CN204515404U

CN204515404U - 数字转换器

Info

Publication number: CN204515404U
Application number: CN201520042420.6U
Authority: CN
Inventors: 席光荣; 李改有; 杨姜; 何丽君
Original assignee: Anhui Normal University
Current assignee: Anhui Normal University
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2025-01-21

Abstract

本实用新型公开了一种数字转换器，该数字转换器包括：隔离放大器、数模转换器和现场可编程逻辑门阵列，其中，所述隔离放大器，用于对输入的模拟信号进行隔离和放大；所述数模转换器被配置成连接于所述隔离放大器，将所述模拟信号转换成数字信号；所述现场可编程逻辑门阵列被配置成连接于所述数模转换器，以接受并存储所述数字信号，且处理得到轴角。该数字转换器结构简单，方便进行轴角的转换。

Description

数字转换器

技术领域

本实用新型涉及转换器，具体地，涉及一种数字转换器。

背景技术

目前，在控制领域中，为了适应计算机的信息处理和控制，需要将自整角机/旋转变压器输出的交流电压信号转变为数字量。目前国内外的其它角度测量方法尚存在缺点。例如美国的一种名为SDC/RDC1740的设计产品，采用BiMOS技术，使用了微型变压器，高速数字SIN/COS乘法器，误差放大器，相敏解调器，积分器，压控振荡器，可逆计数器，使得外围电路复杂，成本高，算法复杂。中国的自整角机/旋转变压器数字转换器的技术：有的采用BiMOS工艺的高压集成电路，如专利申请号为201010126443.7，名称为“单芯片的自整角机/旋转变压器-数字转换方法”的专利中，采用可修调固态控制变压器电路、高通滤波电路、相敏解调电路、交流误差放大电路、二阶积分电路、压控振荡电路、计数电路和电平转换电路等组成，存在输入信号的幅度较小，转换精度低、电连结构复杂，稳定性差，输出数据功能单一，固态控制变压器电路采用开关电容技术，具有开关噪声等一系列不足，且不能在实时跟踪系统等高精度要求的场合中应用，不利于角度测量及控制领域中的推广使用。有的采用单片机代替复杂电路的采集技术，如专利申请号为201320276915，名称为“一种自整角机/旋转变压器的数字转换器电路”的专利中，采用隔离放大器与A/D转换器电连接，A/D转换器与微控制器电连接；微控制器作为整个电路的核心，控制A/D转换器的启动，并读取A/D转换器的数据，及对读取的数据进行处理，从而得出自整角机/旋转变压器轴角信号的数字角，此方案虽然简化了硬件电路，降低了成本，但是在采集速度和精度上做出了让步，微控制器STC12的采集和处理速度速度受到自身性能的限制，难以达到高速、高精度场合的使用要求。

因此，需要迫切的解决上述问题，提供一种转换速度高、电路简单、成本低、精度高、可靠性强的自整角机/旋转变压器数字转换器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种数字转换器，该数字转换器结构简单，方便进行轴角的转换。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种数字转换器，该转换器包括：隔离放大器、数模转换器和现场可编程逻辑门阵列，其中，所述隔离放大器，用于对输入的模拟信号进行隔离和放大；

所述数模转换器被配置成连接于所述隔离放大器，将所述模拟信号转换成数字信号；

所述现场可编程逻辑门阵列被配置成连接于所述数模转换器，以接受并存储所述数字信号，且处理得到轴角。

优选地，所述数模转换器的型号为AD7606-4，且所述现场可编程逻辑门阵列处理模块型号为EP4CE10F17C8N。

优选地，所述现场可编程逻辑门阵列的E5端口连接于所述数模转换器的片选信号端口。

优选地，所述数模转换器的CONVSTA端口和CONVSTB端口连接于所述现场可编程逻辑门阵列的F7端口。

优选地，所述数模转换器的第三引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P14引脚；所述数模转换器的第四引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P15引脚；所述数模转换器的第五引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P16引脚。

优选地，所述现场可编程逻辑门阵列的M7端口连接于所述数模转换器的读信号端口。

通过上述实施方式，本实用新型的数字转换器能够得到更为精确化的数字角，且本转换器的结构简单，整个系统采用现场可编程逻辑门阵列为处理单元，利用其内部丰富的逻辑单元，乘法器，存储器等，可极大的简化电路，同时现场可编程逻辑门阵列的高速性能，也可使系统的适应性提升到高端应用场合。系统的单元模块化设计，简洁、高效、性能稳定，数据更为精确。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是说明本实用新型的一种具体实施方式的数字转换器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

本实用新型提供一种数字转换器，该数字转换器包括：隔离放大器、数模转换器和现场可编程逻辑门阵列，其中，所述隔离放大器，用于对输入的模拟信号进行隔离和放大；

以下结合附图1对本实用新型进行进一步的说明，接下来用自整角机和旋转变压器举例进行具体的说明。

需要说明的是，本实用新型中自整角机/旋转变压器输出的信号电压及参考电压送至隔离放大器，隔离放大器对输入的信号进行隔离，以保护后续电路，隔离放大器输出的信号输送到A/D转换器，由现场可编程逻辑门阵列发出信号以后，A/D转换器开始对三路模拟电压同时转换，转换完成以后，A/D转换器向现场可编程逻辑门阵列发出信号，现场可编程逻辑门阵列读取A/D输出的数字信号并存到内部RAM存储区，A/D停止转换，现场可编程逻辑门阵列进行处理，得到轴角θ的正、余弦值，现场可编程逻辑门阵列第一次处理A/D转换器变换的信号时，通过查表初步得出数字角φ，与θ很接近，再经过反查表得出sinφ，cosφ，并与sinθ，cosθ交叉相乘相减，可得到精度较高的轴角：θ＝φ+Δφ，第一次查表得到一个角度值以后，现场可编程逻辑门阵列在以后对数据的处理中，把上次所得角度作为本次的φ，φ的正、余弦值与本次待计算的角θ的正、余弦值交叉相乘相减，作为Δφ，提高了计算速度。

在该种实施方式中，所述数模转换器(A/D转换器)的型号为AD7606-4，且所述现场可编程逻辑门阵列处理模块型号为EP4CE10F17C8N，本实用新型的隔离放大器主要作用是对其输入的模拟信号进行隔离，并按照一定的比例放大。在这个隔离、放大的过程中要保证输出的信号失真要小，线性度、精度、带宽、隔离耐压等参数都要达到使用要求。另外高电压干扰等会通过不同的耦合方式进入测量控制系统，影响测控精度和系统的稳定性，所以在A/D的数据采集端口接入隔离放大器，对信号的输入和输出进行电气隔离。本设计采用的隔离放大器型号为iso122，可满足设计要求。

在本实用新型的具体实施方式中，A/D转换器具有4通道，内置16位转换精度，双极性输入，同步采样ADC。A/D转换器的片选信号由现场可编程逻辑门阵列的E5口输出的信号控制；A/D转换器的启动转换信号输入端CONVSTA和CONVSTB短接在一起，并由现场可编程逻辑门阵列的F7输出的信号口控制；对A/D转换器的读信号由现场可编程逻辑门阵列的M7端控制；A/D转换器输出数字信号送至现场可编程逻辑门阵列的R3～R10和L9～L16口；所述数模转换器(A/D转换器)的第三引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P14引脚；所述数模转换器的第四引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P15引脚；所述数模转换器的第五引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P16引脚。

其中，需要说明的是，本实用新型的现场可编程逻辑门阵列处理模块型号为EP4CE10F17C8N。为Altera公司生产的第四代现场可编程逻辑门阵列产品，具有10320个逻辑单元LE，414KBits嵌入式存储器，23个嵌入式18x18乘法器，2个通用PLL，10个全局时钟网络，8个用户I/O块。

再本实用新型中，涉及的主要计算方法可以包括：，需要说明的是，以下各式中，ω是激励信号的角频率，θ为自整角机/旋转变压器的轴角。

各种自整角机输出电压幅度虽然不同，但是其数学关系是一致的，选择一款军工中使用的自整角机，把S₃端作为公共端，其信号电压和参考电压分别为：

V_R＝26sinωt

经过隔离放大器以后得：

V₁＝11.8K₀sinωtsin(θ+30°)

V₂＝11.8K₀sinωtcosθ

V₃＝26Ksinωt。

对于旋转变压器，其中K₀、K为隔离放大器的放大倍数，输入电压和参考电压经过隔离放大器以后得：

V₁＝11.8K₀sinωtsinθ

V₂＝11.8K₀sinωtcosθ

V₃＝26Ksinωt

V₁、V₂、V₃由A/D转换器变换成数字信号后送到现场可编程逻辑门阵列，现场可编程逻辑门阵列对数字信号进行处理。

其中，对于自整角机：

令

{V_{1}}^{'} = 2 V_{1} - V_{2} = 11.8 \sqrt{3} \sin ω t \sin θ;

由V₁′、V₂、V₃得出θ的正、余弦式并将系数化为1：

\frac{26 K {V_{1}}^{'}}{11.8 \sqrt{3} K_{0}} = \sin θ, \frac{26 K V_{2}}{11.8 K_{0} V_{3}} = \cos θ;

对于旋转变压器：

\frac{26 K V_{1}}{11.8 K_{0} V_{3}} = \sin θ;

\frac{26 K V_{2}}{11.8 K_{0} V_{3}} = \cos θ

查表得出有一定误差的数字角φ，φ与θ很接近，反查表得出sinφ，cosφ，求出sinθcosφ-sinφcosθ＝sin(θ-φ)≈θ-φ＝Δφ，θ＝φ+Δφ，第一次查表后，在后面的计算中，把上次所得角度作为φ，再经过反查表得出sinφ，cosφ，并与sinφ，cosφ交叉相乘相减：

sinθcosφ-sinφcosθ＝sin(θ-φ)≈θ-φ＝Δφ可得精度较高的轴角θ＝φ+Δφ。

本实用新型的数字转换器的工作方式为：

现场可编程逻辑门阵列的E5端口输出低电平，然后输出高电平，在其上升沿时，A/D转换器的第49、51、57引脚输入的模拟信号同时转换。

若R9口为高电平，则等待，若为低电平，则把E5设置为低电平，然后由M7输出三个脉冲，在M7的第一个下降沿时，V1转换的结果在输出数据总线上有效，现场可编程逻辑门阵列读取V1转换的结果，在M7第二个下降沿时，V2转换的结果输出到数据总线，现场可编程逻辑门阵列读取V2转换的结果，在M7第三个下降沿时，V3的结果输出到数据总线上，现场可编程逻辑门阵列读取V3转换的数据，然后将读取的结果存到现场可编程逻辑门阵列内部的RAM存储区。

读取结束以后，M7输出高电平，E5输出高电平，将C11设置为高电平，再设置为低电平，对A/D转换器进行复位操作。利用软件实现对数据的运算处理，得到自整角机/旋转变压器轴角的数字角。在现场可编程逻辑门阵列处理数据期间，可同时控制A/D进行模/数转换,输出数字角，完成单次轴角的处理输出，重复以上过程，即可达到输出动态连续轴角变化设计目标。

本实用新型的设计方案，采用以A/D转换器为信号转换模块，现场可编程逻辑门阵列芯片为信号处理模块，将自整角机/旋转变压器轴角信号转换成便于计算机直接处理的数字角。整个系统采用现场可编程逻辑门阵列为处理单元，利用其内部丰富的逻辑单元，乘法器，存储器等，可极大的简化电路，同时现场可编程逻辑门阵列的高速性能，也可使系统的适应性提升到高端应用场合。系统的单元模块化设计，简洁、高效、性能稳定，数据更为精确。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims

1.一种数字转换器，其特征在于，该转换器包括：隔离放大器、数模转换器和现场可编程逻辑门阵列，其中，所述隔离放大器，用于对输入的模拟信号进行隔离和放大；

2.根据权利要求1所述的数字转换器，其特征在于，所述数模转换器的型号为AD7606-4，且所述现场可编程逻辑门阵列处理模块型号为EP4CE10F17C8N。

3.根据权利要求2所述的数字转换器，其特征在于，所述现场可编程逻辑门阵列的E5端口连接于所述数模转换器的片选信号端口。

4.根据权利要求2所述的数字转换器，其特征在于，所述数模转换器的CONVSTA端口和CONVSTB端口连接于所述现场可编程逻辑门阵列的F7端口。

5.根据权利要求2所述的数字转换器，其特征在于，所述数模转换器的第三引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P14引脚；所述数模转换器的第四引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P15引脚；所述数模转换器的第五引脚连接于所述现场可编程逻辑门阵列的第P16引脚。

6.根据权利要求2所述的数字转换器，其特征在于，所述现场可编程逻辑门阵列的M7端口连接于所述数模转换器的读信号端口。