电流积分型电流频率转换器的设计

作者/王起、杨亚敏，天水生产力促进中心

电流积分型电流频率转换器的设计

作者/王起、杨亚敏，天水生产力促进中心

本文介绍了一种电流积分型电流频率转换器的电路设计，设计的电路输入电流范围为±0.5mA～±25mA，输出频率为0～512kHz，在工作温度范围为— 55℃～+85℃条件下其非线性度小于0.05%。

电流频率转换器；加速度计；电流积分型

1. 积分型I/F转换原理

电流频率(以下简称I/F)转换方案是惯性仪表数字化输出的优选方案。用失调电流小、输入阻抗高的运算放大器和漏电流小的电容器便可组成精确的电流积分器，再加上适当的逻辑电路，便可进一步构成I/F转换器，图1示出了一种I / F转换器的工作原理。

图1 电流积分型电流频率转换器工作原理示意图

积分器由高输入阻抗运算放大器N1和反馈电容C组成。加速度计的输出流I1输入到积分器Σ点，与另外两路来的电流If和IC平衡，略去运算放大器失调电流和偏置电流的影响，可得到Σ点的电流方程式：

式中：If——量化脉冲电流；IC——积分器反馈电流。

当忽略Σ点的电压UΣ时，积分器输出电压UJO与IC的积分成比例，即:

可将式(2)改写成：

其中QJ=CUJO为积分器储存电荷。

方程(3)右边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QJ，第二项为在同一时间内输入到积分的量化脉冲电荷的总和Qf。

设开关在T时间内的接通次数为N次，则：

式中，q=Iftk定义为量化电荷。

将方程(4)代入方程(3)：

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，从而可以实现对输入电荷量的数字化。

2. 电路设计

I/F转换器的具体电路见图2，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，完整电流频率转换器的组成电路框图如图2所示。

图2 电流频率转换器的组成电路框图

结合图2所示电路图，将I1转换成频率的详细过程如下：

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(2)，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接收和fx的电平，只有为“1”时让fx通过形成输出脉冲，即而且输出频率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。

图3 电路各部分输出波形

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。

2.1 电流频率转换的误差分析与设计

电流频率转换的误差，主要取决于积分放大器、恒流源、逻辑电路、极性开关以及输入的连接方式，要想提高电路的精度，就必须研究如何选用高精度的元件和合适的参数。下面着重介绍一下积分放大器和恒流源的设计依据：

2.1.1 积分器的分析与设计

图4 积分放大器

图4是一个典型的积分放大器，图中如果去掉电阻R，直接输入电流，则为一个电流积分器。图中C2的作用是消除高频振荡。由于普通的放大器不能输出较大的电流（几十毫安），所以引入电流扩展器B，相应增大了运算放大器的输出能力。与普通的积分放大器的分析一样，该电流积分器，在理想的情况下，输入的电流将给积分电容器C1充电，充电过程是输入电流在电容C上随时间延长的电荷积累过程。

输出电压与输入电压的关系为：

输出电压与输入电流的关系则为：

在设计中需要注意：

（1）放大系数有限引起的误差

只要选用高增益运算放大器就能降低放大系数K有限而引入的相对误差。

（2）漂移和失调引入的误差

在设计中应根据精度要求选择输入失调电流和失调电压小的放大器，或则对积分器所用的运算放大器加入外部调零电路。根据公式qc=Io△t可知，输出一个脉冲,最少需要一个周期的时钟脉冲宽度的反馈电流来使电荷达到平衡。也就是说在确保积分速率的前提下,使积分电容的容量大一些,可以使漂移减小。

（3）放大器输入阻抗有限引入的误差

输入阻抗Ri值越小，其非线性误差就越大。在积分器积分电阻即加速度计输出电阻一定时，可选输入阻抗高的结型场效应管作输入级。且要求有快的响应速度和短的建立时间。

图5 恒流源电路

2.1.2 高精度恒流源的分析与设计

恒流源是指一个能提供与负载、电源、温度等变化无关的直流电流电路，它要有长期稳定性和较好的过渡过程。在电流频率转换电路中，恒流源被用来提供幅值不变的反馈脉冲，是决定转换精度的关键之一，图5为±40mA横流源设计图。

2.1.3 极性开关分析与设计

在电流—频率转换电路中，极性开关对电路的输出频率的线性度、温度系数即温漂影响极大。元件的选择、外偏置电路的设计、反馈补偿电路的引入是最重点的工作之一。应该说，极性开关是极为重要。由于温漂影响静态工作点，减小温漂，是保证电路高、低温稳定地工作的重要条件。极性开关中的晶体管的开关速度更为重要。

3. 结束语

采用电流积分型电路结构制作的电流频率转换器，经各项测试和试验，测试该电路在满刻度为512kHz下其非线性度小于0.05%, 标度因数漂移小于20PPm/℃。这种频率转换器具有工作频率高、温度性能好等优点,可广泛用于通讯、仪器仪表、雷达、远距离传输等领域。

＊ [1]何希才.运算放大器应用电路设计[M].北京：科学出版社，2007.

＊ [2]康华光.电子技术基础 (第4版) [M].北京：离等教育出版社，1998．

＊ [3]孟俊芳.弹载惯导系统中的加速度计I/F变换电路[J].航空兵器，1998(3)：13—16。

TI推出单芯片降压-升压型电池充电控制器

德州仪器（TI）近日推出一对高度灵活的单芯片降压—升压型电池充电控制器，适用于1至4节（1S至4S）设计。bq25703A和bq25700A同步充电控制器通过USB Type—C和其它USB端口为笔记本电脑、平板电脑、移动电源、无人机和智能家居应用等终端设备提供高效充电。bq25703A和bq25700A支持I2C和SMBus接口，采用全新的高级电池算法，可通过最大功率点跟踪技术使电池充电智能化，实现全功率输出。称为输入电流优化（ICO）的独特算法可自动检测输入功率的最大容量以优化电流，同时保持系统和充电电流的一致性，以确保利用最大输入功率。

输入源的灵活性：该器件的USB电力输送兼容性具有3.5～24V的宽输入电压范围，设计人员可以在多种端口（包括USB 2.0、USB 3.0和最新标准USB Type—C）中使用。

宽USB On—the—Go（OTG）输出兼容性：新型充电控制器支持5～20V的输入就绪器件，能够通过可编程电流调节为USB OTG提供可调输出。

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不同模式间的无缝转换：该器件支持1至4节电池，可在降压和升压操作之间进行高效转换，无任何死区。