CN110784223B - 单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种单芯片数字型象限分割技术的轴角‑数字转换电路,其特征在于,该轴角‑数字转换电路包括若干Σ‑Δ调制器,Σ‑Δ调制器依次连接数字滤波器、数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器和数字积分器,数字积分器输出角度数字量,高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号‑数字角度信号的转换。本发明还公开了轴角‑数字转换方法。本发明的整个电路集成在单个芯片上,其跟踪速率快、转换精度高,且无需采用外部元件设置带宽参数,电路结构简单,易于实现,且抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于轴角信号转换集成电路方法领域,特别是一种单芯片数字型象限分割技术的轴角信号转换方法。
背景技术
单芯片轴角-数字转换集成电路是一种将模拟角度信号转换为数字信号的转换器,广泛地应用于火炮、船舶、航空航天等位置角度测量领域。
现有技术中转换电路主要由象限分割电路、D/A转换电路、交流误差放大器、相敏解调器、积分器、压控振荡器、计数器等组成闭环跟踪环路,当输入模拟角θ与数字角度满足/>时,可认为此时的数字角/>从而完成模拟角度到数字角度的转换。
现有的单芯片轴角-数字转换集成电路内部象限分割电路采用运算放大器和电阻等模拟器件进行信号处理,其转换精度完全由运算放大器的性能和电阻的精度决定,并且受制于集成电路生产工艺的加工精度,同时模拟信号易受外界的电磁、辐射等噪声信号影响,其抗干扰能力差。
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,提出一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,电路结构简单,易于实现,且抗干扰能力强。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供了一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法。
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。本发明是一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,其特点是,该轴角-数字转换电路包括若干Σ-Δ调制器,Σ-Δ调制器依次连接数字滤波器、数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器和数字积分器,数字积分器输出角度数字量,高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换。
本发明所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,其进一步优选的技术方案是:Σ-Δ调制器设有三路,分别连接三路数字滤波器。
本发明所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,其进一步优选的技术方案是:数字滤波器由一个63位移位寄存器和一个加法器组成,Σ-Δ调制器输出1位数字码流D,D经过63个移位寄存器,输出63位并行数字信号Q,Q经过快速加法器进行运算,输出16位的正余弦信号SUM。
本发明还公开了一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其特点是:输入旋转变压器信号和参考激磁信号被Σ-Δ调制器采样并经过数字滤波器转换为数字正余弦信号,数字正余弦信号依次经过数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器、数字积分器输出角度数字量,同时角度数字量高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换。
本发明所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其进一步优选的技术方案是:通过三路Σ-Δ调制器分别对两路差分的模拟旋转变压器信号SIN、SINLO,COS、COSLO和激磁信号RH、RL进行采样,转换为1位的二进制数字信号,经过三路数字滤波器转换为16位的数字正余弦信号。
本发明所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其进一步优选的技术方案是:数字滤波器对Σ-Δ调制器采样的1位数字码流进行滤波并转换为16位的数字正余弦信号;Σ-Δ调制器输出1位数字码流D,D经过63个移位寄存器,输出63位并行数字信号Q,Q经过快速加法器进行运算,输出16位的正余弦信号SUM。
本发明所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其进一步优选的技术方案是:数字型象限分割电路的输入信号为16位数字正余弦信号SIN、COS和16位的反馈角度数字量DB,在反馈角度的高6位DB[15:10]的控制下,输出两组16位的误差信号OUT1、OUT2,完成5.635°~360°范围内的角度转换;
数字型象限分割电路输出两组16位的误差信号OUT1、OUT2与反馈的低10位数字角DB[9:0]通过数字误差处理电路进行误差运算,输出15位误差信号OUT3,完成0~5.635°范围内的角度转换。
本发明所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其进一步优选的技术方案是:数字误差处理电路输出的16位误差信号OUT3与数字滤波器输出的16位参考信号REF在同步检波电路内进行信号解调,经过限幅积分器输出15位的速度信号数字量VEL,再经过数字微分器和数字积分器输出16位的角度数字量DB。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本发明中,除Σ-Δ调制器为模拟电路外,其他电路均为数字电路,整个电路集成在单个芯片上,其跟踪速率快、转换精度高,且无需采用外部元件设置带宽参数,从而减小硬件体积,节省了硬件成本;电路结构简单,易于实现,且抗干扰能力强。
2、本发明中电路采用基于数字型象限分割技术,象限分割电路采用反相器、与非门、异或门等简单的数字逻辑电路即可实现,其电路性能对集成电路生产工艺加工精度依赖小,且电路功耗低。
3、本发明中采用Σ-Δ调制器、数字滤波器、数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器和数字积分器组成的闭环跟踪环路,输出速度信号为数字信号,更便于计算机处理,无需经过模拟到数字的转换。
附图说明
图1为单芯片数字型象限分割技术的轴角转换原理框图;
图2为数字滤波器原理图;
图3为数字滤波器系统框图;
图4为数字滤波器输出波形图;
图5为数字型固体控制变压器原理图;
图6为数字型固体控制变压器输出波形图;
图7为误差处理电路及同步检波电路图;
图8为限幅积分器及数字微分器系统框图。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案,以便于本领域的技术人员进一步理解本发明,而不构成对其权力的限制。
实施例1,参照图1,一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,该轴角-数字转换电路包括若干Σ-Δ调制器,Σ-Δ调制器依次连接数字滤波器、数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器和数字积分器,数字积分器输出角度数字量,高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换。
Σ-Δ调制器设有三路,分别连接三路数字滤波器。
数字滤波器由一个63位移位寄存器和一个加法器组成,Σ-Δ调制器输出1位数字码流D,D经过63个移位寄存器,输出63位并行数字信号Q,Q经过快速加法器进行运算,输出16位的正余弦信号SUM。
输入旋转变压器信号和参考激磁信号被三路Σ-Δ调制器采样并经过数字滤波器转换为数字正余弦信号,数字正余弦信号依次经过数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字检波电路、限幅积分器、数字微分器、数字积分器输出角度数字量,同时角度数字量高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换。
通过三路Σ-Δ调制器分别对两路差分的模拟旋转变压器信号SIN、SINLO,COS、COSLO和激磁信号RH、RL进行采样,转换为1位的二进制数字信号,经过三路数字滤波器转换为16位的数字正余弦信号。
参照图2、图3、图4,数字滤波器对Σ-Δ调制器采样的1位数字码流进行滤波并转换为16位的数字正余弦信号。数字滤波器由一个63位移位寄存器和一个加法器组成,Σ-Δ调制器输出1位数字码流D,D经过63个移位寄存器,输出63位并行数字信号Q,Q经过快速加法器进行运算,输出16位的正余弦信号SUM。
参照图5、图6,数字型象限分割电路的输入信号为16位数字正余弦信号SIN、COS和16位的反馈角度数字量DB,在反馈角度的高6位DB[15:10]的控制下,输出两组16位的误差信号OUT1、OUT2,完成5.635°~360°范围内的角度转换。数字型象限分割电路输出两组16位的误差信号OUT1、OUT2与反馈的低10位数字角DB[9:0]通过数字误差处理电路进行误差运算,输出15位误差信号OUT3,完成0~5.635°范围内的角度转换。
参照图7、图8,数字误差处理电路输出的16位误差信号OUT3与数字滤波器输出的16位参考信号REF在同步检波电路内进行信号解调,经过限幅积分器输出15位的速度信号数字量VEL,再经过数字微分器和数字积分器输出16位的角度数字量DB。
实施例2,参照图1,一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,该轴角-数字转换电路包括若干Σ-Δ调制器,Σ-Δ调制器依次连接数字滤波器、数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器和数字积分器,数字积分器输出角度数字量,高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换。分述如下:
1.1数字滤波器
如图2、3所示:数字滤波器对Σ-Δ调制器采样的1位数字码流D进行快速滤波运算并转换为16位的数字正余弦信号。数字滤波器由一个63位移位寄存器和一个加法器组成,Σ-Δ调制器输出1位数字码流D,D经过63个移位寄存器,输出63位并行数字信号Q[62:0],Q[62:0]经过加法器进行运算,输出16位的正余弦信号SUM[15:0]。
1.2数字型固态控制变压器
如图5所示:数字型固态控制变压器是将360°范围内的输入的旋转变压器模拟信号进行象限分割,最小分割到5.625°,其中各个输出节点的信号完成以下逻辑运算:
G180=DB[15];G1=G180^DB[14];
G6=DB[14]^DB[13];G4=DB[13]^DB[12];
G3=~(G6|(DB[14]^DB[12])); G5=~(G3|G4);
G10=DB[12]^DB[11];G7=~(G10|(DB[12]^DB[10]));
G8=DB[11]^DB[10];G9=~(G7|G8);
G1_OUT=(G1==1'b1)?((~SIN)+1):SIN;
G180_OUT=(G180==1'b1)?COS:((~COS)+1);
G6_OUT=(G6==1'b0)?G1_OUT:G180_OUT;
COS45_OUT=COS45°·(SIN+COS);
COSX2=(G3&G1_OUT)|(G4&COS45_OUT)|(G5&G180_OUT);
OUT1=(G7&COSX2)|(G8&COS1125_OUT)|(G9&COS225_OUT)
其中由于系数cos45°、为无理数,需要采用定点表示。设量化字长为N,则系数可表示为十进制数cos45°×2N、
在将十进制转换为二进制码,完成系数的定点量化。例如,量化子长为10,
cos45°×210=0.707×1024=(724)10=(1011010100)2
在反馈角度的高6位DB[15:10]的控制下,输出两组误差信号OUT1、OUT2,完成5.635°~360°范围内的角度转换。
1.3误差处理和同步检波电路
如图7所示:误差处理电路完成角度细分,在0~5.625°范围内可近似为线性,故数字型象限分割电路输出两组误差信号OUT1、OUT2与反馈的数字角DB[9:0]完成误差运算,输出误差信号OUT3,完成0~5.635°范围内的角度转换。OUT3是由OUT1和OUT2采用以下逻辑运算产生。
OUT3=OUT1*(~DB[9:0])+OUT2*DB[9:0];
数字误差处理电路输出OUT3信号,经过数字检波电路完成以下逻辑运算。
OUT4=(REF[15]==1)?OUT3:(~OUT3+1);
1.4限幅积分器(限幅积分器)和微分器电路
如图8所示:数字检波电路输出OUT4经过限幅积分器,输出一个与速度成比例的速度数字量VEL。补偿滤波器产生一个零点和一个极点用于提供相位裕度并减小高频噪声增益,速度数字量VEL经过数字微分器和数字积分器,即输出角度数字量DB,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换。
Claims (7)
1.一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,其特征在于,该轴角-数字转换电路包括若干Σ-Δ调制器,Σ-Δ调制器依次连接数字滤波器、数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器和数字积分器,数字积分器输出角度数字量,高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换;
Σ-Δ调制器设有三路,分别连接三路数字滤波器。
2.根据权利要求1所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换电路,其特征在于:数字滤波器由一个63位移位寄存器和一个加法器组成,Σ-Δ调制器输出1位数字码流D,D经过63个移位寄存器,输出63位并行数字信号Q,Q经过快速加法器进行运算,输出16位的正余弦信号SUM。
3.一种单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其特征在于:输入旋转变压器信号和参考激磁信号被Σ-Δ调制器采样并经过数字滤波器转换为数字正余弦信号,数字正余弦信号依次经过数字型象限分割电路、数字误差处理电路、数字同步检波电路、限幅积分器、数字微分器、数字积分器输出角度数字量,同时角度数字量高6位反馈给数字型象限分割电路作为象限分割的控制信号,低10位反馈给数字误差处理电路,实现的误差处理,完成模拟角度信号-数字角度信号的转换。
4.根据权利要求3所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其特征在于:通过三路Σ-Δ调制器分别对两路差分的模拟旋转变压器信号SIN、SINLO,COS、COSLO和激磁信号RH、RL进行采样,转换为1位的二进制数字信号,经过三路数字滤波器转换为16位的数字正余弦信号。
5.根据权利要求3所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其特征在于,数字滤波器对Σ-Δ调制器采样的1位数字码流进行滤波并转换为16位的数字正余弦信号;Σ-Δ调制器输出1位数字码流D,D经过63个移位寄存器,输出63位并行数字信号Q,Q经过快速加法器进行运算,输出16位的正余弦信号SUM。
6.根据权利要求3所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其特征在于:数字型象限分割电路的输入信号为16位数字正余弦信号SIN、COS和16位的反馈角度数字量DB,在反馈角度的高6位DB[15:10]的控制下,输出两组16位的误差信号OUT1、OUT2,完成5.635°~360°范围内的角度转换;
数字型象限分割电路输出两组16位的误差信号OUT1、OUT2与反馈的低10位数字角DB[9:0]通过数字误差处理电路进行误差运算,输出15位误差信号OUT3,完成0~5.635°范围内的角度转换。
7.根据权利要求3所述的单芯片数字型象限分割技术的轴角-数字转换方法,其特征在于:数字误差处理电路输出的16位误差信号OUT3与数字滤波器输出的16位参考信号REF在同步检波电路内进行信号解调,经过限幅积分器输出15位的速度信号数字量VEL,再经过数字微分器和数字积分器输出16位的角度数字量DB。
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