CN204993311U - 一种旋转变压器数字转换器及其积分电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种旋转变压器数字转换器及其积分电路，该积分电路包括：第一电阻、第一组件、第二组件、第一切换开关、第二切换开关、第一运算放大器和增益调节运放；积分电路连接压控振荡器，所述压控振荡器连接16位可逆计数器，所述可逆计数器连接固态控制变压器，所述固态控制变压器连接旋转变压器的输出，所述分辨率控制模块分别连接固态控制变压器和可逆计数器。使其输出速度电压在分辨率切换时能够快速稳定，减小模数角度的误差。

Description

一种旋转变压器数字转换器及其积分电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种旋转变压器数字转换器及其积分电路。

背景技术

旋转变换器数字旋转变压器数字转换器用于将旋转变压器输出的随转子转角变化的电压信号转化为数字信号，实现对模拟角度的准确跟踪。旋转变压器数字转换器中的积分电路用来将模拟角度和数字角度的误差电压信号转化为速度电压，速度电压经环路反馈减小模数角度误差。

常见的积分电路由电阻、电容和运放组成，输入电压和电阻决定电容的充放电电流，从而决定输出电压的变化率。在旋转变压器数字转换器中，不同分辨率对应的速度电压不同，当分辨率切换时，模数角度误差变大，经积分电路调节速度电压，由于积分电路电阻电容的影响，速度电压达到稳定的时间较长，在此过程中，模数角度的误差电压也较大。

实用新型内容

本实用新型提供一种旋转变压器数字转换器及其积分电路，使其输出速度电压在分辨率切换时能够快速稳定，减小模数角度的误差。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种旋转变压器数字转换器的积分电路，其包括：

第一电阻R1、第一组件、第二组件、第一切换开关S1、第二切换开关S2、第一运算放大器U1和增益调节运放；

第一电阻R1的一端连接第一运算放大器U1的反相输入端，所述第一运算放大器U1的正相输入端接地，所述增益调节运放的输入端连接所述第一运算放大器U1的输出端；

第一切换开关S1分别连接第一运算放大器U1的反相输入端、第二组件的一端、第一组件的一端和接地，第二切换开关S2分别连接第二组件的另一端、第一组件的另一端和增益调节运放的输出端、第一运算放大器U1的输出端，当第一切换开关S1使第一运算放大器U1的反相输入端与第一组件的一端连接时，第二组件的一端与地连接，此时第二切换开关S2使第一运算放大器U1的输出端与第一组件的另一端连接，增益调节运放的输出端与第二组件的另一端连接；

当第一切换开关S1使第一运算放大器U1的反相输入端与第二组件的一端连接时，第一组件的一端与地连接，第一运算放大器U1的输出端与第二组件的另一端连接，增益调节运放的输出端与第一组件的另一端连接；

所述第一组件包括：第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述第二电阻R2的一端连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端分别连接第二电容C2的一端和所述第一切换开关S1，所述第二电容C2的另一端分别连接所述第二电容R2的另一端和所述第二切换开关S2；

所述第二组件包括：第三电阻R3、第三电容C3和第四电容C4，所述第三电阻R3的一端连接第三电容C3的一端，所述第三电容C3的另一端分别连接第四电容C4的一端和所述第一切换开关S1，所述第四电容C4的另一端和所述第三电阻R3的另一端均与所述第二切换开关S2连接。

优选地，所述第一切换开关S1包括：第一开关T1、第二开关T2、第三开关T3和第四开关T4，所述第二切换开关S2包括：第七开关T7、第八开关T8、第九开关T9和第十开关T10，所述增益调节运放包括：电平转移模块、第五开关T5、第六开关T6、第二运算放大器U2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，其中：

误差信号ERROR与第一电阻R1的另一端连接，所述第一运算放大器U1的输出为速度电压VEL，第一开关T1的一端连接所述第二开关T2的一端，第一运算放大器U1的反相输入端分别与第一开关T1的一端、第二开关T2的一端连接，第一开关T1的另一端和第三开关T3的一端连接，第三开关T3的另一端接地，同时第一开关T1的另一端和第三开关T3的一端均与第三电容C3的另一端和第四电容C4的一端连接，第三电阻R3的另一端和第四电容C4的另一端均与第九开关T9的一端连接，第九开关T9的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接，第二开关T2的另一端与第四开关T4的一端连接，第四开关T4的另一端接地，第二开关T2的另一端和第四开关T4的一端均与第一电容C1的另一端、第二电容C2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第二电容C2的另一端均与第七开关T7的一端连接，第七开关T7的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接；

第一运算放大器U1的输出端与第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与第二运算放大器U2的正相输入端连接，第四电阻R4的一端与第二运算放大器U2的反相输入端连接，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，第二运算放大器U2的正相输入端与第六开关T6的一端连接，第二运算放大器U2的反相输入端与第五开关T5的一端连接，第六开关T6另一端与第五开关T5的另一端连接且均与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，第二运算放大器U2的输出端、第八开关T8的一端与第十开关T10的一端连接在一起，第八开关T8的另一端分别与第一组件中第二电阻R2的另一端、第二电容C2的另一端连接，第十开关T10的另一端分别与第二组件中第三电阻R3的另一端、第四电容C4的另一端连接；第二运算放大器U2与第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6共同组成放大电路。

本实用新型实施例还提供一种旋转变压器数字转换器，包括上述任一技术方案所述的积分电路，该积分电路连接压控振荡器，所述压控振荡器连接可逆计数器，所述可逆计数器连接固态控制变压器，所述固态控制变压器连接旋转变压器的输出，分辨率控制模块分别连接固态控制变压器和可逆计数器。

通过实施以上技术方案，具有以下技术效果：本实用新型提供的旋转变压器数字转换器及其积分电路，由于添加了第二组件和增益调节运放，可预先对第二运算放大器的输出连接的组件进行充电，分辨率切换时，切换开关切换第一组件与第二组件的连接，从而实现VEL电压的迅速稳定，极大地降低了误差电压。

附图说明

图1为本实用新型提供的旋转变压器数字转换器的结构示意图；

图2为本实用新型提供的积分电路的电路结构图；

图3为现有技术中不包括第二组件和增益调节运放的积分电路的误差信号和VEL波形图；

图4为本发明提供的积分电路的误差信号和VEL波形图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图详细描述本实用新型提供的实施例。

本实用新型实施提供一种旋转变压器数字转换器中的积分电路，如图1所示，包括：

第一电阻R1、第一组件、第二组件、第一切换开关S1、第二切换开关S2、第一运算放大器U1和增益调节运放；

第一电阻R1的一端连接第一运算放大器U1的反相输入端，所述第一运算放大器U1的正相输入端接地，所述增益调节运放的输入端连接所述第一运算放大器U1的输出端。

第一切换开关S1分别连接第一运算放大器U1的反相输入端、第二组件的一端、第一组件的一端和接地，第二切换开关S2分别连接第二组件的另一端、第一组件的另一端和增益调节运放的输出端、第一运算放大器U1的输出端，当第一切换开关S1使第一运算放大器U1的反相输入端与第一组件的一端连接时，第二组件的一端与地连接，同时第二切换开关S2使第一运算放大器U1的输出端与第一组件的另一端连接，增益调节运放的输出端与第二组件的另一端连接。

当第一切换开关S1使第一运算放大器U1的反相输入端与第二组件的一端连接时，第一组件的一端与地连接，第一运算放大器U1的输出端与第二组件的另一端连接，增益调节运放的输出端与第一组件的另一端连接。

所述第一组件包括：第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述第二电阻R2的一端连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端分别连接第二电容C2的一端和所述第一切换开关S1，所述第二电容C2的另一端分别连接所述第二电容R2的另一端和所述第二切换开关S2。

所述第二组件包括：第三电阻R3、第三电容C3和第四电容C4，所述第三电阻R3的一端连接第三电容C3的一端，所述第三电容C3的另一端分别连接第四电容C4的一端和所述第一切换开关S1，所述第四电容C4的另一端和所述第三电阻R3的另一端均与所述第二切换开关S2连接。

该积分电路对旋转变压器模拟角度和对应数字角度的误差进行处理，将其转换成速度电压VEL，进而控制压控振荡器产生计数频率，使16位可逆计数器进行计数，最后得到精确的数字角度，实现对旋转变压器角度的准确跟踪。分辨率控制模块决定旋转变压器数字转换器的转换精度，实际上就是可逆计数器的计数位数，当旋转变压器以固定转速旋转且分辨率切换时，模数角度误差变大，经该积分电路产生新的速度电压VEL，改变计数频率。

在上述实施例中，更为具体的，所述第一切换开关S1包括：第一开关T1、第二开关T2、第三开关T3和第四开关T4，所述第二切换开关S2包括：第七开关T7、第八开关T8、第九开关T9和第十开关T10，所述增益调节运放包括：电平转移模块、第五开关T5、第六开关T6、第二运算放大器U2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，其中：

误差信号ERROR与第一电阻R1的另一端连接，所述第一运算放大器U1的输出为速度电压VEL，本实用新型中的第一开关T1～第十开关T10均由PMOS和NMOS组成的传输门来实现的，这可以大大减小其导通阻抗，从而减少信号传输时间。第一开关T1、第四开关T4、第八开关T8、第九开关T9的PMOS栅端接SHIFT(切换)信号，第一开关T1、第四开关T4、第八开关T8、第九开关T9的NMOS栅端接SHIFT信号的反相信号SHIFTN。第二开关T2、第三开关T3、第七开关T7、第十开关T10的PMOS栅端接SHIFT信号的反相信号SHIFTN，第二开关T2、第三开关T3、第七开关T7、第十开关T10的NMOS栅端接SHIFT信号，第一开关T1的一端连接所述第二开关T2的一端，第一运算放大器U1的反相输入端分别与第一开关T1的一端、第二开关T2的一端连接，第一开关T1的另一端和第三开关T3的一端连接，第三开关T3的另一端接地，同时第一开关T1的另一端和第三开关T3的一端均与第三电容C3的另一端和第四电容C4的一端连接，第三电阻R3的另一端和第四电容C4的另一端均与第九开关T9的一端连接，第九开关T9的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接，第二开关T2的另一端与第四开关T4的一端连接，第四开关T4的另一端接地，第二开关T2的另一端和第四开关T4的一端均与第一电容C1的另一端、第二电容C2的一端连接，第二电阻R2的另一端和第二电容C2的另一端均与第七开关T7的一端连接，第七开关T7的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接；优选地，第一组件和第二组件中的电容电阻选用同样的值。

第一运算放大器U1的输出端与第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与第二运算放大器U2的正相输入端连接，第四电阻R4的一端与第二运算放大器U2的反相输入端连接，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，形成反馈，第五开关T5的PMOS栅端接电平转移模块的输出信号CTL1N，NMOS栅端接电平转移模块的输出信号CTL1，第六开关T6的PMOS栅端接电平转移模块的输出信号CTL2N，NMOS栅端接电平转移模块的输出信号CTL2，第二运算放大器U2的正相输入端与第六开关T6的一端连接，第二运算放大器U2的反相输入端与第五开关T5的一端连接，第六开关T6另一端与第五开关T5的另一端连接且均与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，第二运算放大器U2的输出端、第八开关T8的一端与第十开关T10的一端连接在一起，第八开关T8的另一端分别与第一组件中第二电阻R2的另一端、第二电容C2的另一端连接，第十开关T10的另一端分别与第二组件中第三电阻R3的另一端、第四电容C4的另一端连接；第二运算放大器U2与第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6共同组成放大电路，对速度电压VEL进行运算，其增益由第五开关T5和第六开关T6的通断状态决定。

本实用新型中高电平VDD对应5V，低电平VSS对应-5V，GND对应0V，该积分电路在正负5V电源电压下工作。电平转移模块的输入信号是CTL，输出信号有CTL1、CTL1N、CTL2、CTL2N，其中，CTL1和CTL1N互为反相信号，用来控制第五开关T5通断；CTL2和CTL2N互为反相信号，用来控制第六开关T6通断。

CTL为5V时，输出CTL1为高电平，CTL1N为低电平，CTL2为低电平，CTL2N为高电平，第五开关T5导通、第六开关T6关断，第五电阻R5和第二运算放大器U2的反相输入端连接，此时第二运算放大器U2的正相输入端电压和速度电压VEL相等，输出为VEL(1+R4/R5)，即将VEL放大到(1+R4/R5)倍。

CTL为0V时，CTL1为低电平，CTL1N为高电平，CTL2为低电平，CTL2N为高电平，第五开关T5和第六开关T6都关断，此时第二运算放大器U2的输出保持为VEL。

CTL为-5V时，CTL1为低电平，CTL1N为高电平，CTL2为高电平，CTL2N为低电平，第五开关T5关断，第六开关T6导通，第五电阻R5和第二运算放大器U2的正相输入端相连，其输出为：速度电压VEL经第六电阻R6和第五电阻R5的分压，即为VEL·R5/(R6+R5)，将速度电压VEL缩小到R5/(R6+R5)倍。

SHIFT和SHIFTN互为反相信号，SHIFT为高电平时，SHIFTN为低电平，此时第二开关T2、第三开关T3、第七开关T7、第十开关T10导通，第一开关T1、第四开关T4、第八开关T8、第九开关T9关断，第一运算放大器U1的反相输入端与速度电压VEL之间连接第一组件，第二运算放大器U2的输出端与地之间连接第二组件；SHIFT为低电平时，SHIFTN为高电平，此时第二开关T2、第三开关T3、第七开关T7、第十开关T10关断，第一开关T1、第四开关T4、第八开关T8、第九开关T9导通，第一运算放大器U1的反相输入端与速度电压VEL之间连接第二组件，第二运算放大器U2的输出端与地之间连接第一组件。

如图1所示，本实用新型还提供一种旋转变压器数字转换器，上述实施例提供的积分电路连接压控振荡器，所述压控振荡器连接可逆计数器，所述可逆计数器连接固态控制变压器，所述固态控制变压器连接旋转变压器的输出端，所述分辨率控制模块分别连接固态控制变压器和可逆计数器。优选地，该可逆计数器为16位可逆计数器，具体的，第一运算放大器的输出端和增益调节运放的输入端均连接该压控振荡器。

该旋转变压器数字转换器的分辨率可达16位，通过分辨率控制模块可对旋转变压器数字转换器的分辨率进行调节，具体有10位、12位、14位和16位，对于旋转变压器以固定转速工作，不同分辨率对应的VEL不同，分辨率越高，速度电压VEL的电压越高，所以当旋转变压器数字转换器在不同分辨率之间切换时，速度电压VEL的电压也会变化，旋转变压器数字转换器由低分辨率切换为相邻位数高分辨率时，速度电压VEL将会变为低分辨率对应速度电压VEL的4倍，旋转变压器数字转换器由高分辨率切换为相邻位数低分辨率时，速度电压VEL将会变为高分辨率对应速度电压VEL的1/4，若没有增益调节运放和第二组件，速度电压VEL达到稳定会很缓慢，产生的误差信号ERROR也会很大，增益调节运放和第二组件的引入就是为了使速度电压VEL快速达到稳定并减小误差信号ERROR。所述第二运算放大器U2的增益有3种，是针对相邻位数分辨率切换进行设计的，由低分辨率切换为相邻高分辨率时，第二运算放大器U2的增益设计为4倍，由高分辨率切换为相邻低分辨率时，增益设计为1/4，另一种增益是1，第二运算放大器U2输出保持为速度电压VEL，由此，当第六电阻R6和第四电阻R4的阻值相等，且为第五电阻R5的3倍，即可达到所需的增益。

当旋转变压器数字转换器在某一分辨率下工作且SHIFT为高电平时，第一运算放大器U1的反相输入端和输出之间选择第一组件，误差信号ERROR经第一电阻R1、第一运算放大器U1和第一组件构成的积分器转化为速度电压VEL，第二运算放大器U2输出连接第二组件。若将分辨率切换为相邻高分辨率，则在切换分辨率之前，设置CTL为5V，使CTL1为高电平，CTL2为低电平，使得第二运算放大器U2的增益为4倍，这样才有足够的时间将第二组件预充电到匹配电压4VEL，分辨率切换且SHIFT跳为低电平时，第一运算放大器U1的反相输入端和VEL之间瞬间由第一组件切换为第二组件，第二运算放大器U2输出也瞬间由第二组件切换为第一组件，速度电压VEL快速变为之前的4倍，经压控振荡器快速得到新的计数频率，进而减小模数角度误差信号ERROR；若将分辨率切换为相邻低分辨率，则在切换分辨率之前，设置CTL为-5V，使CTL1为低电平，CTL2为高电平，使得第二运算放大器U2的增益为1/4，保证第二组件被预充电到VEL的1/4，分辨率切换且SHIFT跳为低电平时，第一组件和第二组件之间瞬间切换，速度电压VEL快速变为之前的1/4。

旋转变压器以100rps的转速工作且旋转变压器数字转换器的分辨率由14位切换为16位时，未加第二组件和增益调节运放，此时误差信号ERROR和速度电压VEL波形如图3所示，D0是分辨率控制信号，由图3可见速度电压VEL达到新的电压值需要较长的一段时间，在此过程中，误差信号ERROR比较大，经过较长时间才恢复到0。加入第二组件和增益调节运放的误差信号ERROR和速度电压VEL波形如图4所示，D0和SHIFT同时跳变，由图可见速度电压VEL快速跳变到新分辨率对应的速度电压VEL值，速度电压VEL大小为分辨率切换之前对应速度电压VEL的4倍，同时可以看到，误差信号ERROR很小。

通过增加第二组件和增益调节运放，有效地解决了现有技术的缺陷，利用第二运算放大器U2在分辨率切换之前预先对第二组件进行充电，分辨率切换且两组组件相互切换时，积分电路的输出速度电压VEL能够迅速地达到稳定，进而控制旋转变压器数字转换器快速达到新的计数频率，经反馈环路使模数角度误差信号ERROR大大减小。此外，将第一组件和第二组件设置成不同的电阻电容值，通过将其切换可使旋转变压器数字转换器得到不同的带宽。

以上对本实用新型实施例所提供的一种积分电路进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种旋转变压器数字转换器的积分电路，其特征在于，包括：

第一电阻R1、第一组件、第二组件、第一切换开关S1、第二切换开关S2、第一运算放大器U1和增益调节运放；

第一电阻R1的一端连接第一运算放大器U1的反相输入端，所述第一运算放大器U1的正相输入端接地，所述增益调节运放的输入端连接所述第一运算放大器U1的输出端；

第一切换开关S1分别连接第一运算放大器U1的反相输入端、第二组件的一端、第一组件的一端和接地，第二切换开关S2分别连接第二组件的另一端、第一组件的另一端和增益调节运放的输出端、第一运算放大器U1的输出端，当第一切换开关S1使第一运算放大器U1的反相输入端与第一组件的一端连接时，第二组件的一端与地连接，此时第二切换开关S2使第一运算放大器U1的输出端与第一组件的另一端连接，增益调节运放的输出端与第二组件的另一端连接；

当第一切换开关S1使第一运算放大器U1的反相输入端与第二组件的一端连接时，第一组件的一端与地连接，第一运算放大器U1的输出端与第二组件的另一端连接，增益调节运放的输出端与第一组件的另一端连接；

所述第一组件包括：第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述第二电阻R2的一端连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端分别连接第二电容C2的一端和所述第一切换开关S1，所述第二电容C2的另一端分别连接所述第二电容R2的另一端和所述第二切换开关S2；

所述第二组件包括：第三电阻R3、第三电容C3和第四电容C4，所述第三电阻R3的一端连接第三电容C3的一端，所述第三电容C3的另一端分别连接第四电容C4的一端和所述第一切换开关S1，所述第四电容C4的另一端和所述第三电阻R3的另一端均与所述第二切换开关S2连接。

2.如权利要求1所述旋转变压器数字转换器的积分电路，其特征在于，所述第一切换开关S1包括：第一开关T1、第二开关T2、第三开关T3和第四开关T4，所述第二切换开关S2包括：第七开关T7、第八开关T8、第九开关T9和第十开关T10，所述增益调节运放包括：电平转移模块、第五开关T5、第六开关T6、第二运算放大器U2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，其中：

误差信号ERROR与第一电阻R1的另一端连接，所述第一运算放大器U1的输出为速度电压VEL，第一开关T1的一端连接所述第二开关T2的一端，第一运算放大器U1的反相输入端分别与第一开关T1的一端、第二开关T2的一端连接，第一开关T1的另一端和第三开关T3的一端连接，第三开关T3的另一端接地，同时第一开关T1的另一端和第三开关T3的一端均与第三电容C3的另一端、第四电容C4的一端连接，第三电阻R3的另一端和第四电容C4的另一端均与第九开关T9的一端连接，第九开关T9的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接，第二开关T2的另一端与第四开关T4的一端连接，第四开关T4的另一端接地，第二开关T2的另一端和第四开关T4的一端均与第一电容C1的另一端、第二电容C2的一端连接，第二电阻R2的另一端和第二电容C2的另一端均与第七开关T7的一端连接，第七开关T7的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接；

第一运算放大器U1的输出端与第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端与第二运算放大器U2的正相输入端连接，第四电阻R4的一端与第二运算放大器U2的反相输入端连接，第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，第二运算放大器U2的正相输入端与第六开关T6的一端连接，第二运算放大器U2的反相输入端与第五开关T5的一端连接，第六开关T6另一端与第五开关T5的另一端连接且均与第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，第二运算放大器U2的输出端、第八开关T8的一端与第十开关T10的一端连接在一起，第八开关T8的另一端分别与第一组件中第二电阻R2的另一端、第二电容C2的另一端连接，第十开关T10的另一端分别与第二组件中第三电阻R3的另一端、第四电容C4的另一端连接；第二运算放大器U2与第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6共同组成放大电路。

3.一种旋转变压器数字转换器，其特征在于，包括权利要求1或2任一所述的积分电路，该积分电路连接压控振荡器，所述压控振荡器连接可逆计数器，所述可逆计数器连接固态控制变压器，所述固态控制变压器连接旋转变压器的输出，分辨率控制模块分别连接固态控制变压器和可逆计数器。