專利名稱：高精度單芯片數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于信號模擬與測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高精度單芯片數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
常見的軸角信號有自整角機信號和旋轉(zhuǎn)變壓器信號，數(shù)字一軸角轉(zhuǎn)換器就是將數(shù)字角度信號轉(zhuǎn)換成自整角機信號或旋轉(zhuǎn)變壓器信號，是現(xiàn)代軸角電子變換技術(shù)中的核心器件，廣泛應(yīng)用于航天、航空、雷達、火控及工業(yè)自動化領(lǐng)域?，F(xiàn)有的數(shù)字一軸角轉(zhuǎn)換器只能實現(xiàn)一種信號類型、一種信號電壓和一種信號頻率的轉(zhuǎn)換，功能單一，產(chǎn)品性價比低，適應(yīng)性差，不利于角度測量及控制領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器作為軸角驅(qū)動元件，為自動控制系統(tǒng)提供低成本、高精度的驅(qū)動器。在工業(yè)檢測控制領(lǐng)域中，需要把用于微處理器或計算機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成自整角機信號/旋轉(zhuǎn)變壓器信號。目前，實現(xiàn)數(shù)字一自整角機/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換方式是采用D/ A轉(zhuǎn)換器、運算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)等分離元件組成的編碼電路，這種轉(zhuǎn)換方式采用分體式結(jié)構(gòu)，不可避免地需要使用大量的分離元件，存在以下缺陷
I、體積大，元件分布比較分散，不能實現(xiàn)系統(tǒng)元件高密度安裝，體積比較大。2、可靠性差，使用了大量分離元件，集成度低，降低了系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種高精度單芯片數(shù)字-軸角信號轉(zhuǎn)換方法，它能實現(xiàn)軸角信號輸出，且轉(zhuǎn)換精度高，可擴展性強。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是一種高精度單芯片數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換方法，其特點是實現(xiàn)該方法的電路由參考變壓器、線性DA電路、三角函數(shù)曲線擬合電路、非線性分段比例電路、正負信號選擇電路、功率驅(qū)動電路和數(shù)字接口電路組成；并采用兼容多電壓的高壓CMOS工藝將上述電路集成在單個芯片上；線性DA電路由高精度12位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路組成，三角函數(shù)曲線擬合電路和非線性分段比例電路由精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成；參考變壓器和功率驅(qū)動電路是由運放和可調(diào)外圍電阻電路組成；
轉(zhuǎn)換電路分為正負選擇電路，非線性分段比例電路和線性DA電路；轉(zhuǎn)換電路依據(jù)三角函數(shù)正、余弦兩角和與差數(shù)字表達式將數(shù)字角Θ在90度內(nèi)分解為高4位角α和低12位角 β，低12位角β控制線性DA電路，高4位角α控制非線性分段比例電路，90°、180°信號控制正負選擇電路，最終合成為16位全角度；實現(xiàn)完成0° 360°范圍內(nèi)的辨率16位、 精度ILSB 2LSB (即O. 0055° O. 011° )的低壓正余弦信號輸出；
參考變壓器接收參考信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電壓后依次發(fā)往線性DA電路、三角函數(shù)曲線擬合電路、非線性分段比例電路、正負信號選擇電路，同時數(shù)字接口電路發(fā)送的16位數(shù)字角度量也發(fā)往往線性DA電路、非線性分段比例電路和正負信號選擇電路，組合后產(chǎn)生正余弦信號發(fā)送給功率放大電路進行功率、幅值放大，最終完成數(shù)字角 轉(zhuǎn)換為模擬角e，實現(xiàn)高 精度數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換；9 = 90° Xn+a+í3 , n=0、l、2或3。當0°彡0 <90° 時，n=0;當 90° 彡 e <180° 時，n=l;當 180° 彡 e < 270° 時，n=2;當 270° 彡 e < 360° 時，n=3。以上所述的本發(fā)明轉(zhuǎn)換方法技術(shù)方案中參考信號通過參考變壓器的外圍電阻， 可以將外圍的(T115V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為2V的輸入電壓，即可以通過該電路的外置電路的 電阻R1、R2的比值，即
R2
V1^f = Vrii-，將外圍的(T115V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為2V的輸入電壓。
R2+R1以上所述的本發(fā)明轉(zhuǎn)換方法技術(shù)方案中，進一步優(yōu)選的技術(shù)方案是
由線性DA電路對輸入的變壓后的參考信號Vref進行線性分解，將其分成角度í3的線 性近似的正弦信號siní3和sin (11.25° -￠)并輸出，且0° <íK11.25° ；
由三角函數(shù)曲線擬合電路對線性DA電路輸出的線性近似的正弦信號進行三角函數(shù) 曲線擬合；將0角的誤差較大的線性近似的三角函數(shù)轉(zhuǎn)化為誤差較小有理多項式近似
sm(4^sm(11.25)x U'f 以提高轉(zhuǎn)換精度，并且分別輸出近似擬合后的sin 3、sin
l+B—i^ 11.25
(11.25° -￠)信號；
在非線性分段比例電路對角度a進行非線性分段，11. 25° <a<90° ； siní^劃分為 經(jīng) 5 個電阻分壓，為 cos (11.25° +22. 5° *n) .sin 3，n=0、1、2 或 3 ;sin (11. 25° -￠) 經(jīng) 4 個電阻分壓，依次為 cos (22.5° *n) sin (11. 25° - 3 )，n=0、1、2、3、4)；后經(jīng)過選 擇開過擬合成三角函數(shù)信號sin (a+íi)和cos (^+0);其數(shù)學模型為
sin J(sin a ■ cos fj + cos a ■ sin p) sin a. — />) + sin(r/ + j) ■ sin /> sin /(cos ■ cos j3 + sin a ■ sin f3) = cos a ■ sin(j - + cos(a + /) ■ sin 3
當1 = 11.25。時有
r 1
Us = ■ t1a ■ sin(11.23。- 0) + sin(a +11.25°) ■ sin fi}
^ Sin11.25即
Ue =——-——í cosoí- sin(l 1.25°-,5)+cos(a+11.25°)-sin L sinll.2 jLJ
fC/7 = sinicf + 0)
f 后經(jīng)過選擇開過擬合成三角函數(shù)信號sin ( a + í3 )和cos ( a + í3 )。 [Uc = cos(a + p)在正負信號選擇電路中由180°，90°信號對非線性分段比例電路的信號sin (a+íi)和cos (a+íi)進行正負選擇，最終完成0° 360°范圍內(nèi)的數(shù)字角 轉(zhuǎn)換為模 擬角0的數(shù)字信號到軸角低壓信號轉(zhuǎn)換。以上所述的本發(fā)明轉(zhuǎn)換方法技術(shù)方案中由轉(zhuǎn)換電路輸出低壓正余弦信號，經(jīng)過 功率驅(qū)動電路變成大功率輸出，并且其輸出電壓根據(jù)外圍電阻的比值可以在2V 10V調(diào)整，即可以通過該電路的外置電路的電阻Rl、R2的比值，即Voiit =~，在2V 10V
Rl
調(diào)整輸出電壓。本發(fā)明技術(shù)方案中，由三角函數(shù)曲線擬合電路對線性DA電路輸出的線性近似的正弦信號進行三角函數(shù)曲線擬合。對于11. 25。以內(nèi)的三角Sin函數(shù)而言，直接進行等分電路近似有一定的誤差，對其進行有理多項式擬合，可以提高精度，線性DA電路輸出β角的線性近似的正弦信號為
權(quán)利要求
1.一種高精度單芯片數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換方法，其特征在于實現(xiàn)該方法的電路由參考變壓器、線性DA電路、三角函數(shù)曲線擬合電路、非線性分段比例電路、正負信號選擇電路、功率驅(qū)動電路和數(shù)字接口電路組成；并采用兼容多電壓的高壓CMOS工藝將上述電路集成在單個芯片上；線性DA電路由高精度12位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路組成，三角函數(shù)曲線擬合電路和非線性分段比例電路由精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成；參考變壓器和功率驅(qū)動電路是由運放和可調(diào)外圍電阻電路組成；轉(zhuǎn)換電路分為正負選擇電路，非線性分段比例電路和線性DA電路；轉(zhuǎn)換電路依據(jù)三角函數(shù)正、余弦兩角和與差數(shù)字表達式將數(shù)字角Θ在90度內(nèi)分解為高4位角α和低12位角 β，低12位角β控制線性DA電路，高4位角α控制非線性分段比例電路，90°、180°信號控制正負選擇電路，最終合成為16位全角度；實現(xiàn)完成0° 360°范圍內(nèi)的辨率16位、 精度ILSB 2LSB的低壓正余弦信號輸出；參考變壓器接收參考信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電壓后依次發(fā)往線性DA電路、三角函數(shù)曲線擬合電路、非線性分段比例電路、正負信號選擇電路，同時數(shù)字接口電路發(fā)送的16位數(shù)字角度量也發(fā)往往線性DA電路、非線性分段比例電路和正負信號選擇電路，組合后產(chǎn)生正余弦信號發(fā)送給功率放大電路進行功率、幅值放大，最終完成數(shù)字角Φ轉(zhuǎn)換為模擬角Θ，實現(xiàn)高精度數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換；Θ= 90° Χη+α+β , η=0、1、2或3。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)換方法，其特征在于參考信號通過參考變壓器的外圍電阻，將外圍的(T115V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為2V的輸入電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)換方法，其特征在于由線性DA電路對輸入的變壓后的參考信號Vref進行線性分解，將其分成角度β的線性近似的正弦信號sinP和sin (11. 25° -β)并輸出，且0° <β〈11·25° ;由三角函數(shù)曲線擬合電路對線性DA電路輸出的線性近似的正弦信號進行三角函數(shù)曲線擬合；將β角的誤差較大的線性近似的三角函數(shù)轉(zhuǎn)化為誤差較小有理多項式近似siiiCll. 25)x ll-f 以提高轉(zhuǎn)換精度，并且分別輸出近似擬合后的sin β、sin(11.25。_β)信號;在非線性分段比例電路對角度α進行非線性分段，11. 25° <α〈90° ； sin β劃分為經(jīng) 5 個電阻分壓，為 cos (11.25° +22. 5° *n) .sin β，n=0、1、2 或 3 ;sin (11. 25° -β ) 經(jīng) 4 個電阻分壓，依次為 cos (22. 5° *n) · sin (11. 25。- β )，n=0、1、2、3、4);后經(jīng)過選擇開過擬合成三角函數(shù)信號sin ( α + β )和cos ( α + β );在正負信號選擇電路中由180° ,90°信號對非線性分段比例電路的信號sin ( α+β ) 和cos ( α+β )進行正負選擇，最終完成0° 360°范圍內(nèi)的數(shù)字角Φ轉(zhuǎn)換為模擬角Θ 的數(shù)字信號到軸角低壓信號轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)換方法，其特征在于由轉(zhuǎn)換電路輸出低壓正余弦信號，經(jīng)過功率驅(qū)動電路變成大功率輸出，并且其輸出電壓根據(jù)外圍電阻的比值在2V 10V調(diào)整。
全文摘要
一種高精度單芯片數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)該方法的電路由參考變壓器、線性DA電路、三角函數(shù)曲線擬合電路、非線性分段比例電路、正負信號選擇電路、功率驅(qū)動電路和數(shù)字接口電路組成；并采用兼容多電壓的高壓CMOS工藝將上述電路集成在單個芯片上；線性DA電路由高精度12位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路組成，三角函數(shù)曲線擬合電路和非線性分段比例電路由精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成；參考變壓器和功率驅(qū)動電路是由運放和可調(diào)外圍電阻電路組成。本發(fā)明轉(zhuǎn)換方法的電路體積小，可以實現(xiàn)系統(tǒng)元件的高密度安裝。可靠性好，集成度高，且轉(zhuǎn)換精度高，可擴展性強，它能有效地實現(xiàn)實現(xiàn)高精度數(shù)字信號到軸角信號的轉(zhuǎn)換。
文檔編號G01B7/30GK102589584SQ201210033708
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者夏偉, 楊波, 陳大科, 韓彬 申請人:連云港杰瑞電子有限公司