電流積分型電流頻率轉換器的設計

作者/王起、楊亞敏，天水生產力促進中心

電流積分型電流頻率轉換器的設計

作者/王起、楊亞敏，天水生產力促進中心

本文介紹了一種電流積分型電流頻率轉換器的電路設計，設計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%。

電流頻率轉換器；加速度計；電流積分型

1. 積分型I/F轉換原理

電流頻率(以下簡稱I/F)轉換方案是慣性儀表數字化輸出的優選方案。用失調電流小、輸入阻抗高的運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，再加上適當的邏輯電路，便可進一步構成I/F轉換器，圖1示出了一種I / F轉換器的工作原理。

圖1 電流積分型電流頻率轉換器工作原理示意圖

積分器由高輸入阻抗運算放大器N1和反饋電容C組成。加速度計的輸出流I1輸入到積分器Σ點，與另外兩路來的電流If和IC平衡，略去運算放大器失調電流和偏置電流的影響，可得到Σ點的電流方程式：

式中：If——量化脈沖電流；IC——積分器反饋電流。

當忽略Σ點的電壓UΣ時，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為積分器儲存電荷。

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

設開關在T時間內的接通次數為N次，則：

式中，q=Iftk定義為量化電荷。

將方程(4)代入方程(3)：

這說明開關接通次數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Q1遠大于QJ時，N就正比于Q1，從而可以實現對輸入電荷量的數字化。

2. 電路設計

I/F轉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、恒流源、輸出電路、頻標和供電電路組成，完整電流頻率轉換器的組成電路框圖如圖2所示。

圖2 電流頻率轉換器的組成電路框圖

結合圖2所示電路圖，將I1轉換成頻率的詳細過程如下：

輸入電流I1一般可歸結為I1=0，I1＞0，I1＜0等三種情況。下面將結合這三種情況，來討論電路工作的全過程.

(1)當Il=0時

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觸發器的Ql端輸出高電平，Q2端輸出低電平，從而使開關三極管V1和V2均處于飽和導通狀態。這時，因兩個開關三極管的Vces，(飽和壓降)遠小于V3、V4的開啟電壓，所以IH+和IH—只能流經V1、V2回到地，無If流向積分器，UJ0仍保持不變。

與此同時，因D觸發器Q1端和Q2端的輸出電平(均為低電平)加到與非門D1和D2上，使其處于關閉狀態，因而fx無法通過D1和D2，此時輸出信號f01、f02均保持在高電平上，即輸出頻率為0。

(2)當I1＞0時

此時按方程(2)，UJ0逐漸上升，當UJ0＞UM+時，N2的輸出由“1”變“0”，D觸發器的D1，端輸入亦為“0”，但在fx的前沿到來之前。Q1端仍保持“1”，它不改變極性開關的工作狀態。當fx的前沿到來的瞬間，Q1端由“1”變為“0”，使Vl截止，開關二極管V3開始導通，IH+經過V3輸入到積分器的虛地點。由于V1的截止電流和二極管V4的零偏漏電流均遠小于IH+，因此If的大小幾乎等于IH+。If經過C、N1的功放級及其電源到地，回到恒流源IH+的負極。

由于加到虛地點的If的方向與I1相反，而且設計時保證If的絕對值大于I1的絕對值UJ0逐漸下降。當UJ0＜UM+時，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，Q1由“0”變“1”，V1導通，使If＝0。

由此可見，由于If＝IH+的時間受fx前沿的控制，If的寬度只能是fx的周期的整倍數，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”時讓fx通過形成輸出脈沖，即而且輸出頻率f01正比于I1。

(3)當I1＜0時

此時UJ0逐漸下降，當UJ0＜UM—時，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、開關二極管V4，回到恒流源IH—的負極。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。此時與非門D2有輸出，且。

圖3 電路各部分輸出波形

綜上所述，當I1＞0時，D1門即正通道有輸出，而當I1＜0時，D2門即負通道有輸出；當I1＝0時，D1和D2均無輸出，轉換器處于“歸零”狀態，其輸出電路電平保持不變。具備以上特征的I / F轉換器的邏輯稱為三元變寬邏輯。

2.1 電流頻率轉換的誤差分析與設計

電流頻率轉換的誤差，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。下面著重介紹一下積分放大器和恒流源的設計依據：

2.1.1 積分器的分析與設計

圖4 積分放大器

圖4是一個典型的積分放大器，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），所以引入電流擴展器B，相應增大了運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上隨時間延長的電荷積累過程。

輸出電壓與輸入電壓的關系為：

輸出電壓與輸入電流的關系則為：

在設計中需要注意：

（1）放大系數有限引起的誤差

只要選用高增益運算放大器就能降低放大系數K有限而引入的相對誤差。

（2）漂移和失調引入的誤差

在設計中應根據精度要求選擇輸入失調電流和失調電壓小的放大器，或則對積分器所用的運算放大器加入外部調零電路。根據公式qc=Io△t可知，輸出一個脈沖,最少需要一個周期的時鐘脈沖寬度的反饋電流來使電荷達到平衡。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輸出電阻一定時，可選輸入阻抗高的結型場效應管作輸入級。且要求有快的響應速度和短的建立時間。

圖5 恒流源電路

2.1.2 高精度恒流源的分析與設計

恒流源是指一個能提供與負載、電源、溫度等變化無關的直流電流電路，它要有長期穩定性和較好的過渡過程。在電流頻率轉換電路中，恒流源被用來提供幅值不變的反饋脈沖，是決定轉換精度的關鍵之一，圖5為±40mA橫流源設計圖。

2.1.3 極性開關分析與設計

在電流—頻率轉換電路中，極性開關對電路的輸出頻率的線性度、溫度系數即溫漂影響極大。元件的選擇、外偏置電路的設計、反饋補償電路的引入是最重點的工作之一。應該說，極性開關是極為重要。由于溫漂影響靜態工作點，減小溫漂，是保證電路高、低溫穩定地工作的重要條件。極性開關中的晶體管的開關速度更為重要。

3. 結束語

采用電流積分型電路結構制作的電流頻率轉換器，經各項測試和試驗，測試該電路在滿刻度為512kHz下其非線性度小于0.05%, 標度因數漂移小于20PPm/℃。這種頻率轉換器具有工作頻率高、溫度性能好等優點,可廣泛用于通訊、儀器儀表、雷達、遠距離傳輸等領域。

＊ [1]何希才.運算放大器應用電路設計[M].北京：科學出版社，2007.

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

＊ [3]孟俊芳.彈載慣導系統中的加速度計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（1S至4S）設計。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、移動電源、無人機和智能家居應用等終端設備提供高效充電。bq25703A和bq25700A支持I2C和SMBus接口，采用全新的高級電池算法，可通過最大功率點跟蹤技術使電池充電智能化，實現全功率輸出。稱為輸入電流優化（ICO）的獨特算法可自動檢測輸入功率的最大容量以優化電流，同時保持系統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，設計人員可以在多種端口（包括USB 2.0、USB 3.0和最新標準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節為USB OTG提供可調輸出。

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計。

不同模式間的無縫轉換：該器件支持1至4節電池，可在降壓和升壓操作之間進行高效轉換，無任何死區。