一种数字-轴角转换器的制作方法

1.本发明涉及信号处理领域，具体是一种数字-轴角转换器。


背景技术：

2.同步机和分解器是位置控制系统中广泛应用的两种轴角测量元件。轴角-数字转换器将测量元件的实际轴位反馈信号转换成数字信号，供数字控制系统获取位置环反馈信息；数字-轴角转换器将数字控制系统输出的数字形式表达的角度控制量转换成测量元件能够接受的交流信号，以实现对执行机构的控制。数字-轴角转换器广泛应用于航天、航空、船舶、兵器、电子等军民用领域，特别是在船舶系统中，其高精度、易传输、高抗干扰能力等特点对系统角位信息的传导与控制起到了不可替代的作用。
3.当前主流的数字-轴角转换器多为模拟电路式或定制芯片类产品。其中模拟电路式产品体系成熟、环境适应能力强，但存在着电路结构复杂、分辨率拓展能力差、数字传输形式单一、控制接口单一等问题，已逐渐无法适应愈加复杂的系统级应用。定制芯片类产品虽然有功耗低、成品体积小、产品稳定度高等优点，但也存在着开发周期长、研发难度高、量产基数大等问题，且面对系统日新月异的使用需求，难以及时有效的提供解决方案。使用通用型处理器(arm、单片机、dsp等)设计搭建数字-轴角转换器产品，借助成熟的sip工艺，既能够满足环境适应性要求、降低产品体积功耗，又能够快速实现系统应用新需求的匹配，成为更经济、更高效、更可靠的技术路径。
4.针对市场主流需求，申请人提出一种数字-轴角转换器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种数字-轴角转换器，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种数字-轴角转换器，包括正余弦数据运算模块与两组处理单元，每组处理单元均包括依次连接的dac转换器、模拟开关、信号耦合模块，所述正余弦数据运算模块的输入端输入有数字角度θ，输出端连接两组处理单元中dac转换器的输入端与模拟开关的第一输入端；两组dac转换器的输入端分别输入有|sinθ|、|cosθ|数字量，输出端连接到对应处理单元中模拟开关的第二输入端；两组处理单元中模拟开关的第一输入端分别输入有|sinθ|、|cosθ|数字量的正负值，第二输入端分别输入有|sinθ|、|cosθ|模拟信号，输出端分别输出sinθ、cosθ信号到对应处理单元中的信号耦合模块的第二输入端，所述信号耦合模块的第一输入端实时输入有正弦激励参考信号，两组处理单元中的信号耦合模块的输出端分别输出sinθ、cosθ信号与正弦激励参考信号的耦合信号。
8.进一步的，所述正余弦模拟信号处理模块包括锁存器、存储器以及处理器，所述锁存器用于锁存外部输入的数字角度θ；存储器中预设有符合sin、cos的泰勒级数展开形式的加权系数，同时预设有与不同象限下的角度值对应的参数；所述处理器用于将与所述数字
角度θ对应的参数与加权系数相乘处理，输出|sinθ|、|cosθ|数字量，并确定数字角度θ的象限参数。
9.进一步的，每组处理单元中所述模拟开关与dac转换器之间还共同连接有同相放大电路与反相放大电路。
10.进一步的，所述信号耦合模块配置为模拟乘法器。
11.进一步的，所述数字角度θ的二进制位数最高为16位。
12.有益效果：本发明能够对输入的16位及以下的二进制数字角度数据θ进行精确求解，同时能够将正弦激励参考信号asin(ωt)实时耦合，程序执行效率高、资源占用小，可用于多种通用性处理器平台上，适用性广，此外，本发明的结构较为简单，却能实现高精度的角度计算，成本低廉。
附图说明
13.图1为本发明的整体示意图；
14.图2为本发明正余弦数据运算模块的内部处理程序图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.参见图1，一种数字-轴角转换器，包括正余弦数据运算模块与两组处理单元，每组处理单元均包括依次连接的dac转换器、模拟开关、信号耦合模块。
17.为了便于称呼，两组处理单元中两个dac转换器分别称为n1、n2，两个模拟开关分别称为n3、n4，两个信号耦合模块分别称为n5、n6。其中dac转换器n1与模拟开关n3之间、dac转换器n2与模拟开关n4之间均连接有同相放大电路与反相放大电路。
18.在一些实施例中，正余弦模拟信号处理模块包括锁存器、存储器以及处理器，锁存器用于锁存外部输入的数字角度θ；存储器中预设有符合sin、cos的泰勒级数展开形式的加权系数，同时预设有与不同象限下的角度值对应的参数；处理器用于将与数字角度θ对应的参数与加权系数相乘处理，输出|sinθ|、|cosθ|数字量，并根据数字角度θ的值确定象限参数，分别将象限参数输出到模拟开关n3、n4的第一输入端。
19.16位分辨率的数字角度θ输入到正余弦数据运算模块，正余弦数据运算模块用于将输入的数字角度θ进行运算处理，转换为14位并行数据|sinθ|输出到14位的dac转换器n1的输入端，同时还输出|sinθ|数字量的正负值(象限参数)到模拟开关n3的第一输入端，dac转换器n1将|sinθ|数字量转换为模拟量，|sinθ|模拟信号根据其正负值进行同相放大或反相放大，输出到模拟开关n3的第二输入端，模拟开关n3从而实现对|sinθ|数字量的正负控制选择，输出|sinθ|模拟信号的同相放大信号或反相放大信号到信号耦合模块n5。
20.同样地，正余弦数据运算模块还将数字角度θ转换为14位并行数据|cosθ|输出到14位的dac转换器n2的输入端，同时还输出|cosθ|数字量的正负值(象限参数)到模拟开关n4的第一输入端，dac转换器n2转换|cosθ|数字量为模拟量，输出|cosθ|模拟信号，输出|
cosθ|模拟信号经同相或反相放大后输出到模拟开关n4的第二输入端，模拟开关n4从而分别实现对|sinθ|、|cosθ|数字量的正负控制选择，输出|cosθ|模拟信号的同相放大信号或反相放大信号到信号耦合模块n6。
21.具体地，dac转换器n1与模拟开关n3之间连接有以集成运放a1为核心的反相比例放大电路以及以集成运放a2为核心的同相比例放大电路，集成运放a1的负输入端连接电阻r1的第二端与电阻r2的第一端，正输入端通过电阻r3接地；，输出端与电阻r2的第二端连接模拟开关n3的通道1,端口；集成运放a2的正输入端连接电阻r6的第二端，负输入端通过电阻r5接地，还与输出端之间连接电阻r5，集成运放a2的输出端与模拟开关n3的通道2端口连接，电阻r1、r6的第一端连接dac转换器n1的输出端。
22.dac转换器n2与模拟开关n4之间连接有以集成运放a3为核心的反相比例放大电路以及以集成运放a4为核心的同相比例放大电路，集成运放a3的负输入端连接电阻r7的第二端与电阻r8的第一端，正输入端通过电阻r9接地；，输出端与电阻r8的第二端连接模拟开关n4的通道1,端口；集成运放a4的正输入端连接电阻r12的第二端，负输入端通过电阻r10接地，还与输出端之间连接电阻r11，集成运放a4的输出端与模拟开关n4的通道2端口连接，电阻r7、r12的第一端连接dac转换器n2的输出端。
23.在一些实施例中，信号耦合模块配置为模拟乘法器。，模拟乘法器n5的第二输入端与模拟开关n3的输出端连接，第一输入端连接正弦激励参考信号asin(ωt)，其输出端输出耦合信号asin(ωt)sinθ；模拟乘法器n6的第二输入端与模拟开关n4的输出端连接，第一输入端连接正弦激励参考信号asin(ωt)，其输出端输出耦合信号asin(ωt)cosθ。
24.下面结合具体步骤进行说明：
25.步骤1：16位二进制数字角度数据θ输入正余弦数据运算模块。
26.步骤2：正余弦数据运算模块对输入数据θ进行运算处理，输出两路14位并行数据|sinθ|、|cosθ|，输出2位并行数据q实现sinθ、cosθ正负控制选择。具体地，如图2所示，步骤2包括以下步骤：
27.步骤2.1：定义32位浮点数据变量d到存储器中，其中高16位为整数部分低16位为小数部分，对d赋值d＝1.57080。
28.定义32位浮点数据变量h0、h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8、h9作为加权系数，对参数赋值：
29.h0＝16384.00000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
h1＝16384.00000
30.h2＝-8192.00000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
h3＝-2730.66667
31.h4＝682.66667
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
h5＝136.53333
32.h6＝-22.75556
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
h7＝-3.25079
33.h8＝0.40635
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
h9＝0.04515
34.定义加权系数向量h
sin
＝(0 h
1 0 h
3 0 h
5 0 h
7 0 h9)，
35.h
cos
＝(h
0 0 h
2 0 h
4 0 h
6 0 h
8 0)。
36.步骤2.2：定义16位整型数据变量θ，对输入的16位分辨率角度二进制数据进行锁存，将该数据幅值给θ，对θ进行象限转换。
37.当0≤θ《16384时，计算角度θ0＝θ，象限参数q＝0b00；
38.当16384≤θ《32768时，计算角度θ0＝32768-θ，象限参数q＝0b01；
39.当32768≤θ《49152时，计算角度θ0＝θ-32768，象限参数q＝0b11；
40.当49152≤θ《65536时，计算角度θ0＝65536-θ，象限参数q＝0b10。
41.用2个数据输出口并行输出q的二进制数，控制模拟开关n3及n4，当q＝0b00时，模拟开关n3接通通道2，n4接通通道2；当q＝0b01时，模拟开关n3接通通道2，n4接通通道1；当q＝0b11时，模拟开关n3接通通道1，n4接通通道1；当q＝0b10时，模拟开关n3接通通道1，模拟开关n4接通通道2。
42.步骤2.3：
43.定义32位浮点数据变量θf，其中高16位为整数部分低16位为小数部分，计算求得θf＝θ0×
d。
44.步骤2.4：
45.定义32位浮点数据变量α0、α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8、α9、β0、β1、β2、β3、β4、β5、β6、β7、β8、β9，其中高16位为整数部分低16位为小数部分，
46.对α0、β0赋值α0＝β0＝1.00000。
47.当0≤θ0《8192时
48.β1＝α0×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α1＝β1×
2-14
49.β2＝α1×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α2＝β2×
2-14
50.β3＝α2×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α3＝β3×
2-14
51.β4＝α3×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α4＝β4×
2-14
52.β5＝α4×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α5＝β5×
2-14
53.β6＝α5×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α6＝β6×
2-14
54.β7＝α6×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α7＝β7×
2-14
55.β8＝α7×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α8＝β8×
2-14
56.β9＝α8×
θfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α9＝β9×
2-14
57.当8192≤θ0《16384时
58.α1＝α0×
(θf×
2-14
)
59.α2＝α1×
(θf×
2-14
)
60.α3＝α2×
(θf×
2-14
)
61.α4＝α3×
(θf×
2-14
)
62.α5＝α4×
(θf×
2-14
)
63.α6＝α5×
(θf×
2-14
)
64.α7＝α6×
(θf×
2-14
)
65.α8＝α7×
(θf×
2-14
)
66.α9＝α8×
(θf×
2-14
)
67.定义次幂向量
[0068][0069]
步骤2.5：
[0070]
定义16位整型数据变量sinθ0、cosθ0，
[0071]
sinθ0＝
sin
×a[0072]
cosθ0＝
cos
×a[0073]
即得到两个高两位均为0的16位整型数据，用14个数据输出口并行输出sinθ0二进制数值，即为|sinθ|数字信号，用14个数据输出口并行输出cosθ0二进制数值，即为|cosθ|数字信号。
[0074]
步骤3：14位并行数据|sinθ|输入14位dac转换器n1，n1输出|sinθ|模拟信号，该信号同时接入以集成运放a1为核心的反相比例放大电路进行反相放大及以集成运放a2为核心的同相比例放大电路进行同相放大，两路放大信号分别接入模拟开关n3的通道1,端口和通道2端口，模拟开关n3的第一输入端与正余弦数据运算模块sinθ正负控制输出脚相连，根据象限参数q输出正相比例或反相比例放大信号；同时，14位并行数据|cosθ|输入14位dac转换器n2，n2输出|cosθ|模拟信号，该信号同时接入以集成运放a3为核心的反相比例放大电路进行反相放大及以集成运放a4为核心的同相比例放大电路进行同相放大，两路放大信号分别接入模拟开关n4的通道1,端口和通道2端口，模拟开关n4的第一输入端正余弦数据运算模块cosθ正负控制输出脚相连，根据象限参数q输出正相比例或反相比例放大信号；
[0075]
步骤4：模拟开关n3输出端输出sinθ信号，该信号输入模拟乘法器n5，与同时输入的正弦激励参考信号进行耦合，输出即为asin(ωt)sinθ；同时，模拟开关n4输出端输出cosθ信号，该信号输入模拟乘法器n6，与同时输入的正弦激励参考信号进行耦合，输出即为asin(ωt)cosθ。
[0076]
实施例：以下给出利用本发明方法进行的一个数据测试实例。
[0077]
输入为16位二进制数字角度数据为0b1000100010001000，正弦激励参考信号为2sin4000πt。
[0078]
角度数据输入锁存器，θ＝34952。
[0079]
由于32768≤θ《49152，计算角度θ0＝θ-32768＝2184，象限参数q＝0b11。
[0080]
θf＝θ0×
d＝3430.62720。
[0081]
由于0≤θ0《8192，
[0082]
β1＝α0×
θf＝3430.62720α1＝β1×
2-14
＝0.20939
[0083]
β2＝α1×
θf＝718.33903
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α2＝β2×
2-14
＝0.04384
[0084]
β3＝α2×
θf＝150.39870
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α3＝β3×
2-14
＝0.00918
[0085]
β4＝α3×
θf＝31.49316
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α4＝β4×
2-14
＝0.00192
[0086]
β5＝α4×
θf＝6.58680
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α5＝β5×
2-14
＝0.00040
[0087]
β6＝α5×
θf＝1.37225
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α6＝β6×
2-14
＝0.00008
[0088]
β7＝α6×
θf＝0.27445
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α7＝β7×
2-14
＝0.00002
[0089]
β8＝α7×
θf＝0.06861
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α8＝β8×
2-14
＝0.00000
[0090]
β9＝α8×
θf＝0.00000
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
α9＝β9×
2-14
＝0.00000
[0091][0092]
|sinθ|＝sinθ0＝
sin
×
a＝3405
[0093]
|cosθ|＝osθ0＝
cos
×
a＝16026
[0094]
14位dac转换器n1、n2选用单极性输出，配置输出范围0-2.5v，输出|sinθ|电压值为0.51965v，输出|cosθ|电压值为2.44537v。
[0095]
集成运放a1、a2、a3、a4组成的比例放大倍数均为5，由于q＝0b11，故模拟开关n3输出sinθ＝-5|sinθ|＝-2.59825，模拟开关n4输出cosθ＝-5|cosθ|＝-12.22685。
[0096]
经模拟乘法器(k＝0.1/v)运算后，正、余弦输出分别为-0.51965sin(2000)，-2.44537sin(2000)。
[0097]
由上述步骤转换后，转换器精度误差为10-12
次方量级，误差显然可忽略。
[0098]
本发明能够对输入的最高16位二进制角度数据θ进行精确求解，同时能够将正弦激励参考信号asin(ωt)实时耦合，程序执行效率高、资源占用小，可用于多种通用性处理器平台上，适用性广，此外，本发明的结构较为简单，却能实现高精度的角度计算，成本低廉。
[0099]
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0100]
故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。