CN107666321B - D/r转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置 - Google Patents
D/r转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种D/R转换器并行二进制角度码‑两路正交信号转换装置，包括交流信号电压减小电路，模拟开关阵列选择电路，正、余弦函数发生器电路，功率放大器电路和16位并行二进制数输入电路。交流信号电压减小电路的输入端为外部的交流信号，运算放大器将交流电压进行减小；模拟开关阵列选择电路为模拟开关阵列芯片采用扇区折线技术，进行高6位数字控制的64扇区边界电压产生；正、余弦函数发生器电路采用扇区内角线性近似法，通过低10位数字控制的DAC得到两路精密正交信号；功率放大电路通过功率放大原理将正交信号分别进行功率放大并输出所需幅值的交流信号；16位并行二进制数输入电路进行外部给定的数字接收和高6位数字、低10位数字的反馈。
Description
技术领域
本发明涉及D/R转换器数字/模拟跟踪环电路设计领域，具体涉及一种用于D/R转换器中的16位并行二进制角度码调制成两路正交信号的装置及方法。
背景技术
D/R转换器是轴角伺服控制系统中的关键器件之一，在系统中用于对数字化角度码进行模拟量的转换。D/R转换器应用于航天、航空、兵器、舰船等重要武器系统中，也广泛应用于数控机床伺服机构、汽车电动助力转向测量、发动机运动检测与控制、以及扫描、搜索、定位、导航、测量等众多民用伺服控制领域。
D/R转换器属数字/模拟连续跟踪型转换电路，因此在D/R转换器的数字-模拟跟踪环电路中，须设计一种特殊的64扇区函数发生器：要求正、余弦函数发生器电路的输入端为二进制数字角度φ，高6位采用扇区折线技术，得到64扇区边界电压，低10位的扇区内角采用线性近似法建立函数数学模型，进而设计模拟运算电路得到两路精密正交信号，所述64扇区函数发生器电路的设计16位并行二进制角度码，到角度正弦模拟量和余弦模拟量输出的高精度转换电路。因此采用了64扇区函数设计技术和扇区内角线性近设计技术，精确产生角度正、余弦模拟量。
目前，常规的数字/解算设计无法满足D/R转换器上述的特殊需求，如，因此必须设计一种满足D/R转换器跟踪需求的并行二进制角度码调制成两路正交信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置，以满足D/R转换器跟踪需求的并行二进制角度码调制成两路正交信号。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括交流信号电压减小电路、模拟开关阵列选择电路、正余弦函数发生器电路、功率放大器电路、16位并行二进制数输入电路；
所述交流信号电压减小电路的输入端与外部交流信号输入端相连，所述模拟开关阵列选择电路输入端与交流信号电压减小电路输出端相连，所述正余弦函数发生器电路的输入端与模拟开关阵列选择电路输出端相连，所述功率放大器电路输入端与正余弦函数发生器电路输出端相连，所述功率放大器电路的输出端与外部交流信号输出端相连，所述的16位并行二进制数输入电路与电路的外部数字输入相连，并把高6位发送至模拟开关阵列选择电路，同时把低10位发送至正余弦函数发生器电路。
其中，所述交流信号电压减小电路包括运算放大器；
运算放大器的输入端连接外部信号电压，通过电阻网络比例运算减小外部信号电压，运算放大器的输出端与所述模拟开关阵列选择电路输入端相连。
其中，所述模拟开关阵列选择电路包括模拟开关阵列芯片，采用64扇区函数设计技术进行高6位和低10位的选择。
其中，所述正余弦函数发生器电路包括集成运放U1、10位电流输出COMSDAC芯片U4、薄膜电阻R4、R5和R6；
所述集成运放U1的同相输入端接地、反向输入端与外部电压源相连，其输出端经薄膜电阻R4、R5和R6与10位电流输出与COMSDAC芯片U4的输入端相连，COMSDAC芯片U4的输出端与集成运放U1的反向输入端相连，10位电流输出COMSDAC芯片U4的输出端采用扇区内角线性近设计技术进行正余弦输出。
其中，所述功率放大器电路包括二极管芯片D1～D10、三极管芯片V1～V8、电阻和电容；
所述二极管芯片D1的正向输入端、二极管芯片D2的反向输入端分别与输入交流信号相连，二极管芯片D3的反向输入端、二极管芯片D4的正相输入端均与三极管芯片的C级相连，三极管芯片的B级与三极管芯片和电阻电容相连，三极管芯片的E级的输出端经电阻与信号SIN输出端相连。
其中，所述16位并行二进制数输入电路包括16位并行二进制数输入芯片，进行16位并行二进制数输入。
第二方面，提供一种D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换方法，包括：
S1、外部信号交流电压RH和RL输入，经串联的运算放大器，通过比例电阻对外部交流信号进行直接耦合减小；
S2、模拟开关阵列芯片将所述外部交流信号进行高6位和低10位的选择；
S3、运算放大器U1的输出端与10位电流输出COMSDAC芯片U4的输入端相连接，基准电压采用5V至15V电源供电，并给正极性或负极性基准电压输入提供二进制计数法，输出经过高精度模数转换的交流信号；
S4、10位电流输出COMSDAC芯片U4的输出信号与后方的运算放大器输入端相连，通过所述运算放大器电路进行高精度运算放大后输出所需信号电压；
S5、利用16位并行二进制数输入电路读取输入的16位并行二进制数并进入后方的模拟开关阵列电路进行高低位选择。
与现有技术相比：本发明采用了64扇区函数设计技术和扇区内角线性近设计技术，可以精确产生角度正、余弦模拟量，可以有效地提高输出的正、余弦模拟量的精度。可以有效地提高输入的并行二进制码的转换速率，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是本发明的一种D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置的电路框图；
图2是本发明的电路原理图；
图3是本发明中正余弦函数发生器的结构示意图；
图4是本发明中扇形分割示意图；
图5是本发明中级联电路结构示意图；
图6是本发明中一种D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换方法的流程示意图。
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，本实施例公开的方案的主要目的在于将R/D转换器中的并行二进制角度码调制成两路正交信号，具体方案包括：
交流信号电压减小电路1、模拟开关阵列选择电路2、正余弦函数发生器电路3、功率放大器电路4、16位并行二进制数输入电路5；
所述交流信号电压减小电路1的输入端与外部交流信号输入端相连，所述模拟开关阵列选择电路2输入端与交流信号电压减小电路1输出端相连，所述正余弦函数发生器电路3的输入端与模拟开关阵列选择电路2输出端相连，所述功率放大器电路4输入端与正余弦函数发生器电路3输出端相连，所述功率放大器电路4的输出端与外部交流信号输出端相连，所述的16位并行二进制数输入电路5与电路的外部数字输入相连，并把高6位发送至模拟开关阵列选择电路2，同时把低10位发送至正余弦函数发生器电路3。
进一步地，所述交流信号电压减小电路1包括运算放大器；运算放大器的输入端连接外部信号电压，通过电阻网络比例运算减小外部信号电压，运算放大器的输出端与所述模拟开关阵列选择电路2输入端相连。
进一步地，模拟开关阵列选择电路2包括模拟开关阵列芯片，其作用是采用64扇区函数设计技术对外部交流信号进行高6位和低10位的选择。
如图2至图3所示，正余弦函数发生器电路3包括集成运放U1、10位电流输出COMSDAC芯片U4、薄膜电阻R4、R5和R6，所述集成运放U1的同相输入端接地，其反向输入端与外部电压源相连，其输出端经薄膜电阻R4、R5和R6与10位电流输出COMSDAC芯片U4的输入端相连，输出端与集成运放U1的反向输入端相连，10位电流输出COMSDAC芯片U4的输出端采用扇区内角线性近设计技术进行正余弦输出。
需要说明的是，所述正、余弦函数发生器电路的输入端为二进制数字角度φ，高6位采用扇区折线技术，得到64扇区边界电压，低10位的扇区内角采用线性近似法建立函数数学模型，进而设计模拟运算电路得到两路精密正交信号，所述正、余弦函数发生器电路设计16位并行二进制角度码，到角度正弦模拟量和余弦模拟量输出的高精度转换电路。因此采用了64扇区函数设计技术和扇区内角线性近设计技术，精确产生角度正、余弦模拟量。具体工作原理如下：
前面已知外部输入参考电压：VRef＝Asinωt，其中，A代表振幅，ωt代表相位，φ代表数字角度)；
当输入数字角φ时，要求输出：VSIN＝Asinωtsinφ，VCOS＝Asinωtcosφ；
由输出公式VSIN＝Asinωtsinφ，VCOS＝Asinωtcosφ可知：
VSIN＝-Asinωtsin(0°-φ)；
VCOS＝Asinωtsin(90°-φ)。
因此在电路中必须将二进制数字φ转换为正、余弦替代函数。
本实施例中64扇区函数设计方案如下：
若φ为16位数字角，则φ可看成高6位数据组成的扇区角A1与低10位数据组成的扇区内角A2之和，即
φ＝A1+A2；φ0＝5.625°＝A2+A2补；
其中，A1和A2为数字二进制角度。
可理解为把360°圆周，分割为64个扇区，如图4所示。
可设：输入模拟角为θ
则正弦函数VS＝Asin(θ-φ)sinωt
＝Asin(θ-A1-A2)sinωt
＝A[sin(θ-A1)cos A2-cos(θ-A1)sin A2]sinωt。
因为：cos A2＝cos(φ0-A2补)
＝cosφ0cos A2补+sinφ0sin A2补。
cos A2补＝cos(φ0-A2)
＝cosφ0cos A2+sinφ0sin A2。
所以：cos A2＝cosφ0[cosφ0cos A2+sinφ0sin A2]+sinφ0sin A2补
＝cos2φ0cos A2+sinφ0cosφ0sin A2+sinφ0sin A2补
cos A2(1-cos2φ0)＝sinφ0cosφ0sin A2+sinφ0sin A2补
在此，运用三角函数的近似法，可令：
sin A2≈A2；sin A2补≈A2补。
则：
从上式看出：正弦函数是两扇区边界电压分别与扇区内数字角的原码和补码的乘积之和形成。
64扇区的边界电压的计算过程如下：
通过象限选择电路，包括选择开关和集成运放的设计，可得：Sinθ；
Sin(θ-90°)＝-cosθ；
sin(θ-180°)＝-sinθ；
sin(θ-270°)＝cosθ；
运用三角函数半角公式可得:
所以：设计电路如图5所示,可得Vsin(θ-45°)函数电压。
令：R3＝R4；
同理，通过电路级联方式，可设计出产生：
Vsin(θ-22.5°)；
Vsin(θ-11.25°)；
Vsin(θ-5.625°)。
即等共64扇区边界函数电压的电路。
进一步地，功率放大器电路4包括二极管芯片D1～D10、三极管芯片V1～V8、电阻和电容，所述二极管芯片D1的正向输入端和二极管芯片D2的反向输入端分别与输入交流信号相连，二极管芯片D3的反向输入端与二极管芯片D4的正相输入端均与三极管芯片的C级相连，三极管芯片的B级与三极管芯片和电阻电容相连，三极管芯片的E级的输出端经电阻与信号SIN输出端相连。
如图6所示，本实施例公开一种D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换方法，包括如下步骤S1至S5：
S1、外部信号交流电压RH和RL输入，经串联的运算放大器，通过比例电阻对外部交流信号进行直接耦合减小；
S2、模拟开关阵列芯片将所述外部交流信号进行高6位和低10位的选择；
需要说明的是，模拟开关阵列芯片将信号进行高6位和低10位的选择,采用了64扇区函数设计技术当外部给予高6位的数字码时，模拟开关阵列芯片读取数字码，将交流耦合信号选通进入后方高位函数发生器电路，低10位数字码依次类推。
S3、运算放大器U1的输出端与10位电流输出COMSDAC芯片U4的输入端相连接，基准电压采用5V至15V电源供电，并给正极性或负极性基准电压输入提供二进制计数法，输出经过高精度模数转换的交流信号；
需要说明的是，当交流耦合信号进入正、余弦函数发生器电路时，采用了扇区内角线性近设计技术进行高精度电路转换，运算放大器U1的输出端与10位电流输出U4的输入端相连接，基准电压采用5V至15V电源供电，并给正极性或负极性基准电压输入提供适当的二进制计数法，二进制计数法采用在基准电压输入上加交流信号，通过数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出经过高精度模数转换的交流信号。
S4、10位电流输出COMSDAC芯片U4的输出信号与后方的运算放大器输入端相连，通过所述运算放大器电路进行高精度运算放大后输出所需信号电压；
S5、利用16位并行二进制数输入电路读取输入的16位并行二进制数并进入后方的模拟开关阵列电路进行高低位选择。
本发明所述的D/R转换器的数字-模拟跟踪环电路中，须设计一种特殊的64扇区函数发生器：要求正、余弦函数发生器电路的输入端为二进制数字角度φ，高6位采用扇区折线技术，得到64扇区边界电压，低10位的扇区内角采用线性近似法建立函数数学模型，进而设计模拟运算电路得到两路精密正交信号，所述64扇区函数发生器电路的设计16位并行二进制角度码，到角度正弦模拟量和余弦模拟量输出的高精度转换电路。因此采用了64扇区函数设计技术和扇区内角线性近设计技术，精确产生角度正、余弦模拟量。
通过以上技术方案，采用了64扇区函数设计技术和扇区内角线性近设计技术有以下有益效果：
第一，可以精确产生角度正、余弦模拟量，可以有效地提高输出的正、余弦模拟量的精度。
第二，可以有效地提高输入的并行二进制码的转换速率，提高了电路输出精度，为系统安全提供了保障。
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 (7)
1.一种D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置，其特征在于：包括交流信号电压减小电路(1)、模拟开关阵列选择电路(2)、正余弦函数发生器电路(3)、功率放大器电路(4)、16位并行二进制数输入电路(5)；
所述交流信号电压减小电路(1)的输入端与外部交流信号输入端相连，所述模拟开关阵列选择电路(2)输入端与交流信号电压减小电路(1)输出端相连，所述正余弦函数发生器电路(3)的输入端与模拟开关阵列选择电路(2)输出端相连，所述功率放大器电路(4)输入端与正余弦函数发生器电路(3)输出端相连，所述功率放大器电路(4)的输出端与外部交流信号输出端相连，所述的16位并行二进制数输入电路(5)与电路的外部数字输入相连，并把高6位发送至模拟开关阵列选择电路(2)，同时把低10位发送至正余弦函数发生器电路(3)；所述模拟开关阵列选择电路(2)采用64扇区函数设计技术进行高6位和低10位的选择，高6位采用扇区折线技术，得到64扇区边界电压，低10位的扇区内角采用线性近似法建立函数数学模型，得到角度正弦模拟量和余弦模拟量。
2.根据权利要求1所述的D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置，其特征在于：所述交流信号电压减小电路(1)包括运算放大器；
运算放大器的输入端连接外部信号电压，通过电阻网络比例运算减小外部信号电压，运算放大器的输出端与所述模拟开关阵列选择电路(2)输入端相连。
3.根据权利要求1所述的D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置，其特征在于：所述模拟开关阵列选择电路(2)包括模拟开关阵列芯片。
4.根据权利要求1所述的D/R转换器并行二进制角度码一两路正交信号转换装置，其特征在于：所述正余弦函数发生器电路(3)包括集成运放U1、10位电流输出COMSDAC芯片U4、薄膜电阻R4、R5和R6；
所述集成运放U1的同相输入端接地、反向输入端与外部电压源相连，其输出端经薄膜电阻R4、R5和R6与10位电流输出与COMSDAC芯片U4的输入端相连，COMSDAC芯片U4的输出端与集成运放U1的反向输入端相连，10位电流输出COMSDAC芯片U4的输出端采用扇区内角线性近设计技术进行正余弦输出。
5.根据权利要求1所述的D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置，其特征在于：所述功率放大器电路(4)包括二极管芯片D1～D10、三极管芯片V1～V8、电阻和电容；
所述二极管芯片D1的正向输入端、二极管芯片D2的反向输入端分别与输入交流信号相连，二极管芯片D3的反向输入端、二极管芯片D4的正相输入端均与三极管芯片的C级相连，三极管芯片的B级与三极管芯片和电阻电容相连，三极管芯片的E级的输出端经电阻与信号SIN输出端相连。
6.根据权利要求1所述的D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置，其特征在于：所述16位并行二进制数输入电路(5)包括16位并行二进制数输入芯片，进行16位并行二进制数输入。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的D/R转换器并行二进制角度码-两路正交信号转换装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、外部信号交流电压RH和RL输入，经串联的运算放大器，通过比例电阻对外部交流信号进行直接耦合减小，得到交流耦合信号；
S2、模拟开关阵列芯片将所述交流耦合信号进行高6位和低10位的选择，具体采用64扇区函数设计技术进行高6位和低10位的选择，高6位采用扇区折线技术，得到64扇区边界电压，低10位的扇区内角采用线性近似法建立函数数学模型，得到角度正弦模拟量和余弦模拟量；
S3、正余弦函数发生器电路包括集成运放U1和10位电流输出COMSDAC芯片U4，运算放大器U1的输出端与10位电流输出COMSDAC芯片U4的输入端相连接，基准电压采用5V至15V电源供电，并给正极性或负极性基准电压输入提供二进制计数法，输出经高精度模数转换得到的交流信号；
S4、10位电流输出COMSDAC芯片U4的输出信号与后方的运算放大器输入端相连，通过所述运算放大器电路进行高精度运算放大后输出所需信号电压；
S5、利用16位并行二进制数输入电路读取输入的16位并行二进制数并进入后方的模拟开关阵列电路进行高低位选择。
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