基于FPGA的測角脈沖細分電路的設計

摘要：對傳統的數字化轉角測量方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，提出了一種能夠提高測角分辨率的脈沖細分技術(shù)，并結合激光陀螺輸出信號對該方法進(jìn)行了誤差分析。接著(zhù)利用FPGA對此項技術(shù)進(jìn)行了硬件實(shí)現，具體描述了電路各部分的工作原理及程序設計，并使用QuartusⅡ軟件對電路進(jìn)行了仿真。最后，對某型激光陀螺輸出信號進(jìn)行周期采樣，對電路進(jìn)行了實(shí)驗驗證。結果表明該技術(shù)能夠有效提高轉角測量分辨率，電路工作穩定，取得了預期的效果。
關(guān)鍵詞：角度測量；脈沖細分；高精度分辨率；FPGA

傳統的基于脈沖計數原理的角度測量方法主要是對采樣時(shí)間間隔內的整脈沖數進(jìn)行計數，這種方法的測角分辨率依賴(lài)于相應的角度傳感器，分辨率相對較低，帶來(lái)的誤差較大。以高精度的激光陀螺為例，傳統的整脈沖計數方法僅能獲得角秒量級的角度分辨率，這樣的分辨率并不能滿(mǎn)足某些高精度測量。本文提出的脈沖細分技術(shù)可以對測角脈沖進(jìn)行細分，以獲得更高的測角分辨率。

1 脈沖細分技術(shù)
傳統的對角度傳感器數字脈沖的測量方法是在確定的采樣時(shí)間內對脈沖數進(jìn)行計數。如圖1是在2個(gè)指示脈沖時(shí)間間隔Ts內對脈沖計數，計數值為N+1。

在時(shí)間間隔Ts內存在最大為±1個(gè)脈沖的計數誤差，誤差δN在區間[-1，1]上的概率密度分布為均勻分布，根據計算為δN=0．82。某型激光陀螺的標度因數約為1．8／脈沖，則整脈沖計數方法的角度測量誤差為0．82×1．8=1．48，這并不能滿(mǎn)足高精度測角的要求。
脈沖細分技術(shù)是根據轉臺伺服控制系統中數字化速度測量方法中的高速、高精度、連續測速方案來(lái)實(shí)現的。利用脈沖細分技術(shù)對測角脈沖進(jìn)行細分，將脈沖數的小數部分精確測量出來(lái)，這樣可以大大提高測角的分辨率。
如圖1，假設在指示脈沖時(shí)間間隔Ts內，對測角脈沖上升沿進(jìn)行計數，計得N+1個(gè)，認為這段時(shí)間內的整數脈沖數為N，將前一個(gè)指示脈沖上升沿與計得的第一個(gè)測角脈沖上升沿之間的頭小數脈沖數n1加上第N+1個(gè)測角脈沖上升沿與后一個(gè)指示脈沖上升沿之間的尾小數脈沖數n2相加即為這段時(shí)間內的小數脈沖數。而下一段指示脈沖時(shí)間間隔的頭小數脈沖n3加上這段的尾小數脈沖n2為1。因此只需測量每一次的頭小數脈沖或尾小數脈沖即可。
假設測角脈沖周期為T(mén)，時(shí)間細分高頻計數時(shí)鐘脈沖周期為T(mén)c，頭小數脈沖時(shí)間為T(mén)o，利用高頻計數時(shí)鐘可以精確地將T與To測量出。測角脈沖數可表示為：

式中：f為測角脈沖信號頻率，fc為高頻計數時(shí)鐘頻率。假設測角脈沖信號頻率為1 MHz，高頻計數時(shí)鐘頻率為50 MHz，代入式(2)得δNp =0．033脈沖。假設某型陀螺的標度因數為1．8／脈沖，則角度測量誤差為0．033×1．8=0．059?？梢钥吹秸`差很小。脈沖細分技術(shù)的運用對提高測角精度起到了關(guān)鍵作用。