阅读说明：本技术 一种旋变到数字转换器中相位自适应电路及其控制方法 (Phase adaptive circuit in rotary-to-digital converter and control method thereof ) 是由 高群 胡朝春 杨扬 周晶 潘美珍 任远杰 陈海英 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种旋变到数字转换器中相位自适应电路及其控制方法,所述自适应电路包括信号选择及象限控制电路、过零脉冲产生电路、移相电路、过零比较电路、D触发器方波信号发生电路及监相处理电路；所述信号选择及象限控制电路的输入端连接正余弦信号,其输出端通过过零脉冲产生电路与D触发器方波信号发生电路的时钟输入端连接；所述移相电路的输入端与外部输入的参考信号连接,移相电路的输出端通过过零比较电路与D触发器方波信号发生电路的电平输入端连接,所述D触发器方波信号发生电路的输出端与监相处理电路的输入端连接。本发明可使鉴相电路自适应不同相移角α的存在,始终工作在无相移鉴相状态,以保证旋变到数字转换器实现无误差跟踪。(The invention relates to a phase self-adaptive circuit in a rotary-to-digital converter and a control method thereof, wherein the self-adaptive circuit comprises a signal selection and quadrant control circuit, a zero-crossing pulse generation circuit, a phase-shifting circuit, a zero-crossing comparison circuit, a D trigger square wave signal generation circuit and a phase monitoring processing circuit; the input end of the signal selection and quadrant control circuit is connected with a sine and cosine signal, and the output end of the signal selection and quadrant control circuit is connected with the clock input end of the D trigger square wave signal generating circuit through a zero-crossing pulse generating circuit; the input end of the phase shift circuit is connected with an externally input reference signal, the output end of the phase shift circuit is connected with the level input end of the D trigger square wave signal generating circuit through the zero-crossing comparison circuit, and the output end of the D trigger square wave signal generating circuit is connected with the input end of the phase monitoring processing circuit. The invention can make the phase demodulation circuit self-adapt to the existence of different phase shift angles alpha and work in the phase demodulation state without phase shift all the time, thereby ensuring the rotation-to-digital converter to realize error-free tracking.)

一种旋变到数字转换器中相位自适应电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及旋变到数字转换器中鉴相控制电路设计领域，具体涉及一种旋变到数字转换器中相位自适应电路及其控制方法。

背景技术

旋变到数字转换器是伺服控制系统中的关键器件之一，在系统中用于对位置/角度模拟量的数字化转换，并通过标准接口电路与上位机连接，实现位置/角度数据信息的实时读取。旋变到数字转换器产品可应用于航天、航空、兵器、舰船等重要武器系统中，也广泛应用于数控机床伺服机构、汽车电动助力转向测量、发动机运动检测与控制、以及扫描、搜索、定位、导航、测量等众多民用伺服控制领域。

旋变到数字转换器内部通常设计有鉴相处理电路，实现交流误差输入到鉴相馒头波输出的波形变换功能，经后级积分滤波电路、压控振荡器、串/并计数锁存器输出数字角度。现有鉴相处理电路设计采用参考信号经过零比较后产生方波信号的控制方法，获得对交流误差信号鉴相处理电路所需的控制信号。此控制方法在旋变到数字转换器输入的正余弦信号与参考信号无相位移的理想条件下适用，但在实际工程应用中就存在一些不足。

作为旋变到数字转换器的信号输入，测角电机的参考信号（旋变到数字转换器同步使用）与其输出的正余弦信号间固定带有相位偏移，且是离散分布，该相移角α范围是1°～45°。现有控制方法采用参考信号经过零比较后产生的方波信号，获得对交流误差信号鉴相处理电路所需的控制信号，当测角电机处于高速旋转时，相移角α的存在将严重影响转换器的动态转换精度，产生的动态误差可以使用下面公式计算：

动态转换误差=测角电机转速（转/秒）×相移角α（度）/参考信号频率（Hz）

如：相移角α为35°，测角电机转速为27转/秒，参考信号频率为400Hz，

则：动态转换误差为2.4°。

此数量级的动态转换误差在精确测控领域是不允许的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋变到数字转换器中相位自适应电路及其控制方法，对鉴相电路采取适当的补偿措施，使鉴相电路自适应不同相移角α的存在，始终工作在无相移鉴相状态，以保证旋变到数字转换器实现无误差跟踪。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种旋变到数字转换器中相位自适应电路，包括：

信号选择及象限控制电路，用于接收正余弦信号，并将接收到的正余弦信号调整到同一象限以输出幅值在阈值范围内的正弦信号；

过零脉冲产生电路，用于获得与输入正余弦信号同频率的过零点正脉冲信号；

移相电路，用于获得比外部输入参考信号超前的方波信号；

过零比较电路，用于产生过零点的方波信号；

D触发器方波信号发生电路，用于接收过零点方波信号及过零点正脉冲信号，并将其两种信号作为翻转条件，产生过零点正脉冲锁相的方波信号；

鉴相处理电路，受D触发器方波信号发生电路输出的方波控制，在参考信号与正余弦信号之间相位移内，将输入交流误差信号保持同相位鉴相为馒头波输出。

上述方案中，所述正弦信号选择及象限控制电路的输入端与前端信号处理电路连接，用于获取输出幅值在阈值范围内的正弦信号。

上述方案中，所述移相电流采用90°移相电路，所述90°移相电路的输入端与外部输入的参考信号连接，其输出端与过零比较电路的输入端连接。

上述方案中，所述过零脉冲产生电路的输入端与信号选择及象限控制电路的输出端连接，其输出端与D触发器方波信号发生电路的时钟输入端连接；所述过零比较电路的输入端与移相电路的输出端连接，其输出端与D触发器方波信号发生电路的电平输入端连接。

旋变到数字转换器中相位自适应电路的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：接收正余弦信号，并将接收到的正余弦信号调整到同一象限以输出幅值在阈值范围内的正弦信号，得到同频率的过零点正脉冲信号；

步骤2：获得比外部输入参考信号超前的方波信号，并产生过零点的方波信号；

步骤3：接收过零点方波信号及过零点正脉冲信号，并将其两种信号作为翻转条件，产生过零点正脉冲锁相的方波信号；

步骤4：将产生过零点正脉冲锁相的方波信号在参考信号与正余弦信号之间相位移内，将输入交流误差信号保持同相位鉴相为馒头波输出。

由上述技术方案可知，本发明所述的旋变到数字转换器中相位自适应电路及其控制方法，实现了在测角电机的参考信号与其输出的正余弦信号间最大±70°宽范围相位移内，使鉴相处理电路自适应外部给定的2V正余弦信号和2V参考信号之间不同相移角α的存在，始终工作在无相移鉴相状态，也就避免了现有技术中采用参考信号经过零比较后产生的方波信号，作为对交流误差信号鉴相电路所需的控制信号而造成的动态跟踪误差问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的正余弦信号选择及象限控制电路输入/输出波形图；

图3是本发明各模块的输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例的旋变到数字转换器中相位自适应电路，包括正余弦信号选择及象限控制电路1、过零脉冲产生电路2、移相电路3、过零比较电路4、触发器方波信号发生电路5及鉴相处理电路6；信号选择及象限控制电路1的输入端与前端信号处理电路连接，过零脉冲产生电路2的输入端与正余弦信号选择及象限控制电路1的输出端连接，过零脉冲产生电路2的输出端与D触发器方波信号发生电路5的时钟输入端连接；移相电路3的输入端与外部输入的参考信号连接，移相电路3的输出端与过零比较电路4的输入端连，过零比较电路4的输出端与D触发器方波信号发生电路5的电平输入端连接，D触发器方波信号发生电路5的输出端与监相处理电路6的输入端连接，监相处理电路6的输出端为自适应电路的输出端。

其中，正余弦信号选择及象限控制电路1，连接外部给定的2V正余弦信号，用于接收正余弦信号，并将接收到的正余弦信号调整到同一象限以输出幅值在阈值范围内的正弦信号；

过零脉冲产生电路2，用于获得与输入正余弦信号同频率的过零点正脉冲信号；

过零比较电路4，用于产生过零点的方波信号；

D触发器方波信号发生电路5，用于接收过零点方波信号及过零点正脉冲信号，并将其两种信号作为翻转条件，产生过零点正脉冲锁相的方波信号；

移相电路3，连接外部给定的2V参考信号，用于获得比外部输入参考信号超前的方波信号；本实施例的移相电路采用90°移相电路，用于把输入参考信号超前相移90°输出。

鉴相处理电路6，受D触发器方波信号发生电路输出的方波控制，在参考信号与正余弦信号之间最大±70°相位移内，将输入交流误差信号保持同相位鉴相为馒头波输出。

工作原理：

如图1所示，正余弦信号选择及象限控制电路1把前端信号处理电路输入的正余弦信号调整到同一象限，选择输出幅值较大的正弦信号；输出幅值较大的正弦信号经过零脉冲产生电路2获得输入正余弦信号的过零点正脉冲，连接至D触发器的时钟输入端（CLK端）。同时外部输入的参考信号经90°移相电路3及过零比较电路4，获得相比与参考信号超前90°的方波信号，该方波信号包括了逻辑1和逻辑0两种电平信息，方波信号连接至D触发器方波信号发生电路5的电平输入端（D端），正余弦信号的过零点正脉冲连接至D触发器方波信号发生电路5的时钟输入端（CLK端），则在D触发器方波信号发生电路5的输出正端（Q端）产生了受正余弦信号的过零点正脉冲锁相的方波信号。受正余弦信号的过零点正脉冲锁相的方波信号连接至鉴相处理电路6，实现了在参考信号与正余弦信号之间最大±70°相位移内与输入交流误差信号始终同相位的鉴相馒头波输出。

信号选择及象限控制电路1波形图如图2所示，信号选择及象限控制电路1接收从前端信号处理电路输入的正余弦信号如附图2的a和b波形，通过该电路中产生输出幅值在阈值范围内的正弦信号输出，如附图2的c波形。

过零脉冲产生电路2，接收附图2的c 波形信号，产生c信号过零正脉冲输出，如附图3的d波形。

参考信号90°移相电路3，接受所述的外部输入参考信号，通过有源移相RC网络，获得超前相移90°信号输出，如附图3的e波形。

过零比较电路4，接受附图3的e波形，通过过零比较电路，获得与e波形同频率同相位的方波信号输出，如附图3的f波形。

D触发器方波信号发生电路5，附图3的d波形作为D触发器的时钟输入端（CLK端），附图3的f波形作为电平输入端（D端），此时D触发器的输出正端（Q端）则输出受附图3的d波形锁相的方波信号，如附图3的g波形。

鉴相处理电路6，接受外部输入交流误差信号如附图2的c波形(幅值不尽相同)，经过附图3的g波形对电路实施极性控制，把附图2的c波形保持同相位鉴相为馒头波输出，如附图3的h波形。

由附图可知，选择输入正余弦信号幅度较大的信号作为过零脉冲的产生条件，可以避免脉冲信号的丢失；由于理想条件下输入正余弦信号、交流误差信号与输入参考信号为同相位，则附图2的d波形正脉冲会处于参考信号超前相移90°后再经过零比较器输出的附图2的f波形方波正脉宽的正中位置，则D触发器产生的附图2的g波形方波，与输入正余弦信号保持同相位对鉴相处理电路进行控制，使得鉴相处理电路6输出的鉴相馒头波始终与交流误差信号同相位，无反向角的产生，以保证所述旋变到数字转换器的动态转换精度。

当输入正余弦信号与输入参考信号有α角的相位移时（或为正、或为负），依据正余弦信号产生的附图2的d波形正脉冲，会从理想条件下所处的附图2的f波形方波正脉宽的正中位置，产生等同于α角的相位移动（或左移或为右移），理论上α角在±90°范围内时，附图2的d波形正脉冲仍然在附图2的f波形方波正脉宽以内，使得D触发器产生的附图2的g波形方波，仍然与输入正余弦信号同相位，达到了对输入正余弦信号与参考信号间有相移角存在时，自适应地调节鉴相处理电路的控制信号相位，始终与交流误差信号保持一致，使鉴相处理电路6始终处于无相移鉴相输出的工作状态。需要说明的是，从电路的允差设计考虑，本发明控制方法的相位自适应能力为±70°，涵盖了测角电机的参考信号（旋变到数字转换器同步使用）与其输出的正余弦信号间固定带有相位移1°～45°的范围，且有足够的位移余度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。