三種軸角數字轉換電路的分析與比較

摘要：介紹了三種分別基于單片機、軸角數字轉換模塊和光電編碼器的軸角數字轉換電路的原理，并對其性能進(jìn)行了分析和比較。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C；軸角數字轉換；光電編碼器

1. 引言

隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，軸角數字轉換電路在飛行器姿態(tài)控制和檢測、導彈控制、雷達天線(xiàn)跟蹤、工業(yè)機器人、數控機床、計算機輔助制造(CAM )等角位置測量與控制系統中得到了越來(lái)越廣泛的運用。同時(shí)，人們對電路的轉換精度、轉換速度和可靠性以及結構和價(jià)格等方面也提出了更高的要求?；谀壳艾F狀，分別介紹了基于單片機、軸角數字轉換模塊和光電轉換器的三種軸角數字轉換電路的原理，并進(jìn)行了分析和比較研究，為軸角數字轉換電路的設計和優(yōu)化提供一定的參考。

2．基于單片機的軸角數字轉換電路

2.1 轉換原理

在基于單片機組成的軸角數字轉換電路中，由自整角機（或旋轉變壓器）發(fā)送來(lái)的信號必須經(jīng)過(guò)正余弦變壓器轉換為含有軸角信息的正余弦角度信號。正余弦變壓器可以用電磁式實(shí)現，也可以用運放組成的高精度電子式正余弦變壓器實(shí)現。由于電磁式變壓器采用的磁性材料的非線(xiàn)性，導致其精度不可能做得很高，因此，目前多采用電子式正余弦變壓器。

電子式正余弦變壓器的兩路輸出為¹：

式中： E_O為正弦、余弦繞組輸入電壓的最大值；ω為輸出信號的載波頻率，即激勵電壓的角頻率；θ為轉動(dòng)的機械角度；K為比例系數。

正余弦變壓器輸出的信號是以模擬信號表示的機械軸角θ，在數字隨動(dòng)系統中，需將機械軸角θ轉換成數字角φ。

信號V_S、V_C在峰值區間進(jìn)行同步采樣和保持，經(jīng)A/D轉換器后變成與電壓成正比的數字量，依據式④進(jìn)行反正切運算，即可解算出數字角φ。

2.2 電路實(shí)現

根據設計目標的不同，基于單片機的軸角數字轉換電路也有一些差異，以下僅以一個(gè)實(shí)現基本轉換功能的多路軸角數字轉換電路²為例作以說(shuō)明，其組成原理框圖如圖1所示。

圖1 軸角到數字轉換器原理框圖

由上圖可知，自整角機（或旋轉變壓器）信號經(jīng)正余弦變壓器后輸出的正弦V_S和余弦V_C信號，通過(guò)采樣基準電路輸出的峰值脈沖信號，對八路V_S、V_C進(jìn)行同步采樣，輸出直流電壓信號U_S和U_C，通過(guò)多路轉換開(kāi)關(guān)，把其中一路軸角信號送到正余弦開(kāi)關(guān)，再分別將U_S和U_C切換到12位AD574逐位直流到數字轉換器，轉換成12位的數字量供單片機進(jìn)行采集，單片機主要完成多路轉換開(kāi)關(guān)選擇、數據采集、數字角解算、象限判別和輸出數字角等功能。

單片機的1口作為忙信號輸出，P2口經(jīng)譯碼器和信號鎖存器后，作為轉換開(kāi)關(guān)控制輸入端和AD574的轉換命令輸入端。P2口與寫(xiě)信號經(jīng)譯碼后，作為輸出數據鎖存器的選通端。

由該例可以看出，與傳統的轉換電路需要由同步解調器、多路轉換、取模、象限判決、逐位編碼、電阻解碼網(wǎng)絡(luò )、精粗組合糾錯、二~十進(jìn)制變換和顯示等諸多數字邏輯電路組成相比，基于單片機的軸角數字轉換電路具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。而與基于軸角數字轉換模塊和光電編碼器的轉換電路相比，這種電路價(jià)格非常低廉。然而，這種電路也存在著(zhù)開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、精度不高等缺點(diǎn)，只能應用于一些對精度要求不太高的場(chǎng)合。

3. 基于軸角數字轉換模塊的軸角數字轉換電路

隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，人們對軸角數字轉換電路的規范化、模塊化的要求越來(lái)越高，于是出現了小型固態(tài)厚膜或薄膜混合的集成軸角數字轉換模塊SDC/RDC。但是，這種模塊體積龐大，略顯笨拙。美國ADI公司又將它發(fā)展成一系列單片集成電路，即AD2S8X系列。AD2S8X系列是將先進(jìn)的CMOS邏輯電路與高精度雙極線(xiàn)性電路相結合，以BiCMOSII工藝制作的跟蹤式單片集成電路。用戶(hù)可根據需要選擇相應的模塊類(lèi)型。目前我國自主研制的軸角數字轉換模塊以中船重工集團的ZSZ/XSZ系列為代表，性能基本與國外產(chǎn)品相當。以下僅以AD2S82A為例介紹軸角數字轉換模塊的原理。

3.1 軸角數字轉換模塊原理

AD2S82A ³內部主要由高速數字式正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調器、積分器、壓控振蕩器（VCO）和可逆計數器等組成。其輸入的正余弦信號也可分別用式①和式②來(lái)表示，其中θ為待轉換的軸角。

假定可逆計數器現時(shí)的代碼值是φ，高速數字式正余弦乘法器將V_S乘以cosφ，V_C乘以sinφ，兩信號再經(jīng)誤差放大器相減后得到：

經(jīng)相敏解調器、積分器、壓控振蕩器和可逆計數器形成一個(gè)閉環(huán)回路系統使sin(θ-φ)趨近于零。當這一過(guò)程完成時(shí)，可逆計數器的代碼值φ就相當于軸角θ。

3.2 電路實(shí)現

根據轉換精度的要求不同，此類(lèi)電路可以分為單通道和雙通道兩種。單通道軸角數字轉換電路具有結構簡(jiǎn)單、調試方便、抗沖擊性和抗震性好、可靠性較高、動(dòng)態(tài)響應能力強、相對成本低等特點(diǎn)。但由于器件本身靜差的限制，其轉換精度不太高，一般只能達到12位，只適用于轉換精度要求不太高的場(chǎng)合（通常指14位以下）。下面以雙通道電路為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 基于軸角數字轉換模塊的雙通道軸角數字轉換電路原理圖

雙通道軸角數字轉換電路的原理圖如圖2所示。在該電路中，由粗精兩套自整角/旋轉變壓器將軸角信號轉換成交流電信號，然后分別經(jīng)兩套SDC/RDC模塊將交流信號轉換成數字信號，再通過(guò)數據處理模塊進(jìn)行精粗組合、數據糾錯等，最后將數據送到顯示及通訊口。同單通道相比，雙通道電路增加了成本，但是，由于靜差僅為單通道的1/n（n為速比），其轉換精度大大提高。因此，雙通道的軸角數字轉換電路性?xún)r(jià)比較高，廣泛用于航空、航天、航海等各種控制中，尤其是在工作環(huán)境較惡劣的情況下。

目前市面上還出現了對單、雙通道兼容，速比可變的軸角數字轉換電路。這就增加了該電路應用的廣泛性與靈活性，降低了其相對成本，提高了性?xún)r(jià)比。

4. 基于光電編碼器的軸角數字轉換電路

與基于軸角數字轉換模塊的軸角數字轉換電路不同的是，這種電路是建立在光電編碼器基礎之上的。光電編碼器又稱(chēng)為光電傳感器，是一種集光、機、電為一體的數字測角裝置。由于它結構簡(jiǎn)單、分辨率高、精度高，因此已廣泛應用于精密角位置的測量、數控及數顯系統中。

4.1 光電編碼器原理

根據形成代碼方式的不同，光電編碼器可以分為增量式和絕對式兩大類(lèi)。

增量式軸角編碼器是指在玻璃盤(pán)上通過(guò)真空鍍制的鉻線(xiàn)（一般線(xiàn)數從50到36000）經(jīng)光電掃描讀數頭轉換成與鉻線(xiàn)條對應的電脈沖，使用電子計數器將該脈沖累加起來(lái)就是軸角數字轉換電絡(luò )轉過(guò)的角度值。其缺點(diǎn)是掉電后容易造成數據損失, 且有誤差累積現象。

絕對式軸角編碼器是指在玻璃盤(pán)上通過(guò)真空鍍鉻直接形成多圈角度位置編碼圖案，比如常用的循環(huán)格雷碼、矩陣碼以及新型的偽隨機碼等。利用光電掃描讀數頭將該圖案轉換成與之對應的電信號，該信號即為絕對式軸角數字轉換電路要得到的角度值信號，而不需用電子計數器進(jìn)行脈沖累積。同增量式軸角編碼器相比, 絕對式軸角編碼器除了能夠串/并行輸出，具有鎖存和驅動(dòng)能力外，還具有固定零點(diǎn)、輸出代碼為軸角單值函數、抗干擾能力強、掉電后再啟動(dòng)無(wú)須重新標定以及無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 電路實(shí)現

增量式和絕對式軸角編碼器組成的軸角數字轉換電路原理可分別用圖3和圖4來(lái)表示。

圖3 由增量式軸角編碼器組成的軸角數字轉換電路原理框圖

圖4 由絕對式軸角編碼器組成的軸角數字轉換電路原理框圖

從以上兩圖可以看出，無(wú)論是增量式還是絕對式軸角數字轉換電路，其結構都非常簡(jiǎn)單，調試也極為方便，縮短了開(kāi)發(fā)周期。由于直接采用軸聯(lián)接，使得機械傳遞帶來(lái)的角誤差大大降低，從而使轉換電路具有相當高的精度，無(wú)需進(jìn)行數據處理可使其具有很好的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)特性。所以，光電式軸角數字轉換電路廣泛用于高精度測量與控制中，如天文、航天、雷達系統、過(guò)程控制等。但是，它們對工作環(huán)境要求較高，要求有很好的防塵、防油濺條件，不能長(cháng)期工作在沖擊或震動(dòng)較大的環(huán)境下等，這對其工作的可靠性、運用的廣泛性有一定的影響⁴。另外，這類(lèi)光電轉換電路價(jià)格較高，且隨著(zhù)轉換位數的增多，其價(jià)格成階躍性增加。

隨著(zhù)光電編碼器體積的小型化、價(jià)格的逐漸降低和適應惡劣工作環(huán)境能力的增強，可以預見(jiàn)，基于光電編碼器的軸角數字轉換電路將會(huì )有越來(lái)越廣泛的應用前景。

5. 總結

本文針對目前軸角數字轉換過(guò)程中采用的幾種常見(jiàn)電路進(jìn)行了研究和比較，總體說(shuō)來(lái)，基于單片機的轉換電路轉換精度不高，但價(jià)格低廉，對工作環(huán)境要求不高；基于光電編碼器的轉換電路轉換精度很高，但價(jià)格昂貴，對工作環(huán)境要求比較苛刻；而基于軸角數字轉換模塊的轉換電路轉換精度介于以上兩種電路之間，價(jià)格適中，而且能夠適應惡劣的工作環(huán)境。因此，在工作中針對具體的應用，綜合考慮精度、工作環(huán)境、價(jià)格、體積、可靠性等因素，選擇合適的轉換電路，以有效地提高設計效率。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：對三種軸角數字轉換電路的原理、性能進(jìn)行了歸納分析和比較研究，指出了各自的特點(diǎn)和應用場(chǎng)合，對軸角數字轉換電路的設計和優(yōu)化具有一定的指導意義和參考價(jià)值。

參考文獻

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