軸角—數(shù)字變換系統(tǒng)及智能型接口變換系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與研制.pdf

1、高性能軸角轉(zhuǎn)換產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到航天、航空、航海、衛(wèi)星導(dǎo)航、兵器等軍事國(guó)防和工業(yè)民用領(lǐng)域[1-5]，是現(xiàn)代高科技軍事、工業(yè)的一種基礎(chǔ)部件，影響著武器和民用控制系統(tǒng)性能。高精度、高速度和智能化是國(guó)防軍事和民用現(xiàn)代控制系統(tǒng)發(fā)展對(duì)軸角-數(shù)字變換及其系統(tǒng)的要求，發(fā)展和研制高可靠性、寬范圍、低價(jià)格等高性能的軸角轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，不僅成為一個(gè)軍用基礎(chǔ)元器件發(fā)展的重要課題，而且具有極高軍事社會(huì)意義和較大的經(jīng)濟(jì)效益。
　　 構(gòu)成高精度、高速度和智能化軸角-

2、數(shù)字變換及其系統(tǒng)的基本單元是自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器[6](Synchron/ResolvertoDigitalConverter:S/RDC)。首先研究了高精度、高速度S/RDC的原理，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，對(duì)大規(guī)模CMOSS/RDC集成電路設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真，進(jìn)行生產(chǎn)流片、封裝和測(cè)試，國(guó)內(nèi)首次研制出了S/RDC芯片[7-14];同時(shí)，綜合應(yīng)用數(shù)字電路、模擬電路、DSP和Σ-△A/D，構(gòu)建出了基于DSP的實(shí)現(xiàn)方案，國(guó)內(nèi)首次研制出了基于

3、DSP和∑-△型ADC的高精度全數(shù)字跟蹤型軸角—數(shù)字轉(zhuǎn)換器;然后，應(yīng)用上述芯片，首次創(chuàng)新研制出幾種功能器件;最后，依據(jù)控制系統(tǒng)的性能要求，研制出了高精度、高速度和智能化軸角-數(shù)字變換數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)。
　　 主要工作和創(chuàng)新內(nèi)容如下:
　　 1、概述了自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)成和工作原理，介紹了S/RDC技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，系統(tǒng)總結(jié)了不同發(fā)展時(shí)期S/RDC的基本原理、總體構(gòu)成、電路和數(shù)學(xué)原理，這也是設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。指出了軸角-數(shù)字

4、變換及其數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)的發(fā)展方向。
　　 2、基于S/RDC的工作原理，即在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下跟蹤誤差為零，構(gòu)建了S/RDC的數(shù)學(xué)模型—Ⅱ型控制系統(tǒng)模型，從理論上研究了S/RDC的穩(wěn)定性、跟蹤性和相位裕度等與有關(guān)參數(shù)a、A、B、R和C的關(guān)系，并對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 1)參數(shù)a對(duì)于系統(tǒng)超前校正的影響:在a值過(guò)小，階躍響應(yīng)曲線存在震蕩，甚至不穩(wěn)定;在5＜a＜20時(shí)，a值對(duì)系統(tǒng)地改善作用明顯;在a＞20后，隨著a值的增大，效果已不是

5、很明顯。
　　 2)隨著帶寬的增大，階躍響應(yīng)的超調(diào)量基本不變，穩(wěn)定時(shí)間越來(lái)越短。然而帶寬的增加同時(shí)會(huì)使噪聲提高，能使高頻噪聲通過(guò)。噪聲的增加最大的影響是速度輸出電壓信號(hào)。
　　 3)在A/B過(guò)小或過(guò)大時(shí)，都會(huì)使系統(tǒng)震蕩次數(shù)變多，系統(tǒng)的超調(diào)量由大到小再到大;系統(tǒng)穩(wěn)定優(yōu)化條件是B=1/2A，此時(shí)有系統(tǒng)的剪切頻率ωc=2A，當(dāng)ωc=ωm時(shí)，相位裕度最大:ωm=√11B，φm(ωm)=56.4°，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)超寬相位裕度。

6、　　 3、研究了跟蹤型單片集成CMOS軸角---數(shù)字變換系統(tǒng)的總體構(gòu)成、電路和數(shù)學(xué)原理，綜合應(yīng)用數(shù)字電路、模擬電路、集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝技術(shù)，系統(tǒng)研究電路系統(tǒng)中的基于高精度D/A的固態(tài)控制變壓器、誤差檢測(cè)器，誤差放大器、相敏解調(diào)器、積分器、壓控振蕩器及積分器等，構(gòu)建出了基于國(guó)內(nèi)CMOS工藝線的實(shí)現(xiàn)電路原理圖，對(duì)各部分電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證，最后對(duì)整個(gè)變換電路系統(tǒng)及其版圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證、投片制造、封裝、測(cè)試，證明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)

7、計(jì)要求，全面達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品性能指標(biāo)，成功研制出國(guó)內(nèi)第一個(gè)全CMOSRD大規(guī)模集成電路JARI-19230。
　　 1)研究了分段式C-R-C結(jié)構(gòu)的高精度DAC的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)誤差分析計(jì)算，表明三段組合式C-R-C網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)16位DAC，滿足固態(tài)控制變壓器要求;
　　 2)在研究RDC變換原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于高精度DAC的固態(tài)控制變壓器，并詳細(xì)設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)電路和邏輯控制方法，提出了卦限分割技術(shù)，得到了替代函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了全角

8、度16位數(shù)字---正余弦信號(hào)變換;
　　 3)針對(duì)180度假零位，運(yùn)用合成參考技術(shù)，從變換原理上得以根本解決;
　　 4)研究了恒壓和恒流式兩種壓控振蕩器的原理和實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高線性度的壓控振蕩器。采用抗1LSB技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變換系統(tǒng)高穩(wěn)定;
　　 5)采用共心、匹配、對(duì)稱、DUMMY單元等技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度DAC;采用差動(dòng)電路設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)與時(shí)鐘以互補(bǔ)形式分布、模擬電路加保護(hù)環(huán)隔離等以減

9、少器件失配、噪聲、寄生和串?dāng)_等效應(yīng)，提高了系統(tǒng)可靠性。
　　 4、研究了跟蹤型全數(shù)字式軸角---數(shù)字變換系統(tǒng)的總體構(gòu)成[15，16]，提出了基于DSP的全數(shù)字RDC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，綜合應(yīng)用數(shù)字電路、模擬電路、DSP和Σ-△A/D，國(guó)內(nèi)首次研制出了基于DSP和Σ-△A/D的高精度全數(shù)字跟蹤型軸角—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，首次提出并設(shè)計(jì)了基于Σ-△A/D的全數(shù)字型雙速RDC轉(zhuǎn)換器，并驗(yàn)證了其具有高精度的性能。
　　 1)研究了提高A/D

10、轉(zhuǎn)換分辨率的兩種方法:基于DSP內(nèi)含A/D的軟件法和基于外接ADC轉(zhuǎn)換器的硬件法，提出了利用Σ-△芯片的高采樣精度結(jié)合DSP的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)高精度RDC的數(shù)據(jù)采樣與處理，重點(diǎn)針對(duì)信號(hào)疊加的噪聲研究了峰值采樣法和采樣累加法，有效的減小了隨機(jī)噪聲的影響;
　　 2)研究了多種數(shù)據(jù)輸出方式的設(shè)計(jì);針對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的多種類(lèi)、多型號(hào)，設(shè)計(jì)電壓測(cè)量和電壓分段電路，實(shí)現(xiàn)了寬信號(hào)輸入自適應(yīng);
　　 3)針對(duì)存在的相移現(xiàn)象，提出了以信號(hào)過(guò)零

11、為過(guò)零點(diǎn)基準(zhǔn)，由信號(hào)峰值點(diǎn)判斷參考的方向，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗相移設(shè)計(jì);
　　 4)設(shè)計(jì)濾波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，解決由于程序誤差、量化噪聲等引起的輸出數(shù)據(jù)閃碼現(xiàn)象;并針對(duì)由濾波器帶來(lái)的延遲和程序計(jì)算延遲，研究了動(dòng)靜態(tài)判斷算法和數(shù)據(jù)補(bǔ)償處理兩種方法;
　　 5)在理論分析和仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究并開(kāi)發(fā)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、PI運(yùn)算(、)內(nèi)激磁的產(chǎn)生等技術(shù)的軟核。
　　 5、研究開(kāi)發(fā)了多電壓/電流、多速比、多模式組合輸出

12、、可編程激磁電源等功能模塊，即DC/AC頻率電源、兩路雙速軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字-直流電壓轉(zhuǎn)換器、數(shù)字-直流電流轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)量程控制的Scott變壓器、頻率檢測(cè)控制器、信號(hào)控制與數(shù)據(jù)處理、RS-232接口和USB接口等模塊，采用了大規(guī)模集成電路可編程設(shè)計(jì)、寬范圍高速糾錯(cuò)處理技術(shù)、數(shù)字直接頻率合成技術(shù)、軸角-模擬直流電壓(電流)轉(zhuǎn)換技術(shù)和多模式數(shù)據(jù)變換接口技術(shù)，使其具有自適應(yīng)能力、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、微型化，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)專利產(chǎn)品。

13、　　 6、利用上述各功能模塊，進(jìn)行模塊化、功能化設(shè)計(jì)，應(yīng)用微處理器MCU進(jìn)行控制和大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破?，研制出復(fù)雜的智能型高精度軸角---數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變換系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化和小型化。
　　 本課題完成許多核心電路的研究、設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)，形成了幾個(gè)用于此類(lèi)產(chǎn)品的IP核，為該類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制提供了技術(shù)途徑和可行的方法，加快了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軸角轉(zhuǎn)換產(chǎn)品和技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，縮短與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的差距，提高產(chǎn)品可靠性和性能指標(biāo)，降低