一種高精度零位偏置調整R/D轉換器及其實現方法與流程

本發明涉及R/D轉換技術領域，具體涉及一種高精度零位偏置調整R/D轉換器及其實現方法。

背景技術：

R/D轉換器主要將模擬的位置信號（旋轉變壓器信號）轉換成數字信號，廣泛應用于航天、航空、船舶、兵器、電子等軍民電子系統中。由于旋轉變壓器零位存在誤差，旋轉變壓器輸出的正、余弦信號不完全對稱，使用R/D轉換器時轉換精度將變差，甚至超出要求范圍，不滿足某些需要高精度采集的場合。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種高精度零位偏置調整R/D轉換器及其實現方法，可將輸入的不對成正、余弦信號進行零位偏置調整，轉換成最高16的并行二進制輸出，滿足航天、航空、船舶、兵器等高精度的角度位置控制系統使用。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種高精度零位偏置調整R/D轉換器，包括第一信號處理電路、第二信號處理電路、第一帶通濾波電路、鑒相電路、積分濾波、壓控振蕩器、三態鎖存可逆計數器、偏置調整電路和第二帶通濾波電路，所述第一信號處理電路和第二信號處理電路的輸入端為旋轉變壓器的信號輸入端，第一信號處理電路的輸出端經相位自適應電路與鑒相電路的輸入端相連，第二信號處理電路的輸出端依次經扇區函數發生器及誤差形成電路、第一帶通濾波電路與鑒相電路的輸入端相連，鑒相電路的輸出端經積分濾波電路與壓控振蕩器的輸入端相連，壓控振蕩器的輸出端與三態鎖存可逆計數器的輸入端相連，三態鎖存可逆計數器的輸出端為數字信號的輸出端，所述扇區函數發生器及誤差形成電路與三態鎖存可逆計數器交互連接，所述第二帶通濾波電路的輸入端與壓控振蕩器的輸出端相連，所述偏置調整電路的輸出端與積分濾波電路的輸入端相連。

所述的高精度零位偏置調整R/D轉換器，所述第一信號處理電路包括第一信號轉換電路、第一信號隔離電路，第二信號處理電路包括第二信號轉換電路、第三信號轉換電路和第二信號隔離電路，所述第一信號轉換電路、第二信號轉換電路和第三信號轉換電路的輸入端為旋轉變壓器的信號輸入端，第一信號轉換電路的輸出端經第一信號隔離電路與相位自適應電路的輸入端相連，第二信號轉換電路和第三信號轉換電路的輸出端經第二信號隔離電路與扇區函數發生器及誤差形成電路的輸入端相連。

所述的高精度零位偏置調整R/D轉換器，所述第一信號轉換電路、第二信號轉換電路和第三信號轉換電路分別由運算放大器Q1、Q2、Q3構成，所述運算放大器Q1的輸入端與旋轉變壓器的激磁信號相連，其輸出端與第一信號隔離電路相連，所述運算放大器Q2的輸入端與旋轉變壓器的正弦信號相連，運算放大器Q3的輸入端與旋轉變壓器的余弦信號相連，運算放大器Q2和運算放大器Q3的輸出端與第二信號隔離電路相連，所述運算放大器Q3的反向輸入端依次經電阻R9、R13與其輸出端相連。

所述的高精度零位偏置調整R/D轉換器，所述偏置調整電路包括電阻R16、R17、R18，所述電阻R16的一端與R17相連，電阻R16和電阻R17的另一端與電源相連，電阻R18的一端與積分濾波電路的輸入端相連，其另一端連接于電阻R16和電阻R17之間的節點處。

所述的高精度零位偏置調整R/D轉換器，所述第二帶通濾波電路包括運算放大器Q4，所述運算放大器Q4的同相輸入端與壓控振蕩器相連，其反向輸入端經兩并聯的電容C1和電阻R14與其輸出端相連，且反向輸入端經電阻R15接地。

一種高精度零位偏置調整R/D轉換器的實現方法，包括以下步驟：

（1）第一信號處理電路將旋轉變壓器產生的激勵信號進行信號放大和濾除干擾后送入相位自適應電路，經相位自適應電路將輸入的激磁信號電壓與輸入的正余弦信號電壓進行相位和象限上的信號統一，并同時輸入至鑒相電路進行分解；

（2）第二信號處理電路將旋轉變壓器產生兩路隨角度變化的正弦信號和余弦信號進行交流信號放大，并經第一帶通濾波器濾除干擾后送入扇區函數發生器及誤差形成電路；

（3）扇區函數發生器及誤差形成電路將兩路正余弦信號分解為所需精度的電壓信號，并將該電壓信號進行交流放大及濾除干擾后發送給鑒相電路；

（4）鑒相電路將得到的交流全波信號轉換成半波信號，該半波信號經過積分電路運算后得到直流電平，并經過壓控振蕩電路產生的脈沖和計數方向信號進入三態鎖存可逆計數器，經三態鎖存可逆計數器產生數字角信號，輸出數字角度。

由上述技術方案可知本發明可對輸入旋轉變壓器信號的不對稱性進行調節和補償，有效的糾正正余弦信號由于外部環境帶來的偏差，提高了輸出精度；同時，可以有效地進行零位誤差的補償，通過電路工作原理將誤差信號進行偏置調整，提高了電路輸出精度，為系統安全提供了保障。

附圖說明

圖1是本發明的電路框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

如圖1所示，本實施例的高精度零位偏置調整R/D轉換器，包括第一信號處理電路1、第二信號處理電路2、第一帶通濾波電路5、鑒相電路6、積分濾波7、壓控振蕩器9、三態鎖存可逆計數器8、偏置調整電路和第二帶通濾波電路，第一信號處理電路1和第二信號處理電路2的輸入端為旋轉變壓器的信號輸入端，第一信號處理電路1的輸出端經相位自適應電路3與鑒相電路6的輸入端相連，第二信號處理電路2的輸出端依次經扇區函數發生器及誤差形成電路4、第一帶通濾波電路5與鑒相電路6的輸入端相連，鑒相電路6的輸出端經積分濾波電路7與壓控振蕩器9的輸入端相連，壓控振蕩器9的輸出端與三態鎖存可逆計數器8的輸入端相連，三態鎖存可逆計數器8的輸出端為數字信號的輸出端，扇區函數發生器及誤差形成電路4與三態鎖存可逆計數器8交互連接，第二帶通濾波電路的輸入端與壓控振蕩器9的輸出端相連，偏置調整電路的輸出端與積分濾波電路7的輸入端相連。

第一信號處理電路1包括第一信號轉換電路、第一信號隔離電路，第二信號處理電路2包括第二信號轉換電路、第三信號轉換電路和第二信號隔離電路。第一信號轉換電路、第二信號轉換電路和第三信號轉換電路的輸入端為旋轉變壓器的信號輸入端，第一信號轉換電路的輸出端經第一信號隔離電路11與相位自適應電路3的輸入端相連，第二信號轉換電路和第三信號轉換電路的輸出端經第二信號隔離電路21與扇區函數發生器及誤差形成電路4的輸入端相連。

第一信號轉換電路、第二信號轉換電路和第三信號轉換電路分別由運算放大器Q1、Q2、Q3構成，運算放大器Q1的輸入端與旋轉變壓器的激磁信號RL、RH相連，其輸出端與第一信號隔離電路相連，運算放大器Q2的輸入端與旋轉變壓器的正弦信號S1、S3相連，運算放大器Q3的輸入端與旋轉變壓器的余弦信號S2、S4相連，運算放大器Q2和運算放大器Q3的輸出端與第二信號隔離電路相連，運算放大器Q3的反向輸入端依次經電阻R9、R13與其輸出端相連。第一信號轉換電路、第二信號轉換電路和第三信號轉換電路的作用是根據不同用戶旋轉變壓器的使用差異而造成的信號輸出阻抗不同，實現高阻抗輸入，同時將輸入的模擬信號電壓隔離轉換為兩路精密正交信號VS和VC。相位自適應電路3由激磁輸入進行信號的處理和調整，可以提高激磁信號的精確性和穩定性。

扇區函數發生器和誤差形成電路4采用扇區折線技術和線性近似法形成交流誤差函數電壓，該電路形成的交流誤差量的適時性和正確性，決定了整個電路的轉換精度。內部跟蹤環電路設計時通過有源濾波器，串聯一個積分器后，通過鑒相電路6使回路成為二階無差度，即靜態和速度誤差為零的伺服回路，使得閉環系統具有足夠高的靈敏度和穩定性。

雙極性壓控振蕩器9是采用電荷平衡法原理以及恒流源技術設計的軸角轉換器專用電路。電路把輸入的直流電壓，按設計的比例轉換為電路工作頻率的脈沖信號，同時輸出一個邏輯電平，指示輸入的直流電壓的極性。雙極性壓控振蕩器9是整個電路能否連續正常跟蹤的關鍵。

三態可逆鎖存計數器8由兩只八位可逆計數鎖存器采用級聯方式工作，同時低八位計數器可通過選擇端口SC1、SC2，變換2、4、6、8位計數的功能，實現電路具有分辨率10、12、14、16可編程的技術要求。

偏置調整電路包括電阻R16、R17、R18，電阻R16的一端與R17相連，電阻R16和電阻R17的另一端與電源相連，電阻R18的一端與積分濾波電路的輸入端相連，其另一端連接于電阻R16和電阻R17之間的節點處。

第二帶通濾波電路包括運算放大器Q4，運算放大器Q4的同相輸入端與壓控振蕩器相連，其反向輸入端經電容C1和電阻R14并聯組成的第二帶通濾波電路與其輸出端相連，且反向輸入端經電阻R15接地，放大器Q4的輸出端外接負載電路。

本實施例的高精度零位偏置調整R/D轉換器的實現方法，包括以下步驟：

S1：第一信號處理電路1將旋轉變壓器產生的激勵信號進行信號放大和濾除干擾后送入相位自適應電路3，經相位自適應電路3將輸入的激磁信號電壓與輸入的正余弦信號電壓進行相位和象限上的信號統一，并同時輸入至鑒相電路6進行分解；

S2：第二信號處理電路2將旋轉變壓器產生兩路隨角度變化的正弦信號和余弦信號進行交流信號放大，并經第一帶通濾波器5濾除干擾后送入扇區函數發生器及誤差形成電路4；

S3：扇區函數發生器及誤差形成電路4將兩路正余弦信號分解為所需精度的電壓信號，并將該電壓信號進行交流放大及濾除干擾后發送給鑒相電路6；

S4：鑒相電路6將得到的交流全波信號轉換成半波信號，該半波信號經過積分電路運算后得到直流電平，并經過壓控振蕩電路9產生的脈沖和計數方向信號進入三態鎖存可逆計數器8，經三態鎖存可逆計數器8產生數字角信號，輸出數字角度。

本實施例的高精度零位偏置調整R/D轉換器采用三次調整，一次是余弦增益調節，通過R13阻值調整，實現對旋變的正余弦信號輸出的固有偏差進行補償，提高測量精度；二是偏置調節，為了保證輸入角度信號與數字信號相等時積分器輸出為零，消除積分器的輸入失調以及偏置電流引起壓控振蕩器9輸出信號的漂移，通過R16、R17、R18構成偏置調整，保證當輸入角度為零時，輸出數字角度也為零。同時積分器輸出為零；三是信號波形處理和比例調整，通過R14、R15、C1、運算放大器Q4構成帶通濾波，通過運放及比例電阻進行增益調整，即調整阻容參數，消除高頻分量，提高信號質量，減少模擬信號輸出紋波，提升輸出信號電壓一致性。提高信號質量，微調信號幅度，實現輸出信號電壓的高精度變換。

以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。