电流频率转换器的原理

1、一、电流频率转换器的原理对于力反馈或力矩反馈式惯性仪表，在一定的条件下，其输出电流仅取决于其输入量的大小，而与其伺服回路的负载变化几乎无关，即它们具有电流源的特征根据这一特点，用失凋电流小、输入阻抗高的运算放大器和漏电流很小的电容器便可组成一精确的电流积分器，如果再加上适当的逻辑电路，便可进一步构成 I F 转换器图 14 25 示出了一种 I F 转换器的工作原理示意图积分器由高输入阻抗运算放大器N l(如 F3140)和反馈电容C 组成加速度计 (或陀螺仪 )的输出电流 I 1 输入到积分器的点与另外两路来的电流If 和 I c 平衡 略去运算放大器失调电流和偏置电流的影响，可得到点的电流

2、方程式I c I1 If（ 14-28 ）式中 I f量化脉冲电流；I c积分器反馈电流当忽略点的电压 U 时，积分器输出电压U j0与 I c 积分成比1T1TI f )dt（ 14-29 ）U J 0I c dtC(I 1C00由于受逻辑控制电路的控制，Uj0 在转换过程中始终保持在某一特定值范围内转换器工作波形示于图 14 26为便于说明I F 的转换原理，设积分器输入电流I1 如图 14-26(a)所示，并设积分器初始值为 0在0 t1 时间内 I1 0，因此 U j0保持初始状态不变 (例如零状态 )在 t1 t2期间，由于 I1 i 1 所以 Uj0 从 t1 时刻开始呈线性增加(

3、积分过程 )当 U j0 超过门限电压 UM+之后，逻辑控制电路在询问脉冲f x 的作用下接通开关S1(见图 14 25)，使恒流电流I H+流向积分器并形成量化脉冲电流If.此时积分器的输入电流c1H+，由于设计时保证1I i I|I | |If |，I c 开始反相， 于是 U j0 呈线性下降 开关 S1 的接通时间tk(见图 14 26(b) 严格受逻辑控制电路的控制，经过tk 时间之后， U j0 UM+ 逻辑控制电路便断开S1，使 If 0，积分器的输入端只流入电流Ic 1，因此 Uj0又开始上升由此可见，在转换器工作过程中， i积分器始终对输入电流I 1 不间断地进行积分 每当

4、U j0 超出门限电压UM+ U M- 的范围时，在询问脉冲f x 的作用下 IH+ 或 IH- 便通过开关 S1 或 S2 流向积分器接通 S1 或 S2 的时间为t的整数倍 (后一种情况图中没示出)而 t 1 fx。kk据以上工作过程，可将式(1429)改写成TTQJI1dtI f dt（ 14-30 ）00其中 QJJ0为积分器储存电荷。=CU方程 (1430)的第一项为惯性仪表输出电流I1 在 0T 时间内的积分值，即惯性仪表输出电荷的总电荷量 Q1，第二项为在同一时间内输入到积分器的量化脉冲电荷的总和Qf 。设开关 S1 在 T 时间内的接通次数为N 次，则Q fTI f NtkI

5、f dtNq（ 14-31 ）0式中 q=I ftk定义为量化电荷将方程 (14 31)代入方程 (14 30)QJ= Q1 -NqN= (Q 1- QJ)/ q（ 14-32）这说明开关接通次数N 正比于积分器输入电荷Q1 和积分器电容储存电荷 QJ 之差当Q1 远大于 QJ 时 N 就正比于 Q1。每当 S1 或 S2 接通时， 输出电路便输出与之对应的脉冲信号f01 或 f 02( 如图 1426(e)、(f) 两路脉冲数差对应于Q ，从而可以实现对输入电荷量的数字化。1对式 (1432)求导，可得单位时间开关接通次数FdN1 (I1I c )（ 14-33 ）dtq式 (14 33)即

6、为电流频率转换器的电流平衡方程， 它可以作为转换器电路参数设计的依据由式 (1432)或式 (14 33)可知，转换器的精度主要取决于至化电荷q 的精度 此外，适时地向积分器输入量化电荷q 也是保证积分器正常工作的必要条件在设计时，根据系统的要求应当选取合理的q 值假如设计允许有正负一个脉冲q QJ 时，则式1Q11的误差，即(14 32)和式 (14 33)可分别写成 N1Q1和qqF1I1 。这样， I F 转换器的传递系数为1 ，这两个简化方程就是I F 转换的基本关qq系式I F 转换器的工作原理可以从物理概念上简要地归纳如下：1)惯性仪表的输出电流Il 经积分器积分后，转换成输入电荷

7、总量Q1。2)积分器的输出电压UJ0 驱动逻辑控制电路，使其适时地控制量化电荷产生器的开关 Sl2，将各量化电荷 q 输给积分器， 在这里量化电荷q 的总和与1相减结果使积或 SQ分器储存电荷QJ 不超出一个 q 值的范围3) QJ 可忽略，当 q 值的总和 N q 与输入电荷 Q1 相平衡， N 正比于 Q1。4) 若 I1 正比于加速度则 Q1 正比于速度，而 q 相当于一个速度增量，则开关接通的次数 N 即为速度增量的个数因此，对于加速度计来说，输出电路每输出一个脉冲代表一个速度增量 (m s)。5) I F 转换器的基本原理是以电荷量平衡和电荷量准确量化为基础的。6)I F 转换器具有

8、连续转换的特点所以也属于A F 转换器类。二、电流频率转换器的组成及各环节的作用I F 转换器的具体电路见图 14 27，它主要由电流积分器，逻辑控制电路、极性开关、恒流源、输出电路、频标和供电电路组成，各组成环节的功用叙述如下。(1) 积分器电流积分器是由功率适中的高输入阻抗运算放大器N1 和漏电流小， 吸收效应小的积分电容 C 组成，其功用是对输入电流I1 和反馈电流If 进行积分，并将其输出电压UJ0输给逻辑控制电路的比较器UJ0 正比于 (I l f J)的积分值。(2) 逻辑控制电路该电路主要由比较器N2、N3 和双 D 触发器组成 电压比较器两个输入端分别与正负门限电压 UM+ 和

9、 U M- 相接当 UJ0 高于 UM+ 或低于 UM- 时， N 2 或 N3 的输出电平便发生相应的变化受其控制，D 触发器便在询问脉冲fx 前沿到来时发生翻转，输出相应的高低电平输出电平的高低确定了极性开关的状态同时也控制着输出电路的工作(3) 极性开关极性开关主要由双极型开关三极管Vl (NPN型 ) 、V2(PNP型 ) 和开关二极管V3、V4 组成其中 Vl 、 V2 和有关匹配电阻R4、R5、R6、 R7 组成极性开关的主动臂，受D 触发器输出Q1 和 Q2电平的控制当D 触发器的输出端Q1 为高电平、 Q2 为低电平时， V1、V2 均处于饱和导通状态，形成恒流I H+和 I

10、H- 的通路，起恒流源的状态保护作用V3、V4 组成极性开关的被动臂、配合 V1、 V2 对反馈电流 I f 实施控制另一方面，利用二极管的开启电压，可以避免积分器虚地点 ( 点 ) 与地短路(4) 恒流源恒流源的功用是提供转换器所需的幅度恒定的反馈电流If， IH+ 和 I H- 的长期稳定性程度直接影响转换系数的质量恒流源应具有较高的输出阻抗和良好的动态响应，以利于减小过渡过程对转换精度的影响(5) 输出电路输出电路由双输入端与非门D 1、D2 组成它可以向计算机或测试设备提供具有抗干扰能力的脉冲信号其两路输出脉冲能准确地反应出反馈电流If (即量化脉冲电流)的变化(6) 频标频标由石英晶

11、体振荡器提供，石英晶体振荡器输出稳定的高频信号(如 1024kMz) ，经分频之后作为询问脉冲f x，提供给逻辑控制电路和输出电路如前所述， 量化电荷 qIH tk中的 tk(即询问脉冲 f x 的周期 )，就是由频标电路提供的(7) 供电电路和温控电路供电电路是为转换器提供所需电压和电流的温控电路与恒温结构一起用于改善恒流源的温度环境，以便减小其温度系数误差。三、电路的工作过程以上讨论了 I F 的转换原理及各环节的基本功能， 现结合图 14 27 所示电路图 进步说明将 I1 转换成频率的详细过程。输入电流 I1 一般可归结为 I1=0， I1 0， I1 0 等三种情况下面将结合这三种情

12、况，来讨论电路工作的全过程(1) 当 Il 0 时由于 I1 0，电流积分器的 U J0 保持在 UM+ U j0 UM- ，因此 N2 的输出为高电平， N3 的输出为低电平在 f x 的作用下， D 触发器的 Ql 端输出高电平， Q2 端输出低电平，从而使开关三极管 V 1 和 V 2 均处于饱和导通状态这时，因两个开关三极管的V ces， (饱和压降 )远小于 V 3、V 4 的开启电压，所以IH+和 IH- 只能流经 V 1、V 2 回到地，无 If 流向积分器，UJ0 仍保持不变与此同时，因 D 触发器上，使其处于关闭状态，因而平上即输出频率为 0。(2)当 I10 时Q1 端和

13、Q2 端的输出电平 (均为低电平 )加到与非门 D1 和 D2 fx 无法通过 D1 和 D2，此时输出信号 f 01、 f02 均保持在高电此时按方程 (14 29)，U J0逐渐上升，当J0M+时 N2的输出由“ 1”变“ 0” DU U触发器的 D 1，端输入亦为“ 0”但在 f x 的前沿到来之前。 Q1端仍保持“ 1”，它不改变极性开关的工作状态当fx 的前沿到来的瞬间，Q1 端由“ 1”变为“ 0”，使 Vl 截止，开关二极管 V 3 开始导通， IH+经过 V 3 输入到积分器的虚地点由于V 1 的截止电流和二极管V4 的零偏漏电流均远小于IH+，因此 I f 的大小几乎等于I

14、H+。 If 经过 C、 N1 的功放级及其电源到地，回到恒流源I H+ 的负极由于加到虚地点的I f 的方向与 I 1 相反，而且设计时保证If 的绝对值大于 I1 的绝对值UJ0 逐渐下降当 UJ0U M+ 时， N 2 的输出由“ 0”变“ 1”，D l 端也跟着变“ 1”，因此等到f的前沿到来时， Q由“ 0”变“ 1”，V1导通，使 I 0x1f由此可见，由于I f I H+的时间受 f x 前沿的控制 I f 的宽度只能是 f x 的周期的整倍数，而量化电荷 q I Ht k 也就精确地为一常值输出电路 D1 接收 Q1 和 fx 的电平，只有 Q1 为“ 1”时让 fx 通过形成

15、输出脉冲，即 f 01 Q1 fx ，而且输出频率f01 正比于 I 1。(3) 当 I10 时此时 U J0 逐渐下降，当UJ0 U M- 时， N 3 的输出变“ 1”，在 fx 的作用下Q2 变“ 1”，接着 V2 截止使IH- 通过地、积分器的电源和功率放大级、电容C、虚地点、开关二极管V 4，回到恒流源IH- 的负极这一过程完全类似于I 1 0 的情况，但由于 V 2 截止，改变了I f 的流向此时与非门 D2 有输出，且 f02 Q2 fx 综上所述 当 I 10 时， D 1 门即正通道有输出， 而当 I 1 0 时， D2 门即负通道有输出当 I1 0 时， D1 和 D2 均

16、无输出，转换器处于“归零”状态，其输出电路电平保持不变具备以上特征的 I F 转换器的逻辑称为三元变宽逻辑根据实际需要，可选择三元等宽、二元变宽、二元等宽等不同形式的逻辑电路四、精度估算和实测结果由 I F 转换器的工作原理可知其转换精度主要取决于 q 值的稳定性可是 q 值的稳定性又受多种因素的影响，目前难以准确地进行定量分析因此这里仅对可能引起的误差进行初步估算然后以实测结果验证转换精度(1) 积分器积分精度由于转换器中的积分器输入电流均由电流源(或恒流源 )提供的因此运算放大器的失调电压不影响积分精度，而其失调电流，偏置电流以及积分电容器的漏电流和印刷板的漏电流等却带来积分误差。 双极

17、-MOS 高输入阻抗运算放大器 (如 F3140 等 )的失调电流和偏置电流之和为 0.02nA 左右设加速度计的输出电流为30mA 。则两者之比为 10-9 量级可以说，不影响积分精度当选用玻璃釉等较好的积分电容器，并注意印刷板的布线时，积分器漏电流实测值0.2nA 左方，由此引起的误差为10-8 量级 (其中包含开关二极管 V3 、V4 反向漏电流的影响 )总之，积分器的精度远优于10-6 级。(2) 量化电荷 q 的精度如前所述 q IH tk其稳定性受 IH 和 t k 稳定性的影响。精心调试的恒流源IH 值在 24小时的稳定度可以达到6× 10-6 ，而恒流源的过渡过程、积分器的动态特性、极性开关和逻辑控制电路的延时等对Ik 的影响可达 tk2ns当 f x 4k