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Nl(如F3140)和反馈电容C组成．加速度计(或陀螺仪)的输出电流I1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∑点的电流方程式

I c＝I1—If 〔14-28〕

式中 If——量化脉冲电流； Ic——积分器反馈电流．

当忽略∑点的电压U∑时，积分器输出电压Uj0与I c积分成比

UJ01T1TIdt(I1If)dt 〔14-29〕 c00CC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Uj0保持初始状态不变(例如零状态)．在t1～t2期间，由于I1＝i1所以Uj0从t1时刻开始呈线性增加(积分过程)．当Uj0超过门限电压UM+

之后，逻辑控制电路在询问脉冲fx的作用下接通开关S1(见图14—25)，使恒流电流IH+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I c＝i1—IH+，由于设计时保证|I1|≤|If|，I c开始反相，于是Uj0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，Uj0＜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＝i1，因此Uj0又开始上升．由此可见，在转换器工作过程中，积分器始终对输入电流I1不间断地进行积分．每当Uj0超出门限电压UM+～UM-的范围时，在询问脉冲fx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tk的整数倍(后一种情况图中没示出)而tk＝1／fx。

据以上工作过程，可将式(14—29)改写成

QJI1dtIfdt 〔14-30〕

00TT其中QJ=CUJ0为积分器储存电荷。

方程(14—30)的第一项为惯性仪表输出电流I1在0～T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

QfT0IfdtIfNtkNq 〔14-31〕

式中q=Iftk定义为量化电荷

将方程(14—31)代入方程(14—30)

QJ= Q1-Nq

N= (Q1- 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f02(如图14—26(e)、(f))．两路脉冲数差对应于Q1，从而可以实现对输入电荷量的数字化。

对式(14—32)求导，可得单位时间开关接通次数．

FdN1(I1Ic) 〔14-33〕 dtq式(14—33)即为电流—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(14—32)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．假设设计允许有正负一个脉冲的误差，即q＝QJ时，则式(14—32)和式(14—33)可分别写成N11Q11Q1和qqF11I1。这样，I／F转换器的传递系数为，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Sl或S2，将各量化电荷q输给积分器，在这里量化电荷q的总和与Q1相减．结果使积分器储存电荷QJ不超出一个q值的范围．

3) QJ可忽略，当q值的总和Nq与输入电荷Q1相平衡，N正比于Q1。

4) 假设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，各组成环节的功用表达如下。

(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(Il—fJ)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UM-相接．当UJ0高于UM+或低于UM-时，N2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IH+和IH-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If实施控制．另一方面，利用二极管的开启电压，可以防止积分器虚地点(∑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IH-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D1、D2组成．它可以向电脑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fx，提供应逻辑控制电路和输出电路．如前所述，量化电荷q＝IHtk

中的tk(即询问脉冲fx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UJ0保持在UM+＞Uj0＞UM-，因此N2的输出为高电平，N3

的输出为低电平．在fx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V1和V2均处于饱和导通状态．这时，因两个开关三极管的Vces，(饱和压降)远小于V3、V4的开启电压，所以IH+和IH-只能流经V1、V2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Q1端和Q2端的输出电平(均为低电平)加到与非门D1和D2

上，使其处于关闭状态，因而fx无法通过D1和D2，此时输出信号f01、f02均保持在高电平上．即输出频率为0。

(2) 当I1＞0时

此时按方程(14—29)，UJ0逐渐上升，当UJ0＞UM+时．N2的输出由“1”变“0”．D

触发器的D1，端输入亦为“0”．但在fx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V3开始导通，IH+经过V3输入到积分器的虚地点．由于V1的截止电流和二极管V4的零偏漏电流均远小于IH+，因此If的大小几乎等于IH+。If经过C、N1的功放级及其电源到地，回到恒流源IH+的负极．

由于加到虚地点的If的方向与I1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UJ0＜UM+时，N2的输出由“0”变“1”，Dl端也跟着变“1”，因此等到fx的前沿到来时，Q1由“0”变“1”，V1导通，使If＝0．

由此可见，由于If＝IH+的时间受fx前沿的控制．If的宽度只能是fx的周期的整倍数，而量化电荷q＝IHtk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通过形成输出脉冲，即f01

＝Q1 fx，而且输出频率f01正比于I1。

(3) 当I1＜0时

此时UJ0逐渐下降，当UJ0＜UM-时，N3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V4，回到恒流源IH-的负极．这一过程完全类似于I1＞0的情况，但由于V2截止，改变了If的流向．此时与非门D2有输出，且f02＝Q2fx．

综上所述．当I1＞0时，D1门即正通道有输出，而当I1＜0时，D2门即负通道有输出．当I1＝0时，D1和D2均无输出，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-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＝IHtk．其稳定性受IH和tk稳定性的影响。精心调试的恒流源IH值在24小时的稳定度可以到达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△tk＝2ns．当fx＝4kHz(tk＝250μs)时，由此引起的误差为8×10-6。

(3) 极性开关

双极型开关三极管的截止电流的实测值为1～10nA，其随机量可控制在1nA左右．当I1＝10～50mA时．截止电流的影响为10-7量级．If是由恒流源提供的，极性开关饱和压降的变化不影响If值的稳定性．

从以上定性分析得出，I／F转换器的精度可以满足一般工程设计的需要，而且其电路本身较简单，对元器件的要求也不苛刻．I／F转换器实测精度一般为5×10-6～1×10-5．