一种电流频率转换电路、转换方法及其系统与流程

1.本发明涉及惯性导航领域，具体涉及一种电流频率转换电路、转换方法及其系统。


背景技术：

2.电流频率(i/f)转换电路是建立在电荷平衡原理基础之上的一种高精度转换电 路，用于把模拟电流量转换为频率脉冲量，广泛应用于惯性导航领域。其主要工作流 程是：i/f转换电路采集加速度计输出的电流信号，将电流信号转换为频率信号。当 加速度计输出正电流时，电流频率转换电路正通道输出频率；当加速度计输出负电流 时，电流频率转换电路负通道输出频率。电流频率转换电路对加速度计的输出有着高 灵敏度的响应，响应越快，则电流频率转换电路转换的灵敏度、分辨率就越高，这对 惯性导航的实时性有着重要意义。
3.传统的电流频率转换电路有两个门限，一个高门限和一个低门限。在转换过程中， 电荷经过积分后会产生输出电压由零变高，或者被拉低的过程。当到达高门限或低门 限时输出一个脉冲进行反馈。
4.但本技术发明人在实现本技术实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至 少存在如下技术问题：现有技术当中的设计方案分辨率较低，且电流换向时会有较长 时间的分辨延迟。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术当中电流频率转换电路的设计方案分辨率较低的问题，提出了 本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种电流频率转 换电路、转换方法及其系统。
6.根据本发明的一个方面，提供一种电流频率转换电路，包括：积分电路，微处理 器、控制电路、模拟开关以及恒流源；其中，
7.所述微处理器获取所述积分电路输出的第一积分电压，并判断所述第一积分电压 所处的电压区间后向所述控制电路输出判断结果；所述电压区间表征对所述微处理器 的输入电压的区间划分；
8.所述控制电路根据所述判断结果以及已输出的脉冲信号的个数输出对应个数的 脉冲信号；
9.当输出的所述脉冲信号的个数达到预设值时，所述控制电路控制所述模拟开关导 通以令所述恒流源输出的反馈电流经由模拟开关后输出至所述积分电路的输入端。
10.较佳的，所述电流频率转换电路还包括：钳位二极管，连接所述微处理器，用于 对所述微处理器的输入端口进行钳位保护。
11.较佳的，所述电流频率转换电路还包括：反馈电路，连接所述积分电路的输出端， 用于向所述积分电路输出的第一积分电压增加一偏置电压以获取第二积分电压。
12.较佳的，所述电压区间包括：上门限区间以及下门限区间；其中，
13.高于所述偏置电压的电压区间为上门限区间，低于所述偏置电压的电压区间为下 门限区间，所述上门限区间以及下门限区间均位于正电压区间。
14.根据本发明的另一个方面，提供一种电流频率转换方法，包括：
15.微处理器获取积分电路输出的第一积分电压，并判断所述第一积分电压所处的电 压区间；所述电压区间表征对所述微处理器的输入电压的区间划分；
16.根据所述第一积分电压所处的电压区间输出判断结果至控制电路；
17.所述控制电路根据所述判断结果以及已输出的脉冲信号的个数输出对应个数的 脉冲信号；
18.当输出的所述脉冲信号的个数达到预设值时，由所述控制电路控制模拟开关导通 以令恒流源向所述积分电路输出反馈电流。
19.较佳的，所述微处理器获取积分电路输出的第一积分电压前，所述方法还包括：
20.输出反馈信号至所述积分电路的输出端，以向所述第一积分电压增加一偏置电压 以获得第二积分电压。
21.较佳的，所述电压区间包括：上门限区间以及下门限区间，其中，高于所述偏置 电压的电压区间为上门限区间，低于所述偏置电压的电压区间为下门限区间，所述上 门限区间以及下门限区间均位于正电压区间；
22.当所述积分电路输入负向输入电流时，所述第二积分电压位于所述上门限区间；
23.当所述积分电路输入正向输入电流时，所述第二积分电压位于所述下门限区间。
24.较佳的，所述恒流源向所述积分电路输出反馈电流后，所述方法还包括：当第二 积分电压低于下门限区间或者高于上门限区间时，将所述脉冲信号的个数清零。
25.较佳的，所述方法具体包括：
26.当所述脉冲信号的个数未达到所述预设值且所述积分电路获取的输入电流呈线 性变化时，所述脉冲信号的个数为本次获取的第二积分电压所处的电压区间所对应的 脉冲信号的个数与上次获取的第二积分电压所处的电压区间所对应的脉冲信号的个 数之差；
27.当所述脉冲信号的个数未达到所述预设值且所述输入电流换向时，所述脉冲信号 的个数为上次获取的第二积分电压所处的电压区间所对应的脉冲信号的个数与本次 获取的第二积分电压所处的电压区间所对应的脉冲信号的个数之差。
28.根据本发明的另一个方面，还提供一种电流频率转换系统，包括：时钟电路、温 补电路、输出电路以及如上所述的电流频率转换电路，其中，所述电流频率转换电路 接收加速度计输出的电流信号并转换为脉冲信号，所述温补电路对电流频率转换电路 进行温度补偿，所述时钟电路为所述电流频率转换电路提供时钟信号，所述输出电路 为所述电流频率转换电路增加驱动电流。
29.根据本发明的电流频率转换电路中设置的多个电压区间并依次输出相应个数的 脉冲信号以实现电流频率转换电路转换的灵敏度及分辨率。
30.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点 能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明实施例中一种电流频率转换电路的电路图；
33.图2为本发明实施例中一种电流频率转换方法的流程图；
34.图3为本发明实施例中电压区间与脉冲信号关系的示意图；
35.图4为本发明实施例中一种电流频率转换系统的电路图。
36.具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明实施例提供一种电流频率转换电路，包括：积分电路101，微处理器102、 控制电路103、模拟开关104以及恒流源105。
39.其中，所述微处理器102获取所述积分电路101输出的第一积分电压，并判断所 述第一积分电压所处的电压区间后向所述控制电路103输出判断结果；所述电压区间 表征对所述微处理器的输入电压的区间划分。具体而言，根据微处理器的采样频率获 取积分电路的输出电压以获得第一积分电压，该第一积分电压就是微处理器采样时积 分电路输出的电压。那么微处理器每一次采样即获得一个第一积分电压。
40.微处理器102在获取到第一积分电压后需要判断该第一积分电压处于哪一个电 压区间以获得判断结果，换句话说，微处理器102中预设有多个电压区间，该电压区 间即对微处理器102的输入电压范围的区间进行划分。在本发明一个具体的实施例中， 假设具有m个电压区间，当输入电流为负时，那么积分电路的输出电压成逐渐上升 的线性变化趋势并依次落入第一电压区间、第二电压区间
……
至第n电压区间。
41.当微处理器102在第一次采样时刻获取积分电路101的输出电压即为第一个第一 积分电压，判断该第一积分电压所处的电压区间后将获得判断结果输出给向所述控制 电路103。
42.控制电路103根据上述判断结果以及已输出的脉冲信号的个数输出对应个数的 脉冲信号。该输出的脉冲信号的个数可以根据实际情况进行调节。其中，第一积分电 压所处的电压区间与输出的脉冲信号的个数一一对应。
43.具体的实施例中，例如，在获取到第一积分电压前，尚未输出脉冲信号，即已输 出的脉冲信号的个数为零；在获取到第一积分电压后，判断结果为该第一积分电压位 于第一电压区间，那么控制电路根据该判断结果和已经输的脉冲信号的个数确定应该 输出1个脉冲信号；判断结果为该第一积分电压位于第二电压区间，那么根据该判断 结果和已输出的脉冲信号的个数确定应该输出2个脉冲信号，以此类推。
限区间以及下门限区间；其中，高于所述偏置电压的电压区间为上门限区间，低于所 述偏置电压的电压区间为下门限区间，所述上门限区间以及下门限区间均位于正电压 区间。以上述实施例为例，即低于u/2v的电压区间为下门限区间，高于u/2v的电 压区间为上门限区间，且上门限区间和下门限区间均在电压u内，因此均为正电压 区间。即当正向输入电流来临时，第二积分电压在下门限区间内变化；当负向输入电 流来临时，第二积分电压在上门限区间内变化。
52.本发明实施例还提供一种电流频率转换方法，如图2所示，包括：
53.步骤201，微处理器获取积分电路输出的第一积分电压，并判断所述第一积分电 压所处的电压区间；所述电压区间表征对所述微处理器的输入电压的区间划分；
54.步骤202，根据所述第一积分电压所处的电压区间输出判断结果至控制电路；
55.步骤203，所述控制电路根据所述判断结果以及已输出的脉冲信号的个数输出对 应个数的脉冲信号；
56.步骤204，当输出的所述脉冲信号的个数达到预设值时，由所述控制电路控制模 拟开关导通以令所述恒流源向所述积分电路输出反馈电流。
57.本发明实施例所述的一种电流频率转换方法，较佳的，所述微处理器获取积分电 路输出的第一积分电压前，所述方法还包括：
58.输出反馈信号至所述积分电路的输出端，以向所述第一积分电压增加一偏置电压。
59.本发明实施例所述的一种电流频率转换方法，较佳的，所述电压区间包括：上门 限区间以及下门限区间，其中，高于所述偏置电压的电压区间为上门限区间，低于所 述偏置电压的电压区间为下门限区间，所述上门限区间以及下门限区间均位于正电压 区间；
60.当所述积分电路输入负向输入电流时，所述第二积分电压位于所述上门限区间；
61.当所述积分电路输入正向输入电流时，所述第二积分电压位于所述下门限区间。
62.本发明实施例所述的一种电流频率转换方法，较佳的，所述恒流源向所述积分电 路输出反馈电流后，所述方法还包括：将之前已经计算过的所述脉冲信号的个数清零。 具体的，当输出反馈信号后，若，脉冲信号的个数清零以利于重新计数。而若第二积 分电压还位于上门限区间或者下门限区间的某一电压区间时，则仍然输出对应个数的 脉冲信号。
63.本发明实施例所述的一种电流频率转换方法，较佳的，所述方法具体包括：
64.当脉冲信号的个数低于预设值时且所述积分电路获取的输入电流呈线性变化时， 所述脉冲信号的个数为本次获取的第二积分电压所处的电压区间所对应的脉冲信号 的个数与上次获取的第二积分电压所处的电压区间所对应的脉冲信号的个数之差，也 可以理解为本次获取的第一积分电压所处的电压区间所对应的脉冲信号的个数与已 输出的脉冲信号的个数之差。具体的，在本实施例中，积分电路获取的输入电流呈线 性变化意味着输入电流要么为线性上升或者线性下降，在此种情况下不存在电流的转 折，即不存在电流换向的情形时，脉冲信号的个数n可以由以下公式获得：
65.n＝f*a ad(n)-ad(n-1)
66.当第二积分电压仍处于某一门限区间内时，f＝0且ad(n)＞＝ad(n-1)
67.当第二积分电压超过门限区间时，f＝1且ad(n)＝0。此时，脉冲信号的个数 达到预设值a。
68.当所述输入电流换向时，所述脉冲信号的个数为上次获取的第二积分电压所处的 电压区间所对应的脉冲信号的个数与本次获取的第二积分电压所处的电压区间所对 应的脉冲信号的个数之差。即可以采用公式：
69.n＝ad(n-1)-ad(n) ad(n)＜ad(n-1)
70.获得脉冲信号的个数n。
71.其中，f为调节系数，ad(n)代表第n次获取的第二积分电压到达的电压区间 对应的应该输出的脉冲信号的个数n，ad(n-1)代表第n-1次获取的第二积分电压 到达的电压区间对应的应输出的脉冲信号的个数n-1，a为脉冲信号的个数的预设值。
72.以下以一具体的实施例对本发明的方案进行完整的阐述。
73.在一个实施例中，微处理器上模数转换器的采样范围，即微处理器的输出电压范 围为0-3.3v，为了匹配该采样范围，需将0-3.3v的电压输入范围进行分区间量化。 具体的，在所述电流频率转换电路上电后，通过反馈电路输出的反馈脉冲事先给第一 积分电压增加一个1.6v的偏置电压以生成第二积分电压，使得积分电路的输入电流 为0ma时，第二积分电压稳定在1.6v，当正向输入电流来临时，第二积分电压向低 于1.6v方向降低，当负向输入电流来临时，第二积分电压向高于1.6v方向增加，因 此高于偏置电压的电压区间为上门限区间，即处于1.6v-3.3v之间的电压区间，低于 偏置电压的电压区间为下门限区间，即处于0v-1.6v之间的电压区间。
74.具体的，为避免门限之间电压差太小使得转换结果受到微处理器的文波干扰严重， 本实施例中以上述8个上门限区间和8个下门限区间为例对电流频率转换步骤进行阐 述。选取1.8v、1.9v、2.0v、2.1v、2.2v、2.3v、2.4v、2.5v作为上门限的边际值， 选取0.7v、0.8v、0.9v、1.0v、1.1v、1.2v、1.3v、1.4v作为下门限的边际值，在 任意相邻的两个边际值之间的区间以及超过上门限的边际值和下门限的边际值的区 间均定义为电压区间。换句话说，8个上门限区间为1.8v～1.9v、1.9v～2.0v、2.0v～2.1v、 2.1v-2.2v、2.2v～2.3v、2.3v～2.4v、2.4v～2.5v、2.5v以上；8个下门限为0.7v以下、 0.7v～0.8v、0.8v～0.9v、0.9v～1.0v、1.0v～1.1v、1.1v～1.2v、1.2v～1.3v、1.3v～1.4v。 每个上门限的边际值或上门限的边际值间隔一般是100mv，以避免文波干扰。同时 最小上门限的边际值1.8v与偏置电压1.6v或者最大下门限的边际值1.4v与偏置电 压1.6v仍有余量，防止输入电流太大，积分太快，反馈还未到达的时候，第二积分 电压就冲过模数转换器的输入范围，造成误差。
75.如图3所示，以8个下门限0.7v以下、0.7v～0.8v、0.8v～0.9v、0.9v～1.0v、 1.0v～1.1v、1.1v～1.2v、1.2v～1.3v、1.3v～1.4v为例对本发明实施例进行具体说明。
76.在本实施例中积分电路输入正向输入电流，积分电路输出的积分电压降低。当微 处理器第一次采样时，微处理器获得的第二积分电压处于1.4v～1.6v之间时，尚未经 过任何电压区间，因此正向脉冲输出的脉冲信号为0个；当第二次采样时，微处理器 获得的第二积分电压位于1.2v～1.3v之间，即经过了两个电压区间，此时对应的正向 脉冲输出的脉冲信号为2个，由于上一次采样时正向脉冲输出的脉冲信号为0个，因 此此时应该输出2个正向脉冲信号。以此类推，当第二积分电压小于0.7v时，也就 是第8个下门限区间时，一共输出了8个脉冲信号，此时控制电路控制模拟开关导通 一个时钟周期，对积分电路进行一次负反馈以拉高第二积分电压。若反馈后的第二积 分电压拉高到大于1.4v之上，即没有位于任何一个电压区间时，重新开始计数。第 二轮计数时，积分电压降至0.9v～1.0v之间时，输
入电流换向导致积分电压升高，因 此在下一次采集积分电压时应该输出负向脉冲信号。由于积分电压处于1.1v～1.2v之 间，因此根据输入电流换向时的计算公式可以得到此时应该输出2个负向脉冲信号。
77.在本发明另一较佳的实施例中，由于微处理器中的模数转换器采样时有采样频率， 数据处理也有处理周期，故每次采样需要一定的时间间隔。因此有可能一次时间间隔 内第二积分电压直接由1.6v下降到0.8v-0.9v下门限区间中间某一个数，即下降到 第6个电压区间，那么由于上一次没有输出脉冲信号，那么此次正向脉冲输出的脉冲 信号为6个脉冲。即根据上述公式n＝f* ad(n)-ad(n-1)也可以得到 n＝0*8 6-0＝6。
78.本发明实施例还提供一种电流频率转换系统，如图4所示，包括：时钟电路401、 温补电路402、输出电路403以及如上任一具体实施例中所述的电流频率转换电路404， 其中，所述电流频率转换电路404接收加速度计输出的电流信号并转换为脉冲信号， 所述温补电路402对电流频率转换电路404进行温度补偿，所述时钟电路401为所述 电流频率转换电路提供时钟信号，所述输出电路为所述电流频率转换电路增加驱动电 流。
79.较佳的实施例中，所述电流频率转换电路中的微处理器选用stm32f429单片机， 控制电路选用epm570t100i4。stm32f429芯片供电电压为3.3v，配用lt3083efe 芯片。其中c34、c35、c36为滤波电容，c34、c35为10uf，c36容值为104。r137 电阻连接芯片的7号管脚，7号管脚set为设置管脚，用来设置输出电压，r137阻 值选用了66.5k，对应输出电压为3.3v。
80.其中stm32f429软件部分使用c语言和verilog语言进行程序设计，其中 stm32f429首先进行上电后的初始化，控制3个12位模电转换器对第二积分电压进 行采样，经过滤波处理后，电压信号进行电压区间比对，将比对结果发送给控制电路， 控制电路获取微处理器中的模数转换器送来的判断结果，根据判断结果控制接口电路 向外输出脉冲，同时控制电路根据比对结果控制模拟开关实现恒流源的反馈控制。
81.应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺 序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的 实施过程构成任何限定。
82.还应理解，在本发明实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联 关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存 在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象 是一种“或”的关系。
83.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单 元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说 明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成 及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设 计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功 能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
84.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系 统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再 赘述。
85.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可 以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所 述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如 多个单元或组
件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执 行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接 口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
86.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显 示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到 多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实 施例方案的目的。
87.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以 是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集 成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
88.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用 时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案 本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件 产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以 使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各 个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只 读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random accessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
89.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例 的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术 人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。