CN203327029U - 一种应用于惯导系统中的旋转变压信号变换设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应用于惯导系统中的旋转变压信号变换设备，它包括控制器、DDS芯片、低通滤波模块、信号放大模块、模拟存储器阵列、模拟乘法器阵列、功率放大器以及相位调谐器，控制器控制DDS芯片输出阶梯波形的模拟输出量，经低通滤波和信号放大后送至模拟存储器阵列，控制器控制模拟存储器的刷新，根据外部送来的控制指令，可以控制生成相应的不同速比的旋转变压信号。本实用新型体积小、功耗低、操作简便，功能完善，可满足多种需要旋转变压信号发生的场合。

Description

一种应用于惯导系统中的旋转变压信号变换设备

技术领域

本实用新型属于旋转变压信号转换领域，涉及一种应用于惯导系统中的旋转变压信号变换设备。

背景技术

旋转变压器/数字转换模块是角位移测量、控制和固态发送系统的重要组件，它把测角模拟量转换成数字量信号，在飞行器姿态控制、导弹控制、雷达天线跟踪、火控系统、工业机器人、数控机床、计算机辅助制造等角位移测量与控制系统中得到了越来越广泛的运用。例如，在飞行器上大量装备的惯导系统，其输出的飞行器姿态信号大多数都为旋转变压信号。在使用旋转变压信号的过程中，不仅需要将旋转变压信号转换成数字信号，同时也存在将数字信号转换成旋转变压信号的问题，如在进行数字控制时就常常需要将数字控制信号转换成旋转变压信号，此外，在很多测试的场合也存在将数字信号转换成旋转变压信号的需要。

目前，数字旋变转换装置生成旋转变压信号的基本原理大多是利用两个D/A转换器连接成乘法器，将需要转换的角度的正弦、余弦数字量与参考信号相乘，最后通过象限选择开关和功率放大后输出，使用这种数字旋变转换模块存在成本和体积较大的问题。随着集成电路的高速发展，这种类型的转换器已有许多产品以固态电路封装形式应市，同时，人们对电路的转换精度、转换速度和可靠性以及结构和价格等方面也提出了更高的要求。

综上分析，提供一种转换精度高、转换速度快和可靠性好，并且结构简单、成本低廉的旋转变压信号变换设备是旋转变压信号转换领域的迫切需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种应用于惯导系统中的旋转变压信号变换设备，克服现有的变换设备成本高、体积较大以及转换精度、转换速度和可靠性的技术问题。

本实用新型采用如下技术方案：

一种应用于惯导系统中的旋转变压信号变换设备，它包括控制器、DDS芯片、低通滤波模块、信号放大模块、模拟存储器阵列、模拟乘法器阵列、功率放大器以及相位调谐器，其特征在于：

所述控制器通过RS232串口接收输入控制信号，该控制器的输出端与DDS芯片相连，控制DDS芯片动作得到阶梯波形的模拟输出量，进入所述低通滤波模块将阶梯波形的模拟输出量转化为平滑波形的模拟量，然后经过信号放大模块将信号放大后发送至模拟存储器阵列，所述控制器的刷新信号控制端与所述模拟存储器阵列相连；

所述的相位调谐器连接外部参考信号，并与模拟乘法器阵列相连；

所述模拟乘法器阵列分别与模拟存储器阵列和功率放大器相连，接收来自所述模拟存储器阵列的信号，并将信号输出到所述功率放大器；

所述功率放大器对信号进行放大后输出。

优选的，所述低通滤波模块为截止频率为120MHz的七阶椭圆低通滤波器。

优选的，所述控制器采用STC11F60XE单片机。

优选的，所述DDS芯片为AD9954芯片。

本实用新型取得的有益效果是：

1、克服了旋转变压信号转换应用中成本过高、体积过大的不足，实现了可变参考频率输出的低成本小体积数字/旋变转换，满足需要旋转变压信号发生的场合。

2、外部控制简单，调整方便。外部控制器主要通过串口发送需要发送的角度值即可自动完成转换。

3、可以满足参考信号频率可变的要求，电路带宽较高，在不同频率参考信号转换时，直接接入外部参考信号，简单调整相位调谐环节即可满足不同参考频率的旋转变压信号发送。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为AD9945芯片的引脚图；

图3为串口通信模块的电路图；

图4为信号放大模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

图1示出了本实用新型的结构，该旋转变压信号变换设备，包括控制器、DDS芯片、低通滤波模块、信号放大模块、模拟存储器阵列、模拟乘法器阵列、功率放大器以及相位调谐器。控制器通过RS232串口接收外部送来需要转换的角度信号，转换成并行二进制角度信号，该控制器的输出端与DDS芯片相连，控制器将并行二进制角度信号发送给DDS芯片，控制DDS芯片动作得到阶梯波形的模拟输出量，进入低通滤波模块将阶梯波形的模拟输出量转化为平滑波形的模拟量，然后经过信号放大模块将信号放大后发送至模拟存储器阵列，控制器的刷新信号控制端与所述模拟存储器阵列相连，控制模拟存储器的刷新。根据外部送来的控制指令，控制器可以控制生成相应的不同速比的旋转变压信号。

相位调谐器连接外部参考信号，并与模拟乘法器阵列相连。

模拟乘法器阵列分别与模拟存储器阵列和功率放大器相连，接收来自模拟存储器阵列的信号，并将信号输出到功率放大器，功率放大器对信号进行放大后输出。

在对单片机进行选择时，对比了当今最为流行的51系列单片机、Atmel的AVR单片机和Microchip的PIC单片机，最终选择了STC11F60XE。原因主要考虑到STC11F60XE的性能远远高于传统51单片机，且性价比又强于AVR、PIC单片机。下面就STC11F60XE单片机做一具体介绍。

STC11F60XE属于STC11系列单片机中的高端产品。STC11系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。

STC11F60XE主要特性如下：

●增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051

●工作电压：5.5V-4.1V/3.7V

●工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz

●应用程序空间：60K字节

●片上集成1280字节RAM

●通用I/O口(36/40个)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)。可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力均可达到20mA。

●ISP(在系统可编程)和IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口(RxD/P3.0、TxD/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片

●有EEPROM功能

●看门狗

●内部集成MAX810专用复位电路

●内置一个对内部Vcc进行掉电检测的掉电检测电路，可设置为中断或复位，掉电检测门槛电压为4.1V/3.7V附近。

●时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部R/C振荡器频率为：4MHz～8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。

●共2个16位定时器(与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1)，16位定时器T0和T1)，16位定时器T0和T1)，有1个独立波特率发生器。

●3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。

●外部中断I/O口5路，传统的下降沿中断或低电平触发中断。

●Power Down(掉电)模式可由内部掉电唤醒专用定时器唤醒，也可由上面提到的外部中断口中断唤醒，由于INT/RxD支持下降沿中断，故也可支持远程通信唤醒。

●一个独立的通用全双工异步串行口(UART)，做主机时可以当2个串口使用。[RxD/P3.0、TxD/P3.1]可以切换到[RxD/P1.6、TxD/P1.7]，通过将串口在P3口和P1口之间来回切换，将1个串口作为2个主串口分时复用，可低成本实现2个串口，当然有其局限性。

●工作温度范围：-40～+85℃(工业级)/0～75℃(商业级)

●封装：PDIP-40/LQFP-44/PLCC-44。

STC11F60XE单片机的封装采用LQFP44封装，它的体积比普通的DIP40封装小很多，而且多了独立的可位寻址P4口。STC11F60XE可以使用内部LC振荡器提供时钟源，但是受外界温度的影响很大，所以最好还是使用外部无源晶振作为单片机的时钟源。

DDS芯片选择了AD9954芯片。AD9954是ADI公司2003年采用先进的DDS技术生产的高集成度频率合成器。它内置高速、高性能D/A转换器及超高速比较器，可作为数字编程控制的频率合成器，理论上能产生200MHz的模拟正弦波。AD9954内含1024×32静态RAM，利用该RAM可实现高速调制，并支持几种扫频模式。AD9954可提供自定义的线性扫频操作模式，通过AD9954的串行I/O口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨率。其应用范围包括灵敏频率合成器、可编程时钟发生器、雷达和扫描系统FM调制源以及测试和测量装置等。

AD9954主要特性如下：

●内置400MSPS时钟

●内含14位DAC

●相位、幅度可编程

●有32位频率转换字

●在DAC输出有1Hz频率偏移时相位噪声小于-120dBc

●具有良好的动态特性：在160M输出仍有80dB的SFDR(无杂散动态范围)

●串行I/O控制

●内置超高速模拟比较器

●可自动线性和非线性扫频

●内部集成有1024×32位RAM

●采用1.8V电源供电

●硬件或软件实现低功耗控制

●内含4～20倍可编程参考时钟倍乘器

●支持大多数数字输入的5V输入电平

●可以实现多片同步

AD9954采用48脚TQFP封装，其引脚图如图2所示。AD9954内部具有两类寄存器：数据寄存器和控制寄存器。控制寄存器有CFR1(Control FunctionRegister No.1)和CFR2。数据寄存器主要有幅度寄存器(ASF)，幅度上升斜率寄存器(ARR)，频率转换字0(FTW0)，频率转换字1(FTW1)，相位偏移控制字(POW0)，RAM段控制寄存器0(RSCW0)，RAM段控制寄存器1(RSCW1)，RAM段控制寄存器2(RSCW2)，RAM段控制寄存器3(RSCW3)等。

本实用新型采用了如图3所示的截止频率为120MHz的七阶椭圆低通滤波器。信号通过低通滤波后，必须通过高速运算放大器对信号进行幅值的放大处理，才能为信号提供足够的电压和电流。这里选择AD8138来进行信号的放大，它属于差分放大器，-3dB带宽为320MHz，转换速率(SR)达到了1150V/us。使用AD8138搭建成反向比例放大电路，放大倍数为0-25倍，将AD9954输出的200mV电压放大至5V。反馈电阻R19，R20不能随意选择，最佳值为500Ω左右，如果增大反馈电阻会降低带宽，上述信号放大模块的电路图如图4所示。

该变换设备中的模拟乘法器阵列由多个模拟乘法器构成，采用现有技术中的模拟乘法器即可实现。模拟乘法调制器阵列将模拟存储器输出的直流电压信号调制到参考信号上。通过两个模拟乘法器分别和经过相位调谐的参考信号相乘作为输出，即为形成一路旋转变压信号输出。

为解决整个电路存在相移问题，保证输出旋转变压信号与参考信号同步，该变换设备中的相位调谐器通过运放构成的移相电路实现。

本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种应用于惯导系统中的旋转变压信号变换设备，它包括控制器、DDS芯片、低通滤波模块、信号放大模块、模拟存储器阵列、模拟乘法器阵列、功率放大器以及相位调谐器，其特征在于：

所述控制器通过RS232串口接收输入控制信号，该控制器的输出端与DDS芯片相连，控制DDS芯片动作得到阶梯波形的模拟输出量，进入所述低通滤波模块将阶梯波形的模拟输出量转化为平滑波形的模拟量，然后经过信号放大模块将信号放大后发送至模拟存储器阵列，所述控制器的刷新信号控制端与所述模拟存储器阵列相连；

所述的相位调谐器连接外部参考信号，并与模拟乘法器阵列相连；

所述模拟乘法器阵列分别与模拟存储器阵列和功率放大器相连，接收来自所述模拟存储器阵列的信号，并将信号输出到所述功率放大器；

所述功率放大器对信号进行放大后输出。

2.根据权利要求1所述的旋转变压信号变换设备，其特征在于：所述低通滤波模块为截止频率为120MHz的七阶椭圆低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的旋转变压信号变换设备，其特征在于：所述控制器采用STC11F60XE单片机。

4.根据权利要求1所述的旋转变压信号变换设备，其特征在于：所述DDS芯片为AD9954芯片。

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