CN106656188B - 一种高精度零位偏置调整r/d转换器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度零位偏置调整R/D转换器及其实现方法，包括第一信号处理电路及第二信号处理电路，所述第一、二信号处理电路的输入端为旋转变压器的信号输入端，其输出端分别与自适应电路、扇区函数发生器及误差形成电路输入端相连，扇区函数发生器及误差形成电路的输出端依次经第一带通滤波器、鉴相电路、积分滤波电路、压控振荡器与三态锁存可逆计数器的输入端相连，所述扇区函数发生器及误差形成电路与三态锁存可逆计数器交互连接，所述第二带通滤波电路的输入端与压控振荡器的输出端相连。本发明可对输入旋转变压器信号的不对称性进行调节和补偿，有效的纠正正余弦信号由于外部环境带来的偏差，提高了电路输出精度。

Description

一种高精度零位偏置调整R/D转换器及其实现方法
技术领域
本发明涉及R/D转换技术领域，具体涉及一种高精度零位偏置调整R/D转换器及其实现方法。
背景技术
R/D转换器主要将模拟的位置信号（旋转变压器信号）转换成数字信号，广泛应用于航天、航空、船舶、兵器、电子等军民电子系统中。由于旋转变压器零位存在误差，旋转变压器输出的正、余弦信号不完全对称，使用R/D转换器时转换精度将变差，甚至超出要求范围，不满足某些需要高精度采集的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度零位偏置调整R/D转换器及其实现方法，可将输入的不对成正、余弦信号进行零位偏置调整，转换成最高16的并行二进制输出，满足航天、航空、船舶、兵器等高精度的角度位置控制系统使用。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高精度零位偏置调整R/D转换器，包括第一信号处理电路、第二信号处理电路、第一带通滤波电路、鉴相电路、积分滤波、压控振荡器、三态锁存可逆计数器、偏置调整电路和第二带通滤波电路，所述第一信号处理电路和第二信号处理电路的输入端为旋转变压器的信号输入端，第一信号处理电路的输出端经相位自适应电路与鉴相电路的输入端相连，第二信号处理电路的输出端依次经扇区函数发生器及误差形成电路、第一带通滤波电路与鉴相电路的输入端相连，鉴相电路的输出端经积分滤波电路与压控振荡器的输入端相连，压控振荡器的输出端与三态锁存可逆计数器的输入端相连，三态锁存可逆计数器的输出端为数字信号的输出端，所述扇区函数发生器及误差形成电路与三态锁存可逆计数器交互连接，所述第二带通滤波电路的输入端与压控振荡器的输出端相连，所述偏置调整电路的输出端与积分滤波电路的输入端相连。
所述的高精度零位偏置调整R/D转换器，所述第一信号处理电路包括第一信号转换电路、第一信号隔离电路，第二信号处理电路包括第二信号转换电路、第三信号转换电路和第二信号隔离电路，所述第一信号转换电路、第二信号转换电路和第三信号转换电路的输入端为旋转变压器的信号输入端，第一信号转换电路的输出端经第一信号隔离电路与相位自适应电路的输入端相连，第二信号转换电路和第三信号转换电路的输出端经第二信号隔离电路与扇区函数发生器及误差形成电路的输入端相连。
所述的高精度零位偏置调整R/D转换器，所述第一信号转换电路、第二信号转换电路和第三信号转换电路分别由运算放大器Q1、Q2、Q3构成，所述运算放大器Q1的输入端与旋转变压器的激磁信号相连，其输出端与第一信号隔离电路相连，所述运算放大器Q2的输入端与旋转变压器的正弦信号相连，运算放大器Q3的输入端与旋转变压器的余弦信号相连，运算放大器Q2和运算放大器Q3的输出端与第二信号隔离电路相连，所述运算放大器Q3的反向输入端依次经电阻R9、R13与其输出端相连。
所述的高精度零位偏置调整R/D转换器，所述偏置调整电路包括电阻R16、R17、R18，所述电阻R16的一端与R17相连，电阻R16和电阻R17的另一端与电源相连，电阻R18的一端与积分滤波电路的输入端相连，其另一端连接于电阻R16和电阻R17之间的节点处。
所述的高精度零位偏置调整R/D转换器，所述第二带通滤波电路包括运算放大器Q4，所述运算放大器Q4的同相输入端与压控振荡器相连，其反向输入端经两并联的电容C1和电阻R14与其输出端相连，且反向输入端经电阻R15接地。
一种高精度零位偏置调整R/D转换器的实现方法，包括以下步骤：
（1）第一信号处理电路将旋转变压器产生的激励信号进行信号放大和滤除干扰后送入相位自适应电路，经相位自适应电路将输入的激磁信号电压与输入的正余弦信号电压进行相位和象限上的信号统一，并同时输入至鉴相电路进行分解；
（2）第二信号处理电路将旋转变压器产生两路随角度变化的正弦信号和余弦信号进行交流信号放大，并经第一带通滤波器滤除干扰后送入扇区函数发生器及误差形成电路；
（3）扇区函数发生器及误差形成电路将两路正余弦信号分解为所需精度的电压信号，并将该电压信号进行交流放大及滤除干扰后发送给鉴相电路；
（4）鉴相电路将得到的交流全波信号转换成半波信号，该半波信号经过积分电路运算后得到直流电平，并经过压控振荡电路产生的脉冲和计数方向信号进入三态锁存可逆计数器，经三态锁存可逆计数器产生数字角信号，输出数字角度。
由上述技术方案可知本发明可对输入旋转变压器信号的不对称性进行调节和补偿，有效的纠正正余弦信号由于外部环境带来的偏差，提高了输出精度；同时，可以有效地进行零位误差的补偿，通过电路工作原理将误差信号进行偏置调整，提高了电路输出精度，为系统安全提供了保障。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例的高精度零位偏置调整R/D转换器，包括第一信号处理电路1、第二信号处理电路2、第一带通滤波电路5、鉴相电路6、积分滤波7、压控振荡器9、三态锁存可逆计数器8、偏置调整电路和第二带通滤波电路，第一信号处理电路1和第二信号处理电路2的输入端为旋转变压器的信号输入端，第一信号处理电路1的输出端经相位自适应电路3与鉴相电路6的输入端相连，第二信号处理电路2的输出端依次经扇区函数发生器及误差形成电路4、第一带通滤波电路5与鉴相电路6的输入端相连，鉴相电路6的输出端经积分滤波电路7与压控振荡器9的输入端相连，压控振荡器9的输出端与三态锁存可逆计数器8的输入端相连，三态锁存可逆计数器8的输出端为数字信号的输出端，扇区函数发生器及误差形成电路4与三态锁存可逆计数器8交互连接，第二带通滤波电路的输入端与压控振荡器9的输出端相连，偏置调整电路的输出端与积分滤波电路7的输入端相连。
第一信号处理电路1包括第一信号转换电路、第一信号隔离电路，第二信号处理电路2包括第二信号转换电路、第三信号转换电路和第二信号隔离电路。第一信号转换电路、第二信号转换电路和第三信号转换电路的输入端为旋转变压器的信号输入端，第一信号转换电路的输出端经第一信号隔离电路11与相位自适应电路3的输入端相连，第二信号转换电路和第三信号转换电路的输出端经第二信号隔离电路21与扇区函数发生器及误差形成电路4的输入端相连。
第一信号转换电路、第二信号转换电路和第三信号转换电路分别由运算放大器Q1、Q2、Q3构成，运算放大器Q1的输入端与旋转变压器的激磁信号RL、RH相连，其输出端与第一信号隔离电路相连，运算放大器Q2的输入端与旋转变压器的正弦信号S1、S3相连，运算放大器Q3的输入端与旋转变压器的余弦信号S2、S4相连，运算放大器Q2和运算放大器Q3的输出端与第二信号隔离电路相连，运算放大器Q3的反向输入端依次经电阻R9、R13与其输出端相连。第一信号转换电路、第二信号转换电路和第三信号转换电路的作用是根据不同用户旋转变压器的使用差异而造成的信号输出阻抗不同，实现高阻抗输入，同时将输入的模拟信号电压隔离转换为两路精密正交信号VS和VC。相位自适应电路3由激磁输入进行信号的处理和调整，可以提高激磁信号的精确性和稳定性。
扇区函数发生器和误差形成电路4采用扇区折线技术和线性近似法形成交流误差函数电压，该电路形成的交流误差量的适时性和正确性，决定了整个电路的转换精度。内部跟踪环电路设计时通过有源滤波器，串联一个积分器后，通过鉴相电路6使回路成为二阶无差度，即静态和速度误差为零的伺服回路，使得闭环系统具有足够高的灵敏度和稳定性。
双极性压控振荡器9是采用电荷平衡法原理以及恒流源技术设计的轴角转换器专用电路。电路把输入的直流电压，按设计的比例转换为电路工作频率的脉冲信号，同时输出一个逻辑电平，指示输入的直流电压的极性。双极性压控振荡器9是整个电路能否连续正常跟踪的关键。
三态可逆锁存计数器8由两只八位可逆计数锁存器采用级联方式工作，同时低八位计数器可通过选择端口SC1、SC2，变换2、4、6、8位计数的功能，实现电路具有分辨率10、12、14、16可编程的技术要求。
偏置调整电路包括电阻R16、R17、R18，电阻R16的一端与R17相连，电阻R16和电阻R17的另一端与电源相连，电阻R18的一端与积分滤波电路的输入端相连，其另一端连接于电阻R16和电阻R17之间的节点处。
第二带通滤波电路包括运算放大器Q4，运算放大器Q4的同相输入端与压控振荡器相连，其反向输入端经电容C1和电阻R14并联组成的第二带通滤波电路与其输出端相连，且反向输入端经电阻R15接地，放大器Q4的输出端外接负载电路。
本实施例的高精度零位偏置调整R/D转换器的实现方法，包括以下步骤：
S1：第一信号处理电路1将旋转变压器产生的激励信号进行信号放大和滤除干扰后送入相位自适应电路3，经相位自适应电路3将输入的激磁信号电压与输入的正余弦信号电压进行相位和象限上的信号统一，并同时输入至鉴相电路6进行分解；
S2：第二信号处理电路2将旋转变压器产生两路随角度变化的正弦信号和余弦信号进行交流信号放大，并经第一带通滤波器5滤除干扰后送入扇区函数发生器及误差形成电路4；
S3：扇区函数发生器及误差形成电路4将两路正余弦信号分解为所需精度的电压信号，并将该电压信号进行交流放大及滤除干扰后发送给鉴相电路6；
S4：鉴相电路6将得到的交流全波信号转换成半波信号，该半波信号经过积分电路运算后得到直流电平，并经过压控振荡电路9产生的脉冲和计数方向信号进入三态锁存可逆计数器8，经三态锁存可逆计数器8产生数字角信号，输出数字角度。
本实施例的高精度零位偏置调整R/D转换器采用三次调整，一次是余弦增益调节，通过R13阻值调整，实现对旋变的正余弦信号输出的固有偏差进行补偿，提高测量精度；二是偏置调节，为了保证输入角度信号与数字信号相等时积分器输出为零，消除积分器的输入失调以及偏置电流引起压控振荡器9输出信号的漂移，通过R16、R17、R18构成偏置调整，保证当输入角度为零时，输出数字角度也为零。同时积分器输出为零；三是信号波形处理和比例调整，通过R14、R15、C1、运算放大器Q4构成带通滤波，通过运放及比例电阻进行增益调整，即调整阻容参数，消除高频分量，提高信号质量，减少模拟信号输出纹波，提升输出信号电压一致性。提高信号质量，微调信号幅度，实现输出信号电压的高精度变换。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高精度零位偏置调整R/D转换器，其特征在于：包括第一信号处理电路、第二信号处理电路、第一带通滤波电路、鉴相电路、积分滤波、压控振荡器、三态锁存可逆计数器、偏置调整电路和第二带通滤波电路，所述第一信号处理电路和第二信号处理电路的输入端为旋转变压器的信号输入端，第一信号处理电路的输出端经相位自适应电路与鉴相电路的输入端相连，第二信号处理电路的输出端依次经扇区函数发生器及误差形成电路、第一带通滤波电路与鉴相电路的输入端相连，鉴相电路的输出端经积分滤波电路与压控振荡器的输入端相连，压控振荡器的输出端与三态锁存可逆计数器的输入端相连，三态锁存可逆计数器的输出端为数字信号的输出端，所述扇区函数发生器及误差形成电路与三态锁存可逆计数器交互连接，所述第二带通滤波电路的输入端与压控振荡器的输出端相连，所述偏置调整电路的输出端与积分滤波电路的输入端相连；
所述第一信号处理电路包括第一信号转换电路及第一信号隔离电路，所述第二信号处理电路包括第二信号转换电路、第三信号转换电路和第二信号隔离电路，所述第一信号转换电路、第二信号转换电路和第三信号转换电路的输入端为旋转变压器的信号输入端，第一信号转换电路的输出端经第一信号隔离电路与相位自适应电路的输入端相连，第二信号转换电路和第三信号转换电路的输出端经第二信号隔离电路与扇区函数发生器及误差形成电路的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的高精度零位偏置调整R/D转换器，其特征在于：所述第一信号转换电路、第二信号转换电路和第三信号转换电路分别由运算放大器Q1、Q2、Q3构成，所述运算放大器Q1的输入端与旋转变压器的激磁信号相连，其输出端与第一信号隔离电路相连，所述运算放大器Q2的输入端与旋转变压器的正弦信号相连，运算放大器Q3的输入端与旋转变压器的余弦信号相连，运算放大器Q2和运算放大器Q3的输出端与第二信号隔离电路相连，所述运算放大器Q3的反向输入端依次经电阻R9、R13与其输出端相连。
3.根据权利要求1所述的高精度零位偏置调整R/D转换器，其特征在于：所述偏置调整电路包括电阻R16、R17、R18，所述电阻R16的一端与R17相连，电阻R16和电阻R17的另一端与电源相连，电阻R18的一端与积分滤波电路的输入端相连，其另一端连接于电阻R16和电阻R17之间的节点处。
4.根据权利要求1所述的高精度零位偏置调整R/D转换器，其特征在于：所述第二带通滤波电路包括运算放大器Q4，所述运算放大器Q4的同相输入端与压控振荡器相连，其反向输入端经两并联的电容C1和电阻R14与其输出端相连，且反向输入端经电阻R15接地。
5.根据权利要求1所述一种高精度零位偏置调整R/D转换器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)第一信号处理电路将旋转变压器产生的激励信号进行信号放大和滤除干扰后送入相位自适应电路，经相位自适应电路将输入的激磁信号电压与输入的正余弦信号电压进行相位和象限上的信号统一，并同时输入至鉴相电路进行分解；
(2)第二信号处理电路将旋转变压器产生两路随角度变化的正弦信号和余弦信号进行交流信号放大，并经第一带通滤波器滤除干扰后送入扇区函数发生器及误差形成电路；
(3)扇区函数发生器及误差形成电路将两路正余弦信号分解为所需精度的电压信号，并将该电压信号进行交流放大及滤除干扰后发送给鉴相电路；
(4)鉴相电路将得到的交流全波信号转换成半波信号，该半波信号经过积分电路运算后得到直流电平，并经过压控振荡电路产生的脉冲和计数方向信号进入三态锁存可逆计数器，经三态锁存可逆计数器产生数字角信号，输出数字角度。
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