[发明专利]一种高精度低功率电流频率转换电路及转换方法

说明书

本发明公开了一种高精度低功耗电流频率转换电路及转换方法，本发明通过利用电流源产生两个大小相等、极性相反的基准电压并将这两个基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准，然后根据输入电流的变化情况利用正向基准恒流源或负向基准恒流源对积分器进行适时充放电，实现高精度电流向频率的转换。同时通过独有的硬件构架，减小了整个电流频率转换模块的功耗损失，避免在工作过程中，由于功耗过高导致温度过高，从而影响检测数据的精度。

技术领域

本发明涉及惯导系统电流频率转换技术领域，尤其涉及一种高精度低功耗电流频率转换电路及转换方法。

背景技术

电流频率转换，通常称为I/F转换，是一种将电流转换为频率信号的高精度电流检测模块，目前主要用于惯导系统的石英挠性加速度计采集。

目前行业内的I/F转换主要采用两种方案，一是高精度I/F转换，特点是精度高、长期稳定性好，缺点是价格昂贵、功耗大、发热严重；二是V/F转换，其本质是低功耗I/F转换的一种，特点是功耗低、调试简便、体积小、价格便宜，缺点是精度较低、存在零位。

I/F转换的核心原理是利用电荷平衡实现检测，外部输入电流通过积分电路对积分电容进行充放电，当电荷水平达到一定门限后，触发比较电路输出翻转，经过量化模块实现对模拟开关的控制，控制固定恒流源以固定的电荷量输入实现闭环反馈，实现积分电路的电荷平衡，将输入电流转换成脉冲数。

然而高精度I/F转换模块，通常采用高精度带隙电压基准LM199作为电压基准，给出正负向基准恒流源，而LM199需要用±12V以上的电压转换成±7V左右的基准电压，因此高精度I/F转换模块会采用±12V～±15V的模拟电源，外加+5V的数字电源进行供电。这种构架虽然能够实现I/F转换的极限精度，即10ppm的非线性，1ppm/℃的标度温度系数，全温零位低于10nA。但这种构架的I/F检测模块有个最大的缺点，功耗较大，发热严重。以量程为±20mA的高精度I/F模块为例，其功耗约为4W，所有的功耗都会以发热的形式体现出来。而一个光纤陀螺惯导系统功耗也就10W左右，接近一半的功耗由I/F模块贡献的，更重要的是高精度惯导系统的陀螺和加速度计都是对温度非常敏感的，在高精度器件附近放置一个大热源会导致系统整体精度下降，也会降低系统的温度适用范围。

低功耗V/F转换模块的核心原理与上述I/F转换模块的区别，只是在电流输入端加上了I/V和V/I转换，如图1所示：经过图1的转换，等效于将输入电流I1缩小到I2,比例值为R2/R1。由于输入电流减小了，所以正负基准恒流源也相应变小，起到降功耗的目的。但在I/V和V/I转换过程中会带来零位(高精度I/F零位可忽略)，同时，由于正负基准恒流源大幅缩小，导致电流转换非线性指标变差。一般全温非线性只能做到100ppm左右，零位和标度均存在一定温度系数，给后续补偿带来难度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高精度低功耗电流频率转换电路及转换方法，通过利用电流镜产生两个大小相等、极性相反的基准电压并将这两个基准电压作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准，然后根据输入电流的变化情况利用正向基准恒流源或负向基准恒流源对积分器进行适时充放电，实现电流向频率的转换。通过独有的硬件构架，减小了整个电流频率转换模块的功耗损失，避免在工作过程中，由于功耗过高导致温度过高，从而影响检测数据的精度。

一种高精度低功耗电流频率转换电路，包括恒流源转换模块、积分器、比较器、量化模块和模拟开关，

所述恒流源转换模块包括电流镜和电流源，电流镜用于将正向基准电压转换为大小相等、极性相反的负向基准电压，将正向基准电压和负向基准电压分别作为正向基准恒流源和负向基准恒流源的电压基准；

所述积分器用于将输入电流转化为积分电压；

所述比较器用于将积分器输出的积分电压与预设电压进行比较并根据比较结果对应输出相应的电平信号；