电流频率转换器的原理

一、电流频率转换器的原理

对于力反馈或力矩反馈式惯性仪表，在一定的条件下，其输出电流仅取决于其输入量的大小，而与其伺服回路的负载变化几乎无关，即它们具有电流源的特征．根据这一特点，用失凋电流小、输入阻抗高的运算放大器和漏电流很小的电容器便可组成一精确的电流积分器，如果再加上适当的逻辑电路，便可进一步构成I ／F 转换器．图14—25示出了一种I ／F 转换器的工作原理示意图．

积分器由高输入阻抗运算放大器N l (如F3140)和反馈电容C 组成．加速度计(或陀螺仪)的输出电流I 1输入到积分器的∑点．与另外两路来的电流I f 和I c 平衡．略去运算放大器失调电流和偏置电流的影响，可得到∑点的电流方程式

I c ＝I 1—I f （14-28）

式中 I f ——量化脉冲电流；

I c ——积分器反馈电流．

当忽略∑点的电压U ∑时，积分器输出电压U j0与I c 积分成比

010011()T T J c f U I dt I I dt C C

==-⎰⎰ （14-29） 由于受逻辑控制电路的控制，U j0在转换过程中始终保持在某一特定值范围内．转换器工作波形示于图14—26．

为便于说明I ／F 的转换原理，设积分器输入电流I 1如图14-26(a)所示，并设积分器初始值为0．在0～t 1时间内I 1＝0，因此U j0保持初始状态不变(例如零状态)．在t 1～t 2期间，由于I 1＝i 1所以U j0从t 1时刻开始呈线性增加(积分过程)．当U j0超过门限电压U M+

之后，逻辑控制电路在询问脉冲f x 的作用下接通开关S 1(见图14—25)，使恒流电流I H+流向积分器并形成量化脉冲电流I f .此时积分器的输入电流I c ＝i 1—I H+，由于设计时保证|I 1|≤|I f |，I c 开始反相，于是U j0呈线性下降．开关S 1的接通时间t k (见图14—26(b))严格受逻辑控制电路的控制，经过t k 时间之后，U j0＜U M+逻辑控制电路便断开S 1，使I f ＝0，积分器的输入端只流入电流I c ＝i 1，因此U j0又开始上升．由此可见，在转换器工作过程中，积分器始终对输入电流I 1不间断地进行积分．每当U j0超出门限电压U M+～U M-的范围时，在询问脉冲f x 的作用下I H+或I H-便通过开关S 1或S 2流向积分器．接通S 1或S 2的时间为t k 的整数倍(后一种情况图中没示出)而t k ＝1／f x 。

据以上工作过程，可将式(14—29)改写成

100T T

J f Q I dt I dt =-⎰⎰ （14-30） 其中Q J =CU J0为积分器储存电荷。

方程(14—30)的第一项为惯性仪表输出电流I 1在0～T 时间内的积分值，即惯性仪表输出电荷的总电荷量Q 1，第二项为在同一时间内输入到积分器的量化脉冲电荷的总和Q f 。

设开关S 1在T 时间内的接通次数为N 次，则

0T

f f f k Q I dt I Nt Nq ===⎰ （14-31）

式中q=I f t k 定义为量化电荷

将方程(14—31)代入方程(14—30)

Q J = Q 1-Nq

N= (Q 1- Q J )/ q （14-32） 这说明开关接通次数N 正比于积分器输入电荷Q 1和积分器电容储存电荷Q J 之差．当Q 1远大于Q J 时．N 就正比于Q 1。

每当S 1或S 2接通时，输出电路便输出与之对应的脉冲信号f 01或f 02(如图14—26(e)、(f))．两路脉冲数差对应于Q 1，从而可以实现对输入电荷量的数字化。

对式(14—32)求导，可得单位时间开关接通次数．

11()c dN F I I dt q

==- （14-33） 式(14—33)即为电流—频率转换器的电流平衡方程，它可以作为转换器电路参数设计的依据．

由式(14—32)或式(14—33)可知，转换器的精度主要取决于至化电荷q 的精度．此外，适时地向积分器输入量化电荷q 也是保证积分器正常工作的必要条件．

在设计时，根据系统的要求．应当选取合理的q 值．假如设计允许有正负一个脉冲的误差，即q ＝Q J 时，则式(14—32)和式(14—33)可分别写成11111N Q Q q q

=-≈和

11F I q 。这样，I ／F 转换器的传递系数为1q

，这两个简化方程就是I ／F 转换的基本关系式．

I ／F 转换器的工作原理可以从物理概念上简要地归纳如下：

1) 惯性仪表的输出电流I l 经积分器积分后，转换成输入电荷总量Q 1。

2) 积分器的输出电压U J0驱动逻辑控制电路，使其适时地控制量化电荷产生器的开

关S l或S2，将各量化电荷q输给积分器，在这里量化电荷q的总和与Q1相减．结果使积分器储存电荷Q J不超出一个q值的范围．

3) Q J可忽略，当q值的总和N q与输入电荷Q1相平衡，N正比于Q1。

4) 若I1正比于加速度．则Q1正比于速度，而q相当于一个速度增量，则开关接通的次数N即为速度增量的个数．因此，对于加速度计来说，输出电路每输出一个脉冲代表一个速度增量(m／s)。

5) I／F转换器的基本原理是以电荷量平衡和电荷量准确量化为基础的。

6) I／F转换器具有连续转换的特点．所以也属于A／F转换器类。

二、电流——频率转换器的组成及各环节的作用

I／F转换器的具体电路见图14—27，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，各组成环节的功用叙述如下。

(1) 积分器

电流积分器是由功率适中的高输入阻抗运算放大器N1和漏电流小，吸收效应小的积分电容C组成，其功用是对输入电流I1和反馈电流I f进行积分，并将其输出电压U J0输给逻辑控制电路的比较器U J0正比于(I l—f J)的积分值。

(2) 逻辑控制电路

该电路主要由比较器N2、N3和双D触发器组成．电压比较器两个输入端分别与正负门限电压U M+和U M-相接．当U J0高于U M+或低于U M-时，N2或N3的输出电平便发生相应的变化．受其控制，D触发器便在询问脉冲f x前沿到来时发生翻转，输出相应的高低电平．输出电平的高低确定了极性开关的状态．同时也控制着输出电路的工作．

(3) 极性开关

极性开关主要由双极型开关三极管V l(NPN型)、V2(PNP型)和开关二极管V3、V4组成．其中V l、V2和有关匹配电阻R4、R5、R6、R7组成极性开关的主动臂，受D触发器输出Q1和Q2电平的控制．当D触发器的输出端Q1为高电平、Q2为低电平时，V1、V2均处于饱和导通状态，形成恒流I H+和I H-的通路，起恒流源的状态保护作用．V3、V4组成极性开关的被动臂、配合V1、V2对反馈电流I f实施控制．另一方面，利用二极管的开启电压，可以避免积分器虚地点(∑点)与地短路．

(4) 恒流源

恒流源的功用是提供转换器所需的幅度恒定的反馈电流I f，I H+和I H-的长期稳定性程度直接影响转换系数的质量．恒流源应具有较高的输出阻抗和良好的动态响应，以利于减小过渡过程对转换精度的影响．

(5) 输出电路

输出电路由双输入端与非门D1、D2组成．它可以向计算机或测试设备提供具有抗干扰能力的脉冲信号．其两路输出脉冲能准确地反应出反馈电流I f(即量化脉冲电流)的变化．

(6) 频标

频标由石英晶体振荡器提供，石英晶体振荡器输出稳定的高频信号(如1024kMz)，经