第３２卷第６期 ２ ０ １ １年６月 兵 工 学 报
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ ＶＯ１．３２ ＮＯ．６
Ｊｕｎ． ２０１１
高精度Ｖ／Ｆ转换电路的温度补偿方法 董明杰，汪渤，石永生，高志峰 （北京理工大学自动化学院，北京１０００８１）
摘要：通过对电荷平衡式Ｖ／Ｆ转换电路的理论分析，找出了Ｖ／Ｆ转换电路零位温度漂移及标 度因数温度漂移的主要影响因素。针对零位的漂移，提出了选择元器件的原则。在满量程输出为 ２００～２００ ｋＨｚ情况下，全温度范围内转换电路零位的变化不大于０．５ Ｈｚ．针对标度因数的漂移， 设计了一个结构简单的温度补偿电路，通过温度补偿，Ｖ／Ｆ转换电路的标度因数平均温度系数可以 控制在２ Ｘ １０ ／℃以内。 关键词：电子技术；高精度；Ｖ／Ｆ转换电路；温度漂移；温度补偿 中图分类号：ＴＪ７６５．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—１０９３（２０１ １）０６—０７５８—０６
Ａ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｖ／Ｆ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＤＯＮＧ Ｍｉｎｇ—ｊｉｅ，ＷＡＮＧ Ｂｏ，ＳＨＩ Ｙｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＧＡＯ Ｚｈｉ—ｆｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｂａｌａｎｃｅ ｔｙｐｅ Ｖ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｖ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｚｅｒｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ ａｎｄ ｓｃａｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ ａｒｅ ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ．Ｆｏｒ ｚｅｒｏ ｄｒｉｆｔ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ ｆｒｏｍ一４０ ｃｃ ｔｏ ６０℃ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｎｏｔ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ０．５ Ｈｚ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ一２００ ｋＨｚ一２００ ｋＨｚ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ，ａ ｓｉｍｐｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｔｅｒｎ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｖ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｃａｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ２ Ｘ １０一 ／ｑＣ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；Ｖ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｌ— ｐｅｎｓａｔｉｏｎ
０ 引言 Ｖ／Ｆ转换电路具有抗干扰能力强、测量范围宽 以及测量信息不丢失等特性，作为信号转换电路被 广泛应用于捷联惯导系统内 。为了提高精度，捷 联惯导系统进行标定后才能使用，主要对惯性器件 及Ｖ／Ｆ转换电路的温度漂移进行标定补偿。由于 温度传感器一般安装在惯性器件内部，Ｖ／Ｆ转换电 路的温度与惯性器件内的温度有较大差异，若Ｖ／Ｆ 转换电路的温度漂移过大，在进行系统标定后的剩 余误差依然不能满足要求，因此，需要研究影响Ｖ／Ｆ 转换电路的温度漂移的因素，并找出减小温度漂移 的解决方案。 １ Ｖ／Ｆ转换电路结构和原理 Ｖ／Ｆ转换电路有两种常用类型：多谐振荡器式 和电荷平衡式。由于电荷平衡式比多谐振荡式的转 换电路精度明显高，因此在惯导系统中多采用电荷 平衡式的Ｖ／Ｆ转换电路。电荷平衡式转换电路根 据逻辑控制电路的不同，可分为恒流源变宽度反馈
收稿日期：２Ｏ１０—０６—２９ 作者简介：董明杰（１９７５ ），男，讲师，博士研究生。Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｏｎｇｍｉｎｇｊｉｅ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 第６期 高精度Ｖ／Ｆ转换电路的温度补偿方法 ７５９ 方案及恒流源等宽度反馈方案，由于恒流源等宽反 馈方案的线性度明显高于恒流源变宽反馈方案，在 高精度Ｖ／Ｆ转换电路中通常采用等宽反馈方案。 根据定时器的实现方式，又可分为ＲＣ积分式定时 器方案及时钟同步方案，由于采用时钟同步方案，可 以通过设计逻辑电路，使得反馈宽度与输入的高精 度时钟进行精确同步，定时准确，同时便于对输出频 率进行精确测试，因此，在高精度Ｖ／Ｆ转换电路中 通常采用时钟同步方案 。图１画出了高精度Ｖ／Ｆ 转换电路的实现框图。 Ｃ 图１ 高精度Ｖ／Ｆ转换电路的结构框图 Ｆｉｇ．１ Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｖ／Ｆ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ’ｓ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ 根据图１，Ｖ／Ｆ转换电路由积分电路、比较电 路、逻辑控制电路、频标电路、开关电路、恒流源基准 电路及输出电路组成。其中，运算放大器 ．及电容 ｃ组成了积分电路，４ 、Ａ 为恒流源电路，Ｄ 、Ｄ 、 Ｄ 、Ｒ 、 、 组成了一路开关电路，Ｄ 、Ｄ 、Ｄ６、Ｒ：、 Ｒ 、Ｒ 、 组成了另外一路开关电路。 当被测电压 为正时，逻辑控制电路使得ｃＦ 信号恒为高电平， 三极管饱和导通，恒流源 将 电流通过 流人信号地端，不参与积分电路的工 作，负路输出信号．厂，一保持为高电平；当被测电压 为负时，逻辑控制电路使得ＣＺ信号恒为低电平， 三极管饱和导通，恒流源Ａ。将电流通过 。流入信 号地端，不参与积分电路的工作，正路输出． ＋保持 为高电平。从电路结构上看， ＞０时与 ＜０时， 电路中正负两部分可以分别独立工作，互不影响，在 下面分析时，只考虑Ｖｘ＞０时的情况。 假定恒流源电流为，…，当 ＞０时，对积分电 容Ｃ充电，充电电流为， ＝Ｖ ／Ｒ ，积分运放输出电 压逐渐减小，当减小到一定值时，比较电路输出高电 平，通过逻辑控制电路输出控制信号ＣＺ为高电平， 三极管截至，恒流源电流从积分电路流出，电容 ｃ上的电荷以恒定电流放电，放电电流为：，，＝，…一 Ｖｘ／Ｒ ，积分运放输出电压开始增大，当增大到一定 程度后，比较电路输出低电平，通过逻辑控制电路输 出控制信号ＣＺ为低电平，ｒ，＿三极管饱和导通，恒流 源电流通过 流入信号地，积分电路由 对电容 ｃ充电，充电电流为， ＝Ｖ／Ｒ ．如此循环，从整体上 看整个积分电路达到电荷平衡，由于采用等宽反馈 方案，每个周期内ＣＺ信号的高电平时间固定，通过 测量ＣＺ信号的频率，就可计算出恒流源流出积分 器的平均电流，从而可计算出被测电压。图２画出 了电路工作时积分运放的输出波形及开关电路的状 态波形
图２ Ｖ／Ｆ转换电路的输出波形 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ Ｖ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ’ｓ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ
２影响Ｖ／Ｆ转换电路精度的因素 若恒流源电流值为，…，频标信号的频率为 ， 输入电流，Ｉ＝ ，输出频率为ｆｘ，通过设计逻辑电 路，选择合适的分频系数ｋ，可以使得恒流源反馈时 １ 问ｔ，＝ｋ×÷，理想情况下，根据电荷平衡原理，输入
电流与恒流源反馈电流的平均值相等，即： １ ， 一×ｔ１￣ｉｘ一…×ｋ×÷￣ｆｘ，
于是可得： １ ｆ ÷× ×， ． （１）
１根据式（１），理想情况下输出频率 与输入电
流， 成线性关系，从而与输入电压 成线性关系。 由于积分电路、恒流源切换电路等都存在着非理想 情况，只有充分分析各种影响因素，才能设计出高性 能的Ｖ／Ｆ转换电路 。
２．１积分电路漏电流的影响 由于运算放大器存在偏置电流及失调电压，同 时积分电容存在漏电流，使得电路中存在漏电流，考 虑的上述因素影响，积分电路的等效电路见图３． 根据图３，由运算放大器失调电压引起的漏电 ７６０ 兵 工 学 报 第３２卷 图３ 积分电路的误差等效电路图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ’Ｓ ｅｒｒｏｒ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ
流为 ￣ｉｏ，由运算放大器偏置电流引起的漏电流为 ， 积分电容Ｃ的漏电流为 ．因此参与积分 电路充放电的电流中除了输入电流， 和反馈电流 外，还存在着一个很小的漏电流，该漏电流的值为 ＶｉｏＩｏ ｉｏ＋／
ｉｏ（２）＋ ， （２）
于是式（１）可修改为 亡× 一，【】）＝
÷× ｘ， 一÷× ㈩ 从式（３）可以看出，积分电路的性能只影响Ｖ／ Ｆ转换电路的零位，不影响标度因数，从而不影响线 性度。 ２．２恒流源切换电路的影响 从式（１）可以看出，恒流源切换电路会影响，… 的值，影响的途径有两条，首先，恒流源基准变化，真 实的恒流源值与理论值，…有一定误差，通过选择高 精度基准源，该误差可以忽略不计，因此，在后面的 公式计算仍旧使用，…；其次，恒流源切换过程存在 过渡过程 ，过渡过程中电流的值小于，…，这样使 得整个反馈时间内反馈电流的平均值减小，从而使 得输出频率大于理论值。图４是恒流源切换的过渡 过程示意图。 在图４中，ｔ。 为恒流源的等效过渡过程，，…为 恒流源的幅值， ．为恒流源流人积分电路时间，即恒 流源反馈宽度。假定过渡过程中电流的平均值为 ， 则时间ｔ 内电流的平均值为
图４ 恒流源切换的过渡过程示意图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ
［１—１一ｉ１）× ｔｏｎ］ｘ，… ． （４） 根据式（４），时间ｔ 内电流的实际值与理论值 的误差为
Ｉ—Ｉ，ｌ ｔ。 ×—竺 ＋（ｔｌ—ｔ。 ）×， ．一ｔＩ×，“ 凡 ｔ１×Ｉ
ｔ（ 一 ） （５）
用式（４）替换式（３）中的， 得到一个考虑到 恒流源过渡过程的转换关系式 ÷等， 一 等，ｏ＝
１ ｋ Ｉｏ
，
（６） 从式（６）看出，恒流源切换过程中存在过渡过 程，导致Ｖ／Ｆ转换电路的标度因数及零位都有误 差。 ２．３ 分频系数 及频标 的影响 从式（６）可以看出，当分频系数ｋ及频标 ，发 生变化时，输出频率 也会跟着变化。由于分频系 数ｋ可以通过数字逻辑、时序电路精确实现，不会随 着温度等因素的改变而改变，可忽略 值变化对输 出频率 的影响。频率信号并不能直接被计算机 读取，需要设计频率测试电路，将频率信号转换成数 字信号，才能被计算机读取。 在捷联惯导系统中，常用定时计数的方法测试 频率，即设定一个精确的计数时间，在该时间内计算 通过的脉冲个数，用计算的脉冲个数除以定时时间 即可得出测试频率。 为了阐述方便，将式（６）简化如下