低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》是屬于專用集成電路設計領域，特別是提供一種低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器。

旋轉變壓器信號-數字轉換器是現代軸角電子變換技術中的核心器件，可將軸角類模擬信號實時轉換成數字角度信號，應用于航天、航空、雷達、火控及工業(yè)自動化領域。截至2010年3月，中國國內自主研發(fā)的軸角-數字轉換器種類少，很長一段時間內都采用分立器件組裝的階段，成本高，體積大且難以批量生產。集成電路各項技術的發(fā)展，要求研發(fā)低功耗、高性能、大批量的集成電路。已有的軸角類集成電路偏向高精度、多功能、參數外部組件調整、并行輸出，用于高端的軸角轉換領域。然而在汽車電子、工業(yè)控制等低端領域，對高度集成化，長距離串行傳輸，寬工作溫度范圍，高跟蹤速度等有更多的需求。

圖1是《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》轉換器的原理框圖。

圖2是電流基準源電路圖。

圖3是正余弦乘法器原理框圖。

圖4是正余弦乘法器高5位分段電路圖。

圖5是開關-線性組合電路圖。

2016年12月7日，《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B

實施例1

參照圖1-2。一種低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，它由正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調及鑒相器、壓控振蕩器、12位可逆計數器、鎖存器、增量編碼解碼器和串行接口組成；它采用線性兼容CMOS工藝；它采用溫度補償的自舉鏡像電流基準源，實現與電源電壓無關且300K附近溫漂接近零的基準電流輸出；輸入的旋轉變壓器模擬信號θ經正余弦乘法器時與12位可逆計數器的數字信號φ進行比較，轉化為誤差電壓信號Verror；誤差電壓信號Verror經誤差放大器放大后輸入相敏解調及鑒相器，外部參考電壓信號REF經相敏解調采樣后與誤差電壓信號鑒相比較，產生速度電壓信號VEL，速度電壓信號VEL控制壓控振蕩器輸出計數時鐘脈沖信號CLK與加減計數信號U/D，使得12位可逆計數器計數，當模擬信號θ與數字信號φ相等時，12位可逆計數器停止計數，數字信號φ經增量編碼解碼器輸出，或者經鎖存器與串行接口輸出，實現模擬信號到數字信號的轉換。

實施例2

參照圖1-5。實施例1所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器中，所述的正余弦乘法器由高五位粗精度分段選擇電路、低七位高精度線性分段電路和開關控制及解碼器組成；所述的高五位粗精度分段選擇電路采用開關-線性組合電路，將角度變化量0°-360°分解到0°-11.25°；低七位高精度線性分段電路采用R-2R型D/A轉換器；旋轉變壓器模擬信號θ經高五位粗精度分段選擇電路輸出二路比較信號Vo1、Vo2，再經低七位高精度線性分段電路產生誤差電壓信號Verror輸出至誤差放大器；開關控制及解碼器將輸入的數字信號φ轉化為開關信號K1-12，以控制高五位粗精度分段選擇電路、低七位高精度線性分段電路的選擇輸出。

實施例3

參照圖1-5。實施例1或2所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器中，所述的相敏解調及鑒相器由相敏解調器、鑒相器和反饋電路組成；所述的相敏解調器由施密特觸發(fā)器與積分電路組成，實現不同頻率下外部參考電壓信號REF與誤差電壓信號Verror的動態(tài)延時采樣；所述的鑒相器由CMOS開關與高精度BiCMOS運放組成。

實施例4

參照圖1-5。實施例1或2或3所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器中，所述的相敏解調及鑒相器上設有向外輸出速度電壓信號VEL的輸出引腳。

實施例5

參照圖1-5。實施例1或2或3或4所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器中，所述的壓控振蕩器上設有向外輸出計數時鐘脈沖信號CLK與/或加減計數信號DIR的輸出引腳。

低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器專利目的

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》所要解決的技術問題是針對2010年3月前技術的不足，提出一種低溫漂、完備的軸角信號-數字轉換器；它能無需任何外圍電路，實現旋轉變壓器信號-數字的轉換。其成本低，同時具有串口和增量編碼輸出兩種輸出方式。

低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器技術方案

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》是一種低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特點是，它由正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調及鑒相器、壓控振蕩器、12位可逆計數器、鎖存器、增量編碼解碼器和串行接口組成；它采用線性兼容CMOS工藝；它采用溫度補償的自舉鏡像電流基準源，實現與電源電壓無關且300K附近溫漂接近零的基準電流輸出；輸入的旋轉變壓器模擬信號θ經正余弦乘法器時與12位可逆計數器的數字信號φ進行比較，轉化為誤差電壓信號Verror；誤差電壓信號Verror經誤差放大器放大后輸入相敏解調及鑒相器，外部參考電壓信號REF經相敏解調采樣后與誤差電壓信號鑒相比較，產生速度電壓信號VEL，速度電壓信號VEL控制壓控振蕩器輸出計數時鐘脈沖信號CLK與加減計數信號U/D，使得12位可逆計數器計數，當模擬信號θ與數字信號φ相等時，12位可逆計數器停止計數，數字信號φ經增量編碼解碼器輸出，或者經鎖存器與串行接口輸出，實現模擬信號到數字信號的轉換。

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》轉換器的系統(tǒng)動態(tài)參數所用無源器件如積分電容與電阻，均由集成電路工藝直接實現。不需要外部組件來控制系統(tǒng)動態(tài)參數。其帶寬由內部可以設定限制在1千赫以內，跟蹤速度最高可達500轉每秒。

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現。以上所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特點是，所述的正余弦乘法器由高五位粗精度分段選擇電路、低七位高精度線性分段電路和開關控制及解碼器組成；所述的高五位粗精度分段選擇電路采用開關-線性組合電路，將角度變化量0°-360°分解到0°-11.25°；低七位高精度線性分段電路采用R-2R型D/A轉換器；旋轉變壓器模擬信號θ經高五位粗精度分段選擇電路輸出二路比較信號Vo1、Vo2，再經低七位高精度線性分段電路產生誤差電壓信號Verror輸出至誤差放大器；開關控制及解碼器將輸入的數字信號φ轉化為開關信號K1-12，以控制高五位粗精度分段選擇電路、低七位高精度線性分段電路的選擇輸出。

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現。以上所述的相敏解調及鑒相器，其特點是，所述的相敏解調及鑒相器由相敏解調器、鑒相器和反饋電路組成；所述的相敏解調器由施密特觸發(fā)器與積分電路組成，實現不同頻率下外部參考電壓信號REF與誤差電壓信號Verror的動態(tài)延時采樣；所述的鑒相器由CMOS開關與高精度BiCMOS運放組成；它可實現無誤差采樣。采用負反饋實現動態(tài)性能優(yōu)化，提高系統(tǒng)穩(wěn)定及跟蹤速度。

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現。以上所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特點是，所述的相敏解調及鑒相器上設有向外輸出速度電壓信號VEL的輸出引腳。

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現。以上所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特點是，所述的壓控振蕩器上設有向外輸出計數時鐘脈沖信號CLK與/或加減計數信號DIR的輸出引腳。

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》旋轉變壓器信號-數字轉換器將所有外圍電路集成在集成電路內部，采用線性兼容CMOS（Linear Compatible CMOS，LC2MOS）工藝實現，同時具備雙極型工藝的高精度和CMOS工藝低功耗邏輯電路特點。采用自頂向下設計方法，設計具有獨立功能的模塊。所有動態(tài)參數電路集成在集成電路內部。整體電路為II型伺服回路，可實現勻角速度無誤差跟蹤輸出。

其正余弦乘法器可分為高5位粗分電路和低7位R-2R型A/D轉換細分電路，粗分電路采用開關-線性組合技術以實現高速線性卦象分割。采用開關電容采樣技術，實現模擬信號的精確采樣。通過動態(tài)延時采樣技術，實現不同頻率采樣，使得跟蹤速度最高可達500轉每秒。

以下對《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》進行具體的說明。

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》轉換技術的電路總體功能是實現一種低溫漂、完備、高跟蹤速度的旋轉變壓器信號-數字轉換，其總體工作原理是輸入的自整角機模擬信號θ（U1、U2）經正余弦乘法器與12位可逆計數器的數字信號進行比較，轉化為誤差電壓信號Verror。誤差電壓信號Verror經放大、采樣以后產生速度電壓信號VEL，速度電壓信號VEL可控制壓控振蕩器輸出計數時鐘脈沖，以控制計數器計數輸出改變數字角。它將全路電路集成在單個芯片上，實現角度量到數字轉換，具有體積小、精度高、成本低的特點。

電路功能原理框如圖1所示，三線輸入的自整角機信號或四線輸入的旋轉變壓器信號差分輸入后被轉換成低電壓的正余弦信號U1和U2，同12位可逆計數器產生的數字角φ在正余弦乘法器中相乘，得到誤差電壓信號Verror＝KEoSin（θ-φ）sinωt（其中K為常數，Eo為輸入自整角機信號或旋轉變壓器信號的有效值，ω為參考信號與輸入信號角速度，t為時間），經誤差放大器后輸經相敏解調器、積分器、壓控振蕩器和可逆計數器等組成的一個閉環(huán)回路，尋找Sin（θ-φ）的零點。當這一過程完成時，可逆計數器的數字角φ等于信號輸入軸角θ。

12位固態(tài)控制變壓器由高5位粗分電路和低7位R-2R型A/D轉換細分電路組成。前5位粗分電路電路圖如圖2所示。前5位相當于一模擬乘法器，可使輸入信號Eosinθsinωt和Eocosθsinωt轉化為Eosin（θ-n×11.25°）sinωt。其中n為計數器高5位代表的數字角。

開關-線性組合技術電路圖見圖3，其相當于一個最簡單的乘法器，輸入信號U1、U2分別為Eosinθsinωt和Eocosθsinωt，適當調整電阻R1、R2、R3阻值和開關K1、K2可使得輸出信號為Eosin（θ-ψ）sinωt，其中ψ為任意已知數字角度，在本設計中，使得ψ＝n×11.25°。

低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器改善效果

《低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器》轉換器的主要優(yōu)點是采用CMOS開關電容技術可提高采樣精度。將所有外圍組件集成在集成電路內部，具有最精簡的引腳定義，使得無須額外組件即可實現角度到數字量的跟蹤轉換。采用零溫漂電流基準源實現低溫漂。采用動態(tài)延時技術，實現輸入信號及參考信號的寬工作頻率。采用高性能運放、開關-線性組合技術與高速動態(tài)參數設計實現高追蹤速度。它采用LC2MOS工藝，可兼具雙極和CMOS兩種工藝長處，由高精度雙極運放與低功耗的CMOS數字開關相結合，實現低功耗、高精度與高速度的模擬電路，同時有較好的魯棒性能。

1.一種低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特征在于：它由正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調及鑒相器、壓控振蕩器、12位可逆計數器、鎖存器、增量編碼解碼器和串行接口組成；它采用線性兼容CMOS工藝；它采用溫度補償的自舉鏡像電流基準源，實現與電源電壓無關且300K附近溫漂接近零的基準電流輸出；輸入的旋轉變壓器模擬信號θ經正余弦乘法器時與12位可逆計數器的數字信號φ進行比較，轉化為誤差電壓信號Verror；誤差電壓信號Verror經誤差放大器放大后輸入相敏解調及鑒相器，外部參考電壓信號REF經相敏解調采樣后與誤差電壓信號鑒相比較，產生速度電壓信號VEL，速度電壓信號VEL控制壓控振蕩器輸出計數時鐘脈沖信號CLK與加減計數信號U/D，使得12位可逆計數器計數，當模擬信號θ與數字信號φ相等時，12位可逆計數器停止計數，數字信號φ經增量編碼解碼器輸出，或者經鎖存器與串行接口輸出，實現模擬信號到數字信號的轉換。

2.根據權利要求1所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特征在于：所述的正余弦乘法器由高五位粗精度分段選擇電路、低七位高精度線性分段電路和開關控制及解碼器組成；所述的高五位粗精度分段選擇電路采用開關-線性組合電路，將角度變化量0°-360°分解到0°-11.25°；低七位高精度線性分段電路采用R-2R型D/A轉換器；旋轉變壓器模擬信號θ經高五位粗精度分段選擇電路輸出二路比較信號Vo1、Vo2，再經低七位高精度線性分段電路產生誤差電壓信號Verror輸出至誤差放大器；開關控制及解碼器將輸入的數字信號φ轉化為開關信號K1-12，以控制高五位粗精度分段選擇電路、低七位高精度線性分段電路的選擇輸出。

3.根據權利要求1或2所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特征在于：所述的相敏解調及鑒相器由相敏解調器、鑒相器和反饋電路組成；所述的相敏解調器由施密特觸發(fā)器與積分電路組成，實現不同頻率下外部參考電壓信號REF與誤差電壓信號Verror的動態(tài)延時采樣；所述的鑒相器由CMOS開關與高精度BiCMOS運放組成。

4.根據權利要求1或2所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特征在于，所述的相敏解調及鑒相器上設有向外輸出速度電壓信號VEL的輸出引腳。

5.根據權利要求1或2所述的低溫漂旋轉變壓器信號-數字轉換器，其特征在于，所述的壓控振蕩器上設有向外輸出計數時鐘脈沖信號CLK與/或加減計數信號DIR的輸出引腳。

為了減少減速器齒輪間隙造成的非線性誤差，可采用電氣變速式雙通道測角系統(tǒng)，即采用多極旋轉變壓器。它是在一個機體內安裝單極和多極兩臺旋轉變壓器，而共用一根軸。用單極變壓器組成粗通道系統(tǒng)，多極旋轉變壓器組成精通道系統(tǒng)。這樣既能提高精度又能簡化結構 。

旋轉變壓器的結構和兩相繞線式異步電機的結構相似，可分為定子和轉子兩大部分。定子和轉子的鐵心由鐵鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖成的槽狀心片疊成。它們的繞組分別嵌入各自的槽狀鐵心內。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引出。轉子繞組有兩種不同的引出方式。根據轉子繞組兩種不同的引出方式，旋轉變壓器分為有刷式和無刷式兩種結構形式。

圖1是有刷式旋轉變壓器。它的轉子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出，其特點是結構簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機械滑動接觸的，所以旋轉變壓器的可靠性差，壽命也較短。

圖1 有刷式旋轉變壓器

圖2 無刷式旋轉變壓器

圖2是無刷式旋轉變壓器。它分為兩大部分，即旋轉變壓器本體和附加變壓器。附加變壓器的原、副邊鐵心及其線圈均成環(huán)形，分別固定于轉子軸和殼體上，徑向留有一定的間隙。旋轉變壓器本體的轉子繞組與附加變壓器原邊線圈連在一起，在附加變壓器原邊線圈中的電信號，即轉子繞組中的電信號，通過電磁耦合，經附加變壓器副邊線圈間接地送出去。這種結構避免了電刷與滑環(huán)之間的不良接觸造成的影響，提高了旋轉變壓器的可靠性及使用壽命，但其體積、質量、成本均有所增加。

常見的旋轉變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結構形式。兩極繞組旋轉變壓器的定子和轉子各有一對磁極，四極繞組則有兩對磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)。除此之外，還有多極式旋轉變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。