也连接到主积分器1电路的输入端，这样这两路电流会使主积分器1电路不断地进行积分和复位，产生周期性的锯齿波积分电压，此积分电压连接到比较器5与门槛电平比较后讲积分电压数字化，形成高低脉冲波形，比较器5输出连接到数字处理电路7的输入，则数字处理电路7使数字化后的脉冲波按整形电路输出的频率进行整形，使脉冲波的脉宽和频率同步到整形电路6输出的频率的整数倍，数字处理电路7输出的脉冲控制超高速开关电路8的通断，从而实现恒流源电路的断开和接入，控制着主积分器1的积分和复位时间，根据电荷平衡原理，该锯齿波的积分和复位时间的比值正比于输入电流，而数字处理电路7输出标准化的脉冲占空比正比于锯齿波的积分和复位时间的比值，于是数字处理电路7的输出正比于输入电路，输出电路按数字处理电路输出的脉冲占空比进行整数倍频率脉冲个数产生，于是输出电路输出的脉冲个数正比于输入电流，从而实现高精度的模拟电流到数字脉冲的转化。

如图5所示为电路的工作波形，输入电流iin为较小时，主积分器1波形工作在门槛三角波的上端，在三角波的一个周期内完成积分和复位过程,此时复位脉冲较小，对应的输出脉冲较少。输入电流iin为较大时，主积分器1波形工作在门槛三角波的下端，同样在三角波的一个周期内完成积分和复位过程，此时复位脉冲较大，对应的输出脉冲较多。可以看到，随着低频三角波形的引入，大电流和小电流输入时电路积分复位始终工作在一个较低的开关频率上,该工作频率为16khz的门槛三角波电平的频率，由此将大大减小整体由于开关过渡过程产生的误差降低积分器的高频误差。而输出电路通过将晶振2产生的128khz频标信号与复位脉冲相与就可很方面的得到正比例于复位脉冲的宽度的输出脉冲个数，从而实现电流到频率的高精度转换。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。