電流積分型電流頻率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

作者/王起、楊亞敏，天水生產(chǎn)力促進(jìn)中心

電流積分型電流頻率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

作者/王起、楊亞敏，天水生產(chǎn)力促進(jìn)中心

本文介紹了一種電流積分型電流頻率轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的電路輸入電流范圍為±0.5mA～±25mA，輸出頻率為0～512kHz，在工作溫度范圍為— 55℃～+85℃條件下其非線性度小于0.05%。

電流頻率轉(zhuǎn)換器；加速度計(jì)；電流積分型

1. 積分型I/F轉(zhuǎn)換原理

電流頻率(以下簡稱I/F)轉(zhuǎn)換方案是慣性儀表數(shù)字化輸出的優(yōu)選方案。用失調(diào)電流小、輸入阻抗高的運(yùn)算放大器和漏電流小的電容器便可組成精確的電流積分器，再加上適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐罚憧蛇M(jìn)一步構(gòu)成I/F轉(zhuǎn)換器，圖1示出了一種I / F轉(zhuǎn)換器的工作原理。

圖1 電流積分型電流頻率轉(zhuǎn)換器工作原理示意圖

積分器由高輸入阻抗運(yùn)算放大器N1和反饋電容C組成。加速度計(jì)的輸出流I1輸入到積分器Σ點(diǎn)，與另外兩路來的電流If和IC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Σ點(diǎn)的電流方程式：

式中：If——量化脈沖電流；IC——積分器反饋電流。

當(dāng)忽略Σ點(diǎn)的電壓UΣ時(shí)，積分器輸出電壓UJO與IC的積分成比例，即:

可將式(2)改寫成：

其中QJ=CUJO為積分器儲(chǔ)存電荷。

方程(3)右邊的第一項(xiàng)為慣性儀表輸出電流I1在0—T時(shí)間內(nèi)的積分值，即慣性儀表輸出電荷的總電荷量QJ，第二項(xiàng)為在同一時(shí)間內(nèi)輸入到積分的量化脈沖電荷的總和Qf。

設(shè)開關(guān)在T時(shí)間內(nèi)的接通次數(shù)為N次，則：

式中，q=Iftk定義為量化電荷。

將方程(4)代入方程(3)：

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(chǔ)存電荷QJ之差。當(dāng)Q1遠(yuǎn)大于QJ時(shí)，N就正比于Q1，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電荷量的數(shù)字化。

2. 電路設(shè)計(jì)

I/F轉(zhuǎn)換器的具體電路見圖2，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，完整電流頻率轉(zhuǎn)換器的組成電路框圖如圖2所示。

圖2 電流頻率轉(zhuǎn)換器的組成電路框圖

結(jié)合圖2所示電路圖，將I1轉(zhuǎn)換成頻率的詳細(xì)過程如下：

輸入電流I1一般可歸結(jié)為I1=0，I1＞0，I1＜0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)Il=0時(shí)

由于I1=0，電流積分器的UJ0保持在UM+＞Uj0＞UM，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(hào)f01、f02均保持在高電平上，即輸出頻率為0。

(2)當(dāng)I1＞0時(shí)

此時(shí)按方程(2)，UJ0逐漸上升，當(dāng)UJ0＞UM+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(jí)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(duì)值大于I1的絕對(duì)值UJ0逐漸下降。當(dāng)UJ0＜UM+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If＝0。

由此可見，由于If＝IH+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q＝IHtk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，即而且輸出頻率f01正比于I1。

(3)當(dāng)I1＜0時(shí)

此時(shí)UJ0逐漸下降，當(dāng)UJ0＜UM—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(jí)、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I1＞0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。

圖3 電路各部分輸出波形

綜上所述，當(dāng)I1＞0時(shí)，D1門即正通道有輸出，而當(dāng)I1＜0時(shí)，D2門即負(fù)通道有輸出；當(dāng)I1＝0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I / F轉(zhuǎn)換器的邏輯稱為三元變寬邏輯。

2.1 電流頻率轉(zhuǎn)換的誤差分析與設(shè)計(jì)

電流頻率轉(zhuǎn)換的誤差，主要取決于積分放大器、恒流源、邏輯電路、極性開關(guān)以及輸入的連接方式，要想提高電路的精度，就必須研究如何選用高精度的元件和合適的參數(shù)。下面著重介紹一下積分放大器和恒流源的設(shè)計(jì)依據(jù)：

2.1.1 積分器的分析與設(shè)計(jì)

圖4 積分放大器

圖4是一個(gè)典型的積分放大器，圖中如果去掉電阻R，直接輸入電流，則為一個(gè)電流積分器。圖中C2的作用是消除高頻振蕩。由于普通的放大器不能輸出較大的電流（幾十毫安），所以引入電流擴(kuò)展器B，相應(yīng)增大了運(yùn)算放大器的輸出能力。與普通的積分放大器的分析一樣，該電流積分器，在理想的情況下，輸入的電流將給積分電容器C1充電，充電過程是輸入電流在電容C上隨時(shí)間延長的電荷積累過程。

輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

輸出電壓與輸入電流的關(guān)系則為：

在設(shè)計(jì)中需要注意：

（1）放大系數(shù)有限引起的誤差

只要選用高增益運(yùn)算放大器就能降低放大系數(shù)K有限而引入的相對(duì)誤差。

（2）漂移和失調(diào)引入的誤差

在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)精度要求選擇輸入失調(diào)電流和失調(diào)電壓小的放大器，或則對(duì)積分器所用的運(yùn)算放大器加入外部調(diào)零電路。根據(jù)公式qc=Io△t可知，輸出一個(gè)脈沖,最少需要一個(gè)周期的時(shí)鐘脈沖寬度的反饋電流來使電荷達(dá)到平衡。也就是說在確保積分速率的前提下,使積分電容的容量大一些,可以使漂移減小。

（3）放大器輸入阻抗有限引入的誤差

輸入阻抗Ri值越小，其非線性誤差就越大。在積分器積分電阻即加速度計(jì)輸出電阻一定時(shí)，可選輸入阻抗高的結(jié)型場效應(yīng)管作輸入級(jí)。且要求有快的響應(yīng)速度和短的建立時(shí)間。

圖5 恒流源電路

2.1.2 高精度恒流源的分析與設(shè)計(jì)

恒流源是指一個(gè)能提供與負(fù)載、電源、溫度等變化無關(guān)的直流電流電路，它要有長期穩(wěn)定性和較好的過渡過程。在電流頻率轉(zhuǎn)換電路中，恒流源被用來提供幅值不變的反饋脈沖，是決定轉(zhuǎn)換精度的關(guān)鍵之一，圖5為±40mA橫流源設(shè)計(jì)圖。

2.1.3 極性開關(guān)分析與設(shè)計(jì)

在電流—頻率轉(zhuǎn)換電路中，極性開關(guān)對(duì)電路的輸出頻率的線性度、溫度系數(shù)即溫漂影響極大。元件的選擇、外偏置電路的設(shè)計(jì)、反饋補(bǔ)償電路的引入是最重點(diǎn)的工作之一。應(yīng)該說，極性開關(guān)是極為重要。由于溫漂影響靜態(tài)工作點(diǎn)，減小溫漂，是保證電路高、低溫穩(wěn)定地工作的重要條件。極性開關(guān)中的晶體管的開關(guān)速度更為重要。

3. 結(jié)束語

采用電流積分型電路結(jié)構(gòu)制作的電流頻率轉(zhuǎn)換器，經(jīng)各項(xiàng)測試和試驗(yàn)，測試該電路在滿刻度為512kHz下其非線性度小于0.05%, 標(biāo)度因數(shù)漂移小于20PPm/℃。這種頻率轉(zhuǎn)換器具有工作頻率高、溫度性能好等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于通訊、儀器儀表、雷達(dá)、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

＊ [1]何希才.運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

＊ [2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) (第4版) [M].北京：離等教育出版社，1998．

＊ [3]孟俊芳.彈載慣導(dǎo)系統(tǒng)中的加速度計(jì)I/F變換電路[J].航空兵器，1998(3)：13—16。

TI推出單芯片降壓-升壓型電池充電控制器

德州儀器（TI）近日推出一對(duì)高度靈活的單芯片降壓—升壓型電池充電控制器，適用于1至4節(jié)（1S至4S）設(shè)計(jì)。bq25703A和bq25700A同步充電控制器通過USB Type—C和其它USB端口為筆記本電腦、平板電腦、移動(dòng)電源、無人機(jī)和智能家居應(yīng)用等終端設(shè)備提供高效充電。bq25703A和bq25700A支持I2C和SMBus接口，采用全新的高級(jí)電池算法，可通過最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)使電池充電智能化，實(shí)現(xiàn)全功率輸出。稱為輸入電流優(yōu)化（ICO）的獨(dú)特算法可自動(dòng)檢測輸入功率的最大容量以優(yōu)化電流，同時(shí)保持系統(tǒng)和充電電流的一致性，以確保利用最大輸入功率。

輸入源的靈活性：該器件的USB電力輸送兼容性具有3.5～24V的寬輸入電壓范圍，設(shè)計(jì)人員可以在多種端口（包括USB 2.0、USB 3.0和最新標(biāo)準(zhǔn)USB Type—C）中使用。

寬USB On—the—Go（OTG）輸出兼容性：新型充電控制器支持5～20V的輸入就緒器件，能夠通過可編程電流調(diào)節(jié)為USB OTG提供可調(diào)輸出。

緊湊型配置：TI的新電池充電算法和智能檢測功能使電池充電控制器能夠支持寬輸入和輸出電壓范圍以及更緊湊的適配器設(shè)計(jì)。

不同模式間的無縫轉(zhuǎn)換：該器件支持1至4節(jié)電池，可在降壓和升壓操作之間進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換，無任何死區(qū)。