單恒流源電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

王媚嬌，楊 雨，雷旭亮，陸煜明

（北京航天時代激光導(dǎo)航技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100094）

單恒流源電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

王媚嬌，楊 雨，雷旭亮，陸煜明

（北京航天時代激光導(dǎo)航技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100094）

本文設(shè)計了一種單恒流源電流頻率轉(zhuǎn)換電路，使電路的功耗減小一半，更加小型化，并且具有更好的對稱性和精度。提出并從原理上論證了這種單恒流源I/F技術(shù)的理論依據(jù)，設(shè)計出相應(yīng)的硬件電路，驗證其原理的正確性和工程上的可行性。為單恒流源I/F技術(shù)的研發(fā)，拓展了思路，奠定了基礎(chǔ)。

I/F電路；單恒流源；電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)；線性度

0　引言

電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)是在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，將加速度計的電流輸出模擬信號，轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航計算機可以進行計算的數(shù)字信號。其精度、穩(wěn)定性直接影響到慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能。當(dāng)前，在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，即I/F技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且能夠達(dá)到比較高的精度?，F(xiàn)有的I/F技術(shù)，由分立器件實現(xiàn)轉(zhuǎn)化功能，發(fā)展到恒流源模塊集成化，CPLD/FPGA精確數(shù)字控制小型化，AD及DSP的實時補償?shù)龋?-4］，已經(jīng)有了很大的進步，同時給以后的創(chuàng)新發(fā)展帶來一定難度。

電流信號是一種對環(huán)境比較敏感的物理信號，尤其是受溫度影響比較嚴(yán)重。在慣性系統(tǒng)中，通常要對I/F板進行溫控，就是為了給I/F提供良好的工作環(huán)境，然而溫度場是比較難控制的，電路中的電子器件繁多，且溫度漂移的程度不同，從而對I/F的穩(wěn)定性、線性度以及對稱性始終都會帶來一定程度的影響。我們從根源出發(fā)，研發(fā)了一種新型的電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)——單恒流源I/F轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以將恒流源的功耗降低一半，從而減少了熱量的產(chǎn)生，減小了溫度影響，提高了線性度以及對稱性。

1　單恒流源電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)原理分析

1.1單恒流源I/F電路結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的加速度計I/F電路按各個模塊的不同功能可以分為:電流積分器、門限裝置、邏輯控制器、極性開關(guān)和正負(fù)恒流源［5］。單恒流源I/F電路結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的I/F電路的積分器相比，門限控制都是一樣的，區(qū)別在于通過增加轉(zhuǎn)換電容，實現(xiàn)了恒流源的精簡，達(dá)到降低功耗、提高對稱性的目的。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　單恒流源I/F電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration diagram of the single constant current source I/F circuit

1.2單恒流源I/F電路電荷量化的機理

電容的放電過程可用指數(shù)函數(shù)來描述，電容的剩余電荷量由時間常數(shù)τ=RC決定［6-7］。電阻阻值R與電容容值C是隨溫度變化而變化的物理量，溫度變化，時間常數(shù)就會變化，但轉(zhuǎn)換電容釋放給積分電容的電荷量是否會變化，還需要進一步證明。

Qi為轉(zhuǎn)換電容每次釋放給積分器的電荷；為轉(zhuǎn)換電容每次釋放電荷后留下的電荷；為恒流源每次充入轉(zhuǎn)換電容的電荷。其中，IH為恒流源電流，tC為充電時間；為轉(zhuǎn)換電容釋放給積分器電荷的放電時間。

第一次，放電后留下的電荷為:

釋放掉的電荷為:

第二次，放電后留下的電荷為:

釋放掉的電荷為:

第三次，放電后留下的電荷為:

釋放掉的電荷為:

歸納總結(jié)得:

第n次，放電后留下的電荷為:

當(dāng)n→∞時，

由結(jié)論可以看出，轉(zhuǎn)換電容經(jīng)過無數(shù)次的充電放電過程后達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)換電容中的平衡電荷為平衡后的每一次釋放的電荷為一定值ΔQ=IHtC，與現(xiàn)有I/F電路效果相同，而且ΔQ與無關(guān)，與RC無關(guān)，所以雖然溫度變化引起的轉(zhuǎn)換電容放電回路的電阻電容的變化，但不影響釋放的電荷量大小。轉(zhuǎn)換電容每次釋放的電荷量，為恒流源每次充入的定量電荷。

所以通過轉(zhuǎn)換電容簡化正負(fù)恒流源的設(shè)計方案在理論上是可行的。

1.3單恒流源I/F電路具體實現(xiàn)

本文設(shè)計了一種模擬開關(guān)橋電路，將單恒流源、積分電路與轉(zhuǎn)換電容連接起來，來實現(xiàn)電荷量化過程，如圖2所示。在電荷量化過程中，有兩個過程:1）通過恒流源對轉(zhuǎn)換電容進行充電；2）通過極性開關(guān)控制電荷的流動方向?qū)崿F(xiàn)正負(fù)路的電荷量化。轉(zhuǎn)換電容就像恒流源與積分器之間的中轉(zhuǎn)站一樣，將單一極性的恒流源，變換成正負(fù)雙極性的電荷，釋放給積分器。

圖2　單恒流源I/F電路實現(xiàn)方案圖Fig.2 Diagram of the single constant current source I/F circuit

輸入電流I為正電流，當(dāng)門限觸發(fā)時首先閉合S5和S4給轉(zhuǎn)換電容C1充電，然后斷開S5和S4，閉合S1和S3，將轉(zhuǎn)換電容和積分電路連接起來，由于放大器虛地，相當(dāng)于將充有電荷的轉(zhuǎn)換電容兩端接地，這就將轉(zhuǎn)換電容上的電荷推到了積分電容C2上，中和掉C2上的電荷，由1.2節(jié)中的理論分析可知，每次中和的電荷量是相等的。這樣就實現(xiàn)了對輸入電荷的量化測量。

類似的，輸入電流I為負(fù)電流時，在放電時相應(yīng)的閉合開關(guān)S2和S4。其他過程與正電流相似。

2　單恒流源I/F電路的硬件實現(xiàn)

從單恒流源I/F電路的結(jié)構(gòu)可以看出，轉(zhuǎn)化電容部分的電路設(shè)計是這一方法的核心。所以轉(zhuǎn)換電容，以及模擬開關(guān)的設(shè)計選擇直接影響了這一方法的工程可行性。

由于單恒流源I/F電路是以電荷轉(zhuǎn)移的方式工作，所以對漏電荷有比較高的要求，選擇漏電流小，絕緣電阻大，溫度系數(shù)小的聚苯硫醚電容。并且在容值的選擇上，至少要大于積分電容2倍，這樣可以減小放電過程中瞬間電流對模擬開關(guān)的沖擊。本設(shè)計選擇轉(zhuǎn)換電容C1為0.47μF，積分電容為0.2μF。

一方面，單恒流源I/F電路對模擬開關(guān)的要求也不同于傳統(tǒng)I/F電路。單恒流源I/F電路在放電時，是通過轉(zhuǎn)換電容實現(xiàn)放電的，所以其物理機制遵循電容的放電特性:可以看出，式中尖峰電流I是很大的，所以需要選取允許通過尖峰電流以及持續(xù)電流大的模擬開關(guān)。另一方面，因為開關(guān)存在內(nèi)阻，串聯(lián)電阻的變化會對電路性能產(chǎn)生不可控制的影響，所以在這方面應(yīng)該盡量減小內(nèi)阻變化的影響，所以應(yīng)選取內(nèi)阻盡可能小的開關(guān)。綜合上面兩種因素，選擇了尖峰電流500mA，持續(xù)電流300mA，內(nèi)阻0.5Ω的模擬開關(guān)ADG811。

3　單恒流源I/F電路改進

工程實踐常常與理論分析是有差距的，初次設(shè)計的單恒流源I/F電路測試結(jié)果并不理想。正路和負(fù)路的對稱性和線性度差異都很大。正負(fù)路標(biāo)度因數(shù)對稱性為1.3×10-4，且正路線性度1.36× 10-4遠(yuǎn)差于負(fù)路線性度3.76×10-5。

3.1模擬開關(guān)電荷注入效應(yīng)的影響及消除

分析電路設(shè)計，發(fā)現(xiàn)單恒流源I/F電路由于開關(guān)較多，并且同時切換帶來電路電壓的不穩(wěn)定，引起開關(guān)寄生電容的注入，從而帶來非線性影響。

集成電路的模擬開關(guān)的基本邏輯單元是用PMOS晶體管和NMOS晶體管按照互補對稱形式連接而成的。當(dāng)柵極和源極之間的電壓大于某一值后，溝道開始導(dǎo)通，漏—源之間出現(xiàn)導(dǎo)通電流。由于導(dǎo)電溝道的存在，所以柵極和源極之間，柵極和漏極之間都存在著溝道電容。電荷注入效應(yīng)是當(dāng)CMOS模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制端加上控制信號時，由門溝道電容所引起的［8］。對精密測量來說，寄生電容電荷注入帶來的精度影響，不能忽視。

從開關(guān)的時序邏輯入手，減小電荷注入的影響。以正路為例，如圖3所示。

圖3　正路放電過程開關(guān)電容電荷注入等效圖Fig.3 Equivalent diagram of switch capacitor injection in positive channel discharging

放電過程，開關(guān)S1的寄生電容為Cj，S3的寄生電容由于直接連接到地，對電路不產(chǎn)生影響，因此可以忽略。應(yīng)先閉合開關(guān)S1，將Cj接到放大器虛地端，將寄生電容中和掉，再閉合S3，完成放電過程，從而避免了Cj對電路的影響。

相應(yīng)的負(fù)路，先閉合S4，再閉合S2。

3.2正負(fù)路對稱性的問題解決

在對稱性方面，正路的性能明顯差于負(fù)路，分析原因發(fā)現(xiàn)，正路在充電放電的不同過程中，其連接真實地的極板不同。也就是說，相對于負(fù)路充放電過程，正路的充放電過程存在極板翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，又由于開關(guān)同時切換，對開關(guān)自身會造成很大的尖峰沖擊，都會帶來差異性的問題。采取異步放電會減小沖擊的影響。雖然這與上一問題的產(chǎn)生原因不同，但卻得到了相同的解決方案。

綜合考慮，采取更改時序邏輯，正路放電過程先閉合S1，再閉合S3；負(fù)路放電過程先閉合S4，再閉合S2。

4　改進后實驗數(shù)據(jù)分析對比

改進電路后，對電路進行重新測試，表1是通電20min后的結(jié)果。10s脈沖累加求平均值，然后除以輸入電流，即折算成標(biāo)度因數(shù)的數(shù)據(jù)。改進前后數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

表1　單恒流源I/F轉(zhuǎn)換電路測試數(shù)據(jù)對比Table 1 Test data comparison of the single constant current source I/F converter circuit

圖4　單恒流源I/F電路改進前后數(shù)據(jù)圖像對比Fig.4 Data comparison of the single constant current source I/F circuit

對表1的數(shù)據(jù)進行計算，改進后的單恒流源I/F轉(zhuǎn)換電路的正路非線性度為1.28×10-5，負(fù)路非線性度為 1.25×10-5。正負(fù)路對稱性為 2.23 ×10-5。

從所得的測試結(jié)果中可以看出，單恒流源I/F轉(zhuǎn)換技術(shù)是可以實現(xiàn)的，并具有一定的精度。又由于其正負(fù)路在放電過程的差異，所以在正負(fù)路的對稱性上與設(shè)想有一些差異。這也是在以后的研究設(shè)計中需要改進的地方。

5　結(jié)論

通過對單恒流源I/F轉(zhuǎn)換技術(shù)的探索和研究，首先在理論上論證了其可行性，設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路并進行了相關(guān)實驗驗證，實驗結(jié)果表明，單恒流源電流轉(zhuǎn)換技術(shù)在實際應(yīng)用中也是可行的，具有一定的研究與應(yīng)用價值。但是由于單恒流源電流轉(zhuǎn)換技術(shù)自身的特點，使得它對元器件的要求和依賴性比較高，這都是以后研究所要解決的問題。單恒流源I/F轉(zhuǎn)換技術(shù)為電流頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究發(fā)展拓展了思路，并為以后的研究改進奠定了基礎(chǔ)。

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Research on Conversion Technology of Single Constant Current Source Current Frequency

WANG Mei-jiao，YANG Yu，LEI Xu-liang，LU Yu-ming
（Beijing Aerospace Times Laser Inertial Technology Company，Ltd.，Beijing 100094）

The design of the single constant current source current frequency conversion circuit，which is more compact，make the power consumption of the circuit reduced by half，and has a certain symmetry and accuracy.It has proposed and demonstrated the single constant current source I/F technology theoretical principle，designed the corresponding hardware circuit，and verified the correctness of principle and engineering feasibility.This new design has broadened the thoughts and laid the foundation，for the single constant current source I/F technology research and development.

I/F circuit；single constant current source；current frequency conversion technology；linearity

U666.1

A

1674-5558（2016）02-01087

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.010

2015-03-16

王媚嬌，女，碩士，研究方向為精密儀器及機械。