[发明专利]高精度单芯片数字信号到轴角信号的转换方法

说明书

技术领域

本发明是属于信号模拟与测试技术领域，特别是一种高精度单芯片数字信号到轴角信号的转换方法。

背景技术

常见的轴角信号有自整角机信号和旋转变压器信号，数字—轴角转换器就是将数字角度信号转换成自整角机信号或旋转变压器信号，是现代轴角电子变换技术中的核心器件，广泛应用于航天、航空、雷达、火控及工业自动化领域。现有的数字—轴角转换器只能实现一种信号类型、一种信号电压和一种信号频率的转换，功能单一，产品性价比低，适应性差，不利于角度测量及控制领域的推广应用。

自整角机/旋转变压器作为轴角驱动元件，为自动控制系统提供低成本、高精度的驱动器。在工业检测控制领域中，需要把用于微处理器或计算机的数字信号转换成自整角机信号/旋转变压器信号。目前，实现数字—自整角机/旋转变压器转换方式是采用D/A转换器、运算放大器、电阻网络等分离元件组成的编码电路，这种转换方式采用分体式结构，不可避免地需要使用大量的分离元件，存在以下缺陷：

1、体积大，元件分布比较分散，不能实现系统元件高密度安装，体积比较大。

2、可靠性差，使用了大量分离元件，集成度低，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种高精度单芯片数字-轴角信号转换方法，它能实现轴角信号输出，且转换精度高，可扩展性强。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种高精度单芯片数字信号到轴角信号的转换方法，其特点是：实现该方法的电路由参考变压器、线性DA电路、三角函数曲线拟合电路、非线性分段比例电路、正负信号选择电路、功率驱动电路和数字接口电路组成；并采用兼容多电压的高压CMOS工艺将上述电路集成在单个芯片上；线性DA电路由高精度12位权电阻网络D/A转换电路组成，三角函数曲线拟合电路和非线性分段比例电路由精密电阻网络组成；参考变压器和功率驱动电路是由运放和可调外围电阻电路组成；

转换电路分为正负选择电路，非线性分段比例电路和线性DA电路；转换电路依据三角函数正、余弦两角和与差数字表达式将数字角θ在90度内分解为高4位角α和低12位角β，低12位角β控制线性DA电路，高4位角α控制非线性分段比例电路，90°、180°信号控制正负选择电路，最终合成为16位全角度；实现完成0°~360°范围内的辨率16位、精度1LSB～2LSB（即0.0055°～0.011°）的低压正余弦信号输出；

参考变压器接收参考信号经过转换电压后依次发往线性DA电路、三角函数曲线拟合电路、非线性分段比例电路、正负信号选择电路，同时数字接口电路发送的16位数字角度量也发往往线性DA电路、非线性分段比例电路和正负信号选择电路，组合后产生正余弦信号发送给功率放大电路进行功率、幅值放大，最终完成数字角φ转换为模拟角θ，实现高精度数字信号到轴角信号的转换；θ= 90°×n+α+β， n=0、1、2或3。当0°≤θ＜90°时，n=0；当90°≤θ＜180°时，n=1；当180°≤θ＜270°时，n=2；当270°≤θ＜360°时，n=3。

以上所述的本发明转换方法技术方案中：参考信号通过参考变压器的外围电阻，可以将外围的0~115V的输入电压转换为2V的输入电压，即可以通过该电路的外置电路的电阻R1、R2的比值，即                                               ，将外围的0~115V的输入电压转换为2V的输入电压。

以上所述的本发明转换方法技术方案中，进一步优选的技术方案是：

由线性DA电路对输入的变压后的参考信号Vref进行线性分解，将其分成角度β的线性近似的正弦信号sinβ和sin（11.25°-β）并输出，且0°<β<11.25°；

由三角函数曲线拟合电路对线性DA电路输出的线性近似的正弦信号进行三角函数曲线拟合；将β角的误差较大的线性近似的三角函数转化为误差较小有理多项式近似以提高转换精度，并且分别输出近似拟合后的sinβ、sin（11.25°-β）信号；

在非线性分段比例电路对角度α进行非线性分段，11.25°<α<90°； sinβ划分为经5个电阻分压，为cos（11.25°+22.5°*n）·sinβ，n=0、1、2或3；sin（11.25°-β）经4个电阻分压，依次为cos（22.5°*n）· sin（11.25°-β），n=0、1、2、3、4）；后经过选择开过拟合成三角函数信号sin（α+β）和cos（α+β）；其数学模型为：