電流頻率轉(zhuǎn)換器的原理

一、電流頻率轉(zhuǎn)換器的原理對于力反饋或力矩反饋式慣性儀表，在一定的條件下，其輸出電流僅取決于其輸入量的大小，而與其伺服回路的負(fù)載變化幾乎無關(guān)，即它們具有電流源的特征根據(jù)這一特點(diǎn)，用失凋電流小、輸入阻抗高的運(yùn)算放大器和漏電流很小的電容器便可組成一精確的電流積分器，如果再加上適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐?，便可進(jìn)一步構(gòu)成IF轉(zhuǎn)換器圖1425示出了一種IF轉(zhuǎn)換器的工作原理示意圖積分器由高輸入阻抗運(yùn)算放大器Nl(如F3140)和反饋電容C組成加速度計(jì)(或陀螺儀)的輸出電流I1輸入到積分器的點(diǎn)與另外兩路來的電流If和I c平衡略去運(yùn)算放大器失調(diào)電流和偏置電流的影響，可得到點(diǎn)的電流方程式I cI1If （14-28）式中 If量化脈沖電流； Ic積分器反饋電流當(dāng)忽略點(diǎn)的電壓U時(shí)，積分器輸出電壓Uj0與I c積分成比 （14-29）由于受邏輯控制電路的控制，Uj0在轉(zhuǎn)換過程中始終保持在某一特定值范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換器工作波形示于圖1426為便于說明IF的轉(zhuǎn)換原理，設(shè)積分器輸入電流I1如圖14-26(a)所示，并設(shè)積分器初始值為0在0t1時(shí)間內(nèi)I10，因此Uj0保持初始狀態(tài)不變(例如零狀態(tài))在t1t2期間，由于I1i1所以Uj0從t1時(shí)刻開始呈線性增加(積分過程)當(dāng)Uj0超過門限電壓UM+之后，邏輯控制電路在詢問脈沖fx的作用下接通開關(guān)S1(見圖1425)，使恒流電流IH+流向積分器并形成量化脈沖電流If.此時(shí)積分器的輸入電流I ci1IH+，由于設(shè)計(jì)時(shí)保證|I1|If|，I c開始反相，于是Uj0呈線性下降開關(guān)S1的接通時(shí)間tk(見圖1426(b)嚴(yán)格受邏輯控制電路的控制，經(jīng)過tk時(shí)間之后，Uj0UM+邏輯控制電路便斷開S1，使If0，積分器的輸入端只流入電流Ici1，因此Uj0又開始上升由此可見，在轉(zhuǎn)換器工作過程中，積分器始終對輸入電流I1不間斷地進(jìn)行積分每當(dāng)Uj0超出門限電壓UM+UM-的范圍時(shí)，在詢問脈沖fx的作用下IH+或IH-便通過開關(guān)S1或S2流向積分器接通S1或S2的時(shí)間為tk的整數(shù)倍(后一種情況圖中沒示出)而tk1fx。據(jù)以上工作過程，可將式(1429)改寫成 （14-30）其中QJ=CUJ0為積分器儲存電荷。方程(1430)的第一項(xiàng)為慣性儀表輸出電流I1在0T時(shí)間內(nèi)的積分值，即慣性儀表輸出電荷的總電荷量Q1，第二項(xiàng)為在同一時(shí)間內(nèi)輸入到積分器的量化脈沖電荷的總和Qf。設(shè)開關(guān)S1在T時(shí)間內(nèi)的接通次數(shù)為N次，則 （14-31）式中q=Iftk定義為量化電荷將方程(1431)代入方程(1430)QJ= Q1-Nq N= (Q1- QJ)/ q （14-32）這說明開關(guān)接通次數(shù)N正比于積分器輸入電荷Q1和積分器電容儲存電荷QJ之差當(dāng)Q1遠(yuǎn)大于QJ時(shí)N就正比于Q1。每當(dāng)S1或S2接通時(shí)，輸出電路便輸出與之對應(yīng)的脈沖信號f01或f02(如圖1426(e)、(f)兩路脈沖數(shù)差對應(yīng)于Q1，從而可以實(shí)現(xiàn)對輸入電荷量的數(shù)字化。對式(1432)求導(dǎo)，可得單位時(shí)間開關(guān)接通次數(shù) （14-33）式(1433)即為電流頻率轉(zhuǎn)換器的電流平衡方程，它可以作為轉(zhuǎn)換器電路參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)由式(1432)或式(1433)可知，轉(zhuǎn)換器的精度主要取決于至化電荷q的精度此外，適時(shí)地向積分器輸入量化電荷q也是保證積分器正常工作的必要條件在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的要求應(yīng)當(dāng)選取合理的q值假如設(shè)計(jì)允許有正負(fù)一個(gè)脈沖的誤差，即qQJ時(shí)，則式(1432)和式(1433)可分別寫成和。這樣，IF轉(zhuǎn)換器的傳遞系數(shù)為，這兩個(gè)簡化方程就是IF轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系式IF轉(zhuǎn)換器的工作原理可以從物理概念上簡要地歸納如下：1) 慣性儀表的輸出電流Il經(jīng)積分器積分后，轉(zhuǎn)換成輸入電荷總量Q1。2) 積分器的輸出電壓UJ0驅(qū)動邏輯控制電路，使其適時(shí)地控制量化電荷產(chǎn)生器的開關(guān)Sl或S2，將各量化電荷q輸給積分器，在這里量化電荷q的總和與Q1相減結(jié)果使積分器儲存電荷QJ不超出一個(gè)q值的范圍3) QJ可忽略，當(dāng)q值的總和Nq與輸入電荷Q1相平衡，N正比于Q1。4) 若I1正比于加速度則Q1正比于速度，而q相當(dāng)于一個(gè)速度增量，則開關(guān)接通的次數(shù)N即為速度增量的個(gè)數(shù)因此，對于加速度計(jì)來說，輸出電路每輸出一個(gè)脈沖代表一個(gè)速度增量(ms)。5) IF轉(zhuǎn)換器的基本原理是以電荷量平衡和電荷量準(zhǔn)確量化為基礎(chǔ)的。6) IF轉(zhuǎn)換器具有連續(xù)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)所以也屬于AF轉(zhuǎn)換器類。二、電流頻率轉(zhuǎn)換器的組成及各環(huán)節(jié)的作用IF轉(zhuǎn)換器的具體電路見圖1427，它主要由電流積分器，邏輯控制電路、極性開關(guān)、恒流源、輸出電路、頻標(biāo)和供電電路組成，各組成環(huán)節(jié)的功用敘述如下。(1) 積分器電流積分器是由功率適中的高輸入阻抗運(yùn)算放大器N1和漏電流小，吸收效應(yīng)小的積分電容C組成，其功用是對輸入電流I1和反饋電流If進(jìn)行積分，并將其輸出電壓UJ0輸給邏輯控制電路的比較器UJ0正比于(IlfJ)的積分值。(2) 邏輯控制電路該電路主要由比較器N2、N3和雙D觸發(fā)器組成電壓比較器兩個(gè)輸入端分別與正負(fù)門限電壓UM+和UM-相接當(dāng)UJ0高于UM+或低于UM-時(shí)，N2或N3的輸出電平便發(fā)生相應(yīng)的變化受其控制，D觸發(fā)器便在詢問脈沖fx前沿到來時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出相應(yīng)的高低電平輸出電平的高低確定了極性開關(guān)的狀態(tài)同時(shí)也控制著輸出電路的工作(3) 極性開關(guān)極性開關(guān)主要由雙極型開關(guān)三極管Vl(NPN型)、V2(PNP型)和開關(guān)二極管V3、V4組成其中Vl、V2和有關(guān)匹配電阻R4、R5、R6、R7組成極性開關(guān)的主動臂，受D觸發(fā)器輸出Q1和Q2電平的控制當(dāng)D觸發(fā)器的輸出端Q1為高電平、Q2為低電平時(shí)，V1、V2均處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，形成恒流IH+和IH-的通路，起恒流源的狀態(tài)保護(hù)作用V3、V4組成極性開關(guān)的被動臂、配合V1、V2對反饋電流If實(shí)施控制另一方面，利用二極管的開啟電壓，可以避免積分器虛地點(diǎn)(點(diǎn))與地短路(4) 恒流源恒流源的功用是提供轉(zhuǎn)換器所需的幅度恒定的反饋電流If，IH+和IH-的長期穩(wěn)定性程度直接影響轉(zhuǎn)換系數(shù)的質(zhì)量恒流源應(yīng)具有較高的輸出阻抗和良好的動態(tài)響應(yīng)，以利于減小過渡過程對轉(zhuǎn)換精度的影響(5) 輸出電路輸出電路由雙輸入端與非門D1、D2組成它可以向計(jì)算機(jī)或測試設(shè)備提供具有抗干擾能力的脈沖信號其兩路輸出脈沖能準(zhǔn)確地反應(yīng)出反饋電流If(即量化脈沖電流)的變化(6) 頻標(biāo)頻標(biāo)由石英晶體振蕩器提供，石英晶體振蕩器輸出穩(wěn)定的高頻信號(如1024kMz)，經(jīng)分頻之后作為詢問脈沖fx，提供給邏輯控制電路和輸出電路如前所述，量化電荷qIHtk中的tk(即詢問脈沖fx的周期)，就是由頻標(biāo)電路提供的(7) 供電電路和溫控電路供電電路是為轉(zhuǎn)換器提供所需電壓和電流的溫控電路與恒溫結(jié)構(gòu)一起用于改善恒流源的溫度環(huán)境，以便減小其溫度系數(shù)誤差。三、電路的工作過程以上討論了IF的轉(zhuǎn)換原理及各環(huán)節(jié)的基本功能，現(xiàn)結(jié)合圖1427所示電路圖進(jìn)步說明將I1轉(zhuǎn)換成頻率的詳細(xì)過程。輸入電流I1一般可歸結(jié)為I1=0，I10，I10等三種情況下面將結(jié)合這三種情況，來討論電路工作的全過程(1) 當(dāng)Il0時(shí)由于I10，電流積分器的UJ0保持在UM+Uj0UM-，因此N2的輸出為高電平，N3的輸出為低電平在fx的作用下，D觸發(fā)器的Ql端輸出高電平，Q2端輸出低電平，從而使開關(guān)三極管V1和V2均處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)這時(shí)，因兩個(gè)開關(guān)三極管的Vces，(飽和壓降)遠(yuǎn)小于V3、V4的開啟電壓，所以IH+和IH-只能流經(jīng)V1、V2回到地，無If流向積分器，UJ0仍保持不變與此同時(shí)，因D觸發(fā)器Q1端和Q2端的輸出電平(均為低電平)加到與非門D1和D2上，使其處于關(guān)閉狀態(tài)，因而fx無法通過D1和D2，此時(shí)輸出信號f01、f02均保持在高電平上即輸出頻率為0。(2) 當(dāng)I10時(shí)此時(shí)按方程(1429)，UJ0逐漸上升，當(dāng)UJ0UM+時(shí)N2的輸出由“1”變“0”D觸發(fā)器的D1，端輸入亦為“0”但在fx的前沿到來之前。Q1端仍保持“1”，它不改變極性開關(guān)的工作狀態(tài)當(dāng)fx的前沿到來的瞬間，Q1端由“1”變?yōu)椤?”，使Vl截止，開關(guān)二極管V3開始導(dǎo)通，IH+經(jīng)過V3輸入到積分器的虛地點(diǎn)由于V1的截止電流和二極管V4的零偏漏電流均遠(yuǎn)小于IH+，因此If的大小幾乎等于IH+。If經(jīng)過C、N1的功放級及其電源到地，回到恒流源IH+的負(fù)極由于加到虛地點(diǎn)的If的方向與I1相反，而且設(shè)計(jì)時(shí)保證If的絕對值大于I1的絕對值UJ0逐漸下降當(dāng)UJ0UM+時(shí)，N2的輸出由“0”變“1”，Dl端也跟著變“1”，因此等到fx的前沿到來時(shí)，Q1由“0”變“1”，V1導(dǎo)通，使If0由此可見，由于IfIH+的時(shí)間受fx前沿的控制If的寬度只能是fx的周期的整倍數(shù)，而量化電荷qIHtk也就精確地為一常值輸出電路D1接收和fx的電平，只有為“1”時(shí)讓fx通過形成輸出脈沖，即f01，而且輸出頻率f01正比于I1。(3) 當(dāng)I10時(shí)此時(shí)UJ0逐漸下降，當(dāng)UJ0UM-時(shí)，N3的輸出變“1”，在fx的作用下Q2變“1”，接著V2截止使IH-通過地、積分器的電源和功率放大級、電容C、虛地點(diǎn)、開關(guān)二極管V4，回到恒流源IH-的負(fù)極這一過程完全類似于I10的情況，但由于V2截止，改變了If的流向此時(shí)與非門D2有輸出，且f02 綜上所述當(dāng)I10時(shí)，D1門即正通道有輸出，而當(dāng)I10時(shí)，D2門即負(fù)通道有輸出當(dāng)I10時(shí)，D1和D2均無輸出，轉(zhuǎn)換器處于“歸零”狀態(tài)，其輸出電路電平保持不變具備以上特征的IF轉(zhuǎn)換器的邏輯稱為三元變寬邏輯根據(jù)實(shí)際需要，可選擇三元等寬、二元變寬、二元等寬等不同形式的邏輯電路四、精度估算和實(shí)測結(jié)果由IF轉(zhuǎn)換器的工作原理可知其轉(zhuǎn)換精度主要取決于q值的穩(wěn)定性可是q值的穩(wěn)定性又受多種因素的影響，目前難以準(zhǔn)確地進(jìn)行定量分析因此這里僅對可能引起的誤差進(jìn)行初步估算然后以實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證轉(zhuǎn)換精度(1) 積分器積分精度由于轉(zhuǎn)換器中的積分器輸入電流均由電流源(或恒流源)提供的因此運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓不影響積分精度，而其失調(diào)電流，偏置電流以及積分電容器的漏電流和印刷板的漏電流等卻帶來積分誤差。雙極-MOS高輸入阻抗運(yùn)算放大器(如F3140等)的失調(diào)電流和偏置電流之和為0.02nA左右設(shè)加速度計(jì)的輸出電流為30mA。則兩者之比為10-9量級可以說，不影響積分精度當(dāng)選用玻璃釉等較好的積分電容器，并注意印刷板的布線時(shí)，積分器漏電流實(shí)測值 0.2nA左方，由此引起的誤差為10-8量級(其中包含開關(guān)二極管V3、V4反向漏電流的影響)總之，積分器的精度遠(yuǎn)優(yōu)于10-6級。(2) 量化電荷q的精度如前所述qIHtk其穩(wěn)定性受IH和tk穩(wěn)定性的影響。精心調(diào)試的恒流源IH值在24小時(shí)的穩(wěn)定度可以達(dá)到610-6，而恒流源的過渡過程、積分器的動態(tài)特性、極性開關(guān)和