专利名称:电压——频率变换器的制作方法
本发明是关于电的模拟电压信号线性地转换成频率信号的电压-频率变换器电路的改进。
做为高精度的电压-频率变换器的各种类型的电路中，积分定电荷反馈型(也称电荷平衡型)的电路取得了好的效果。上述积分定电荷反馈复原型的电压-频率变换器的精确度与稳定性主要取决于定电荷的精确度与稳定性，而定电荷的方式主要有两种，一种是定宽度恒定电流来定电荷，另一种是称谓精密电荷分配器的电容定电压来定电荷。
典型的定宽度、恒流来定电荷的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器的原理图为Instruments & Control Systems 1981年8月号57页图10所示。当输入电压为正时，产生一个输入电流流向积分放大器的反相输入端，使积分放大器的输出端电平下降，当其下降到某一电平时，触发精密时间参考电路产生一个宽度τ的脉冲，该脉冲一方面做为电压-频率变换器的输出，另一方面去控制恒流源电路;在无脉冲期间，使反馈的恒流源截止或不流经积分放大器的反相输入端，在有脉冲τ的期间，使反馈的恒流源导通或与积分放大器的反相输入端接通;该反馈恒流源电流的绝对值大于输入电流，其方向是背向积分放大器的反相输入端;因此，在有脉冲τ的期间，使积分放大器输出的电平上升，在τ的期间完结时，电路的工作恢复到原来状态，再重复上述工作过程。由于触发精密时间参考电路的电平是恒定的，在一个周期T内，对积分电容的充电电荷与放电电荷相等。充电电荷Q充1＝I1T＝ (VIN)/(R) T (1)放电电荷Q放1＝I2τ (2)式(1)与式(2)相等，并用T＝ 1/(f1) 代入简化，可得f1= 1/(RI2τ) VIN(3)典型的电容定电压来定电荷的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器如美国专利3842371。其原理基本上与上述电路相同，只是反馈的定电荷不是由反馈恒流源的电流与控制该电流的脉冲宽度来决定，而是由定电荷电容(该专利中称复原电容)与参考电池及两个开关构成的精密电荷分配器来决定;因此其反馈电流变化很大，是一个电容微分放电的尖脉冲电流。若输入端输入电压为VIN，输入电阻为R，在一个周期T内充电电荷与式(1)一样;若定电荷电容的容量为C，参考电池的电压为E，每一个周期的放电电荷为Q放2＝C·E (4)式(1)等于式(4)并用T= (l)/(f2) 代入简化，可得f2＝ 1/(RCE) VIN(5)由式(3)和式(5)看出，要使电压-频率变换器得到较高的精度和稳定性，即要求式(3)的 (l)/(RI2τ) 和式(5)的 1/(RCE) 精确稳定。在实际电路中要得到精确稳定的I2与τ较之得到精确稳定的C与E要困难的多;然而，由C·E定电荷的电压-频率变换器工作时，反馈的电流是微分脉冲形成的，为了能在脉冲形成器输出的脉冲宽度期间内将定电荷电容的全部电荷放完，在开始放电的瞬间反馈电流值就很大，可能大于做为积分器的差分放大器的最大输出电流，或/和使其输出电平的变化速率受到差分放大器的最大输出压摆率的限制，从而也影响了这种电压-频率变换器的精度、稳定性和高频性能。
本发明的目的是改进一种积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器电路设计。它吸取了定宽度、恒流来定电荷的积分定电荷反馈复原型和电容定电压来定电荷的积分定电荷反馈复原型两种电压-频率变换器的优点，换句话说，也就是克服或减轻了上述两种型式电压-频率变换器的缺点，从而可以得到精度、稳定性和高频性能都较为优良的电压-频率变换器。
本发明的电压-频率变换器是一个由差分放大器构成的积分器、电平可控脉冲发生器、开关控制器和精密电荷分配器构成的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器。该精密电荷分配器的电路是由三个开关、一个定电荷电容、一个参考稳压管、一个充电电阻和一个负电源组成。
上述三个开关中的第1个开关的一端接在上述差分放大器的反相输入端，其另一端与第2个开关的一端相接，第2个开关的另一端接地;另外的第3个开关与参考稳压管并联，该开关与该稳压管正极相接的点接地，而另一联接点通过上述一个充电电阻接至上述的一个负电源;第1个开关与第2个开关联接点和上述第3个开关与与上述稳压管并联后与上述充电电阻共同联接点之间，跨接一个上述的定电荷电容。
图1是本发明的电路图。输入端31通过电阻32联接到差分放大器35的反相输入端33，该放大器35的同相输入端50接地;放大器35的输出端46与放大器35的反相输入端33之间联接一个积分(或称反馈)电容34而构成的积分放大器。上述放大器35的输出端46还与电平可控脉冲发生器36的输入端相联接;该脉冲发生器36的输出端37一方面作为本变换器的输出，另一方面又送到开关控制器38的输入端，开关控制器38控制三个开关39、40和44。开关39一端与放大器35的反相输入端33相接，另一端与开关40的一端相接于点47，开关40的另一端接地，开关44的一端与电阻43相接于48，另一端接地，电阻43的另一端49接一负电源-V，开关44的两端48与45之间还并联一参考稳压管42，稳压管42在点48为负极，在点45为正极，在上述联接点47与48之间跨接一定电荷电容41。
图1电路的工作过程是这样的，当输入端31输入一正电压信号时，放大器35输出端46积分输出电压斜坡下降，该放大器35输出端46电压下降速率正比于输入电压的大小;当放大器35输出端46的电压高于电平可控脉冲发生器36的输入触发电平时，其输出端37输出的电平使开关控制器38的输出去控制开关39断开、开关40与44接通，从而将电容41的电荷放完;当放大器35的输出端46的电平下降到低于电平可控脉冲发生器36的输入触发电平时，其输出端37输出电平翻转，而使开关控制器38的输出去控制开关39接通，开关40与44断开，这时电容41通过导通开关39和电阻43在负电源-V与放大器35的反相输入端33之间充电。该充电电流使放大器35的积分输出端46的电平上升;这时虽然放大器35的输出端46电平已上升到高于电平可控脉冲发生器36的输入触发电平，但其输出端37仍按一定的宽度输出一个完整的脉冲，从而保证了电容41能充电到稳压二极管42的击穿电压为止;若电平可控脉冲发生器36输出的脉冲出完后，放大器35的输出端46的电平还低于电平可控脉冲发生器36的输入触发电平，则间隔一段时间后又重复输出一个脉冲，直到放大器35的输出端46的电平高于电平可控脉冲发生器36的输入触发电平为止。
图2是图1所示电压-频率变换器在输入恒定正电压信号时的主要工作波形。A是放大器35输出端46的波形，B是电平可控脉冲发生器36输出端37的波形(此脉冲波形的极性也可以是相反的)，C是电容41与电阻43、开关44、稳压管42公共联接点48的波形，D是流过开关39的反馈电流的电流波形。
由图1的电路和图2的波形可以表明，本发明的电压-频率变换器电路，是定电荷电容41的电容值与稳压管42的稳压值来定电荷的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器，其反馈电流是电容41通过电阻43在放大器35的反相输入端33和负电源-V之间的积分充电电流，该电流的最大值是放大器35反相输入端33和负电源-V之间的电位差被电阻43的阻值所除来决定。因此，本发明是采用了电容定电压精度与稳定性均比较高的定电荷方式，而又防止了过大的反馈电流，从而改进了已有的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器的性能，构成了精度、稳定性和高频性能均较优良的电压-频率变换器。
图1中的电平可控脉冲发生器36和开关控制器38可以用各种分离器件、集成电路和电阻、电容元器件构成。
图3是一个用分离元器件构成电平可控脉冲发生器36的实例。由三极管65、71电阻64、67、68、70和电容66、69构成的多谐方波振荡器，在地电平与正电源+V供电情况下工作;由二极管61电阻62和三极管63形成了对上述多谐方波振荡器的电平控制;端子60是输入端，应联接到图1中的放大器35的输出点46;端子72是输出端，应联接到图1中的37点。
图1中的开关39、40与44，画出的是机械触点开关，在实际电路中大多数都是电子开关，它们可由各种二极管、三极管、场效应管及集成电路组成。其中开关39与40还可用一个转换开关(即单刀双掷开关)代替。
图1中的稳压管42，通常是稳压二极管，也可用其它可以灌入电流的、并其正负极可以短路的任何稳压器件或其它稳压电路代替。
图1中的充电电阻43，可用一个恒流源器件或电路来代替。
图1中点45也可接在其它合适的稳定电平上，这时要求电阻43接的电源-V的电平要负于上述合适的稳定电平的绝对值要大于稳压管42的击穿电压。此时，电源-V也不一定是负电源，它可以是零电平，甚至是正电源。
图1中的开关40的接地端，也可接到某一需要而又合适的电平处。
图1中的放大器35的同相输入端50，也可不接地，而接到某一合适的电平处，从而改变该电压-频率变换器的工作零点。
在图1中，翻转稳压管42的联接极性，改电阻43所接负电源-V为正电源，并将电平可控脉冲发生器36的输入低电平触发变为高电平触发，就将输入正电压信号的电压-频率变换器变为输入负电压信号了。
将图1的电阻22短路，直接将电流信号输入到放大器35的反相输入端33，就构成了电流-频率变换器。
本发明的电压-频率变换器电路，与已有的定宽度恒流源来定电荷和电容电压来定电荷的两种类型的积分定电荷复原型电压-频率变换器的电路相比，采用了容易得到高精度和高稳定性的电容定电压来定电荷的方式，而又防止了过大的反馈电流，是吸取了上述两种类型电压-频率变换器的优点，克服或减轻了它们的缺点，而提高了变换的精度、稳定性和高频的工作性能。
对附图的说明图1是本发明的实施电路。图2是图1的主要工作波形图。图3是图1电路中电平可控脉冲发生器的一个具体实施电路例子。
图1中的35是差分运算放大器，31、33、50是输入端，46、37是输出端，32、43是电阻，34、41是电容，39、40、44是开关，42是稳压二极管，49点接的-V是负电源，36是电平可控脉冲发生器，38是开关控制器。
图2中的A是图1中46点的波形，B是图1中37点的波形，C是图1中48点的波形，D是图1中流过开关39的反馈电流的电流波形。
图3中的60是输入端，72是输出端，62，64，67，68，70是电阻，63，65，71是NPN三极管，66，69是电容。
权利要求
1.一个由差分放大器构成的积分器、电平可控脉冲发生器、开关控制器和精密电荷分配器构成的积分定电荷反馈复原型电压-频率变换器，本发明的特征在于所设计的精密电荷分配器的电路是由三个开关、一个定电荷电容、一个参考稳压管、一个充电电阻和一个负电源组成的。
2.按照权项1所述的精密电荷分配器电路中的三个开关，其中的第1个开关的一端接在上述差分放大器的反相输入端，其另一端与第2个开关的一端相接，第2个开关的另一端接地;另外的第3个开关与参考稳压管并联，该开关与该稳压管正极相接的点接地，而另一联接点通过上述一个充电电阻接至上述的一个负电源;第1个开关与第2个开关联接点和上述第3个开关与上述稳压管并联后与上述充电电阻共同联接点之间，跨接一个上述的定电荷电容。
3.按照权项1所述电压-频率变换器的电平可控脉冲发生器，是接在积分放大器后面，开关控制器是接在电平可控脉冲发生器的后面，当积分器输出电平尚未触发电平可控脉冲发生器输出脉冲时，开关控制器使上述第1个开关断开，第2个与第3个开关接通;当积分器输出电平触发电平可控脉冲发生器输出脉冲时，开关控制器使第1个开关接通，第2个与第3个开关断开。
4.按照权项1、2所述精密电荷分配器中的三个开关，一般是电子开关，可由各种二极管、三极管、场效应管及集成电路构成，也可是机械触点开关。
5.按照权项1、2所述精密电荷分配器电路中的参考稳压管，通常是稳压二极管，也可用其它可以灌入电流的，并其正负极可以短路的任何稳压器件或其它稳压电路来代替。
6.按照权项1、2所述精密电荷分配器中的一个充电电阻，也可用恒流源器件或电路来代替。
7.按照权项2所述的第2个开关的接地点，也可接其它适当的电平处;第3个开关与参考稳压管并联的接地端也可接其它适当的电平处。
专利摘要
电压——频率变换器，它具有一个由差分放大器构成的积分器，一个电平可控脉冲发生器，一个开关控制器和一个精密电荷分配器。该精密电荷分配器是由三个开关，一个定电荷电容，一个参考稳压管，一个充电电阻及一个负电源组成的。该定电荷电容放完电后，通过上述充电电阻，在上述差分放大器的反相输入端和上述负电源之间积分充电到上述参考稳压管的击穿电平而完成定电荷的。较之已有的积分定电荷反馈复原型电压——频率变换器的定电荷方式优越，提高了变换器的精度，稳定性和高频性能。
文档编号G01R19/252GK85102705SQ85102705
公开日1986年9月17日 申请日期1985年4月1日
发明者唐军 申请人:中国科学院大连化学物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan