CN103532556B - 一种单芯片轴角信号至串行数字信号转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明是单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，由多功能信号变换输入电路，高6位正弦乘法电路、低6位正弦拟合电路，敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路、加减计数电路，串并转换输出电路组成。并采用0、‑5V、5V的多电位CMOS工艺将上述电路集成实现在芯片上。可实现频率3KHz～20KHz，转速≤500rps轴角信号转换为12位数字信号。本发明转换器应用外围电路简单，转换信号适用性好，输出串行数据适应工业上应用。采用低6位正弦拟合电路与正弦信号完全拟合，消除原理性的误差，转换精度高。体积小、可靠性高、适用多种轴角模式的转换方式。

Description

一种单芯片轴角信号至串行数字信号转换电路

技术领域

本发明属于轴角信号转换集成电路方法领域，特别是涉及一种单芯片轴角信号至串行数字信号转换电路。

背景技术

现有技术中，轴角(自整角机/旋转变压器)至数字信号转换电路，通常使用自整角机/旋转变压器-数字集成电路转换电路，该电路主要存在以下缺陷：

1、外围参数复杂，根据不同的转速和频率要求设计不同转换参数，调试困难；

2、输出模式单一，都是并行数据，没有使用在工业上应用较多的串行数据模式；

3、输入信号在经过正弦乘法电路后直接用ADC进行细分，与正弦信号拟合度较差，产生原理性的误差，造成转换精度偏低。

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，提供一种应用外围电路简单，转换信号适用性好，输出串行数据适应工业上应用的单芯片轴角信号至串行数字信号转换电路。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的方法方案来实现的。本发明是一种单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特点是：该转换器由多功能信号变换输入电路、高6位正弦乘法电路、低6位正弦拟合电路、敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路、加减计数电路和串并转换输出电路组成；并采用0、-5V、5V的多电位CMOS工艺将上述电路集成实现在芯片上；自整角机、旋转变压器模式的输入信号模拟角θ在多功能信号变换输入电路中转换成低电压的正弦信号sinθ余弦信号cosθ输入高6位正弦乘法电路，再经低6位正弦拟合电路后一个误差信号在经过相敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路和加减计数电路产生数字角最后数字角在高6位正弦乘法电路，和低6位正弦拟合电路中与模拟角θ比较组成的一个闭环回路，寻找的零点；当这一过程完成时，数字控制电路的数字角等于信号输入轴角θ，最后输出数字角并通过串并转换输出电路转换为串行码形式；其中K’是变比。

本发明转换器可实现频率3KHz～20KHz，转速≤500rps轴角信号转换。

本发明所要解决的方法方案来可以通过以下的方法方案来进一步实现。以上所述的转换器，其特点是，输入轴角信号(自整角机/旋转变压器)可以通过多功能信号变换输入电路的外围电路结构转化为输入的角度三角函数值sinθ和cosθ，再进行角度转化。

本发明所要解决的方法方案来可以通过以下的方法方案来进一步实现。以上所述的转换器，其特点是，高6位正弦乘法电路通过开关选择信号，和比例放大电路，将角度变化量(0°～360°)分解到(0°～5.625°)，角度三角函数值sinθ和cosθ转化为值为sin(θ-n*5.625)和sin(θ-(n-1)*5.625)(其中n＝0、1、2、....、63。)的输出信号，再输入低6位正弦拟合电路。并且采用开关电容分压原理，适合于CMOS工艺的实现。

本发明所要解决的方法方案来可以通过以下的方法方案来进一步实现。以上所述的转换器，其特点是，低6位正弦拟合电路再次将输入角度变化量由(0°～5.625°)细分到(0°～0.087890625°)，达到所需的12位分辨率。其不对分段电阻进行均分，而是采用正弦拟合的方法，使各段电阻值RK如下公式所示：

其中使其在分压组合中各个电阻和等于正弦函数，从原理上消除误差，如下公式所示：

${\mathrm{sin\θ}}_k=-\frac{\sin (5.625-{\mathrm{\θ}}_k)+{\mathrm{sin\θ}}_k}{\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n}\underset{n=1}{\overset{k}{\Σ}}{R}_k.$

最后再通过运放将转换后的信号输出到相敏解调电路。

本发明所要解决的方法方案来可以通过以下的方法方案来进一步实现。以上所述的转换器，其特点是，相敏解调电路通过输入激磁信号RH和RL进行比较，产生参考方波输入正负选择开关。为正运放电路工作在同向传输模式，为负运放电路工作在逆向传输模式，对由交流误差放大电路输出的信号Vac进行正负翻转，从而实现信号Vac由交流信号转换为直流馒头波信号，从而实现相敏转换，并将直流馒头波信号输入到内置参数积分电路。

本发明所要解决的方法方案来可以通过以下的方法方案来进一步实现。以上所述的转换器，其特点是，内置参数积分电路将电路元件Cb，Cb/10，Rb，R1，Rv集成入芯片中，从而在使用中无需设置积分电路元件而可以直接使用。

本发明所要解决的方法方案来可以通过以下的方法方案来进一步实现。以上所述的转换器，其特点是，积分信号通过压控振荡电路和可逆计数电路最终转化的数字角度可以通过串并转换输出电路，变化为串行码输出。

与现有技术相比，本发明转换器的显著优点为：其外围电路简单、输出数字信号适应性强，可适用多种轴角信号模式的转换方式，转换精度高。它采用低6位正弦拟合电路与正弦信号完全拟合，消除原理性的误差。它体积小、可靠性高。

附图说明

图1为本发明转换器电路框图；

图2为多功能信号变换输入电路结构图；

图3为多功能信号变换输入电路旋转电压器模式电路结构图；

图4为多功能信号变换输入电路自整角机模式电路结构图；

图5为高6位正弦乘法电路结构图；

图6为低6位正弦拟合电路结构图；

图7为低6位正弦拟合电路原理图；

图8为相敏解调电路结构图；

图9为内置参数积分电路结构图；

图10为串并转换输出电路结构图；

图11为串并转换输出电路信号波形图。

具体实施方式

以下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。

一种单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，由多功能信号变换输入电路，高6位正弦乘法电路、低6位正弦拟合电路，敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路、加减计数电路，串并转换输出电路组成。并采用0、-5V、5V的多电位CMOS工艺将上述电路集成实现在芯片上。输入信号模拟角θ(自整角机、旋转变压器模式)在多功能信号变换输入电路中转换成低电压的正弦信号(sinθ)余弦信号(cosθ)输入高6位正弦乘法电路，再经低6位正弦拟合电路后一个误差信号在经过相敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路和加减计数电路产生数字角最后数字角在高6位正弦乘法电路，和低6位正弦拟合电路中与模拟角θ比较组成的一个闭环回路，寻找的零点；当这一过程完成时，数字控制电路的数字角等于信号输入轴角θ,最后输出数字角并通过串并转换输出电路转换为串行码形式。其结构如图1所示。(其中K’是变比。)

多功能信号变换输入电路，主要有两个内部运放组成，其接口分别为SIN，S+，S-和COS，C+，C-。同在外部连接转换电阻电路将，输入轴角信号(自整角机/旋转变压器)角度θ转换为角度三角函数值sinθ和cosθ，输入电路内部进行转换，如图2所示。外部连接电阻分为两种模式，即自整角机模式和旋转变压器模式，其电路结构如图3、4所示。

旋转变压器信号端口S1，S2，S3，S4和自整角机信号端口S1，S2，S3经过电阻结构的转换（图中电阻的阻值比例为），因为可以将幅值为Vin的旋转变压器信号转换为幅值2V的sinθ和cosθ信号。

在高6位正弦乘法电路中采用开关电容模式将角度变化量由0°～360°分解到0°～5.625°，如图5所示。其中电容比例为：

C1：C2＝1；C3:C4＝1/COS45°；C5:C6＝1/COS22.5°；C7:C8＝1/COS11.25°；C9:C10＝1/COS5.625°。

转换时将输入信号sinθ和cosθ输入90°分段电路，由反向电路和选择电路转换为sin(θ-n*90°)，n＝0、1、2、3。再输入45°转换电路。

在45°转换电路中将相差90°的两路信号进行加法运算并乘以修正系数可以的到：n＝0、1、2、3。再输入22.5°转换电路。

在22.5°转换电路中将相差45°的两路信号进行加法运算并乘以修正系数可以的到：n＝0、1、2、....、7。再输入11.25°转换电路。

在11.25°转换电路中将相差22.5°的两路信号进行加法运算并乘以修正系数可以的到：n＝0、1、2、....、15。再输入5.625°转换电路。

在5.625°转换电路中将相差11.25°的两路信号进行加法运算并乘以修正系数可以的到：n＝0、1、2、....、31。

最终可以保证任意角度θ都可以保证一个n使得sin(θ-n×5.625°)×sin[θ-(n+1)×5.625°]≤0，n＝0、1、2、....、63。

最后再把相差5.625°的2个正负相反的信号送入低6位正弦拟合电路进行进一步转换。

低6位正弦拟合电路采用正弦拟合分段电阻分压的原理将输入角度变化量由0°～5.625°其分解到0°～0.082265625°，达到所需的12位分辨率。电路结构如图6所示。

把相差5.625°的2个正负相反信号送入低6位正弦拟合电路，控制低6位正弦拟合电路使输出在精度范围内等于0(12位精度)的数字信号就代表了与模拟角度相等的数字信号，从而实现模拟到数字的转换。

一般电路在处理低位轴角转换时是在直接进行线性分段，这会与正弦信号产生原理性误差，从而对精度有较大的影响，需要采用非线性的正弦拟合电阻来提高转换精度。低6位正弦拟合电路中的64段分段电阻采用正弦拟合比例排布，在叠加分压时形成拟合的正弦曲线。可以精确的分段正弦信号，从原理上消除误差，提高转换精度。原理如图7所示。

下面就其原理进行说明，在转换低位电路中RK为每段电阻阻值，令θA＝5.625，如图7所示，每段电阻按正弦要求应为如下公式：

${\mathrm{sin\θ}}_1=-\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_A-{\mathrm{\θ}}_1)+{\mathrm{sin\θ}}_1}{\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n}\left(R_1\right),{\mathrm{sin\θ}}_2=-\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_A-{\mathrm{\θ}}_2)+{\mathrm{sin\θ}}_2}{\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n}(R_2+R_1),\mathrm{......},$ ${\mathrm{sin\θ}}_k=-\frac{\sin (5.625-{\mathrm{\θ}}_k)}{\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n}\underset{n=1}{\overset{k}{\Σ}}{R}_k.$

令则有：

$R_1=A_1\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n,R_2+R_1=A_2\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n,\mathrm{......},\underset{n=1}{\overset{k}{\Σ}}{R}_n=A_k\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n.$

以上公式两两相减则有：

$R_1=A_1\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n,R_2=(A_2-A_1)\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n,\mathrm{......},R_k=(A_k-A_{k-1})\underset{n=1}{\overset{64}{\Σ}}{R}_n.$

即有

令R1＝1则有每段电阻RK的值为K＝2,3，....,64。

相敏解调电路通过输入激磁信号RH和RL进行比较，产生参考方波输入正负选择开关。为正运放电路工作在同向传输模式，为负运放电路工作在逆向传输模式，对由交流误差放大电路输出的信号Vac进行正负翻转，从而实现信号Vac由交流信号转换为直流馒头波信号，从而实现相敏转换，并将直流馒头波信号输入到内置参数积分电路，如图8所示。

内置参数积分电路将积分环节的电路元件Cb，Cb/10，Rb，R1，Rv集成入芯片中，使得电路在实际应用中不用调试积分参数，直接使用，大大简化了应用电路结构。内置参数积分电路将由相敏解调电路输入的直流馒头波信号，通过积分电路积分，最后将积分输出电压Vo输入压控振荡电路。

根据积分器电路结构，如图9所示，可以得出传递函数为：

$F\left(s\right)=\frac{\frac{10}{{\mathrm{sR}}_1{C}_B}(\frac{1}{{\mathrm{sC}}_B}+R_B)}{(\frac{11}{{\mathrm{sC}}_B}+R_B)R_1}\frac{1}{1.25R_V{C}_{VCO}s}$

因为电路可实现频率范围3KHz～20KHz、最大转速500rps、带宽2600Hz的轴角信号转换为12位数字信号。可得出参数R1＝900KΩ，Cvco＝50PF，Cb＝680pF，Rb＝510KΩ，Rv＝27KΩ。

积分信号通过压控振荡电路和可逆计数电路最终转化的数字角度可以通过串并转换输出电路，变化为串行码输出，如图10所示。其中CS为使能信号，在其为低时，电路向外输出串行码DATA，并且其至少要持续13个SCLK的时钟周期。SCLK为输入基准时钟信号，每一个时钟周期对应一个输出位数，在输出时先输出BIT1位，依次输出位数，最后输出BIT12位。如图11所示。

Claims (7)

1.一种单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特征在于：该转换器由多功能信号变换输入电路、高6位正弦乘法电路、低6位正弦拟合电路、相敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路、加减计数电路和串并转换输出电路组成；并采用0、-5V、5V的多电位CMOS工艺将上述电路集成实现在芯片上；自整角机、旋转变压器模式的输入信号模拟角θ在多功能信号变换输入电路中转换成低电压的正弦信号sinθ余弦信号cosθ输入高6位正弦乘法电路，再经低6位正弦拟合电路后一个误差信号K’在经过相敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路和加减计数电路产生数字角最后数字角在高6位正弦乘法电路，和低6位正弦拟合电路中与模拟角θ比较组成的一个闭环回路，寻找 的零点；当这一过程完成时，数字控制电路的数字角等于信号输入轴角θ，最后输出数字角并通过串并转换输出电路转换为串行码形式；其中K’是变比。

2.根据权利要求1所述的单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特征在于：所述的多功能信号变换输入电路，主要有两个内部运放组成，其接口分别为SIN，S+，S-和COS，C+，C-；同在外部连接转换电阻电路将输入轴角信号角度θ转换为角度三角函数值和，输入电路内部进行转换；外部连接电阻分为两种模式，即自整角机模式和旋转变压器模式。

3.根据权利要求1所述的单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特征在于：所述的高6位正弦乘法电路通过开关选择信号和比例放大电路，将角度变化量0°～360°分解到0°～5.625°，角度三角函数值sinθ和cosθ转化为值为sin(θ-n*5.625)和sin(θ-(n-1)*5.625)的输出信号，其中n＝0、1、2、......63；再输入低6位正弦拟合电路。

4.根据权利要求1所述的单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特征在于：所述的低6位正弦拟合电路再次将输入角度变化量由0°～5.625°细分到0°～0.087890625°，达到所需的12位分辨率；其不对分段电阻进行均分，而是采用正弦拟合的方法，使各段电阻值RK如下公式所示：其中使其在分压组合中各个电阻和等于正弦函数，从原理上消除误差，如下公式所示：

最后再通过运放将转换后的信号输出到相敏解调电路。

5.根据权利要求1所述的单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特征在于：所述的相敏解调电路通过输入激磁信号RH和RL进行比较，产生参考方波输入正负选择开关，为正运放电路工作在同向传输模式，为负运放电路工作在逆向传输模式，对由交流误差放大电路输出的信号Vac进行正负翻转，从而实现信号Vac由交流信号转换为直流馒头波信号，从而实现相敏转换，并将直流馒头波信号输入到内置参数积分电路。

6.根据权利要求1所述的单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特征在于：内置参数积分电路将电路元件Cb，Cb/10，Rb，R1，Rv集成入芯片中，从而在使用中无需设置积分电路元件而可以直接使用。

7.根据权利要求1所述的单芯片轴角信号至串行数字信号转换器，其特征在于：积分信号通过压控振荡电路和可逆计数电路最终转化的数字角度可以通过串并转换输出电路，变化为串行码输出。