CN101788307A - 低温漂旋转变压器信号-数字转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特征在于，它由正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调及鉴相器、压控振荡器、12位可逆计数器、锁存器、增量编码解码器和串行接口组成；它采用线性兼容CMOS工艺；它采用温度补偿的自举镜像电流基准源，实现与电源电压无关且300K附近温漂接近零的基准电流输出。它采用CMOS开关电容技术可提高采样精度。将所有外围组件集成在集成电路内部，具有最精简的引脚定义，使得无须额外组件即可实现角度到数字量的跟踪转换。采用零温漂电流基准源实现低温漂。采用动态延时技术，实现输入信号及参考信号的宽工作频率。采用高性能运放、开关-线性组合技术与高速动态参数设计实现高追踪速度。
Description
技术领域
本发明是属于专用集成电路设计领域，特别是提供一种低温漂旋转变压器信号-数字转换器。
背景技术
旋转变压器信号-数字转换器是现代轴角电子变换技术中的核心器件，可将轴角类模拟信号实时转换成数字角度信号，广泛应用于航天、航空、雷达、火控及工业自动化领域。目前国内自主研发的轴角-数字转换器种类少，很长一段时间内都采用分立器件组装的阶段，成本高，体积大且难以批量生产。集成电路各项技术的发展，要求研发低功耗、高性能、大批量的集成电路。已有的轴角类集成电路偏向高精度、多功能、参数外部组件调整、并行输出，用于高端的轴角转换领域。然而在汽车电子、工业控制等低端领域，对高度集成化，长距离串行传输，宽工作温度范围，高跟踪速度等有更多的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种低温漂、完备的轴角信号-数字转换器；它能无需任何外围电路，实现旋转变压器信号-数字的转换。其成本低，同时具有串口和增量编码输出两种输出方式。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特点是，它由正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调及鉴相器、压控振荡器、12位可逆计数器、锁存器、增量编码解码器和串行接口组成；
它采用线性兼容CMOS工艺；
它采用温度补偿的自举镜像电流基准源，实现与电源电压无关且300K附近温漂接近零的基准电流输出；
输入的旋转变压器模拟信号θ经正余弦乘法器时与12位可逆计数器的数字信号φ进行比较，转化为误差电压信号Verror；误差电压信号Verror经误差放大器放大后输入相敏解调及鉴相器，外部参考电压信号REF经相敏解调采样后与误差电压信号鉴相比较，产生速度电压信号VEL，速度电压信号VEL控制压控振荡器输出计数时钟脉冲信号CLK与加减计数信号U/D，使得12位可逆计数器计数，当模拟信号θ与数字信号φ相等时，12位可逆计数器停止计数，数字信号φ经增量编码解码器输出，或者经锁存器与串行接口输出，实现模拟信号到数字信号的转换。
本发明转换器的系统动态参数所用无源器件如积分电容与电阻，均由集成电路工艺直接实现。不需要外部组件来控制系统动态参数。其带宽由内部可以设定限制在1kHz以内，跟踪速度最高可达500rps。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特点是，所述的正余弦乘法器由高五位粗精度分段选择电路、低七位高精度线性分段电路和开关控制及解码器组成；
所述的高五位粗精度分段选择电路采用开关-线性组合电路，将角度变化量0°-360°分解到0°-11.25°；低七位高精度线性分段电路采用R-2R型D/A转换器；
旋转变压器模拟信号θ经高五位粗精度分段选择电路输出二路比较信号Vo1、Vo2，再经低七位高精度线性分段电路产生误差电压信号Verror输出至误差放大器；开关控制及解码器将输入的数字信号φ转化为开关信号K1-12，以控制高五位粗精度分段选择电路、低七位高精度线性分段电路的选择输出。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的相敏解调及鉴相器，其特点是，所述的相敏解调及鉴相器由相敏解调器、鉴相器和反馈电路组成；所述的相敏解调器由施密特触发器与积分电路组成，实现不同频率下外部参考电压信号REF与误差电压信号Verror的动态延时采样；所述的鉴相器由CMOS开关与高精度BiCMOS运放组成；它可实现无误差采样。采用负反馈实现动态性能优化，提高系统稳定及跟踪速度。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特点是，所述的相敏解调及鉴相器上设有向外输出速度电压信号VEL的输出引脚。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特点是，所述的压控振荡器上设有向外输出计数时钟脉冲信号CLK与/或加减计数信号DIR的输出引脚。
本发明旋转变压器信号-数字转换器将所有外围电路集成在集成电路内部，采用线性兼容CMOS(Linear Compatible CMOS，LC2MOS)工艺实现，同时具备双极型工艺的高精度和CMOS工艺低功耗逻辑电路特点。采用自顶向下设计方法，设计具有独立功能的模块。所有动态参数电路集成在集成电路内部。整体电路为II型伺服回路，可实现匀角速度无误差跟踪输出。
其正余弦乘法器可分为高5位粗分电路和低7位R-2R型A/D转换细分电路，粗分电路采用开关-线性组合技术以实现高速线性卦象分割。采用开关电容采样技术，实现模拟信号的精确采样。通过动态延时采样技术，实现不同频率采样，使得跟踪速度最高可达500rps。
以下对本发明进行具体的说明。
本发明转换技术的电路总体功能是实现一种低温漂、完备、高跟踪速度的旋转变压器信号-数字转换，其总体工作原理是输入的自整角机模拟信号θ(U1、U2)经正余弦乘法器与12位可逆计数器的数字信号进行比较，转化为误差电压信号Verror。误差电压信号Verror经放大、采样以后产生速度电压信号VEL，速度电压信号VEL可控制压控振荡器输出计数时钟脉冲，以控制计数器计数输出改变数字角。它将全路电路集成在单个芯片上，实现角度量到数字转换，具有体积小、精度高、成本低的特点。
电路功能原理框如图1所示，三线输入的自整角机信号或四线输入的旋转变压器信号差分输入后被转换成低电压的正余弦信号U1和U2，同12位可逆计数器产生的数字角φ在正余弦乘法器中相乘，得到误差电压信号Verror＝KEoSin(θ-φ)sinωt(其中K为常数，Eo为输入自整角机信号或旋转变压器信号的有效值，ω为参考信号与输入信号角速度，t为时间)，经误差放大器后输经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器等组成的一个闭环回路，寻找Sin(θ-φ)的零点。当这一过程完成时，可逆计数器的数字角φ等于信号输入轴角θ。
12位固态控制变压器由高5位粗分电路和低7位R-2R型A/D转换细分电路组成。前5位粗分电路电路图如图2所示。前5位相当于一模拟乘法器，可使输入信号Eosinθsinωt和Eocosθsinωt转化为Eosin(θ-n×11.25°)sinωt。其中n为计数器高5位代表的数字角。
开关-线性组合技术电路图见图3，其相当于一个最简单的乘法器，输入信号U1、U2分别为Eosinθsinωt和Eocosθsinωt，适当调整电阻R1、R2、R3阻值和开关K1、K2可使得输出信号为Eosin(θ-ψ)sinωt，其中ψ为任意已知数字角度，在本设计中，使得ψ＝n×11.25°。
本发明转换器的主要优点是采用CMOS开关电容技术可提高采样精度。将所有外围组件集成在集成电路内部，具有最精简的引脚定义，使得无须额外组件即可实现角度到数字量的跟踪转换。采用零温漂电流基准源实现低温漂。采用动态延时技术，实现输入信号及参考信号的宽工作频率。采用高性能运放、开关-线性组合技术与高速动态参数设计实现高追踪速度。它采用LC2MOS工艺，可兼具双极和CMOS两种工艺长处，由高精度双极运放与低功耗的CMOS数字开关相结合，实现低功耗、高精度与高速度的模拟电路，同时有较好的鲁棒性能。
附图说明
图1是本发明转换器的原理框图。
图2是电流基准源电路图。
图3是正余弦乘法器原理框图。
图4是正余弦乘法器高5位分段电路图。
图5是开关-线性组合电路图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本实用新型的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1。参照图1-2。一种低温漂旋转变压器信号-数字转换器，它由正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调及鉴相器、压控振荡器、12位可逆计数器、锁存器、增量编码解码器和串行接口组成；
它采用线性兼容CMOS工艺；
它采用温度补偿的自举镜像电流基准源，实现与电源电压无关且300K附近温漂接近零的基准电流输出；
输入的旋转变压器模拟信号θ经正余弦乘法器时与12位可逆计数器的数字信号φ进行比较，转化为误差电压信号Verror；误差电压信号Verror经误差放大器放大后输入相敏解调及鉴相器，外部参考电压信号REF经相敏解调采样后与误差电压信号鉴相比较，产生速度电压信号VEL，速度电压信号VEL控制压控振荡器输出计数时钟脉冲信号CLK与加减计数信号U/D，使得12位可逆计数器计数，当模拟信号θ与数字信号φ相等时，12位可逆计数器停止计数，数字信号φ经增量编码解码器输出，或者经锁存器与串行接口输出，实现模拟信号到数字信号的转换。
实施例2。参照图1-5。实施例1所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器中，所述的正余弦乘法器由高五位粗精度分段选择电路、低七位高精度线性分段电路和开关控制及解码器组成；
所述的高五位粗精度分段选择电路采用开关-线性组合电路，将角度变化量0°-360°分解到0°-11.25°；低七位高精度线性分段电路采用R-2R型D/A转换器；
旋转变压器模拟信号θ经高五位粗精度分段选择电路输出二路比较信号Vo1、Vo2，再经低七位高精度线性分段电路产生误差电压信号Verror输出至误差放大器；开关控制及解码器将输入的数字信号φ转化为开关信号K1-12，以控制高五位粗精度分段选择电路、低七位高精度线性分段电路的选择输出。
实施例3。参照图1-5。实施例1或2所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器中，所述的相敏解调及鉴相器由相敏解调器、鉴相器和反馈电路组成；所述的相敏解调器由施密特触发器与积分电路组成，实现不同频率下外部参考电压信号REF与误差电压信号Verror的动态延时采样；所述的鉴相器由CMOS开关与高精度BiCMOS运放组成。
实施例4。参照图1-5。实施例1或2或3所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器中，所述的相敏解调及鉴相器上设有向外输出速度电压信号VEL的输出引脚。
实施例5。参照图1-5。实施例1或2或3或4所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器中，所述的压控振荡器上设有向外输出计数时钟脉冲信号CLK与/或加减计数信号DIR的输出引脚。
Claims (5)
1.一种低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特征在于：它由正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调及鉴相器、压控振荡器、12位可逆计数器、锁存器、增量编码解码器和串行接口组成；
它采用线性兼容CMOS工艺；
它采用温度补偿的自举镜像电流基准源，实现与电源电压无关且300K附近温漂接近零的基准电流输出；
输入的旋转变压器模拟信号θ经正余弦乘法器时与12位可逆计数器的数字信号φ进行比较，转化为误差电压信号Verror；误差电压信号Verror经误差放大器放大后输入相敏解调及鉴相器，外部参考电压信号REF经相敏解调采样后与误差电压信号鉴相比较，产生速度电压信号VEL，速度电压信号VEL控制压控振荡器输出计数时钟脉冲信号CLK与加减计数信号U/D，使得12位可逆计数器计数，当模拟信号θ与数字信号φ相等时，12位可逆计数器停止计数，数字信号φ经增量编码解码器输出，或者经锁存器与串行接口输出，实现模拟信号到数字信号的转换。
2.根据权利要求1所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特征在于：所述的正余弦乘法器由高五位粗精度分段选择电路、低七位高精度线性分段电路和开关控制及解码器组成；
所述的高五位粗精度分段选择电路采用开关-线性组合电路，将角度变化量0°-360°分解到0°-11.25°；低七位高精度线性分段电路采用R-2R型D/A转换器；
旋转变压器模拟信号θ经高五位粗精度分段选择电路输出二路比较信号Vo1、Vo2，再经低七位高精度线性分段电路产生误差电压信号Verror输出至误差放大器；开关控制及解码器将输入的数字信号φ转化为开关信号K1-12，以控制高五位粗精度分段选择电路、低七位高精度线性分段电路的选择输出。
3.根据权利要求1或2所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特征在于：所述的相敏解调及鉴相器由相敏解调器、鉴相器和反馈电路组成；所述的相敏解调器由施密特触发器与积分电路组成，实现不同频率下外部参考电压信号REF与误差电压信号Verror的动态延时采样；所述的鉴相器由CMOS开关与高精度BiCMOS运放组成。
4.根据权利要求1或2所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特征在于，所述的相敏解调及鉴相器上设有向外输出速度电压信号VEL的输出引脚。
5.根据权利要求1或2所述的低温漂旋转变压器信号-数字转换器，其特征在于，所述的压控振荡器上设有向外输出计数时钟脉冲信号CLK与/或加减计数信号DIR的输出引脚。
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