軸角—數字變換系統(tǒng)及智能型接口變換系統(tǒng)原理、設計與研制.pdf

1、高性能軸角轉換產品廣泛應用到航天、航空、航海、衛(wèi)星導航、兵器等軍事國防和工業(yè)民用領域[1-5]，是現代高科技軍事、工業(yè)的一種基礎部件，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防軍事和民用現代控制系統(tǒng)發(fā)展對軸角-數字變換及其系統(tǒng)的要求，發(fā)展和研制高可靠性、寬范圍、低價格等高性能的軸角轉換產品，不僅成為一個軍用基礎元器件發(fā)展的重要課題，而且具有極高軍事社會意義和較大的經濟效益。
　　 構成高精度、高速度和智能化軸角-

2、數字變換及其系統(tǒng)的基本單元是自整角機/旋轉變壓器—數字轉換器[6](Synchron/ResolvertoDigitalConverter:S/RDC)。首先研究了高精度、高速度S/RDC的原理，構建了數學模型，對大規(guī)模CMOSS/RDC集成電路設計、優(yōu)化和仿真，進行生產流片、封裝和測試，國內首次研制出了S/RDC芯片[7-14];同時，綜合應用數字電路、模擬電路、DSP和Σ-△A/D，構建出了基于DSP的實現方案，國內首次研制出了基于

3、DSP和∑-△型ADC的高精度全數字跟蹤型軸角—數字轉換器;然后，應用上述芯片，首次創(chuàng)新研制出幾種功能器件;最后，依據控制系統(tǒng)的性能要求，研制出了高精度、高速度和智能化軸角-數字變換數據接口系統(tǒng)。
　　 主要工作和創(chuàng)新內容如下:
　　 1、概述了自整角機和旋轉變壓器的構成和工作原理，介紹了S/RDC技術的發(fā)展狀況，系統(tǒng)總結了不同發(fā)展時期S/RDC的基本原理、總體構成、電路和數學原理，這也是設計的理論依據。指出了軸角-數字

4、變換及其數據接口系統(tǒng)的發(fā)展方向。
　　 2、基于S/RDC的工作原理，即在勻速轉動條件下跟蹤誤差為零，構建了S/RDC的數學模型—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參數a、A、B、R和C的關系，并對其優(yōu)化設計。
　　 1)參數a對于系統(tǒng)超前校正的影響:在a值過小，階躍響應曲線存在震蕩，甚至不穩(wěn)定;在5＜a＜20時，a值對系統(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，階躍響應的超調量基本不變，穩(wěn)定時間越來越短。然而帶寬的增加同時會使噪聲提高，能使高頻噪聲通過。噪聲的增加最大的影響是速度輸出電壓信號。
　　 3)在A/B過小或過大時，都會使系統(tǒng)震蕩次數變多，系統(tǒng)的超調量由大到小再到大;系統(tǒng)穩(wěn)定優(yōu)化條件是B=1/2A，此時有系統(tǒng)的剪切頻率ωc=2A，當ωc=ωm時，相位裕度最大:ωm=√11B，φm(ωm)=56.4°，實現了系統(tǒng)超寬相位裕度。

6、　　 3、研究了跟蹤型單片集成CMOS軸角---數字變換系統(tǒng)的總體構成、電路和數學原理，綜合應用數字電路、模擬電路、集成電路設計技術和制造工藝技術，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、誤差檢測器，誤差放大器、相敏解調器、積分器、壓控振蕩器及積分器等，構建出了基于國內CMOS工藝線的實現電路原理圖，對各部分電路進行了設計、仿真驗證，最后對整個變換電路系統(tǒng)及其版圖進行仿真驗證、投片制造、封裝、測試，證明各項技術指標滿足設

7、計要求，全面達到國外同類產品性能指標，成功研制出國內第一個全CMOSRD大規(guī)模集成電路JARI-19230。
　　 1)研究了分段式C-R-C結構的高精度DAC的實現，通過誤差分析計算，表明三段組合式C-R-C網絡可以實現16位DAC，滿足固態(tài)控制變壓器要求;
　　 2)在研究RDC變換原理的基礎上，構建了基于高精度DAC的固態(tài)控制變壓器，并詳細設計出實現電路和邏輯控制方法，提出了卦限分割技術，得到了替代函數，實現了全角

8、度16位數字---正余弦信號變換;
　　 3)針對180度假零位，運用合成參考技術，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現方法，進行了詳細設計和仿真驗證，實現了高線性度的壓控振蕩器。采用抗1LSB技術，實現變換系統(tǒng)高穩(wěn)定;
　　 5)采用共心、匹配、對稱、DUMMY單元等技術設計實現高精度DAC;采用差動電路設計、數字信號與時鐘以互補形式分布、模擬電路加保護環(huán)隔離等以減

9、少器件失配、噪聲、寄生和串擾等效應，提高了系統(tǒng)可靠性。
　　 4、研究了跟蹤型全數字式軸角---數字變換系統(tǒng)的總體構成[15，16]，提出了基于DSP的全數字RDC系統(tǒng)的設計方案，綜合應用數字電路、模擬電路、DSP和Σ-△A/D，國內首次研制出了基于DSP和Σ-△A/D的高精度全數字跟蹤型軸角—數字轉換器，首次提出并設計了基于Σ-△A/D的全數字型雙速RDC轉換器，并驗證了其具有高精度的性能。
　　 1)研究了提高A/D

10、轉換分辨率的兩種方法:基于DSP內含A/D的軟件法和基于外接ADC轉換器的硬件法，提出了利用Σ-△芯片的高采樣精度結合DSP的數據處理，實現高精度RDC的數據采樣與處理，重點針對信號疊加的噪聲研究了峰值采樣法和采樣累加法，有效的減小了隨機噪聲的影響;
　　 2)研究了多種數據輸出方式的設計;針對旋轉變壓器的多種類、多型號，設計電壓測量和電壓分段電路，實現了寬信號輸入自適應;
　　 3)針對存在的相移現象，提出了以信號過零

11、為過零點基準，由信號峰值點判斷參考的方向，實現系統(tǒng)的抗相移設計;
　　 4)設計濾波器對輸出信號進行處理，解決由于程序誤差、量化噪聲等引起的輸出數據閃碼現象;并針對由濾波器帶來的延遲和程序計算延遲，研究了動靜態(tài)判斷算法和數據補償處理兩種方法;
　　 5)在理論分析和仿真試驗的基礎上，研究并開發(fā)包括數據采集、數字濾波、PI運算(、)內激磁的產生等技術的軟核。
　　 5、研究開發(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-數字轉換器、數字-直流電壓轉換器、數字-直流電流轉換器、自動量程控制的Scott變壓器、頻率檢測控制器、信號控制與數據處理、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計、寬范圍高速糾錯處理技術、數字直接頻率合成技術、軸角-模擬直流電壓(電流)轉換技術和多模式數據變換接口技術，使其具有自適應能力、抗干擾性強、可靠性高、微型化，實現了兩個專利產品。

13、　　 6、利用上述各功能模塊，進行模塊化、功能化設計，應用微處理器MCU進行控制和大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破鳎兄瞥鰪碗s的智能型高精度軸角---數字數據變換系統(tǒng)，并實現了系統(tǒng)的智能化和小型化。
　　 本課題完成許多核心電路的研究、設計優(yōu)化和試驗，形成了幾個用于此類產品的IP核，為該類產品設計、研制提供了技術途徑和可行的方法，加快了我國自主知識產權軸角轉換產品和技術的開發(fā)進程，縮短與國外同類產品的差距，提高產品可靠性和性能指標，降低