CN103411631B

CN103411631B - 一种精密线性测角变换器

Info

Publication number: CN103411631B
Application number: CN201310367978.7A
Authority: CN
Inventors: 于春香; 李金宝; 张勇; 李建和; 张剑
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: No 214 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: CN103411631A

Abstract

本发明涉及一种精密线性测角变换器，电荷放大器帧扫待测电机上电容传感器输出的信号，并放大成正弦交变信号u1；正弦交变信号u1同时送至反相器和相敏整流器；正弦交变信号u1经反相器后形成反相信号-u1，反相信号-u1也送至相敏整流器；相敏整流器在激励信号与作用下，把送来的正弦交变信号u1与反相信号-u1转变成全波整流信号u2；全波整流信号u2再送至滤波器滤除高频脉动分量；输出的信号就是与帧扫电机转角成线性变化的电压uo。精密线性测角变换器可配合电容传感器完成灵敏度为50mV/度的测角功能，通过输出直流电压，与电机转角之间保持着很好的线性关系，从而精确对应电机转角，该变换器的线性误差达到1‰。

Description

一种精密线性测角变换器

技术领域

本发明涉及一种精密线性测角变换器，特别是一种满足输出电压与电机转角之间保持着很好的线性关系的变换器。

背景技术

精密线性测角变换器，可以将动态变化的角度，及时转换为对应的直流电压，从而便于后续信号处理。现有的测角变换器，一方面由于输出零位偏移，从而正负角度线性误差较大，另一方面由于输出满量程偏差较大，输出电压与转动角度的比例系数无法确定。因此，如何设计一种精密线性测角变换器，成为本领域技术人员努力的方向。

发明内容

本发明的目的就是为了解决测角变换器的缺点，提供一种精密线性测角变换器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种精密线性测角变换器，其特征在于，包括电荷放大器、反相器、相敏整流器、有源滤波器，

所述电荷放大器帧扫待测电机上电容传感器输出的信号，并放大成正弦交变信号u1；

正弦交变信号u1同时送至所述反相器和所述相敏整流器；

送至反相器的正弦交变信号u1经反相器后形成反相信号-u1，反相信号-u1也送至相敏整流器；

所述相敏整流器在激励信号与作用下，把送来的正弦交变信号u1与反相信号-u1转变成全波整流信号u2；

全波整流信号u2再送至一有源滤波器滤除全波整流信号u2中的高频脉动分量；

有源滤波器输出的信号就是与帧扫电机转角成线性变化的电压uo。

所述有源滤波器为用于滤除高频干扰的有源低通滤波器。可以选择截止频率为12kHz。

所述电荷放大器电路中采用两只场效应管与三个电阻构成一差动放大器，差动放大器与运放组成一个新的高输入阻抗运算放大器，其中，两只场效应管的源极共连至其中一个电阻，两只场效应管的漏极分别经其他两个电阻连接至数字电源VDD，同时，两个场效应管的漏极分别连接至运放的正、负输入端；两只场效应管的栅极分别为新组成的运算放大器的正、负输入端，并且正输入端接地，负输入端接收信号。

所述电荷放大器中还包含由并连的反馈电容与反馈电阻构成的反馈电路，反馈电路连接在运放的输出端与接收信号的负输入端之间。

所述相敏整流器电路中包含两只场效应管、两个电阻和两只二极管；两只场效应管的漏极分别接收所述电荷放大器发送的正弦交变信号u1和所述反相器发送的反相信号-u1；两只场效应管的栅极分别连接一二极管的正极，二极管的负极分别接收激励信号与，使激励信号与通过两个二极管分别加到两只场效应管的栅极上，使场效应管进行开关动作；两只场效应管的栅极与漏极之间分别连接一个电阻；两只场效应管的源极输出全波整流信号u2。

本发明所达到的有益效果：

本发明的精密线性测角变换器优点是实现精密线性测角变换，具有极低的零位漂移，固定的输入与输出比例系数，极低的线性误差。

附图说明

图1是本发明一种精密线性测角变换器的电路框图；

图2是本发明一种电荷放大的原理图；

图3是本发明一种电容传感器原理图；

图4是本发明一种传感器简化图；

图5是本发明一种差动式电荷放大器的电路图；

图6是本发明一种反相器的电路图；

图7是本发明一种全波相敏整流器的电路图；

图8是本发明一种有源滤波器的电路图；

图9是本发明一种有源滤波器的简化电路图一；

图10是本发明一种有源滤波器的电路图二。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本方案的实施方式。

由图1所示，本发明一种精密线性测角变换器，包括电荷放大器11、反相器12、相敏整流器13、有源滤波器14。

电荷放大器首先把电容传感器传来的微弱信号放大成幅度约90mV/度的160kHz正弦交变信号u1。信号u1同时送至反相器12和相敏整流器13。信号u1经反相器12后形成信号-u1，也送至相敏整流器13。相敏整流器13在激励信号与作用下，把送来的信号u1与信号-u1转变成全波整流信号u2，信号u2幅度约90mV/度。信号u2再送至一截止频率约为12kHz的有源低通滤波器来滤除信号u2中的高频脉动分量。这样有源滤波器输出的信号就是与帧扫电机转角成线性变化的电压uo。这就是说，精密线性测角变换器是配合电容传感器完成灵敏度为50mV/度的测角功能，通过输出直流电压，从而精确对应电机转角，该变换器的线性误差达到1‰。

精密线性测角变换器处理帧扫电机上的电容传感器输出信号。当帧扫电机轴在-10°～+10°范围内来回摆动时，精密线性测角变换器将根据电机轴的转角输出-500mV～+500mV的电压信号，同时输出电压与电机转角之间保持着很好的线性关系。

由图2所示，电荷放大器实际上是一个具有高输入阻抗、高增益反相放大器，反相放大器增益-A₀，另外再配上一个反馈网络,反馈网络由并联的反馈电容C_F和反馈电阻R_F组成。

由图3所示，帧扫电机上的电容传感器等效电路简化图。C₀是传感器的固定电容，△x是随转角的电容改变量，Cp是传感器及电缆分布电容。为了便于分析，进一步把传感器简化成图4形式。这时，电荷放大器输出电压可用式（1）来表示。

u 1 = \frac{- jw 2 Δx {\overset{\cdot}{EA}}_{0}}{{\frac{1}{R_{F}} (1 + A_{0}) + jw [{2 C}_{0} + C_{P} + (1 + A_{0}) C_{F}}}

式（1）

实际电路中A₀很大，jwC_F》1/R_F式（1）可简化成式（2）

u 1 \approx \frac{- 2 Δx {\overset{\cdot}{EA}}_{0}}{(1 + A_{0}) C_{F}} \approx - \frac{2 \overset{\cdot}{E}}{C_{F}} Δx

式（2）

可见用电荷放大器接收电容传感器所得到的输出电压与传感器电容改变量成线性关系。当电容改变量△x为正时，输出与激励电压反相；当△x为负时，输出与激励电压同相。式（2）还说明可以改变电荷放大器的反馈电容C_F，改变电荷放大器的增益。

由图5所示，本发明中的电荷放大器11电路中用两只场效应管T3、T4与电阻R14、R15、R11构成一差动放大器，用此差动放大器与运放IC2新组成一个高输入阻抗运放。其中，两只场效应管T3、T4的源极S共连至其中一个电阻R11，两只场效应管T3、T4的漏极D分别经其他两个电阻R15、R14连接至数字电源VDD，同时，两个场效应管T3、T4的漏极D分别连接至运放IC2的正、负输入端；新组成运放的正、负输入端分别在场效应管T4、T3的栅极G。把新组成的运放的正输入端接地，用负输入端in接收电容传感器输出的信号，这样便形成了电荷放大器的反相放大器。此反相放大器的增益-A0是新组成运放的开环增益。电容C5、电阻R9分别是电荷放大器的反馈电容CF与反馈电阻RF，并连的电容C5与电阻R9构成反馈电路，反馈电路连接在运放IC2的输出端与接收信号的负输入端in之间。电路中电阻R10、电容C7是运放IC2的输入端补偿电路，电阻R16、电容C8和电阻R12、电容C6构成退耦电路。

由于差动放大器与运放IC2存在输入失调，从而在零位输入，其输出不能接近零位，影响变换器的线性度，需要变换器进行微调，具体方法如下：

在图5所示部分加上VDD＝15V、VEE＝-15V电源，输入为0V，测运放IC2的输出直流电压，当其电压小于0V时，用有源微调增大电阻R14，使运放IC2的输出直流电压为0mV±1mV；当其电压大于0V时，用有源微调增大电阻R15，使运放IC2的输出直流电压为0mV±1mV。

由图1、图6所示，经电荷放大器放大的信号u1送至反相器12，由于增益A_V＝-R17/R13=-1（R13=R17），从而反相器12输出信号为-u1。

由图1、图7所示，场效应管T1、T2与电阻R1、R2组成一全波相敏整流器13。两只场效应管T1、T2的栅极G与漏极D之间分别连接一个电阻；两只场效应管T1、T2的漏极D分别接收电荷放大器发送的正弦交变信号u1和反相器发送的反相信号-u1；两只场效应管T1、T2的栅极G分别连接一二极管D1、D2的正极，二极管D1、D2的负极分别接收激励信号与，使激励信号与通过两个二极管D1、D2分别加到两只场效应管T1、T2的栅极G上，使场效应管T1、T2进行开关动作；两只场效应管T1、T2的源极S输出全波整流信号u2。

由于驱动电压的幅度（17V）比较大，场效应管T1、T2的开与关动作将在的正负半周交界处进行。

当在正半周时，场效应管T1导通，场效应管T2关断，信号u1通过场效应管T1产生输出u2。在的负半周，信号-u1通过场效应管T2产生输出信号u2。由于信号u1与同相或反相，而场效应管T1、T2又在正负半周交界处动作，所以相敏整流器输出信号u2实际上是信号u1的全波整流信号，其幅度约90mV/度。当传感器电容变化量△x为正时，信号u2极性为负；△x为负，信号u2极性为正。

由图8所示，为了获得较好的滤波特性，对信号u2采用有源低通滤波器对信号u2脉冲分量进行滤波。滤波器对160kHz以上的高频分量来说电容C1可视为短路，滤波器可用图9等效，运放ICB与电容成组成积分器对高频分量进行滤波。电容C3、C4进一步滤除运放ICB输出中带有的高频分量。对于信号u2中的低频分量，滤波器的等效图如图10，滤波器增益由式（3）决定。

K = \frac{uo}{u_{2}} = - \frac{R 3}{R 4}

式（3）

由于变换器的输出满幅度要求为±500mV±5mV，需要对变换器的增益根据式（3）进行微调。将电机轴驱动到相对电气零点偏转10°的位置，微调增大电阻R3，使电路输出uo=500mV（或-500mV）±5mV，当微调电阻R3后输出满幅度超出要求，可以通过微调增大电阻R4，降低变换器增益，从而满足要求。

Claims

1.一种精密线性测角变换器，其特征在于，包括电荷放大器、反相器、相敏整流器、有源滤波器，

正弦交变信号u1同时送至所述反相器和所述相敏整流器；

2.根据权利要求1所述的精密线性测角变换器，其特征在于，所述有源滤波器为用于滤除高频干扰的有源低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的精密线性测角变换器，其特征在于，所述电荷放大器电路中采用两只场效应管与三个电阻构成一差动放大器，差动放大器与运放组成一个新的高输入阻抗运算放大器，其中，两只场效应管的源极共连至其中一个电阻，两只场效应管的漏极分别经其他两个电阻连接至数字电源VDD，同时，两个场效应管的漏极分别连接至运放的正、负输入端；两只场效应管的栅极分别为新组成的运算放大器的正、负输入端，并且正输入端接地，负输入端接收信号。

4.根据权利要求3所述的精密线性测角变换器，其特征在于，所述电荷放大器中还包含由并连的反馈电容与反馈电阻构成的反馈电路，反馈电路连接在运放的输出端与接收信号的负输入端之间。

5.根据权利要求1所述的精密线性测角变换器，其特征在于，所述相敏整流器电路中包含两只场效应管、两个电阻；两只场效应管的栅极与漏极之间分别连接一个电阻；两只场效应管的漏极分别接收所述电荷放大器发送的正弦交变信号u1和所述反相器发送的反相信号-u1；两只场效应管的栅极分别连接一二极管的正极，二极管的负极分别接收激励信号与，使激励信号与通过两个二极管分别加到两只场效应管的栅极上，使场效应管进行开关动作；两只场效应管的源极输出全波整流信号u2。