1、一、電流頻率轉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載變化幾乎無關，即它們具有電流源的特征根據這一特點，用失凋電流小、輸入阻抗高的運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，如果再加上適當的邏輯電路，便可進一步構成 I F 轉換器圖 14 25 示出了一種 I F 轉換器的工作原理示意圖積分器由高輸入阻抗運算放大器N l(如 F3140)和反饋電容C 組成加速度計 (或陀螺儀 )的輸出電流 I 1 輸入到積分器的點與另外兩路來的電流If 和 I c 平衡 略去運算放大器失調電流和偏置電流的影響，可得到點的電流

2、方程式I c I1 If（ 14-28 ）式中 I f量化脈沖電流；I c積分器反饋電流當忽略點的電壓 U 時，積分器輸出電壓U j0與 I c 積分成比1T1TI f )dt（ 14-29 ）U J 0I c dtC(I 1C00由于受邏輯控制電路的控制，Uj0 在轉換過程中始終保持在某一特定值范圍內轉換器工作波形示于圖 14 26為便于說明I F 的轉換原理，設積分器輸入電流I1 如圖 14-26(a)所示，并設積分器初始值為 0在0 t1 時間內 I1 0，因此 U j0保持初始狀態不變 (例如零狀態 )在 t1 t2期間，由于 I1 i 1 所以 Uj0 從 t1 時刻開始呈線性增加(

3、積分過程 )當 U j0 超過門限電壓 UM+之后，邏輯控制電路在詢問脈沖f x 的作用下接通開關S1(見圖 14 25)，使恒流電流I H+流向積分器并形成量化脈沖電流If.此時積分器的輸入電流c1H+，由于設計時保證1I i I|I | |If |，I c 開始反相， 于是 U j0 呈線性下降 開關 S1 的接通時間tk(見圖 14 26(b) 嚴格受邏輯控制電路的控制，經過tk 時間之后， U j0 UM+ 邏輯控制電路便斷開S1，使 If 0，積分器的輸入端只流入電流Ic 1，因此 Uj0又開始上升由此可見，在轉換器工作過程中， i積分器始終對輸入電流I 1 不間斷地進行積分 每當

4、U j0 超出門限電壓UM+ U M- 的范圍時，在詢問脈沖f x 的作用下 IH+ 或 IH- 便通過開關 S1 或 S2 流向積分器接通 S1 或 S2 的時間為t的整數倍 (后一種情況圖中沒示出)而 t 1 fx。kk據以上工作過程，可將式(1429)改寫成TTQJI1dtI f dt（ 14-30 ）00其中 QJJ0為積分器儲存電荷。=CU方程 (1430)的第一項為慣性儀表輸出電流I1 在 0T 時間內的積分值，即慣性儀表輸出電荷的總電荷量 Q1，第二項為在同一時間內輸入到積分器的量化脈沖電荷的總和Qf 。設開關 S1 在 T 時間內的接通次數為N 次，則Q fTI f NtkI

5、f dtNq（ 14-31 ）0式中 q=I ftk定義為量化電荷將方程 (14 31)代入方程 (14 30)QJ= Q1 -NqN= (Q 1- QJ)/ q（ 14-32）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。每當 S1 或 S2 接通時， 輸出電路便輸出與之對應的脈沖信號f01 或 f 02( 如圖 1426(e)、(f) 兩路脈沖數差對應于Q ，從而可以實現對輸入電荷量的數字化。1對式 (1432)求導，可得單位時間開關接通次數FdN1 (I1I c )（ 14-33 ）dtq式 (14 33)即

6、為電流頻率轉換器的電流平衡方程， 它可以作為轉換器電路參數設計的依據由式 (1432)或式 (14 33)可知，轉換器的精度主要取決于至化電荷q 的精度 此外，適時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計時，根據系統的要求應當選取合理的q 值假如設計允許有正負一個脈沖q QJ 時，則式1Q11的誤差，即(14 32)和式 (14 33)可分別寫成 N1Q1和qqF1I1 。這樣， I F 轉換器的傳遞系數為1 ，這兩個簡化方程就是I F 轉換的基本關qq系式I F 轉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 經積分器積分后，轉換成輸入電荷

7、總量Q1。2)積分器的輸出電壓UJ0 驅動邏輯控制電路，使其適時地控制量化電荷產生器的開關 Sl2，將各量化電荷 q 輸給積分器， 在這里量化電荷q 的總和與1相減結果使積或 SQ分器儲存電荷QJ 不超出一個 q 值的范圍3) QJ 可忽略，當 q 值的總和 N q 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 相當于一個速度增量，則開關接通的次數 N 即為速度增量的個數因此，對于加速度計來說，輸出電路每輸出一個脈沖代表一個速度增量 (m s)。5) I F 轉換器的基本原理是以電荷量平衡和電荷量準確量化為基礎的。6)I F 轉換器具有

8、連續轉換的特點所以也屬于A F 轉換器類。二、電流頻率轉換器的組成及各環節的作用I F 轉換器的具體電路見圖 14 27，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，各組成環節的功用敘述如下。(1) 積分器電流積分器是由功率適中的高輸入阻抗運算放大器N1 和漏電流小， 吸收效應小的積分電容 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 (I l f J)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 觸發器組成 電壓比較器兩個輸入端分別與正負門限電壓 UM+ 和

9、 U M- 相接當 UJ0 高于 UM+ 或低于 UM- 時， N 2 或 N3 的輸出電平便發生相應的變化受其控制，D 觸發器便在詢問脈沖fx 前沿到來時發生翻轉，輸出相應的高低電平輸出電平的高低確定了極性開關的狀態同時也控制著輸出電路的工作(3) 極性開關極性開關主要由雙極型開關三極管Vl (NPN型 ) 、V2(PNP型 ) 和開關二極管V3、V4 組成其中 Vl 、 V2 和有關匹配電阻R4、R5、R6、 R7 組成極性開關的主動臂，受D 觸發器輸出Q1 和 Q2電平的控制當D 觸發器的輸出端Q1 為高電平、 Q2 為低電平時， V1、V2 均處于飽和導通狀態，形成恒流I H+和 I

10、H- 的通路，起恒流源的狀態保護作用V3、V4 組成極性開關的被動臂、配合 V1、 V2 對反饋電流 I f 實施控制另一方面，利用二極管的開啟電壓，可以避免積分器虛地點 ( 點 ) 與地短路(4) 恒流源恒流源的功用是提供轉換器所需的幅度恒定的反饋電流If， IH+ 和 I H- 的長期穩定性程度直接影響轉換系數的質量恒流源應具有較高的輸出阻抗和良好的動態響應，以利于減小過渡過程對轉換精度的影響(5) 輸出電路輸出電路由雙輸入端與非門D 1、D2 組成它可以向計算機或測試設備提供具有抗干擾能力的脈沖信號其兩路輸出脈沖能準確地反應出反饋電流If (即量化脈沖電流)的變化(6) 頻標頻標由石英晶

11、體振蕩器提供，石英晶體振蕩器輸出穩定的高頻信號(如 1024kMz) ，經分頻之后作為詢問脈沖f x，提供給邏輯控制電路和輸出電路如前所述， 量化電荷 qIH tk中的 tk(即詢問脈沖 f x 的周期 )，就是由頻標電路提供的(7) 供電電路和溫控電路供電電路是為轉換器提供所需電壓和電流的溫控電路與恒溫結構一起用于改善恒流源的溫度環境，以便減小其溫度系數誤差。三、電路的工作過程以上討論了 I F 的轉換原理及各環節的基本功能， 現結合圖 14 27 所示電路圖 進步說明將 I1 轉換成頻率的詳細過程。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

12、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 U J0 保持在 UM+ U j0 UM- ，因此 N2 的輸出為高電平， N3 的輸出為低電平在 f x 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 V 1 和 V 2 均處于飽和導通狀態這時，因兩個開關三極管的V ces， (飽和壓降 )遠小于 V 3、V 4 的開啟電壓，所以IH+和 IH- 只能流經 V 1、V 2 回到地，無 If 流向積分器，UJ0 仍保持不變與此同時，因 D 觸發器上，使其處于關閉狀態，因而平上即輸出頻率為 0。(2)當 I10 時Q1 端和

13、Q2 端的輸出電平 (均為低電平 )加到與非門 D1 和 D2 fx 無法通過 D1 和 D2，此時輸出信號 f 01、 f02 均保持在高電此時按方程 (14 29)，U J0逐漸上升，當J0M+時 N2的輸出由“ 1”變“ 0” DU U觸發器的 D 1，端輸入亦為“ 0”但在 f x 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 V 3 開始導通， IH+經過 V 3 輸入到積分器的虛地點由于V 1 的截止電流和二極管V4 的零偏漏電流均遠小于IH+，因此 I f 的大小幾乎等于I

14、H+。 If 經過 C、 N1 的功放級及其電源到地，回到恒流源I H+ 的負極由于加到虛地點的I f 的方向與 I 1 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 UJ0U M+ 時， N 2 的輸出由“ 0”變“ 1”，D l 端也跟著變“ 1”，因此等到f的前沿到來時， Q由“ 0”變“ 1”，V1導通，使 I 0x1f由此可見，由于I f I H+的時間受 f x 前沿的控制 I f 的寬度只能是 f x 的周期的整倍數，而量化電荷 q I Ht k 也就精確地為一常值輸出電路 D1 接收 Q1 和 fx 的電平，只有 Q1 為“ 1”時讓 fx 通過形成

15、輸出脈沖，即 f 01 Q1 fx ，而且輸出頻率f01 正比于 I 1。(3) 當 I10 時此時 U J0 逐漸下降，當UJ0 U M- 時， N 3 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V 4，回到恒流源IH- 的負極這一過程完全類似于I 1 0 的情況，但由于 V 2 截止，改變了I f 的流向此時與非門 D2 有輸出，且 f02 Q2 fx 綜上所述 當 I 10 時， D 1 門即正通道有輸出， 而當 I 1 0 時， D2 門即負通道有輸出當 I1 0 時， D1 和 D2 均

16、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根據實際需要，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、精度估算和實測結果由 I F 轉換器的工作原理可知其轉換精度主要取決于 q 值的穩定性可是 q 值的穩定性又受多種因素的影響，目前難以準確地進行定量分析因此這里僅對可能引起的誤差進行初步估算然后以實測結果驗證轉換精度(1) 積分器積分精度由于轉換器中的積分器輸入電流均由電流源(或恒流源 )提供的因此運算放大器的失調電壓不影響積分精度，而其失調電流，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

17、-MOS 高輸入阻抗運算放大器 (如 F3140 等 )的失調電流和偏置電流之和為 0.02nA 左右設加速度計的輸出電流為30mA 。則兩者之比為 10-9 量級可以說，不影響積分精度當選用玻璃釉等較好的積分電容器，并注意印刷板的布線時，積分器漏電流實測值0.2nA 左方，由此引起的誤差為10-8 量級 (其中包含開關二極管 V3 、V4 反向漏電流的影響 )總之，積分器的精度遠優于10-6 級。(2) 量化電荷 q 的精度如前所述 q IH tk其穩定性受 IH 和 t k 穩定性的影響。精心調試的恒流源IH 值在 24小時的穩定度可以達到6× 10-6 ，而恒流源的過渡過程、積分器的動態特性、極性開關和邏輯控制電路的延時等對Ik 的影響可達 tk2ns當 f x 4k