单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法

技术领域

本申请涉及轴角信号到数字转换技术领域，特别是一种单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法。

背景技术

单芯片轴角-数字转换集成电路是一种将模拟角度信号转换为数字信号的转换器，广泛地应用于火炮、船舶、航空航天等位置角度测量领域。

传统的单芯片轴角-数字转换集成电路内部象限分割电路采用运算放大器和电阻等模拟器件进行信号处理，通过象限分割电路、D/A转换电路、交流误差放大器、相敏解调器、积分器、压控振荡器、计数器等组成闭环跟踪环路，比较输入模拟角θ与数字角度φ，当sin(θ-φ)≈0时，可认为此时的数字角φ＝θ，但是，其转换精度完全由运算放大器的性能和电阻的精度决定，并且受制于集成电路生产工艺的加工精度，同时模拟信号易受外界的电磁、辐射等噪声信号影响，其抗干扰能力差。

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，提出一种易于实现、转换速度快、精度高、抗干扰能力强的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，

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。本发明是一种单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，该方法为先利用输入模拟信号处理电路将代表轴角角度θ的差分旋转变压器信号转换为数字正弦信号码流和余弦信号码流，再利用数字Ⅱ型跟踪环路对数字正弦信号码流和余弦信号码流进行计算处理以得到数字角度，再进行误差计算，直到误差计算值接近于0，即可实现轴角-数字转换。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述输入模拟信号处理电路由两路Δ-∑ADC构成，完成表征轴角角度信号θ的差分旋转变压器信号SINH、SINL和COSH、COSL到1bit的数字正弦信号码流和余弦信号码流转换，其高电平表示+1，低电平表示-1；

所述Δ-∑ADC为二阶Σ-Δ调制结构，并采用开关电容方式工作，共有两级积分器和一级比较器，开关时钟控制器提供控制时序，控制积分器时序，每两个时钟完成一次采样，第一次采输入信号实现积分器功能，第二次采参考信号V

两级积分器的公式如下：

其中t

一级比较器用于单比特的量化，进行转换精度无系统非线性误差。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述数字Ⅱ型跟踪环路包括正余弦ROM表、误差处理器、合成参考发生器、相敏解调器、数字滤波器、角速度积分器、位置积分器，数字正弦信号码流和余弦信号码流依次经过误差处理器、合成参考发生器、相敏解调器、数字滤波器、角速度积分器、位置积分器，输出数字角度

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字II型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述正余弦ROM表的数据采用分段线性近似拟合方法减少芯片的面积，将地址分为两段，分组存放线性近似的平移量和修正值，通过加/减计算实现正弦值，具体为用两个9位地址ROM表达到16位地址的ROM：

根据正弦函数的泰勒级数：

角度值A用16位二进制数A表示：D

将角度值A分为两组数值M和L，其中M为：D

sin(A)＝A+M+L

根据sin(90-θ)＝cosθ，采用相同的方法，用45°到90°的正弦表实现0°到45°角度范围的余弦ROM表；

正余弦rom表一共有2个，一个用于二阶环路和内参考的正余弦变换，另外一个个用于激磁信号中相位信号转换为相应的正弦信号；

每个rom单元有9位地址位，其中高6位地址译码成单线选通信号，高电平有效，低3位地址用于选通低3位地址对应的数据的开关信号。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述误差处理器由正、余弦ROM查找表、数字反相器、减法器、寄存器及开关电路组成；

正、余弦rom查找表用于进行数字角度Φ的正、余弦函数变换(sinΦ)、(cosΦ)；

数字反相器用于进行负数运算-(sinΦ)、-(cosΦ)；

调制器Σ-ΔADC输出的正弦信号码流sinθ、余弦信号码流cosθ控制开关电路，当信号码流为高电平时，选择(sinΦ)、(cosΦ)，当信号码流为低电平时，选择(-sinΦ)、(-cosΦ)，即实现了与内部数字角度正、余弦量相乘：cosθsinωt(sinΦ)和sinθsinωt(cosΦ)；其中sinθ、cosθ表征正、余弦信号码流，其值为+1或-1，sinωt是载波信号即激磁信号，再通过减法器，计算误差值A sin(θ-Φ)sinωt，即与Σ-ΔADC同步的调制信号。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述合成参考相位发生器由Σ-ΔADC数字滤波器和数字锁相环组成；

数字滤波器将Σ-ΔADC输出的1bit正、余弦信号码流滤波成8bits的信号，产生正、余弦信号相位信息，数字锁相环则根据产生的相位信息计算与内部激磁信号的相位差，然后再根据该相位差以及Σ-ΔADC数字滤波器的延时，产生与外部的正、余弦信号精确同相位的合成参考相位信号；

合成参考相位信号通过正、余弦ROM表，产生合成参考信号，连接到相敏电路，相敏解调器为高速乘法器，用于将误差信号与合成参考信号的直接相乘，将交流的误差信号变换成半波信号，即与Σ-ΔADC同步的调制信号。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述数字滤波器用于滤除相敏信号中的调制信号，根据转换分辨率16位、14位、12位、10位的电路，设置4组函数参数，数字滤波器的分母的4组函数参数gm为：

10位：gm＝1/(1-509Z

12位：gm＝1/(1-4085Z

14位：gm＝1/(1-16359Z

16位：gm＝2(1-32757Z

数字滤波器分子的4组函数参数gm为：

10位：gm＝2(1-8187Z

12位：gm＝2(1-4095Z

14位：gm＝2(1-8191Z

16位：gm＝2(1-32767Z

角速度积分器的函数参数gm为：

10位：gm＝2

12位：gm＝2

14位：gm＝2

16位：gm＝2

角度积分器的函数参数为：gm＝Z

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述角速度积分器由锁存器及加法器组成，根据分辨率选择电路参数为：

10位：gm＝2

12位：gm＝2

14位：gm＝2

16位：gm＝2

角度积分器由锁存器组及加法器组成两部分组成，分别是36位锁存器组和36位加法器，锁存器实现函数Z

角度积分器输出数字角度，再通过ROM产生正、余弦，与输入角度进行误差处理，进行闭环跟踪。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，所述位置积分器由加/减法单元电路、选择器电路和寄存器电路组成，为实现数字式抗1LSB抖动电路；

加/减法单元电路分别实现算法A±1LSB，其中A为角度寄存器的输出，选择器电路选取加/减法单元的输出，其控制信号由寄存器输出A与二阶环路中的角度信号ψ比较得到，在16位分辨率式，当A>(ψ+1)*2

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，该方法中还内置激磁信号源，正弦信号码流、余弦信号码流经过快速运算滤波器转换为8位的正、余弦值，通过数字锁相电路，产生与外部模拟旋转变压器信号同相位、与内部激磁信号源产生的激磁信号同频率的合成参考信号，用于数字Ⅱ型跟踪环路的相敏解调器；

所述激磁信号源由相位发生器及正弦ROM表、二阶脉宽调制器、D/A转换器、模拟滤波电路组成；

相位发生器产生激磁信号的相位数字信号，正弦ROM表将激磁信号的相位数字信号转换为相应的正弦幅值数字信号，二阶脉宽调制器为一个数字式的∑-Δ调制器，将正弦幅值数字信号调制为脉宽调制1bits数字信号，D/A转换器将脉宽调制数字信号转换为差分模拟量——————EXC和E X C输出；

相位发生器电路采用积分电路，系统函数为1/(1-Z

D/A转换器由开关时钟控制器、开关电容积分器和RC滤波器组成，开关时钟控制器提供开关电容积分器必要的控制时序，开关电容积分器有两路输入电容，一路接参考信号Vref，一路接输出反馈Vo，实现将数字式的∑-Δ调制器的输出转换为模拟调制信号，模拟滤波电路将模拟调制信号虑为正弦波。

与现有技术相比，本发明提供了一种单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，具体为，输入的表征轴角角度为θ的旋转变压器信号，被2路二阶的1bit的Δ-∑ADC调制器转换为1bit正、余弦数据流信号，其高电平表示+1，低电平表示-1，再通过数字Ⅱ型跟踪环路转换为数字角度φ；

数字Ⅱ型跟踪环路由正余弦ROM表、误差处理器、合成参考发生器、相敏解调器、数字滤波器、角速度积分器、位置积分器构成，实现数字角度对Δ-∑ADC调制器过来的正余弦数据流信号信号中包含的输入角度信息的处理和跟踪功能，通过误差处理器实现误差信号的提取，再通过合成参考发生器、相敏解调器、数字滤波器掉误差信号中的调制信号，然后通过角速度积分器、位置积分器、正余弦ROM表构成的闭环反馈跟踪，使误差信号的不断缩小从而实现轴角-数字转换。

附图说明

图1为本发明的转换原理图；

图2为本发明的环路系统响应函数；

图3为本发明的二阶∑-ΔADC调制器电路图；

图4为本发明的∑-ΔADC调制器积分器电路图；

图5为本发明的二阶∑-ΔADC调制器时序控制图；

图6为本发明的分段近似ROM电路图；

图7为本发明的误差处理器电路图；

图8为本发明的合成参考相位差发生器电路图；

图9为本发明的合成参考相位差发生器中控制积分器电路图；

图10为本发明的数字滤波器分子函数电路图；

图11为本发明的数字滤波器分母函数电路图；

图12为本发明的内置激磁信号相位发生器电路图；

图13为本发明的数字二阶∑-ΔDAC调制器电路图；

图14为本发明的D/A转换器电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1～图14，一种单芯片数字Ⅱ型跟踪环路的轴角-数字转换方法，使用的电路主要由二阶Σ-ΔADC调制器、正余弦ROM表、合成参考发生器、误差处理器、相敏解调器、数字滤波器、角速度/位置积分器、激磁发生器组成，其中正余弦ROM表、误差处理器、相敏解调器、数字滤波器、角速度/位置积分器组成数字Ⅱ型跟踪环路，对输入角度信息的处理和跟踪，实现角度解算；

外部的代表轴角量θ的旋转变压器信号SINH、SINL，COSH、COSL通过2路二阶Σ-ΔADC调制器，分别转换为1bit的二进制的数字正弦信号码流和余弦信号码流，其高电平表示+1，低电平表示-1。

正弦信号码流、余弦信号码流经过快速运算滤波器转换为8位的正、余弦值，通过数字锁相电路，产生与外部模拟旋转变压器信号同相位、与内部的激磁信号同频率的合成参考信号，用于数字II型跟踪环路的相敏解调器。

正弦信号码流、余弦信号码流输入数字II型跟踪环路，内部的数字角度Φ通过正、余弦ROM表，产生数字角度正、余弦值，分别于正弦信号码流、余弦信号码流相乘，得到误差计算值。通过相敏解调、数字滤波器、角速度积分器、位置积分器，产生新的数字角度，再进行误差计算，直到误差计算值接近于0，从而实现轴角-数字转换。

激磁电路由可编程积分时钟发生器、正余弦ROM表、二阶∑-ΔDAC调制器及滤波器组成，输出频率可编程的正弦激磁信号；

整个电路集成在单个芯片上，电路结构简单，易于实现，且抗干扰能力强；

模拟信号处理电路由两路二阶Δ一∑ADC调制器组成，Δ-∑ADC输出的1bit正余弦数据流信号依次与误差处理器、合成参考发生器、相敏解调器、数字滤波器、角速度积分器、位置积分器、正余弦ROM表连接，再通过正余弦ROM表反馈到误差处理器，实现sin(θ-φ)的误差处理，当sin(θ-φ)≈0时，可认为此时的数字角φ与模拟角度信号θ相等，即实现轴角信号到数字转换。

同时，∑-ΔADC调制器的输出连接数字滤波器、数字锁相环和正余弦ROM表，产生与外部的正、余弦信号精确同相位的合成参考信号，角度位置寄存器电路实现1个LSB的迟滞，提高电路的稳定性；

相位发生器依据频率控制字的数值产生相应频率的正弦信号相位，相位发生器连接正弦查找表、二阶脉宽调制器、D/A转换器、滤波电路，组成内置激磁信号源。

实施例1，参照图1，外部的旋转变压器产生一个轴角信号的模拟角θ，模拟角θ的分为SINH、SINL和COSH、COSL两组差分信号，模拟角θ输入Δ-∑ADC调制器，产生1bit含的轴角角度信息的数字正弦信号码流sin(θ)和余弦信号码流coS(θ)；正余弦ROM表、误差处理器、合成参考发生器、相敏解调器、数字滤波器、角速度积分器、角度位置积分器构成Type II阶跟踪环路；Type II阶跟踪环路产生的数字角度

相位发生器及正弦查找表、二阶脉宽调制器、D/A转换器、滤波电路组成频率可编程激磁信号源，为外部的旋转变压器提供激磁信号。同时与正弦信号码流sin(θ)和余弦信号码流CoS(θ)产生合成参考信号，用于Type II阶跟踪环路的相敏解调。

实施例2，转换电路如图1所示，系统模型如图2所示，其中ROM为正、余弦查找表，

依据分辨率，其参数如下：

除Δ-∑ADC调制器为模拟电路外，其他电路均为数字电路，整个电路集成在单个芯片上，电路结构简单，易于实现，且抗干扰能力强。

实施例3，参照图3～图5，Δ-∑ADC调制电路采用开关电容方式工作，共有两级全差分运算放大器，一级比较器。时钟信号为10.24MHz，电路每两个时钟完成一次采样，第一次采输入信号SinH和SinL，第二次采参考信号Vref，所以整体采样周期为1/5.12MHz；

开关时钟控制器提供开关电容积分器必要的控制时序。如图4所示，开关电容积分器有二路输入电容，一路由控制信号，分时接输入信号和参考电压Vref，实现1比特的DAC变换，然后另一路接输出反馈Vo和输入信号，实现积分器功能，两级积分器的公式如下：

积分器电路，其中开关控制信号D是D_out和时钟ck的“与”，D_N是D_out求反后和时钟ck的“与”，其它控制信号时序如图5；

根据采样速率和精度要求，由Σ-Δ调制的过采样理论，信号过采样每增大一倍，动态范围增加6.02×(L+0.5)倍，单芯片数字Ⅱ型跟踪环路具有内置激磁的轴角-数字转换电路的信号带宽为20kHz，其奈奎斯特频率为40kHz，采样频率为4MHZ，过采样率约为64倍，采用二阶调制，L＝2，其有效分辨率约为15位，满足设计要求。

实施例4，参照图6，因为转换电路的达到16位转换精度，因此要求正余弦ROM表的精度至少为16位，即ROM表的地址位需要16位，为了减少芯片的面积，本发明提出一种分段线性近似拟合方法，用两个9位地址ROM表实现16位地址ROM；

根据正弦函数的泰勒级数：

角度值A用16位二进制数A表示：D

将A分为两组数值M和L，其中M为：D

sin(A)＝A+M+L

例如：角度A为22.5°时，用二进制表示，A＝1000000000000，则在地址1000000001000处的正弦值为：

sin(22.5439°)＝(1100010001001)

数值M存放线性近似与正弦值的差值为：

(1100010001001)

为了减少存储单元，将该数值除以2，即数值1088存入M表中。

再通过计算即线段平移与正弦曲线的差值，存入数值L表中，例如在A＝1000000000000处，计算数值L表的数值为-2；

图6中数值M的ROM表地址A<12∶8>是角度值A的D

根据sin(90-a)＝cosa，采用45°到90°角度的正弦表实现0°到45°角度范围的余弦ROM表。

ROM单元电路的地址译码器，将高6位地址译码成单线选通信号，高电平有效。例如：地址<000 000>译码成Z<0>＝1，其他Z为0；地址<111 111>译码成Z<63>＝1，其他Z为0；未工作时信号均为0；

电路的低3位地址读取规则依次为“000，001，010，011，111，110，101，100”。

实施例5，参照图7，误差处理器由两个ROM查找表(正弦、余弦)、两个数字反相器、一个减法器及选择器组成。实现数字角度Φ正、余弦函数变换(sinΦ)、(cosΦ)。数字反相器实现负数运算-(sinΦ)、-(cosΦ)。选择器电路实现内部的数字角度Φ正余弦与分别于正弦信号码流、余弦信号码流相乘；

当信号码流为高电平时，选择(sinΦ)、(cosΦ)，即实现cosθsinωt(sinΦ)和功能sinθsinωt(cosΦ)。信号码流为低电平时，选择-(sinΦ)、-(cosΦ)，通过减法器得到误差计算值A sin(θ-Φ)sinωt。

实施例6，参照图7、图8，∑-ΔADC调制器输出的1bit正、余弦信号码流连接的数字滤波器，滤波成8bit的正、余弦数值，产生正、余弦信号相位信息及控制信号COUNT。数字锁相环则根据产生的相位信息计算与内部激磁信号的相位差，内部激磁信号的相位数据B<15:0>、频率控制字C<7:0>、数字锁相环的输出A<17:0>连接加/减法器，实现4B-135C-A的运算。数字锁相环的输出信号A为内外参考的相位差；锁存器、积分器受控制信号COUNT信号控制，COUNT信号为1时电路正常工作，COUNT信号为0时，输出信号锁存。然后再根据该相位差以及Σ-ΔADC数字滤波器的延时为67，采用加/减法器，通过4B-67C-A的运算，产生与外部的正、余弦信号精确同相位的合成参考相位信号，合成参考相位信号通过正、余弦ROM表，产生合成参考信号。

合成参考信号作为相敏解调的参考信号，通过高速乘法器将误差信号与合成参考信号的直接相乘，将交流的误差信号变换成半波信号，用于数字Ⅱ型跟踪环路的积分电路处理。

实施例7，参照图10、图11，相敏解调后的信号输入数字滤波器，实现函数

10位：gm＝2(1-8187Z

12位：gm＝2(1-4095Z

14位：gm＝2(1-8191Z

16位：gm＝2(1-32767Z

数字滤波器分母如图11，由锁存器及加/减法器组成的差分电路实现；

根据分辨率不同选择4组函数：

10位：gm＝1/(1-509Z

12位：gm＝1/(1-4085Z

14位：gm＝1/(1-16359Z

16位：gm＝2(1-32757Z

实施例8，参照图1，数字滤波器连接角速度积分器，角速度积分器由锁存器及加法器组成，根据分辨率选择可变增益信号输入；

10位：gm＝2

12位：gm＝2

14位：gm＝2

16位：gm＝2

角速度积分器连接角度积分器，角度积分器由36位锁存器组和36位加法器组成。锁存器实现函数Z

角度积分器输出数字角度，再通过ROM产生正、余弦，与输入角度进行误差处理，进行闭环跟踪。

实施例9，参照图1，角度积分器输出的数字角度还连接到角度寄存器电路。角度寄存器电路由由加/减法单元电路、选择器电路和寄存器电路组成，实现数字式抗1LSB抖动电路；

加/减法单元电路分别实现算法A±1LSB，其中A为角度寄存器的输出；

选择器电路选取加/减法单元的输出，其控制信号由寄存器输出A与二阶环路中的角度信号ψ比较得到；在16位分辨率式，当A>(ψ+1)*2

在14位、12位、10位分辨率下，当A>(ψ+1)*2

实施例10，参照图12～图14，内置可编程激磁信号电路产生激磁信号，用于外部旋转变压器的激磁；

内置可编程激磁信号电路由相位发生器及正弦查找表、二阶脉宽调制器、D/A转换器和模拟滤波器组成；

相位发生器产生激磁信号的相位数字信号，正弦查找表将激磁信号的相位数字信号转换为相应的正弦幅值数字信号，二阶脉宽调制器为一个数字式的∑-Δ调制器，将正弦幅值数字信号调制为脉宽调制1bits数字信号，D/A转换器将脉宽调制数字信号转换为差分模拟量经过滤波后输出EXC和

相位发生器电路输入的频率控制字FCW为7位二进制数。锁存器组1为9位寄存器，在控制字FCW尾数补2个“0”，加法器与锁存器组2为数字积分器，系统函数为1/(1-Z

40×4×4096000*(2

相位发生器电路的步进为1×4×4096000*(2

二阶脉宽调制器为一个数字式的∑-Δ调制器，将数字正弦信号调制为脉宽调制信号；

其中X<14..0>为正弦幅值数据，Y为输出的调制信号，高电平为1，低电平为0，D_latch将Y转换为17位数据，当Y＝1时，输出为0x0FF，当Y＝0时，输出为0x100。电路的增益参数为g1＝0.125，g3＝0.5，g2＝g4＝0.25；

D/A转换器由开关电容积分器组成，开关时钟的控制时序为clk为时钟，clkn为clk的反相。clkd为clk延时约7ns，clkd是clkd的反相。D是二阶脉宽调制器的输出Y和clkn的“与”，D_N是二阶脉宽调制器的输出Y取反后和clkn的“与”；

开关电容积分器有两路差分输入电容，一路由电容C2组成，接参考电压Vref，一路由电容C1组成，接输出Vout_H、Vout_L，电容C3与是电路的积分电容、C1、C2为相同电容值，C3与C1的电容值，比值为4:42，实现将数字式的∑-Δ调制器的输出转换为模拟调制信号，然后再滤波电路将模拟调制信号虑波为正弦波。