CN205246106U - 高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构 - Google Patents

Abstract

一种高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构，包括参考信号生成模块和正余弦信号生成模块，参考信号生成模块包括：存储有一个周期正弦波数据的ROM；与该ROM连接的用于产生ROM地址的计数器；与该ROM输出连接的用于数模转换的DAC；以及与该DAC输出连接的用于进行差分放大形成参考信号的运放；余弦信号生成模块包括：与参考信号连接的DAC乘法器，其输出为第一象限正余弦信号；以及与的第一象限正余弦信号连接的四象限切换电路，其输出为360°正余弦信号；本实用新型通过低位数的DAC模拟乘法器得出高位数正余弦旋变变压器输出信号，完成了在第一象限内实现对旋转变压器正余弦信号的模拟输出，同时实现了对360°输出模拟信号的输出。

Description

高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构。

背景技术

随着最近几年内伺服系统、火炮系统等对角度或角速度高精度采集的要求，正余弦旋转变压器由于其采样精度高，结构简单，被广泛应用在对高精度角度或角速度的采集系统中，其使用越来越广，而且对其参数要求更是趋于多样化。

正余弦旋转变压器作为角度或角速度的传感器，其输入参考信号一般都是正弦信号，该输入参考信号为正余弦旋转变压器的激磁信号，通过正余弦旋转变压器内部变压器结构输出正余弦信号，输出的正余弦的电压幅值与输入角度成一定比例关系。为了读取正余弦旋转变压器输出的模拟量，就需要后级接解调模块，将其输出的模拟量转换为数字量，实现对正余弦旋转变压器的输入角度的解调。在研发和生产正余弦旋转变压器解调模块时，需要提供对应的正余弦旋转变压器，由于系统对采集角度的高精度要求，对应的高精度正余弦旋转变压器成本往往很高，对设计后级解调模块提供不太现实，同时加上高精度正余弦旋转变压器的多样化，迫切的需要在研发或生产解调模块时，采用一种设备完成对各种高精度正余弦旋转变压器的模拟。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构，一方面基于FPGA，采用DDS技术，实现对高精度正余弦旋转变压器输入参考信号的模拟；另一方面是利用高精度的模拟乘法器以及象限选择开关，实现对高精度正余弦旋转变压器输出正余弦信号的模拟。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构，包括参考信号生成模块和正余弦信号生成模块，其中：

所述参考信号生成模块包括：

存储有一个周期正弦波数据的ROM；

与该ROM连接的用于产生ROM地址的计数器；

与该ROM输出连接的用于数模转换的DAC；

以及与该DAC输出连接的用于进行差分放大形成参考信号的运放；

所述正余弦信号生成模块包括：

与所述参考信号连接的DAC乘法器，其输出为第一象限正余弦信号；

以及，与所述的第一象限正余弦信号连接的四象限切换电路，其输出为360°正余弦信号。

所述参考信号生成模块选用AD公司的AD9954，有源晶振选用32.768M，使输出正弦波的频率调节精度达到1Hz；AD9954的20脚、21脚输出两路正弦波电流信号，在电阻R₄₈、R₅₁上还原成电压信号，经差分放大合成一个信号，作为参考信号。

所述四象限切换电路由模拟开关ADG433和其外围运放器件构成。

与现有技术相比，本发明针对在角度或角速度采集系统中广泛使用的正余弦旋转变压器，要求采集精度大于16位，实现对该高精度正余弦旋转变压器的模拟。其优点在于：

1、采用DDS，结合高分辨的DAC，实现对高精度正余弦旋转变压器输入参考信号的模拟。

2、根据正余弦旋变变压器输出信号的特点以及角度采集精度选择合理的DAC模拟乘法器。

3、基于FPGA，采用DAC模拟乘法器，在第一象限内实现对旋转变压器正余弦信号的模拟输出。

4、采用象限选择技术，实现对360度输出模拟信号的输出。

本发明高精度正余弦旋转变压器可在在研发和测试系统中替代机械的高精度正余弦旋转变压器，同时还可以根据实际使用参数随时对正余弦旋转变压器进行调整，给前期研发和测试带来很多便利。

附图说明

图1为本实用新型高精度正余弦旋转变压器模拟实现结构框图。

图2为本实用新型参考信号产生电路的DDS原理介绍。

图3为本实用新型基于AD9954的参考信号电路。

图4为本实用新型经比较后的正弦信号和余弦波形。

图5为本实用新型用DAC的乘法器实现的正余弦信号V_sin和V_cos的幅值因子sinθ和cosθ功能图。

图6为本实用新型sin(ωt)×sinθ和sin(ωt)×cosθ四象限切换线路图。

图7为本实用新型DAC乘法器实现sin(ωt)×sinθ和sin(ωt)×cosθ的线路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

正余弦旋转变压器通过输入参考信号V_ref，应满足公式1。

V_ref＝U_max1×sin(ωt)(公式1)

其中ω＝2πf，f为参考信号的工作频率，U_max1为参考信号的最大幅值。

正余弦旋转变压器输出正余弦信号的幅值与输入角度有关，具体关系如公式2和公式3。

V_sin＝U_max2×sin(ωt)×sinθ(公式2)

V_cos＝U_max2×sin(ωt)×cosθ(公式3)

其中：ω＝2πf，f为参考信号的工作频率，与正余弦信号同频率；θ代表输入的角度；U_max2为正余弦信号的最大幅值。

由公式2和公式3可以得出正余弦旋转变压器输出的正余弦信号幅值比例与输入角度的关系满足公式4。

$\frac{Vsin}{V\cos }=tan\mathrm{\θ}$ (公式4)

其中：V_sin代表正余弦旋转变压器输出正弦信号电压幅值，V_cos代表正余弦旋转变压器输出余弦信号电压幅值，θ代表输入的角度。

根据以上基本原理，本发明提供的模拟结构包括：

1)参考信号生成模块

为了产生不同工作频率的参考信号和正余弦信号，本发明基于FPGA，并采用DDS技术，产生不同频率的正弦波信号。

如图2，ROM中保存的是一个周期的正弦波数据，ROM的地址由加1计数器产生，ROM的输出由DAC转换成模拟信号。当ROM的地址是14位时，ROM可以保存2¹⁴＝16384个数据点，当输入振荡器的工作频率F_osc＝16384Hz时，输出正弦波的频率满足式公式5。

F_out＝16384/16384＝1(Hz)(公式5)

图2中，将图2(a)中的加1计数器改为14位加n₁₄计数器，其它参数不变时，输出正弦波的频率满足公式6。

F_out＝(16384/16384)×n₁₄＝n₁₄(Hz)(公式6)

这里n₁₄为14位正整数，可见，输出频率完全由n₁₄所控制，从而实现变频控制；

图2(c)中，将图2(b)中的14位加n₁₄计数器改为28位加n₂₈计数器，它的输出只用高14位，其它参数不变时，输出正弦波的频率满足式公式7。

Fout＝(16384/16384)×n₃₂/16384(Hz)(公式7)

这里n₂₈为28位正整数，又定义

d＝n₂₈/16384＝n₃₂×6.1035×10^-5(公式8)

这时d为6.1035×10^-5的整数倍，则输出正弦波的频率满足式公式9。

F_osc＝d(Hz)(公式9)

可见，输出频率可以达到很低的频率，远低于1Hz。

本申请基于FPGA，DDS芯片选用了AD公司的AD9954，基于AD9954的DDS电路图如图3。

如图3，用DDS芯片AD9954产生基准正弦波信号，即参考信号。有源晶振选用32.768M，可以使输出正弦波的频率调节精度达到1Hz。AD9954输出20脚、21脚两路正弦波电流信号，在电阻R₄₈、R₅₁上还原成电压信号，经差分放大合成一个信号，作为基准信号。

2)DAC乘法器

为了产生正余弦信号V_sin和V_cos，需要分别满足式公式10和公式11。

V_sin＝sin(ωt)·sinθ(公式10)

V_cos＝sin(ωt)·cosθ(公式11)

其中：ω＝2πf，f为正余弦信号的工作频率；θ代表输入的角度；

在这里，正余弦信号V_sin和V_cos都是正弦波，它的角频率与参考信号角频率一致都是ω，正余弦信号V_sin和V_cos的振幅分别是sinθ与cosθ，即：正余弦信号V_sin和V_cos的幅值与输入角度θ成sinθ和cosθ关系。为了区分把它们称为正余弦信号V_sin和V_cos。

为了产生该正余弦信号，需要选择合适的DAC乘法器实现。对于DAC乘法器位数的选择，先考虑用线性DAC器件实现非线器件的方法，比如要实现正弦波Y_s＝sin(x)，sin(x)在一个周期内的分辨率是14位，要用多少位的线性DAC能满足要求？

对于数字量化的信号，输入信号是线性的，可定义为一个数列X[1：N]，定义一个递进序列D[1：N-1]，对于每个元素D[n]，都有D[n]＝X[n+1]-X[n]，对于14位分辨率来说，N＝2¹⁴＝16384，即X[1：16384]有16384个元素，第一个为X[1]，最后一个是X[16384]，在D[1：16383]的16383个元素中，如果所有的D都相同，或者最大的一个为max(D)，最小的一个为min(D)，max(D)＝min(D)，则X[1：2¹⁴]是线性的，否则称为非线性的。

对于一个正弦波Y_s＝sin(x)，如果它在时间轴上的量化精度是14位(即一个周期的正弦波被分成2¹⁴个点)，定义它的自变量x[1:2¹⁴]是线性的，是因为对应的Dx[1:(2¹⁴-1)]中的每一个元素，都有D_X＝360°/2¹⁴＝0.022°，而对于Y_s的D_ys，max(D_Ys)和min(D_Ys)分别满足公式12和公式13。

max(D_Ys)＝sin(0.022°)-sin(0°)＝3.84×10^-4(公式12)

min(D_Ys)＝sin(90°)-sin(89.978°)＝7.37×10^-8(公式13)

显然Y_s[1：16384]不是线性的，如果要用线性DAC实现Ys[1：16384]，达到精度要求，则线性DAC的分辨率必须达到N，需要满足公式14。

$N\≥{\log }_2\frac{max\left(Ys\right)-min\left(Ys\right)}{\min \left(D_{Ys}\right)}={\log }_2\frac{1-(-1)}{7.37\×{10}^{-8}}={\log }_{2}2.7137\×{10}^7\≈24.7$ (公式14)

所以要选用25位以上分辨率的线性DAC才能满足14位旋转变压器信号的要求，显然这是不现实的。

本申请选用特殊的分析方法，达到用最少的DAC精度满足正余弦输出高输出有效位的要求。将正弦信号和余弦信号波形取绝对值后进行比较，取值小的信号作为输出。正弦信号和余弦信号经比较后的波形如图4所示。

图4中实线部分，也能反映角度的大小，这时再重新计算，min(D_Ys)应满足公式15。

min(D_Ys)＝sin(45°)-sin(44.978°)＝2.72×10^-4(公式15)

选择DAC的分辨率必须达到N需要满足公式16。

$N\≥{\log }_2\frac{max\left(Ys\right)-min\left(Ys\right)}{\min \left(D_{Ys}\right)}={\log }_2\frac{1-(-1)}{2.72\×{10}^{-4}}={\log }_{2}7.36\×{10}^3\≈12.9$ (公式16)

可见，经过这种变换之后，对DAC的要求明显下降，这也是旋转变压器信号采用正余弦正交信号的合理性之一，这也为选择DAC提供了依据，为此选择16位的DAC及能完全满足使用要求。

3)正余弦信号生成模块

有了参考正弦波sin(ωt)，就可以产生正余弦信号V_sin和V_cos，分别满足公式17和公式18。

V_sin＝U_max×sin(ωt)×sinθ(公式17)

V_cos＝U_max×sin(ωt)×cosθ(公式18)

其中：ω＝2πf，f为正余弦信号的工作频率，与参考信号同频率；θ代表输入的角度；U_max为正余弦信号的最大幅值。

U_max可以用功放的增益来实现，正余弦信号V_sin和V_cos的幅值因子sinθ和cosθ用DAC的乘法器实现，用DAC的乘法器实现的正余弦信号V_sin和V_cos的幅值因子sinθ和cosθ功能图如图5所示。

如图5所示，将基准正弦波sin(ωt)加入DAC的参考信号端，数字信号端加入正余弦值，在DAC的输出端合成所要的信号。

对于DAC来说，它的传递函数如下：Vo＝D_in·V_ref/2^N，选用V_ref可正可负的DAC，但是D_in只能大于零，所以sinθ和cosθ的符号只能加到sin(ωt)上，使sin(ωt)变为±sin(ωt)，sin(ωt)×sinθ和sin(ωt)×cosθ四象限切换真值表如表1所示。

表1sin(ωt)×sinθ和sin(ωt)×cosθ四象限切换真值表

sin(ωt)×sinθ和sin(ωt)×cosθ四象限切换电路如图6所示，此部分由模拟开关ADG433和其外围运放器件构成。

图6中，在S1、S2两路数字信号的控制下，输出的两路信号Y_sin1、Y_sin2，四象限的Y_sin1、Y_sin2的符号真值表如表2所示。

表2四象限切换Y_sin1、Y_sin2的符号真值表

|sinθ|部分用DAC来实现，和外围电路合成sin(ωt)×sinθ和sin(ωt)×cosθ。DAC芯片选用AD5545，利用DAC乘法器实现sin(ωt)×sinθ和sin(ωt)×cosθ的电路图如图7所示。采用AD5545精密双通道14位电流输出型DAC，以及后级缓冲器实现输出的两路信号增益连续可调功能。结合四象限切换和DAC乘法器，可设计角度换算表见表3，用查表计算来完成角度的换算。

表3角度换算表

Claims (3)

1.一种高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构，包括参考信号生成模块和正余弦信号生成模块，其特征在于：

所述参考信号生成模块包括：

存储有一个周期正弦波数据的ROM；

与该ROM连接的用于产生ROM地址的计数器；

与该ROM输出连接的用于数模转换的DAC；

以及与该DAC输出连接的用于进行差分放大形成参考信号的运放；

所述正余弦信号生成模块包括：

与所述参考信号连接的DAC乘法器，其输出为第一象限正余弦信号；

以及，与所述的第一象限正余弦信号连接的四象限切换电路，其输出为360°正余弦信号。

2.根据权利要求1所述高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构，其特征在于，所述参考信号生成模块选用AD公司的AD9954，有源晶振选用32.768M，使输出正弦波的频率调节精度达到1Hz；AD9954的20脚、21脚输出两路正弦波电流信号，在电阻R₄₈、R₅₁上还原成电压信号，经差分放大合成一个信号，作为参考信号。

3.根据权利要求1所述高精度正余弦旋转变压器的模拟实现结构，其特征在于，所述四象限切换电路由模拟开关ADG433和其外围运放器件构成。