三種軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的分析與比較

摘要：介紹了三種分別基于單片機、軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和光電編碼器的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的原理，并對其性能進行了分析和比較。
關(guān)鍵詞：單片機；軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換；光電編碼器

1. 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路在飛行器姿態(tài)控制和檢測、導(dǎo)彈控制、雷達天線跟蹤、工業(yè)機器人、數(shù)控機床、計算機輔助制造(CAM )等角位置測量與控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的運用。同時，人們對電路的轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和可靠性以及結(jié)構(gòu)和價格等方面也提出了更高的要求?；谀壳艾F(xiàn)狀，分別介紹了基于單片機、軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換器的三種軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的原理，并進行了分析和比較研究，為軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和優(yōu)化提供一定的參考。

2．基于單片機的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

2.1 轉(zhuǎn)換原理

在基于單片機組成的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中，由自整角機（或旋轉(zhuǎn)變壓器）發(fā)送來的信號必須經(jīng)過正余弦變壓器轉(zhuǎn)換為含有軸角信息的正余弦角度信號。正余弦變壓器可以用電磁式實現(xiàn)，也可以用運放組成的高精度電子式正余弦變壓器實現(xiàn)。由于電磁式變壓器采用的磁性材料的非線性，導(dǎo)致其精度不可能做得很高，因此，目前多采用電子式正余弦變壓器。

電子式正余弦變壓器的兩路輸出為¹：

式中：  E_O為正弦、余弦繞組輸入電壓的最大值；ω為輸出信號的載波頻率，即激勵電壓的角頻率；θ為轉(zhuǎn)動的機械角度；K為比例系數(shù)。

正余弦變壓器輸出的信號是以模擬信號表示的機械軸角θ，在數(shù)字隨動系統(tǒng)中，需將機械軸角θ轉(zhuǎn)換成數(shù)字角φ。

信號V_S、V_C在峰值區(qū)間進行同步采樣和保持，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后變成與電壓成正比的數(shù)字量，依據(jù)式④進行反正切運算，即可解算出數(shù)字角φ。

2.2 電路實現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)的不同，基于單片機的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路也有一些差異，以下僅以一個實現(xiàn)基本轉(zhuǎn)換功能的多路軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路²為例作以說明，其組成原理框圖如圖1所示。

圖1  軸角到數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理框圖

由上圖可知，自整角機（或旋轉(zhuǎn)變壓器）信號經(jīng)正余弦變壓器后輸出的正弦V_S和余弦V_C信號，通過采樣基準(zhǔn)電路輸出的峰值脈沖信號，對八路V_S、V_C進行同步采樣，輸出直流電壓信號U_S和U_C，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，把其中一路軸角信號送到正余弦開關(guān)，再分別將U_S和U_C切換到12位AD574逐位直流到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量供單片機進行采集，單片機主要完成多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字角解算、象限判別和輸出數(shù)字角等功能。

單片機的1口作為忙信號輸出，P2口經(jīng)譯碼器和信號鎖存器后，作為轉(zhuǎn)換開關(guān)控制輸入端和AD574的轉(zhuǎn)換命令輸入端。P2口與寫信號經(jīng)譯碼后，作為輸出數(shù)據(jù)鎖存器的選通端。

由該例可以看出，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路需要由同步解調(diào)器、多路轉(zhuǎn)換、取模、象限判決、逐位編碼、電阻解碼網(wǎng)絡(luò)、精粗組合糾錯、二~十進制變換和顯示等諸多數(shù)字邏輯電路組成相比，基于單片機的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路具有電路簡單、可靠性高的優(yōu)點。而與基于軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和光電編碼器的轉(zhuǎn)換電路相比，這種電路價格非常低廉。然而，這種電路也存在著開發(fā)周期長、精度不高等缺點，只能應(yīng)用于一些對精度要求不太高的場合。

3. 基于軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

    隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，人們對軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的規(guī)范化、模塊化的要求越來越高，于是出現(xiàn)了小型固態(tài)厚膜或薄膜混合的集成軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊SDC/RDC。但是，這種模塊體積龐大，略顯笨拙。美國ADI公司又將它發(fā)展成一系列單片集成電路，即AD2S8X系列。AD2S8X系列是將先進的CMOS邏輯電路與高精度雙極線性電路相結(jié)合，以BiCMOSII工藝制作的跟蹤式單片集成電路。用戶可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊類型。目前我國自主研制的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊以中船重工集團的ZSZ/XSZ系列為代表，性能基本與國外產(chǎn)品相當(dāng)。以下僅以AD2S82A為例介紹軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的原理。

3.1 軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊原理

AD2S82A ³內(nèi)部主要由高速數(shù)字式正余弦乘法器、誤差放大器、相敏解調(diào)器、積分器、壓控振蕩器（VCO）和可逆計數(shù)器等組成。其輸入的正余弦信號也可分別用式①和式②來表示，其中θ為待轉(zhuǎn)換的軸角。

假定可逆計數(shù)器現(xiàn)時的代碼值是φ，高速數(shù)字式正余弦乘法器將V_S乘以cosφ，V_C乘以sinφ，兩信號再經(jīng)誤差放大器相減后得到：

經(jīng)相敏解調(diào)器、積分器、壓控振蕩器和可逆計數(shù)器形成一個閉環(huán)回路系統(tǒng)使sin(θ-φ)趨近于零。當(dāng)這一過程完成時，可逆計數(shù)器的代碼值φ就相當(dāng)于軸角θ。

3.2 電路實現(xiàn)

根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求不同，此類電路可以分為單通道和雙通道兩種。單通道軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、抗沖擊性和抗震性好、可靠性較高、動態(tài)響應(yīng)能力強、相對成本低等特點。但由于器件本身靜差的限制，其轉(zhuǎn)換精度不太高，一般只能達到12位，只適用于轉(zhuǎn)換精度要求不太高的場合（通常指14位以下）。下面以雙通道電路為例進行說明。

圖2 基于軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的雙通道軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路原理圖

雙通道軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖2所示。在該電路中，由粗精兩套自整角/旋轉(zhuǎn)變壓器將軸角信號轉(zhuǎn)換成交流電信號，然后分別經(jīng)兩套SDC/RDC模塊將交流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過數(shù)據(jù)處理模塊進行精粗組合、數(shù)據(jù)糾錯等，最后將數(shù)據(jù)送到顯示及通訊口。同單通道相比，雙通道電路增加了成本，但是，由于靜差僅為單通道的1/n（n為速比），其轉(zhuǎn)換精度大大提高。因此，雙通道的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路性價比較高，廣泛用于航空、航天、航海等各種控制中，尤其是在工作環(huán)境較惡劣的情況下。

目前市面上還出現(xiàn)了對單、雙通道兼容，速比可變的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。這就增加了該電路應(yīng)用的廣泛性與靈活性，降低了其相對成本，提高了性價比。

4. 基于光電編碼器的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

與基于軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路不同的是，這種電路是建立在光電編碼器基礎(chǔ)之上的。光電編碼器又稱為光電傳感器，是一種集光、機、電為一體的數(shù)字測角裝置。由于它結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、精度高，因此已廣泛應(yīng)用于精密角位置的測量、數(shù)控及數(shù)顯系統(tǒng)中。

4.1 光電編碼器原理

    根據(jù)形成代碼方式的不同，光電編碼器可以分為增量式和絕對式兩大類。

增量式軸角編碼器是指在玻璃盤上通過真空鍍制的鉻線（一般線數(shù)從50到36000）經(jīng)光電掃描讀數(shù)頭轉(zhuǎn)換成與鉻線條對應(yīng)的電脈沖，使用電子計數(shù)器將該脈沖累加起來就是軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電絡(luò)轉(zhuǎn)過的角度值。其缺點是掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失, 且有誤差累積現(xiàn)象。

絕對式軸角編碼器是指在玻璃盤上通過真空鍍鉻直接形成多圈角度位置編碼圖案，比如常用的循環(huán)格雷碼、矩陣碼以及新型的偽隨機碼等。利用光電掃描讀數(shù)頭將該圖案轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電信號，該信號即為絕對式軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路要得到的角度值信號，而不需用電子計數(shù)器進行脈沖累積。同增量式軸角編碼器相比, 絕對式軸角編碼器除了能夠串/并行輸出，具有鎖存和驅(qū)動能力外，還具有固定零點、輸出代碼為軸角單值函數(shù)、抗干擾能力強、掉電后再啟動無須重新標(biāo)定以及無累積誤差等優(yōu)點。

4.2  電路實現(xiàn)

    增量式和絕對式軸角編碼器組成的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路原理可分別用圖3和圖4來表示。

圖3 由增量式軸角編碼器組成的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路原理框圖

圖4 由絕對式軸角編碼器組成的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路原理框圖

從以上兩圖可以看出，無論是增量式還是絕對式軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，其結(jié)構(gòu)都非常簡單，調(diào)試也極為方便，縮短了開發(fā)周期。由于直接采用軸聯(lián)接，使得機械傳遞帶來的角誤差大大降低，從而使轉(zhuǎn)換電路具有相當(dāng)高的精度，無需進行數(shù)據(jù)處理可使其具有很好的實時性和動態(tài)特性。所以，光電式軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路廣泛用于高精度測量與控制中，如天文、航天、雷達系統(tǒng)、過程控制等。但是，它們對工作環(huán)境要求較高，要求有很好的防塵、防油濺條件，不能長期工作在沖擊或震動較大的環(huán)境下等，這對其工作的可靠性、運用的廣泛性有一定的影響⁴。另外，這類光電轉(zhuǎn)換電路價格較高，且隨著轉(zhuǎn)換位數(shù)的增多，其價格成階躍性增加。

隨著光電編碼器體積的小型化、價格的逐漸降低和適應(yīng)惡劣工作環(huán)境能力的增強，可以預(yù)見，基于光電編碼器的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路將會有越來越廣泛的應(yīng)用前景。

5. 總結(jié)

本文針對目前軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換過程中采用的幾種常見電路進行了研究和比較，總體說來，基于單片機的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度不高，但價格低廉，對工作環(huán)境要求不高；基于光電編碼器的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度很高，但價格昂貴，對工作環(huán)境要求比較苛刻；而基于軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換精度介于以上兩種電路之間，價格適中，而且能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。因此，在工作中針對具體的應(yīng)用，綜合考慮精度、工作環(huán)境、價格、體積、可靠性等因素，選擇合適的轉(zhuǎn)換電路，以有效地提高設(shè)計效率。

本文作者創(chuàng)新點：對三種軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的原理、性能進行了歸納分析和比較研究，指出了各自的特點和應(yīng)用場合，對軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

參考文獻

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4 董莉莉、熊經(jīng)武、萬秋華．光電軸角編碼器的發(fā)展動態(tài)．光學(xué)精密工程．2000（4）：198-202