旋转变压器信号处理硬件设计

学士学位(论文)学士学位(论文)随着工业、军事以及民用设施的发展，现代控制系统中的一些控制装置，需要用到诸如位置、速度、加速度等模拟量。它们一般包含于轴角量中或由轴角量变换而来。因此需要把计算机输出的数字量变成控制系统所需的含有轴角量的模拟信号，旋转变压器就是一种常用的转换器件。旋转变压器监视旋转单元(例如电机转轴和齿轮)的轴间角，并将位置数据发送回运动控制系统。旋转变压器的设计使它能够显著减少电噪声和振动的影响。本设计通过模拟电路方法实现了简单的旋转变压器的信息处理。本设计通过模拟旋变信号电路产生旋变信号，并通过相敏检波滤波等处理电路，最终将角度信号转变为数字信号送入单片机，最后处理后的角度值在显示电路中显示。关键字：旋变信号角度信号处理学士学位(论文)学士学位(论文)Withtheindustrial,militaraccelerationandotsignals,resolverisacommonconvef学士学位(论文)学士学位(论文)1.1国内外研究现状和技术的发展趋势现代控制系统的一些控制装置常常需要用到角度这个模拟量。角度测量在工业控制中应用十分广泛，它在控制领域的作用不言而喻。随着科技发展，出现了许多不同的角度测量方法以及测量元件，比如旋转变压器，自整角机等。早期的旋转变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之一。其输出最常见的也是容易实现的。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。旋转变压器的应用已经成为一种趋势。旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。。实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变1.2课题研究的目的及意义这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。旋转在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。。因此在实际测量与控制系统中，对于旋转变压器的输出信号，即旋变信号的处理就是测量角位移学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)的重要方法，通过对旋变信号经过处理以及反演变化推导出角度位移的方法对于许多需要节约成本的测量系统有重要意义。1.3各种角度测量的传感器介绍以及比较自整角机是早期应用于测量角度系统中的，它利用自整步特性将转角变为交流电压或由转角变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用以实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。两台或多台电机通过电路的联系，使机械上互不相连的两根或多根转轴自动地保持相同的转角变化，或同步旋转。电机的这种性能称为自整步特性。在伺服系统中，产生信号一方所用的自整角机称为发送机，接收信号一方所用自整角机称为接收机(图1-31)。自整角机广泛应用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。自整角机按用途分为力矩式和控制式(变压器式)两种。力矩式用于同步指示系统；控制式用作测角元件。因此我们主要介绍控制式自整角机。图1-31控制式自整角发送机结构大多数采用两极凸极式结构，只在频率较高、尺寸较大时才采用隐极式结构。定、转子铁芯上分别装嵌单相激磁绕组和三相整步绕组。三相整步绕组为分布式星形接线，各相轴心线在空间相差120°。转子绕组通过滑环和电刷引出接线的为接触式自整角机；通过电磁耦合方法引出接线的为无接触式自整角机，后者无接触摩擦和无线电干扰，但结构复杂，性能指标和利用率低。为了提高输入阻抗，所用激磁绕组匝数较多。控制式自整角接收机(自整角变压器)多采用隐极式结构，并在转子上装设高精度的正弦绕组。两台控制式自整角机与力矩式自整角学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)机相似可组成角度测量系统，也可以有差动工作方式。由于生产工艺方面的原因，自整角机有零位和角度等方面的误差。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字计算技术的发展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少，目前无刷旋转变压器有两种结构形式。一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器，另一种称作为磁阻式旋转变压器。其中我们运用的是正余弦旋转变压器，它是将转子转角变换成与之成正余弦函数关系的电压信号(图1-32)。图1-32旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)在旋转变压器定子的两相正交绕组(正弦用s和和余弦用c表示),一般称为正弦绕组和余弦绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压两相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势。根据线性叠加原理，假设电角度为中，电角度为θ,则在转子绕组中感应电压为其中K为变压比，可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压则在转子绕组上得到感应电压为=KUmCos(φ-θ)Sinwt并测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ。旋转变压器角度位置伺服控制系统下图是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。XF称作旋变发送机，XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号；旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号，作为伺服电动机的控制信号。经放大，驱动伺服电动机旋转，并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构，直至达到和发送机方一致的角位置。学士学位(论文)学士学位(论文)输入单相交流电压；另一相短接，以抵消交轴磁通，改善精度。次级也是正交的两相绕组。旋变变压器的初级一般在定子上，由正交的两相绕组组成；次级为单项绕组，没有正交绕组(图1-33)。图1-33前面已经介绍过，旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送机它的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为式(1)形式：产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如式(2)所示：U(t)=USin(wt+ap)SU₂re(t)=USin(wt+ar)Cosθr出电压的幅值；aF—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θF—发送机转子的转角。1.33感应同步器感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。它是一种精度很高的测量元件，是一种新型的控制电机。根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器，又称平面式旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式感应同步器用以检测学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)结构：圆盘式感应同步器由定、转子组成。其制作过程是先用0.1毫米厚的敷铜板刻制或用化学腐蚀方法制成绕组，再将它固定到10毫米厚的圆盘形金属或玻璃钢基板上，然后涂敷一层防静电屏蔽膜。定转子间间隙为0.2～0.3毫米。转子绕组为单相连续扇形分布，每根导片相当于电机的一个极，相邻导片间距为一个极距。定子绕组为扇形分段排布，极距与转子的相同。直线式感应同步器与圆盘式结构相似。不同的是它由定尺与滑尺组成，绕组为等距排列。工作原理：感应同步器工作原理与旋转变压器的工作原理相同。圆盘式感应同步器的转子共有N个导片。当转子转过角度θ时，定子绕组A和B分别感应输出电势式中Em为定子绕组感应电势最大值，w为激磁电源角频率。其最高精度与绕组的极对数有关。感应同步器的转子转角变化360°/N时定子的频率变化1赫，因此精度大为提高，最高精度可达0.1”。直线式感应同步器的滑尺移动距离为x时，滑尺绕组中分别感应输出电势当极距T=1毫米时，测量精度为±25微米。感应同步器有鉴幅型和鉴相型两种工作方式。把转角或直线位移转换成电信号的电感式高精度传感元件。又称感应整步机。它与多极旋转变压器相似，借助于定、动片上绕组之间的电磁耦合，使输出电压随定、动片相对位移呈正(余)弦函数规律变化。感应同步器的极对数比多极旋转变压器多得多。感应同步器按作用分圆盘式(又称旋转式)和直线式两种。感应同步器通常做成分装式，主要由定片和动片组成。工作时定片和动片之间保持均匀气隙。感应同步器动片为连续绕组，定片为两相分段绕组。圆盘式感应同步器转子连续绕组以交即转子连续绕组导体数；θ为转子转角。运行方式：感应同步器输出电信大小，基本运行方式有以下4种：①单相励磁，两相输出，采用鉴相方式，精确反映位移信号；②单相励磁，两相输出，采用鉴幅方式，较精确反映位学士学位(论文)学士学位(论文)移信号；③两相励磁，单相输出，采用鉴相方式，精确反映位移信号；④两相励磁，单相输出，采用鉴幅方式，较精确反映位移信号。基于多极元件对信号偏差的补偿原理，因感应同步器极对数很多，所以其精度很高。由于其结构简单，工作可靠，性能稳定，已广泛用于机床、航天测试技术等设备和装置中，用来构成角度或位移的精密测量、定位和随动系统，其精度可高达1角秒或1微米以下。利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件用于长度测量。感应同步器的优点有①具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。目前长感应同步器的精度可达到±1.5μm,分辨力0.05μm,重复性0.2μm。直径为300mm的圆感应同步器的精度可达±1”,分辨力0.05”,重复性0.1”。②抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。③使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺，定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。④工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)的个数表示位移的大小。而绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。在增量式中编码器获得物体的相对位置。旋转编码器可以测量物体运动的角位移，它由一个发光二极管(LED)、一个码盘，以及码盘背面的一个光传感器。这个码盘安置在旋转轴上，上面按一定编码形式排列着不透光和透光的扇形区域。当码盘转动时，不透光扇区能够遮挡光线，而透光扇区则允许光线透过。这样就产生了方波脉冲，可以编译成相应的位置或运动信息。编码器每转通常分为100到6000个扇区，100个扇区的编码器可以提供3.6度的精度，而6000个扇区的编码器则可以提供0.06度的精度。线性编码器与旋转编码器的工作原理类似。它采用了一条固定的不透光带取代了旋转码盘，在不透光带表面上有一些透光缝隙，而LED探测器组件则被附在运动体上，这样可以测量物体的线位移。绝对式编码器能够获得目标的绝对位置。绝对式编码器的不同之处在于编码器的码盘上，采用了多组分区形成同心码道，如同靶环一样。同心码道从编码器码盘的中心出发，向外扩展直到码盘外部，每一层码道都比其内层多了一倍的分区。第一层，即最内层的码道，只有一个透光扇区和一个不透光扇区；位于中心的第二层就具有两个透光扇区和两个不透光扇区。如果编码器有10层码道，那么最外围的码道就有512个扇区。因为绝对式编码器的每层码道都比它里面一层的码道多了一倍数目的扇区，所以扇区的数目就形成了二进制计数系统。在这种编码器中，码盘上的每个码道都对应一个光源和一个接收器。绝对式编码器的优势在于可以降低编码器的转速，可以使编码器的码盘在整个机器运动周期中只转一圈。如果机器运动距离为10英寸，而编码器具有16位精度，那么机器位置的精度就是10/65,536,即0.00015英寸。如果机器的行程更长譬如6英尺，那么粗旋转编码器可以保证跟踪每一英尺距离；第二级称为细旋转编码器可以跟踪1英尺以内的距离。对于角度编码器，有对于位移编码器，有NIM系列数据采集卡所带有的Counter可以满足ABZ三相编码器的测量，这三路脉冲信号需要直接连接到Counter的Source,Gate和Aux上，经过设置编码器类型，编码方式等信息，可以直接换算成需要的旋转角度或位移值。1.35各种角度传感器的比较作为角度位置传感元件，常用的有这样几种：自整角机、光学编码器、磁性编码器、旋转变压器和感应同步器。由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字量，数据处理比较方便，因而得到了很好的应用。早期的旋转变压器，由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性，以及具有足够高的精度，在许多场合有着不可代替的地位，特别是在军事以及航天、航空、航海等方面。随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度的提高，元器件的价格大大下降；另外，信号处理技术的进步，旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠，价格也大大下降。而且，又出现了软件解码的信号处理，使得信号处理问题变得更加灵活、方便。这样，旋转变压器的应用得到了更大的发展，其优点得到了更大的体现。和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明显的优点：①无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力；②可以运行在更高的转速下。(在输出12bit的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm。而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在12bit时，速度只能达到3,000rpm);③方便的绝对值信号数据输出。1.4本章小结由于旋变信号在实际运用越来越广泛，以旋转变压器旋变信号为重要的角度即旋变信号的处理就是测量角位移的重要方法，通过对旋变信号经过处理以及反演变化推导出角度位移的方法对于许多需要节约成本的测量系统有重要意义。本章在介绍了各种角度传感器(自整角机、光学编码器、磁性编码器、旋转变压器和感应同步器)的基本原理以及工作方式以后，对它们在精度，成本，可靠性，抗干扰等方面的优势和劣势进行了比较。学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)2研究内容和数字模拟方案比较机同轴连接的旋转变压器的角度测量就可以2.2数字模拟方案比较(1)提供有10位、12位、14位和16位的分辨率，用户可通过两个控制引脚自行选用不同的分辨率。具体见表2-21,(3)采用比率跟踪转换方式，使之能连续输出数据而没有转换延迟并具有较(4)用户可通过外围元器件的选择来改变带宽、最大跟踪速度等动态性能。(5)具有很高的跟踪速度。当采用10位分辨率时，最大跟踪速度达1040r/±0.1%,回差小于±0.3%,可代替传统的测速发电机，提供高精度的速度信号。(7)具有过零标志信号(RIPPLECLOCK)和旋转方向信号(DIRECTION)。(8)正常工作的参考频率为0～20,000Hz。学士学位(论文)学士学位(论文)分辨率(bit)最大跟踪转速(r/sec)表2-21AD2S83外围电路连接：旋转变压器的励磁频率取为7kHz,要求伺服电机的最大转速6000r/min(100r/sec),故采用12位分辨率。其中，所选择的分辨率与所能跟踪的最大转速的输出数据的分辨率由控制引脚SC1、SC2的逻辑状态决定，为获得所需的带宽、最大跟踪速度等动态性能指标，可按以下方法来选择外围元器件：(1)旋变信号的正、余弦地均接在第6引脚(SIGNALGND)上，该引脚与第5须尽可能在靠近芯片的地方芯片的地方并联一个100nF的解耦电容。(4)选择不同的分辨率将影响电阻R4、R6的值，故当改变分辨率时必须保转换结束时才可改变分辨率。阻接在+Vs(+12V),故当需要这些引脚为高电平时，使其悬空即可，不需额外学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)出的32位定点DSP控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达150MHz,大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。TMS320F2812芯片是基于DSP的内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便的实现浮点运算。在高精度伺服控制、可变频电源、UPS电源等领域广泛应用，同时是电机等数字化控制产品升级的最佳选择。采用DSP实现数字化处理和控制已经成为未来的发展趋势，其中TI公司于1982年推出第一个DSP以来，处理器的技术发展迅猛，其中的TMS320处理器具有较高的信号处理和控制功能，数据处理模块由双口RAMIDT7134、总线和主计算机连接起来，构成主从式多处理器工作模式，如图1所示。主从式处理器系统的设计关键在于处理器之间的数据交换，主从处理器间的数据交换主要四种交换方式。本方案采用IDT公司的双口RAM学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)算机和C31之间数据交换的正确性。本方案中采用了在IDT7134中设置输入输出片基于TI公司开发的第二代高性能的超长指令字结构VelociT].2,VelociTl2在8个功能单元里扩展了88条新的指令以增强其在视频/图像应用中的性能，并提高了视频处理的并行性DM642的程序总线宽度为256bit,次取值操作可以读取8条指令，并且片内集成的8个功能单元能够独立的进行指令译码和执行.二者一起形成了DM642的8条流水线处理机制。8个功能单元中有2个乘法器，每个乘法器在1个时钟周期内可以执行2个16X6bit或4个8×8bit的乘法操作，因此DM642在每个时钟周期内可阻执行4个16×16bit的乘法或8个8×8bit的乘法操作。其余6个功能单元是算术逻辑单元，能在每个时钟周期内执行2个16位或4个8位的加减、比较、移位等运算。在600MHz的时钟频率下，0M642每秒最多可以进行24亿次16位的乘累加或48亿次8位的乘累加操作。强大的运算能力使DM642可以同时进行多路高质量的视频处理。DM642系列可以在最高720MHz的时钟频率下工作，处理能力最高达到5760MIPS,所以随着频率的增}Jf1DM642的性能也会随之大幅度提高。同时64位的EMIF使DM642具有最大或同步存储器(如SDRAM)的扩展连接。良好的扩展能力使DM642可以更灵活、高学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)以方便的进行系统的软件升级。。11公司的各种型号DSF专为实时信号而设计，在其各种型号的DSP中，TMS320F28x系列DSP将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身，为本数据采集系统提供了一个非常理想的解决方案。基于该系统对于速度，功耗，成本等方面的考虑，本课题采用了TMS320F28x系列中的TMS320F2812作为数据采集系统的处理器件.TMS320F2812的指令执行速度高达150MIPS,作为控制器应用它具备良好的实时控制能力：它的供电电压为3.3V,与单片机相比，具有更低的控制器功耗：它的指令系统提供了丰富的“乘累加”,“循环寻址”等指令，这使得实时信号处理中的滤波，频谱分析，可以方便快速采用微处理器或者DSPde数字控制方式是目前涉及控制系统的发展趋势，主■由软件程序修改而实现不同的控制方法，无须更改硬件电路。■可降低体积、体重与功耗，同时价格也较低。■具有较高的可靠性。且易于维修与测试。■对噪声与干扰有较强的抗干扰能力。采用DSPTMS320F240作主控CPU,它是专用于电机数字控制的高速数字信号处变压器输出的模拟位置信号(SIN,COS)转换为并行的数字信号，然后由DSP将数字位置信号读入并进行处理。在靠近芯片第41引由于旋转变压器输出的位置信号(SIN,COS)满足AD2S83信压器输出的正余弦信号转换为满足AD2S83的幅值与相位要求的信号。若将然不适于实时控制的要求。因此，笔者设计了一个即时读取数据的接口电路。将学士学位(论文)学士学位(论文)INHIBIT引脚始终置为高电平(+5V),同时将ENABLE引脚接地，使三态输出引置为逻辑高(悬空即可),使12位数据总线为输出总线。为了使DSP能随时读取所产生的信号作为锁存器的输出允许信号(OE),这样，当DSP需要读取位置信号制的实时性。其接口电路原理图如图2-23所示。D416译码酱416译码酱采用这种接口方案可以实时地读取位置信息，完全可满足对转子位置和速度进行实时快速控制的要求，所提供的移相触发控制算法和顺序触发控制算法经系统实际运行证明具有触发可靠、准确的特点。实验证明，在斜波电压起动模式和限学士学位(论文)学士学位(论文)基于数字式信息处理旋变信号小结现代控制系统的发展，一般均采用专用数字控制系统，而专用数字控制系统的功能，相当一台小型专用电脑。因此对反馈元件的要求，并不是简单地送出电压模拟量，而是要求得到旋转变压器型轴角编码器的组件化产品。该组件集旋转变输出为标准的二进制码Bi(θ)与测量角度θ的关系，可以直接插入主机控制板或与旋转变压器一体化。届时，作为控制系统的用户关心的是：旋转变压器的安装尺寸，输出的角度二进制编码Bi(θ)的编码精度及反馈组件的传递函数G(s)。与传统的作法相比，可省去用户的控制系统空间及时间。双通道旋转变压器作为轴角位置测量元件，主要用于控制系统的角位置信息反馈、惯导系统的坐标分解器及移动指挥控制中心的定位等场合。近年来的新技术、新工艺和新材的大量应用促进了双通道旋转变压器与超大规模专用集成电路的结合——双通道旋转变压器型轴角编码组件，使其无论在理论还是在实际应用中都有了极大的发展。这类轴角编码组件的输出信号为数字量形式，经电气误差模型化的综合补偿，并通过电子技术处理，其电气精度已达到相当可观的等级，并可通过实时数据传输。同时，这类轴角编码组件能在恶劣的环境下工作，具有较高的可靠性。双通道旋转变压器型轴角编码组件一直是军事装备系统中主要的角度位置测量、定位元件，其编码采用按照跟踪反馈法原理工作的专用编码大规模集成电路(RDC)来处理，先对高频高精度双通道旋转变压器的粗、精通道分别进行编码，然后经粗、精通要求为角秒级精度，因此选用粗、精通道组合的双通道旋转变压器、正余弦交流电源及两套超大规模专用集成电路(RDC)组成轴角编码组件。这时分别将粗、精通道旋转变压器的模拟输出正、余弦信号转换为二进制数字编码信号输出，两路编码信号经同步逻辑组合输出，其编码信号的电气精度应满足用户要求。精通道一路的输出编码可再经过参数调整，使组件的电气精度进一步提高。2.22基于模拟技术的旋变信息处理传统的信号处理或控制系统是采用模拟技术进行设计和分析，处理设备和控制器采用模拟器件(电阻、电容和运算放大器等)实现。流程图见图2-24器相位补偿相敏解调器乘法器单片机A/D转换电路滤波电路图2-24流程图余弦信号正弦信号显示电路因为本设计没有运用旋转变压器，因为首先通过模拟电路模拟出旋变信号，然后将模拟出的旋变信号通过单片机作为主控单元进行分析后，通过编程解出角度的量值，最后在显示单元中显示机械角度值。2.3数字方式与模拟方式的比较可以看出，数字方式与模拟方式各有各自的特点，下面我们就它们的多个方1,硬件成本采用微处理器或者DSP的主要优点就是能够以软件程序取代复杂的硬件电路。由于大规模集成电路(VLSI)发展迅速，高处理能力的CPU以及大容量的存储器，它们均能够以非常快的速度实现较复杂的控制算法，但是由于现在集成技术发展没有所使用的模拟元件广泛，导致专用的集成芯片相对于普通适用的模拟电路要贵几十倍，整个数字方式采用的专用芯片外加DSP芯片成本相对于模拟方式总成本也贵了几十倍。因此在成本这个角度考虑模拟电路在基本电路实现上有很大的优势。2,量化误差大小物理系统的信号是模拟的，因此以微控制器或DSP为基础的信号处理系统就必须采用A/D与D/A转换器才能与外界的模拟信号进行沟通，由于这些模拟数字信号转换器均有分辨率上的限制，通常为8位或者12位，因此，在采样上也就学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)造成了量化误差，由于量化误差在信号上的大小造成的不连续与导致的误差以及因为采样在时间上造成的不连续均对信号造成失真，而这也就是数字信号处理系统的主要限制。因为这种量化与采样对信号所造成的误差极为明显。如果DSP通过A/D转换器将读入的正弦信号再通过D/A转换器送出，比较输入与输出信号即可观察到所造成的误差。当正弦的频率逐渐增高时，这种现象则更为明显。由采样定理可知，如果采样频率高于信号频率的两倍，即可完全恢复原始信号，但实际上由于不可得到理想的采样，再加上噪声与量化所造成的误差，一般而言，采样频率比信号频率高10倍。3,软件信号测量容易成都采用DSP进行信息处理，将以软件程序实现控制算法，因此其内部变量与控制器的参数均不易于观测，而不像模拟信号处理系统可以使用示波器观测任何一点的信号，虽然控制器参数可以程序控制，但往往需要额外的软硬件设计。4,可靠性复杂的数字处理系统应用于工业自动化，如CNC或者机器人，应用于国防工业如导弹与导航等，均需要高可靠性，采用高度集成的微控制器或DSP使系统的可靠性有了极大的提高。5,电磁干扰问题较少VLSI的高密度电路，降低了在电力电子系统中的高电压与高电流变化对电路所形成的影响，控制芯片的屏蔽较为简单，由电力线或信号线所产生的噪声也容易滤掉。6,不会有漂移与参数变化在模拟电路十几种遇到的一些问题，如温度或环境变化而引起的漂移现象，这种现象也会因为组件老化而发生，但在数字电路中则可以消除这些问题。以微处理或单片机软件实现的数值计算不仅不会有参数变化，计算也会百分之百正确，而且截断和溢出等问题也可以采用适当的调整比例范围来解决。7,通用的软硬件平台采用DSP实现数字处理系统，可以使系列产品具有相同或类是的硬件结构，不仅易于维修，也简化了生产制造的过程，同时对软件设计而言。也因为有了共同的硬件标准而较易规划与设计。学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)8,自动纠错能力采用微电脑控制，可用软件进行系统硬件额自动纠错，不仅能确保系统正常工作，还由于具有自动纠错能力而简化了故障维修。例如可以检测系统是否接线正确、功率是否有短路现象等。9,计算能力的限制虽然由于微电子技术的快速进展，微处理器与DSP执行速度已大幅提高，但在执行速度上仍无法与特定模拟电路所完成的硬件控制相比。由于特定硬件在信号处理上是以并行方式处理的，而在微处理器或DSP为基础的数字控制是以串行方式执行软件，如果DSP有多个工作要做，则需要将各个任务划分时间段进行处理，因而造成了采样延迟，导致信号无法连续处理。无法获取采样之间的信号，这使得系统的带宽也就受到了限制，这个限制虽然可由多个处理器并行处理，但本身采样效应所造成的限制是无法去除的。2.4本章小结处理旋变信号主要有两大方式，模拟方式和数字方式。其中，自20世纪六十年代以来，数字信号处理已经日渐成为一项成熟的技术，并在多项应用领域逐渐取代了传统模拟信号处理系统。数字信号处理是利用计算机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采集、变换、综合、估计和识别等加工处理。数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰能力强，设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点，所以目前大多设备采用数字技术设计实现。但是数字电路相对于模拟电路有着本身需要解决的问题例如计算能力的限制、软件信号不易测量以及存在量化误差，成本比较高，在基础仿真中不容易实现等问题，因此我们应该选择在模拟方式下进行旋变信号的处理，提高对于模拟电路的理解与应用，最终实现对旋变信号的全面了解。3方案设计根据上章的分析，综合数字方式处理旋变信号以及模拟方式旋变信号处理的优势与劣势，从各项因素以及自身条件出发，本设计决定选择模拟方式进行旋转变压器信号处理。学士学位(论文)学士学位(论文)在模拟方式处理旋变信号时，本设计设计了两种模拟电路方案进行比较。两种方案有所异同，但是最终得出机械角度测量的精度以及旋变信号处理中的相位会有所不同，最后将进行比较。总体来说，方案框架如下：相敏检波波形检测滤波以及相位补偿电路AD转换电路单片机图3-1整体方案框图下面将给出本设计的两种方案的具体电路图3.2方案一系统设计为了后面介绍各个部分电路的功能以及各个部分电路之间的关系，首先给出方案一的总体电路图(图3-2)。学士学位(论文)学士学位(论文)图3-2方案一电路总图3.21旋转变压器信号模拟电路设计由于鉴幅和鉴相方式时角度位移是一个受到电角度以及系统电磁量的影响，因此为了消除这些模拟方式上存在误差，在模拟旋变信号时，设定角度位移是θ,同时人为引进变量φ,这个变量中仅仅受到人为调整，不受到系统其他参数的影响，因此提高了角度测量的精度。最后推导出的公式为：具体公式在后面推导，下面先给出实现旋转变压器信号的模拟电路图(图学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)图3-21旋变信号产生模拟电路图可以由上图中看出，两个乘法器(U1和U2)实现了两个信号相乘，其中U1的1号端口输入的是人为给定的角度φ的正弦函数Sinφ,3号端口的输入是SinwtCosθ,7号端口输出的是SinwtCosθSinφ。其中U2的1号端口输入的是人为给定的角度φ的余弦函数Cosφ,3号端口的输入是SinwtSinθ,七号端口输出的是SinwtSinθCosφ。特别要指出的是，由于乘法器内部将信号衰减了10倍，因此本设计的后面放大电路将信号衰减的这10倍考虑在内。下面给出AD633乘法器的内部电路图(图3-22)。图3-22AD633芯片内部电路AD633是一款低成本的乘法器，它包括了一个核心的滤波器，并且连接了一个单位增益输出，差分输入X和Y转换为差动电流的电压电流转换器，并配置各进R淡延进R淡延种模拟计算功能。同时AD633是一个功能完整，四象限模拟乘法器。它包括高阻抗，差分X和Y输入和一个高输入阻抗总结(Z)的。低的IM-pedance输出电压为10伏标称稳压提供全面埋地。该AD633是第一个产品提供SOIC封装，这些特征在价格适中的8引脚塑料DIP和。AD633是规模的激光校准，以充分保证了总的2%的精度。输入非线性的Y-通常小于0.1%和噪音提到了输出通常小于100μV的带宽有效值在10赫兹到10千赫。可以看出，乘法器AD633的公式为：两个信号经过一个减法器U3以后在1号端口得到信号。经过和差化积以后为Vua=Sin(θ-φ)Sinwt即为所要的旋变信号。3.22减法电路设计本设计采用的是由LM158构成的单运放基本减法电路，其电路图如图3-23所示。图3-23减法电路图该电路所用运放LM158。它为单片高增益双运算放大器，可在较宽范围的单电源下工作，其电源电流很小且与电源电压大小无关。LM158芯片引脚功能说明：1为输出端，2为反向输入端，3为正向输入端，4接-Vcc,5为正向输入端，6为反向输入端，7为输出，8接+Vcc,Vcc为电源电压减法电路的分析和参数的设置：由基尔霍夫第一定律列电流等式有：4=L,+L,Z₂=I₂+₃将上式用欧姆定律展开：x2R为了消除偏置电流引起的误差，要求运算放大器两输入端的外电路其总电阻必须平衡，即Vu=SinwtCosθSinp-SinwtSinθCosp=Sin(θ-φ)Sinwt3.23相敏检波电路相敏检波是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。相敏检波电路具备两个重要特性：选频与鉴相特性。其中，选频特性指的是它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n,即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。鉴相特性指的是输入信号与参考信号同频信号，但有一定相位差，即输出信号随相位差的余弦而变化。由于在输入信号与参学士学位(论文)学士学位(论文)器器考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特其中，我们重点使用的便是相敏检波的鉴相特性，因为通过检测信号的输出即可以得到有关于相位差的信息，由于相位差中包含了角位移的信息，因此可以从中找出角度位移。和和货裂机冲兽等东落温资高的要喻过敬通名之说常图3-24相敏检波电路可以看到，模拟的旋变信号经过乘法器(U5)的1管脚接入，3管脚接入了一个参数已定的载波信号，两个信号经过乘法器相乘后接入到滤波电路。3.24滤波电路无源滤波这指的是种电路主要有无源元件R、L和C组成的滤波电路，它通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻(调谐滤波)状态，给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。有源滤波指的是由集成运放和R、C组成的滤波电路。具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。二者比较：有源滤波谐波滤除率一般只有80%,对基波的无功补偿也是一定的。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95%以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，而且集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。其运行可靠性也不及无源滤波电路。通过比较，本设计采用的是一阶RC无源滤波电路。电路图如下3-26所示：图3-25:一阶RC无源滤波电路一阶RC高通滤波器其幅频、相频特性如下图3-27所示：图3-26一阶RC低通滤波幅相频特性设滤波器的输入电压为e,输出电压为e,,电路的微分方程为：这是一个典型的一阶系统。令T=RC,称为时间常数，对上式取拉氏变换，有：学士学位(论文)学士学位(论文)其幅频、相频特性公式为：p(f)=-arcig(2nft)分析可知，当f很小时，A(f)=1,信号不受衰减的通过；当f很大时，A(f)=0,信号完全被阻挡，不能通过。3.25反向放大电路电路如图所示，输入电压通过R9作用于运放的反向端，R8跨接在运放的输出端和反向段之间，同向端接地，由虚短的概念可知，Vn≈Vp=0,因此反向输入端的电位接近于地电位，故为虚地。反向电路各项指标计算：反相端为虚地段，即Vn=0,由虚断的概念可知可知：由上式可知，电路的电压增益是电阻R8和R9的比值。符号表明输出电压Vo与输入电压Vi相位相反，当R8=R9时为反向电路，也就是说Vo=-Vi。学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)图3-27反向电路图反向电路输出的信号即为旋变信号的幅值的常系数，其中包含了我们需要的角度的正弦值。因此我们将此信号送入单片机进行处理，当然由于单片机只能进行数字信号的处理，所以必须得将电压信号转换为数字信号才能送入单片机进行处理。A/D电路即完成了信号的转换功能，下面给出具体的模数转换电路。电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。它采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。ADCO808引脚功能(外部特性):1～5和26～28(INO～IN7):8路模拟量输入端。8、14、15和17～21:8位数字量输出端。6(START):A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换)。7(EOC):A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。9(OE):数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此10(CLK):时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12(VREF(+))和16(VREF(-)):参考电压输入端的一路·2个16位定时/计数器工作参数：引线焊接温度：①气相焊接(60s):215℃;②红外焊接(15s):220℃抗静电强度：400V法的的强法的的强安法远称通法的。的能的游形形指的0塑级获殊密然编型梁章蓝带惑C心的定有亦空2345梁票实空指:7289图3-28AD转换电路3.27单片机处理电路本设计采用的是AT89C51单片机，ATMEL公司的89C51系列产品是近年来在我国非常流行的单片机，其主要功能如下：一个8位的微处理器；◆片内数据存储器RAM有128B,21个特殊功能寄存器SFR;◆内程序存储器FlashROM有4KB;可寻址片内外统一编址的64KB◆可寻址片外64KB的RAM;◆4个8位并行I/0接口(PO—P3);一个全双工通用异步串行接口UART;◆两个16位的定时器/计数器；◆五个中断源、两个优先级的中断控制系统；◆具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能；◆片内振荡器和时钟产生电路。PO:PO口是一组8位漏极开路型双向I/0口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FIash编程时，PO口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P2:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0口，P2的输出缓冲级可驱动 (吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不P3:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/0口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的学士学位(论文)学士学位(论文)控制信号。使单片机复位。输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要，可通过才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。事指超的事指超的安黑事中照陆集集29235684,图3-29单片机电路3.28显示电路本设计采用的显示模块是LCD1602,它有体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这种字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：指令1:清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2:光标复位，光标返回到地址00H。指令3:光标和显示模式设置I/D:光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。低电平表示关显示C:控制光标的开与关，高电平表示标B:控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5:光标或显示移位S/C:高电平时移动显示的文字，低电平时移动光指令6:功能设置命令DL:高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N:低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电位总线)。指令7:字符发生器RAM地址设置。指令9:读忙信号和光标地址BF:为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不指令10:写数据。指令11:读数据。图3-30LCD1602与单片机接口电路3.3方案二介绍方案二采用的是在模拟旋变信号信号时，对旋变信号进行相位补偿方式的信号模拟，同方案一比较而言，方案二在前面乘法器合成机械角度θ与人为给定的角度中合成信号V=Sin(θ-φ)Sinwt的电路是一样的，最主要的不同是在处理合成信号的电路部分，方案二采用的是另一种思想进行对合成信号中的载波信号进行处理，该方案采用的是给出两个载波滤波两次，最后补偿相位以后滤波得到的电压值就是包含机械角度的电压值，之后进行送入AD以及单片机进行数据处理，最后将处理的数据再显示出来。需要指出的是，方案二在最后处理角度信号的电路也是完全相同的。为了节约时间与不必要的冗余篇章，方案二只重点介绍方案一中没有的和不同的电路部分。3.31方案二设计同介绍方案一类似，为了后面介绍各个部分电路的功能以及各个部分电路之间的关系，首先给出方案一的总体电路图。图3-31方案二整体电路图3.31滤波电路在第二次滤波的时候(此次滤波要滤去的是乘法器U1和U2中的载波)方案二采用的不是简单的RC无源滤波方式，本方案采用的是有源滤波方式，因为方案二采用的有源器件较多，采用有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95%以上，补偿无功细致。相对于无源滤波缺点为价格高，容量小。学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)道照言然然意照常道照言然然意照常然泌在进x喻最延酒法酒照a老器的,器出公盛公器官公管道籍形或过的项的常过器君喻言河最过难有常v道票有喻爱道的然喻最的短喻盛将R12二G:北26T1写粥|为渊溜课然图3-32滤波电路口上。学士学位(论文)学士学位(论文)事6分和不形度恶不溶容容密浴意名密浴唐定常犹度定常形意便路……………亦容薄受的答谓f深物通地和悲W酒容的通答娅烟双轨种法控6犹法花热道流器体过谓旗排准的指怀游时旗法过犹亦林清44以R61然过犹T4器然然过犹T4器然道的袋-斯知指度受::流然斯枣图型3在2然然名十寸讲解讲解梦分利用虚地和虚断的概念：我们可以得到，运放的正负输入端电压为零，电流为零，因此流过电阻R91的电流等于流过电容C15的电流，电容器C51通过流经它的电流进行充电。假设电容器的初始电压为零，则：由上式可知，输出电压V为输入电压Vi对时间的积分，负号表示他们相位是相反的。可以看到，我们输入是一个正弦信号，所以相位将会由于积分变成余弦信号，达到了补偿相位的作用。这种电路经常应用于扫描电路，模数转换电路或者模拟运算器等。3.4方案一与方案二比较选择通过前面阐述两种方案的详细电路分析可知，方案一电路简单，元器件少，不用考虑旋变信号的相位变化，相对于方案二来说容易实现。方案二通过两次滤波以及补偿相位进行旋变信号处理，这种方案适合于信号复杂，且要求精度高的要求下适用，同时，方案二存在相位补偿电路可以手动进行调节，适合一些需要旋变信号变化的场合，当然，由于方案二减少了无源器件，使得干扰相对于方案一较少。综上所述，由于本设计采用的是基本的正余弦信号进行模拟旋变信号，且要求电路简单易实现，最后选择方案一为最终决定的方案。3.5本章小结在模拟方式下进行旋变信号的处理，本章进行了两种方式的设计与比较，在设计时候两种方式在局部电路相同，但是在处理发出的旋变信号时候方式一直接进行一次载波相敏检波，方式二进行的是两次载波相位补偿后进行相敏检波，两种方式各有优势与劣势，方式一因为其电路简单，元器件少易于仿真与调试等优点最终在与方式二的比对中，我们把它作为最终的方案进行调试。4静态调试该部分通过基本的波形显示与数据计算阐述了旋变信号的处理过程，分成各个重要电路的输出信号分析，由于在第三章已经分析了各个部分电路的功能以及计算推导过程，因此静态分析时给出的数据分析4.1方案一静态调试当转子转角θ为定值转动时，不防设θ为80°,可调φ初始值设为的频率设为1k,幅值为10,4.11模拟旋变信号模拟信号经乘法器相乘后输出为：V₁=sincotsin80°cos45”该输出波形见图4-11中的A通道以及B通道所示。4.12减法电路输出信号模拟旋变信号的输出接入减法电路后，进行减法计算，在电路中设RI=R,=8k,R2=R3=10k,能够实现其减法运算功能。经过减法电路的表达输出波形如图4-12中的C通道所示。DigitalOscillo12824mV所图4.12:波形图4.13相敏检波电路调试相敏检波电路的调试主要是为了滤去载波，得到我们想要的包含机械角度的直流分量，并将它送至下一个电路所以在静态时候，我们分析一下情况：在乘法器给入的解调信号的频率不能大于载波信号1/10的频率。经相敏检波后输出信号的表达式为：=-5sinotsin(80°-45°)+5sinotsi式中sinoot为载波信号，频率设为1K,幅值是10V。乘法器输出电压中包含的低频分量-5sinotsin(80”-45“)及2oot的高频分量。后者经低通滤波器滤除。通过乘法器后的波形如图4-13中的A通道所示，滤波后的波形B通道所示。学士学位(论文)学士学位(论文)pvzZ⁷mV2.27mV图4-13相敏检波波形4.14反向放大电路由于为了单片机处理数字信号，我们通过用两次反向放大电路实现了电压信号为正值以及将其放大到0-5v以内，这样在后续的单片机处理数据的时候方便容为了方便比对，我们将反向放大电路的输入直流信号接入示波器A通道，如第一个反向放大器中信号通过电阻R4加至运放的反相输入端，输出电压通过反馈电阻R5反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈放大电路。R6为平衡电阻应满足R6=R4//R5。利用虚短和虚断的概念进行分析，V,=0,Vx根据反相放大的原理可知：放大倍数A₄=R5/R4,R4=(R4×R5)/(R4+R5)放大10倍即可。故设R6=10k,R5=1k,此时,经放大电路后表达式为：V=-10sinotsin(80°-45“),其波形如图4-14中B通道所示。实学士学位(论文)旋转变压器信号处理硬件设计学士学位(论文)际放大倍数为：设计要求。倍，跟理论相差0.3,在误差范围内，满足第二个反向放大电路基本原理和第一个完全相同，它的设立完全是为了使电压值为正值而加设的电路，所以设置的阻值为R8=R9=10K,在调试的时候由于元器件的损耗，可以适当减少R8,以抵消元器件的电压消耗。它的输出见图4-14BB图4-14反向放大电路4.15电压信号处理电路反向放大后的电路接入AD转换电路后变成数字信号，再将其送入单片机进行反正弦计算，求出的角度值显示在LCD上，这部分不存在波形，只涉及简单的三角计算，就不详细描述。下面给出最后处理后的显示结果。见图4-15.旋转变压器信号处理硬件设计图4-15最终结果显示图4.2方案二静态调试同方案一一样，假设当转子转角θ为定值转动时，不防设θ为80”,可调φ初始值设为45°,sinot的频率设为1k,幅值为10V由于很多方案二的电路和方案一一样(模拟旋变信号，减法电路，相敏检波电路，反向放大电路电路),在这里就不一一进行叙述，下面给出方案二中同方案一相比不同的电路(积分相位补偿电路，滤波电路)的波形图以及数据处理。4.21积分相位补偿电路B通道表示的是调制波被包含在载波中的波形，在经过RC低通滤波以后，C通信号相对于A通道的信号明显有一个相位差，这个相位差是由于电容造成的，在经过了积分电路以后，D通道显示的信号已经在相位上同A信号相同，这也就意味着，已经将输出波形补偿为第一个载波信号的形式，于是我们可以进行下一步滤学士学位(论文)学士学位(论文)图4-21相位补偿电路波形图4.22滤波电路载波信号sinoot滤掉，其电路图如图21所示。电容的容量不易超过luF,因大容量的电容器体积大，价格高，应尽量避免使用。截止频率应该大于调制信号，小于载波频率的1/10,故取C111=C22=0.luF,1kΩ<R1=R5<1MΩ,R20=3.14×R7=3.14×1.6k图所示。理论输出的最大电压为V=-5×0.26≈1.3V,实际输出最大电压为学士学位(论文)学士学位(论文)1.37V,误差为0.07V。经滤波后就是一个直流信号，表达式为：V=2.5sin(60°-45”)。这一直流山和和国山和和国图4-22滤波波形图4.3本章小结学士学位(论文)学士学位(论文)重要的调试方面。总体上来说最终调试的结果达到了预期的效果，使得后面的功能实现提供了良好的保障。本设计通过比较多种方案，在对数字方式以及模拟方式下的旋变信号处理方法做了详细介绍，最后采取的是一种简单易操作的模拟方式实现了旋变信号的处理，这种方式采用了基本的模拟器件进行模拟旋变信号，并且用基本运放等组成的相敏检波以及滤波等电路处理旋变信号，在模拟旋变信号的角度信号被转变成包含机械角度的电压信号的时候，采用AD转换将信号转换为能够单片机能够处理的数字信号。最终采用的电压信号处理器是标准AT89C51单片机。显示单元则采用了LCD1602。在调试仿真的时候，经常出现预期的波形不能达到要求，因此就必须进行参数修改，进行反复比对调试，比如相位补偿电路中，我们的相位在刚开始没有补偿到与相敏检波之前的信号一致，因此我们必须参照理论电路知识修改其中电容与电阻的值，在修改了以后再测试波形，直至达到要求。通过一学期的努力，在指导老师的帮助之下，我们的毕业设计即将完成。通过一个学期的设计，我对旋变信号处理以及单片机有了更深的体会。我了解和掌握了一些硬件连接与设计的基本知识。通过这次的设计，对模拟电路以及整个信号处理的基本方式有更深的理解，对许多基本芯片的各个管脚功能的理解也加深了，以及在各个电路功能以及管脚的连接方法方面都能向前迈了一大步。这次的课程设计让我把所学到的模电数点以及单片机理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论的是实践的基础，实践有能检验理论的正确性，让我受誉非浅，对我以后参加工作或者继续学习将会产生巨大的帮助和影响。5.2展望由于使用的是以模拟原件作为核心的旋变信号产生与处理的电路设计，使得电路的可靠性比较高，成本比较低，而且可以在许多基础软件上进行调试仿真，能够迅速得到实时模拟的机械角度。但是在我们设计和调试的过程中，也发现了一些问题，譬如单片处理浮点数的速度不够迅速，以及模拟电路信号的处理上不能达到专用芯片的快速，以及输出的处理旋变信号后输出的电压信号没有专用芯学士学位(论文)致谢四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。三年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢万文