一种对称式高速高精度电压–频率转换电路及转换方法技术

本发明专利技术涉及一种对称式高速高精度电压–频率转换电路及转换方法，属于电力技术领域。本发明专利技术由符号电路、积分电路、比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号ui由符号电路的输入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输出端uo1与积分电路的输入端相连接，积分电路的输出端uo2与比较电路的输入端相连接，比较电路的一个输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端uo为系统的输出端，电子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接。本发明专利技术解决了现有模拟电压—频率转换技术中转换误差随输出频率的升高急剧增大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种对称式高速高精度电压–频率转换电路及转换方法
本专利技术涉及一种对称式高速高精度电压–频率转换电路及转换方法，属于电力

技术介绍
在恒能量斩波方式合成100KH以上的中大功率正弦电压或电流波形的过程中，需要用到输出频率范围为0～4MHz的高速高精度电压—频率转换电路来作为系统的控制单元。由于用数字方式完成此类波形的动态运算量很大，因此，即使用当前速度最快的DSP芯片来实现，其最高输出频率只能到达300KHz左右，离目标要求的最高输出频率4MHz相距甚远，为此，只能采用模拟方式实现，但在已有技术中，无论是电荷平衡式还是复位式模拟电压—频率的转换电路，其转换误差都将随着输出频率的升高而急剧增大。原因是在这两类转换电路中，线性积分电路的输出波形均为锯齿波，如图1所示。其中，在决定电压—频率转换精度的线性积分电路中，只有正程时间T1是输入电压绝对值的倒数，而逆程时间T2则是固定的。这样，由于输出波形的周期为：T=T1+T2，而输出频率为：f=1∕T=1∕(T1+T2)，不难看出，只有当T1＞＞T2时，才有T≈T1和f≈1∕T=1∕T1。实际上，随着输入电压幅值的不断增大，正程时间T1将逐渐变小，但由于逆程时间T2固定，所以转换误差必将随着输出频率的升高而急剧增大。实测表明，在转换后的输出频率在最高极限的50%～100%范围内时，实际输出的频率要低于理论计算值的10%～30%以上，从而导致最终合成的正弦波在幅度上全面失真。由于这种电压—频率转换方法已使功率主开关器件在20nS左右的极限速度下开通和关断，因此，已不可能通过提高开关器件的转换速度或采用深度负反馈等方式来减小这种失真了，唯一的办法另找解决问题的新途径。
技术实现思路
本专利技术提供了一种对称式高速高精度电压–频率转换电路及转换方法，以用于解决现有模拟电压—频率转换技术中转换误差随输出频率的升高急剧增大的问题。本专利技术的技术方案是：一种对称式高速高精度电压–频率转换电路，由符号电路、积分电路、比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号ui由符号电路的输入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输出端uo1与积分电路的输入端相连接，积分电路的输出端uo2与比较电路的输入端相连接，比较电路的一个输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端uo为系统的输出端，电子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接。所述符号电路由运算放大器A1，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6共同构成，并由电子开关电路中的受控开关SW的通断状态控制符号电路的不同运算组态，从而实现增益正负交替。所述对称校正电路输出电压值为可调；其中通过调整对称校正电路的输出电压值，使得在输入电压的全范围内符号电路的输出幅值完全对称。一种对称式高速高精度电压–频率转换方法，所述方法的具体步骤如下：Step1、输出电压uo控制电子开关电路中的受控开关SW的通断状态，进而控制符号电路的不同运算组态，最终控制符号电路的增益：Step1.1、当输出电压uo满足输出为高电平uo=uoH时，电子开关电路中的受控开关SW断开，使符号电路的增益为+1，则uo1=ui；Step1.2、当输出电压uo满足输出为低电平uo=uoL时，电子开关电路中的受控开关SW闭合，使符号电路的增益为-1，则uo1=—ui；Step2、将保留了输入电压信号ui幅值特征的正负交替周期性信号uo1送入积分电路，产生三角波信号uo2：Step2.1、当uo1为低电平，则电容放电，uo2上升；Step2.2、当uo1为高电平，则电容充电，uo2下降；Step3、将积分电路输出的正三角波信号uo2与输出电压信号uo通过R8、R9串联电阻分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比较：Step3.1、当A3的同相输入端电压大于0V，则uo=uoH；Step3.2、当A3的同相输入端电压小于0V，则uo=uoL；Step4、重复执行步骤Step1-步骤Step3；得出uoH与uoL交替出现，从而产生输出频率fo与输入电压ui的绝对值成正比的矩形波uo。本专利技术的工作原理是：电路构成如下：符号电路由集成运放A1及电阻R1～R6共同构成，并由电子开关电路中受控开关SW的通断状态控制符号电路的不同运算组态，实现增益正负交替；积分电路为传统集成运放构成的积分运算电路，由集成运放A2、电阻R7及电容C共同构成；比较电路由集成运放A3和电阻R8、R9共同构成，uo2与uo通过R8、R9串联电阻分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比较，R9为正反馈环节，进一步加快输出矩形波的上升、下降沿时间；电子开关电路采用视频模拟开关集成电路PI5V330，由比较电路输出端信号控制，受控开关接入符号电路的电阻网络，其通断状态改变符号电路的不同运算组态；对称校正电路XZ采用分压加电压跟随的方式构成可调电压范围为±0.3V、最大输出电流为3mA的可调直流电压源；所述电源电路为7805和7905三端集成稳压电路组成的±5V对称电源。电路转换方法的工作原理如下：输出电压uo控制电子开关电路中受控开关SW的通断状态，进而控制符号电路的不同运算组态，最终控制符号电路的增益：uo=uoH（输出为高电平）时，电子开关电路中的受控开关SW断开，使符号电路的增益为+1，这时uo1=ui；uo=uoL（输出为低电平）时，电子开关电路中的受控开关SW闭合，使符号电路的增益为-1，这时uo1=-ui；实现将输入电压信号ui转换为幅值不变但极性为正负交替的周期性信号uo1。将保留了输入电压信号ui幅值特征的正负交替周期性信号uo1送入积分电路，产生三角波信号uo2：如果uo1为低电平，电容放电，uo2上升，如果uo1为高电平，电容充电，uo2下降。uo1的幅值大小与积分电路的正程或者逆程的时间成反比，而uo1又是保留了输入电压信号ui幅值特征的正负交替周期性信号，因此uo2的电压波形中正程或者逆程时间都与输入电压ui的绝对值成反比，为对称正三角波。比较电路中，积分电路输出的正三角波信号uo2与输出信号uo通过R8、R9串联电阻分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比较：如果A3的同相输入端电压大于0V，则uo=uoH，如果A3的同相输入端电压小于0V，则uo=uoL；由于积分电路输出电压波形的正程或者逆程时间都与输入电压ui的绝对值成反比，因此比较电路输出高、低电平的时间也与输入电压ui的绝对值成反比；uoH与uoL交替出现，构成对称矩形波uo，其频率fo与输入电压ui的绝对值成正比。单限比较器加入了正反馈环节R9，可进一步加快输出矩形波的上升、下降沿时间。若由于R1～R6的阻值误差和电子开关电路中的受控开关SW的直流电阻不为0而导致符号电路的输出幅值不对称，则对转换误差产生较大的影响，消除误差的方法是调整对称校正电路XZ的输出电压值，使之在输入电压ui的全范围内，符号电路的输出幅值均完全对称即可。电路转换方法工作原理也可以解释如下：uo为低电平期间，由于符号电路的增益为-1，uo1=-ui，该值输入积分电路，使得uo本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对称式高速高精度电压–频率转换电路，其特征在于：由符号电路、积分电路、比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号ui由符号电路的输入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输出端uo1与积分电路的输入端相连接，积分电路的输出端uo2与比较电路的输入端相连接，比较电路的一个输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端uo为系统的输出端，电子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接。

【技术特征摘要】
1.一种对称式高速高精度电压–频率转换电路，其特征在于：由符号电路、积分电路、比较电路、对称校正电路、电子开关电路和电源电路组成；其中输入信号ui由符号电路的输入端输入，符号电路的控制端与电子开关电路的上端相连接，符号电路的输出端uo1与积分电路的输入端相连接，积分电路的输出端uo2与比较电路的输入端相连接，比较电路的一个输出端与电子开关电路的控制端相连接，比较电路的另一个输出端uo为系统的输出端，电子开关电路的下端与对称校正电路的输出端相连接；所述符号电路由集成运放A1及电阻R1～R6共同构成，并由电子开关电路中受控开关SW的通断状态控制符号电路的不同运算组态，实现增益正负交替；积分电路为传统集成运放构成的积分运算电路，由集成运放A2、电阻R7及电容C共同构成；比较电路由集成运放A3和电阻R8、R9共同构成，uo2与uo通过R8、R9串联电阻分压共同作用于集成运放A3的同相输入端，与A3的反相输入端的零电平进行过零电压比较，R9为正反馈环节，进一步加快输出矩形波的上升、下降沿时间；电子开关电路采用视频模拟开关集成电路PI5V330，由比较电路输出端信号控制，受控开关接入符号电路的电阻网络，其通断状态改变符号电路的不同运算组态；对称校正电路XZ采用分压加电压跟随的方式构成可调电压范围为±0.3V、最大输出电流为3mA的可调直流电压源；所述电源电路为7805和79...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉虹，张晓凡，王潇，卢诚，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53