电流频率转换器的原理

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1、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Nl(如F3140)和反馈电容C组成．加速度计(或陀螺仪)的输出电流I1输入到积分器的∑点．与另外两路来的电流If和Ic平衡．略去运算放大器失

2、调电流和偏置电流的影响，可得到∑点的电流方程式Ic＝I1—If（14-28）式中If——量化脉冲电流；Ic——积分器反馈电流．当忽略∑点的电压U∑时，积分器输出电压Uj0与Ic积分成比（14-29）由于受逻辑控制电路的控制，Uj0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I1如图14-26(a)所示，并设积分器初始值为0．在0～t1时间内I1＝0，因此Uj0保持初始状态不变(例如零状态)．在t1～t2期间，由于I1＝i1所以Uj0从t1时刻开始呈线性增加(积分

3、过程)．当Uj0超过门限电压UM+之后，逻辑控制电路在询问脉冲fx的作用下接通开关S1(见图14—25)，使恒流电流IH+流向积分器并形成量化脉冲电流If.此时积分器的输入电流Ic＝i1—IH+，由于设计时保证

4、I1

5、≤

6、If

7、，Ic开始反相，于是Uj0呈线性下降．开关S1的接通时间tk(见图14—26(b))严格受逻辑控制电路的控制，经过tk时间之后，Uj0＜UM+逻辑控制电路便断开S1，使If＝0，积分器的输入端只流入电流Ic＝i1，因此Uj0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I1不间断地进行积分．每

8、当Uj0超出门限电压UM+～UM-的范围时，在询问脉冲fx的作用下IH+或IH-便通过开关S1或S2流向积分器．接通S1或S2的时间为tk的整数倍(后一种情况图中没示出)而tk＝1／fx。据以上工作过程，可将式(14—29)改写成（14-30）其中QJ=CUJ0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Q1，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Qf。设开关S1在T时间内的接通次数为N次，则（14-31）式中q=Iftk定义为量化电荷将方程(1

9、4—31)代入方程(14—30)QJ=Q1-NqN=(Q1-QJ)/q（14-32）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。每当S1或S2接通时，输出电路便输出与之对应的脉冲信号f01或f02(如图14—26(e)、(f))．两路脉冲数差对应于Q1，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．（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—3

10、3)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＝QJ时，则式(14—32)和式(14—33)可分别写成和。这样，I／F转换器的传递系数为，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Il经积分器积分后，转换成输入电荷总量Q1。2)积分器的输出电压UJ0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Sl

11、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QJ不超出一个q值的范围．3)QJ可忽略，当q值的总和Nq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

12、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