本發(fā)明涉及一種信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。

背景技術(shù)：

在工業(yè)生產(chǎn)控制場(chǎng)合，許多產(chǎn)品的加工和裝配工藝過程需要對(duì)產(chǎn)品或設(shè)備進(jìn)行跟蹤和定位信號(hào)，但被跟蹤對(duì)象往往受結(jié)構(gòu)和環(huán)境的限制遠(yuǎn)離控制臺(tái)，獲取控制信號(hào)的地方距離控制器比較遠(yuǎn)，或者被控制對(duì)象離處理器比較遠(yuǎn)，這時(shí)就需要進(jìn)行信號(hào)傳輸。電壓信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中易受到干擾，一般要轉(zhuǎn)換成時(shí)間信號(hào)來傳輸，以提高系統(tǒng)抗干擾能力。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路技術(shù)也在不斷的進(jìn)步與發(fā)展，時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換更易于實(shí)現(xiàn)，便于對(duì)控制信號(hào)的后續(xù)處理。

電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換器是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間信號(hào)的電路,該電路需要有良好的精度及線性輸人的特點(diǎn)，傳統(tǒng)上主要有兩種測(cè)量方法，一種是采用與數(shù)字電壓表原理相同的雙積分轉(zhuǎn)換技術(shù)，如果電壓轉(zhuǎn)換成的時(shí)間是轉(zhuǎn)換電路工作脈沖的N個(gè)周期，則所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間要大于工作脈沖的2N個(gè)周期，被轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)越大轉(zhuǎn)換精度要求越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長，這極大的限制了電路的轉(zhuǎn)換速率，并且對(duì)小信號(hào)的電壓信號(hào)而言，電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，抗干擾能力均比較差，無法高精度地實(shí)現(xiàn)電壓到時(shí)間的轉(zhuǎn)換。另一種電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換電路是基于電荷平衡原理，產(chǎn)生與輸入電壓信號(hào)成正比的時(shí)間脈沖信號(hào)，由于電荷平衡電路采用的是正反兩個(gè)方向的積分平衡電路，該積分電路的非線性無法消除，尤其對(duì)小信號(hào)影響比較大，此外輸入電壓信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)再進(jìn)行比較，所以對(duì)比較器的性能要求大大提高，為了降低比較器的失調(diào)，它的前級(jí)需要功放進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這會(huì)給電路帶來更大的功耗和復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種在較大輸入電壓變化范圍內(nèi)電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換保持良好的線性特性，能提高電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換精度，降低了轉(zhuǎn)換時(shí)間的電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換電路。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，包括方波信號(hào)、反相積分電路、電壓跟隨器、電壓比較器、四選一開關(guān)控制電路，反相積分電路包括電阻R₁、運(yùn)算放大器A₁、電容C，電阻R₁的一端與方波信號(hào)U_f相連，電阻R₁的另一端與運(yùn)算放大器A₁的反相端相連，運(yùn)算放大器A₁的反相端通過電容C與運(yùn)算放大器A₁的輸出端U₀₁相連，運(yùn)算放大器A₁的同相端接地，電壓跟隨器包括運(yùn)算放大器A₂、運(yùn)算放大器A₅，串聯(lián)后的電阻R₂、R₃的一端與電源U₊相連，串聯(lián)后的電阻R₂、R₃的另一端與運(yùn)算放大器A₁的輸出端相連，運(yùn)算放大器A₂的同相端連接在串聯(lián)后的電阻R₂、R₃之間，這里R₂=R₃，運(yùn)算放大器A₂的反相端與運(yùn)算放大器A₂的輸出端U₀₂相連，運(yùn)算放大器A₅的同相端與四選一開關(guān)控制電路的輸出端相連，運(yùn)算放大器A₅的反相端與運(yùn)算放大器A₅的輸出端相連，運(yùn)算放大器A₅的輸出端輸出為時(shí)間寬度與被轉(zhuǎn)換電壓U_i成正比的脈沖電壓信號(hào)U₀，電壓比較器包括運(yùn)算放大器A₃、運(yùn)算放大器A₄，運(yùn)算放大器A₃的反相端與被轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)輸入U(xiǎn)_i相連，運(yùn)算放大器A₃的同相端與運(yùn)算放大器A₂的輸出端U₀₂相連，運(yùn)算放大器A₄的反相端與運(yùn)算放大器A₂的輸出端U₀₂相連，運(yùn)算放大器A₄的同相端接地，四選一開關(guān)控制電路的兩邏輯選通控制信號(hào)輸入端A、B分別與運(yùn)算放大器A₃的輸出端U₀₃及運(yùn)算放大器A₃的輸出端U₀₄相連，四選一開關(guān)控制電路的其中一開關(guān)輸入與恒定電壓U相連，四選一開關(guān)控制電路的另三個(gè)開關(guān)輸入接地，四選一開關(guān)控制電路的四路開關(guān)輸入經(jīng)兩邏輯選通控制信號(hào)A、B選通一路作為四選一開關(guān)控制電路的輸出，四選一開關(guān)邏輯選通控制電路的開關(guān)選通是這樣實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)兩邏輯選通控制信號(hào)輸入端A、B均為低電平時(shí)，四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與恒定正電壓U相連的其中一開關(guān)閉合，當(dāng)兩信號(hào)輸入端A、B不全為低電平時(shí)，四選一開關(guān)控制電路的輸出分別選通與接地相連的另三個(gè)開關(guān)中的一個(gè)閉合，其中U₊/2>U_i。

工作時(shí)，以一定重復(fù)周期（如100ms）的方波信號(hào)U_f被加到反相積分電路的輸入端，當(dāng)被積分的信號(hào)U_f是低電平，即U_f=0V時(shí)，積分器輸出U_O1為零，U_O1經(jīng)R₂、R₃和U構(gòu)成的電壓提升電路升壓和運(yùn)算放大器A₂構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離，U_O2=U₊/2，由于U₊/2>U_i>0，并且U_O2=U₊/2同時(shí)加到電壓比較器A₃的同相端和電壓比較器A₄的反相端，電壓比較器A₃輸出高電平，此電平被加到四選一開關(guān)電路的邏輯選通控制位A，即A=1，電壓比較器A₄輸出低電平，此電平被加到四選一開關(guān)控制電路的邏輯選通控制位B，即B=0，A=1、B=0時(shí)四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與GND（為接地符號(hào)，其表示的電位為零）連接，經(jīng)運(yùn)算放大器A₅構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離輸出，其輸出U_o=0V。

當(dāng)被積分的信號(hào)U_f是高電平，如U_f=＋5V時(shí)，積分器輸出U_O1是一條初始值為零且斜率為負(fù)值的直線。積分器輸出U_O1經(jīng)R₂、R₃和U₊構(gòu)成的電壓提升電路升壓和運(yùn)算放大器A₂構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離，積分器的輸出被增加了U₊/2 ，即U_O2為初始值為U₊/2斜率為負(fù)的直線。當(dāng)積分器輸出下降，U_O2也隨之下降。當(dāng)U_O2>U_i>0時(shí)，整個(gè)電路保持被積分的信號(hào)U_f是低電平，即U_f=0V時(shí)的狀態(tài)；當(dāng)下降到U_O2≤U_i時(shí)，電壓比較器A₃由高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，A=0，電壓比較器A₄狀態(tài)不變，B=0，A=0、B=0時(shí)四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與恒定正電壓U連接，經(jīng)運(yùn)算放大器A₅構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離輸出，其輸出U_o為恒定正電壓U；當(dāng)下降到U_O2≤0V時(shí)，電壓比較器A₄由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，B=1，電壓比較器A₃狀態(tài)不變，此時(shí)A=0、B=1時(shí)四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與GND（為接地符號(hào)，其表示的電位為零）連接，經(jīng)運(yùn)算放大器A₅構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離輸出，其輸出U_o=0V。顯然在0≤U_O2≤U_i期間，A=0、B=0，運(yùn)算放大器A₅輸出保持U_o為恒定正電壓U，保持的時(shí)間為T，由于T與U_i以及積分輸出的直線構(gòu)成直角三角形關(guān)系，所以T=kU_i，k是常系數(shù)，即當(dāng)U_i是被轉(zhuǎn)換的電壓變化時(shí)，運(yùn)算放大器A₅輸出電壓U_o的寬度T也隨之成比例地變化，即實(shí)現(xiàn)了電壓到時(shí)間的轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明與已有技術(shù)相比，由于采用反相積分電路、電壓跟隨器，電壓比較器、四選一開關(guān)控制電路等，直接采用電壓比較，避免了傳統(tǒng)方案中雙積分轉(zhuǎn)換或電壓到電流的轉(zhuǎn)換后再比較的方法，實(shí)現(xiàn)在較大輸入電壓變化范圍內(nèi)電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換保持良好的線性特性，提高了電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換精度，降低了轉(zhuǎn)換時(shí)間。因此，具有電路簡單可靠，抗干擾能力強(qiáng)，電路數(shù)字兼性強(qiáng)適用于TTL、COMS等主要邏輯電路、動(dòng)態(tài)能量損耗小的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電路圖；

圖2為電壓到時(shí)間轉(zhuǎn)換的波形圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖1所示，本發(fā)明包括方波信號(hào)、反相積分電路、電壓跟隨器、電壓比較器、四選一開關(guān)控制電路，反相積分電路包括電阻R₁、運(yùn)算放大器A₁、電容C，電阻R₁的一端與方波信號(hào)U_f相連，方波信號(hào)U_f是重復(fù)周期為100ms，電壓為+5V的方波，電阻R₁的另一端與運(yùn)算放大器A₁的反相端相連，運(yùn)算放大器A₁的反相端通過電容C與運(yùn)算放大器A₁的輸出端U₀₁相連，運(yùn)算放大器A₁的同相端接地，電壓跟隨器包括運(yùn)算放大器A₂、運(yùn)算放大器A₅，串聯(lián)后的電阻R₂、R₃的一端與電源U₊相連，串聯(lián)后的電阻R₂、R₃的另一端與運(yùn)算放大器A₁的輸出端相連，運(yùn)算放大器A₂的同相端連接在串聯(lián)后的電阻R₂、R₃之間，這里R₂=R₃，運(yùn)算放大器A₂的反相端與運(yùn)算放大器A₂的輸出端U₀₂相連，運(yùn)算放大器A₅的同相端與四選一開關(guān)控制電路的輸出端相連，運(yùn)算放大器A₅的反相端與運(yùn)算放大器A₅的輸出端相連，運(yùn)算放大器A₅的輸出端輸出為時(shí)間寬度與被轉(zhuǎn)換電壓U_i成正比的脈沖電壓信號(hào)U₀，電壓比較器包括運(yùn)算放大器A₃、運(yùn)算放大器A₄，運(yùn)算放大器A₃的反相端與被轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)輸入U(xiǎn)_i相連，運(yùn)算放大器A₃的同相端與運(yùn)算放大器A₂的輸出端U₀₂相連，運(yùn)算放大器A₄的反相端與運(yùn)算放大器A₂的輸出端U₀₂相連，運(yùn)算放大器A₄的同相端接地，四選一開關(guān)控制電路的兩邏輯選通控制信號(hào)輸入端A、B分別與運(yùn)算放大器A₃的輸出端U₀₃及運(yùn)算放大器A₃的輸出端U₀₄相連，四選一開關(guān)控制電路的其中一開關(guān)輸入與恒定電壓U相連，四選一開關(guān)控制電路的另三個(gè)開關(guān)輸入接地，四選一開關(guān)控制電路的四路開關(guān)輸入經(jīng)兩邏輯選通控制信號(hào)A、B選通一路作為四選一開關(guān)控制電路的輸出，四選一開關(guān)邏輯選通控制電路的開關(guān)選通是這樣實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)兩邏輯選通控制信號(hào)輸入端A、B均為低電平時(shí)，四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與恒定正電壓U相連的其中一開關(guān)閉合，當(dāng)兩信號(hào)輸入端A、B不全為低電平（即A=1、B=0；A=1、B=1；A=0、B=1）時(shí)，四選一開關(guān)控制電路的輸出分別選通與接地相連的另三個(gè)開關(guān)中的一個(gè)閉合，其中U₊/2>U_i。

工作時(shí)，方波信號(hào)U_f被加到反相積分電路的輸入端，當(dāng)被積分的信號(hào)U_f是低電平，即U_f=0V時(shí)，積分器輸出U_O1為零，U_O1經(jīng)R₂、R₃和U構(gòu)成的電壓提升電路升壓和運(yùn)算放大器A₂構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離，U_O2=U₊/2，由于U₊/2>U_i>0，并且U_O2=U₊/2同時(shí)加到電壓比較器A₃的同相端和電壓比較器A₄的反相端，電壓比較器A₃輸出高電平，此電平被加到四選一開關(guān)電路的邏輯選通控制位A，即A=1，電壓比較器A₄輸出低電平，此電平被加到四選一開關(guān)控制電路的邏輯選通控制位B，即B=0，A=1、B=0時(shí)四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與GND（為接地符號(hào)，其表示的電位為零）連接，經(jīng)運(yùn)算放大器A₅構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離輸出，其輸出U_o=0V。

如圖2所示，當(dāng)被積分的信號(hào)U_f是高電平＋5V時(shí)，積分器輸出U_O1是一條初始值為零且斜率為負(fù)值(－1/RC)的直線C。積分器輸出U_O1經(jīng)R₂、R₃和U₊構(gòu)成的電壓提升電路升壓和運(yùn)算放大器A₂構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離，積分器的輸出被增加了U₊/2，即U_O2為初始值為U₊/2斜率為負(fù)值(－1/RC)的直線D。當(dāng)積分器輸出下降，U_O2也隨之下降。當(dāng)U_O2>U_i>0時(shí)，整個(gè)電路保持被積分的信號(hào)U_f是低電平，即U_f=0V時(shí)的狀態(tài)；當(dāng)下降到U_O2≤U_i時(shí)，電壓比較器A₃由高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，A=0，電壓比較器A₄狀態(tài)不變，B=0，A=0、B=0時(shí)四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與恒定正電壓U連接，經(jīng)運(yùn)算放大器A₅構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離輸出，其輸出U_o為恒定正電壓U；當(dāng)下降到U_O2≤0V時(shí)，電壓比較器A₄由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，B=1，電壓比較器A₃狀態(tài)不變，此時(shí)A=0、B=1時(shí)四選一開關(guān)控制電路的輸出選通與GND（為接地符號(hào)，其表示的電位為零）連接，經(jīng)運(yùn)算放大器A₅構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行隔離輸出，其輸出U_o=0V。顯然在0≤U_O2≤U_i期間，A=0、B=0，運(yùn)算放大器A₅輸出保持U_o為恒定正電壓U=+3V，保持的時(shí)間為T，由于T與U_i以及積分輸出的直線構(gòu)成直角三角形關(guān)系，所以T=kU_i，k是常系數(shù)，即當(dāng)U_i是被轉(zhuǎn)換的電壓變化時(shí)，運(yùn)算放大器A₅輸出電壓U_o的寬度T也隨之成比例地變化，即實(shí)現(xiàn)了電壓到時(shí)間的轉(zhuǎn)換。