一种单芯片内参考轴角转换电路与方法与流程

本发明属于轴角信号转换集成电路方法领域，特别是一种单芯片内参考轴角转换电路与方法。涉及到轴角-数字转换架构和芯片级原理电路设计。

背景技术：

在传统轴角-数字转换集成电路领域，通常使用轴角-数字电路转换技术采用外部参考，需要配制专用的参考电路，通常采用DC/AC参考信号源，其体积大、重量高。无法满足对设备的体积、可靠性有苛刻要求的应用环境。往往存在以下缺陷：

1、体积大，外部参考元件分布比较分散，不能实现系统元件高密度安装，体积比较大。

2、可靠性差，外部参考使用了大量分离元件，集成度低，降低了系统的可靠性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种新的单芯片内参考轴角转换电路，以实现自带参考源的旋转变压器-数字信号转换。

本发明所要解决的另一上技术问题是提供了单芯片内参考轴角转换方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种单芯片内参考轴角转换电路，其特点是，该电路包括象限划分电路，象限划分电路依次与非线性DAC电路、线性DAC电路、相敏解调电路、积分电路、压控振荡电路和计数电路连接；该电路还包括内置参考电路，内置参考电路分别接入相敏解调电路和外部的旋转变压器；计数电路则分别与象限划分电路、非线性DAC电路和线性DAC电路连接。

本发明所述的一种内参考轴角到数字转换电路，其进一步优选的技术方是：所述的内置参考电路分为置数寄存电路、小数分频电路和滤波驱动电路。

本发明还公开了一种单芯片内参考轴角转换方法，实现该方法的电路如以上技术方案所述，其转换方法如下：内置参考电路产生一个参考信号RH输入相敏解调电路和外部的旋转变压器，旋转变压器再产生一个轴角信号的模拟角θ(分为SINθ和COSθ两个信号)输入象限划分电路、非线性DAC电路和线性DAC电路后与数字角φ合成一个误差信号sin(θ-φ)，在经过相敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路和计数电路产生数字角φ（数字角由二进制码BIT1~BIT16表示，其中BIT1代表180°权值，BIT1代表90°权值，…，BIT16代表0.0055°权值），最后数字角φ在象限划分电路、非线性DAC电路和线性DAC电路中与模拟角θ比较组成的一个闭环回路，寻找sin（θ-φ）的零点；当这一过程完成时，数字控制电路的数字角φ等于信号输入轴角θ，最后输出数字角φ。

象限划分电路象限划分电路对输入的模拟角θ进行象限选择，将输入的SINθ信号通过反相电路变化为-SINθ信号，COSθ信号通过反相电路变化为-COSθ信号，通过输入的数字角高两位BIT1与BIT2进行选择，其中在[0°，90°）区间，即BIT1=0、BIT2=0时，输出SINθ，-COSθ。在[90°，180°）区间，即BIT1=0、BIT2=1时，输出-SINθ，-COSθ。在[180°，270°）区间，即BIT1=1、BIT2=0时，输出-SINθ，COSθ。在[180°，270°）区间，即BIT1=1、BIT2=1时，输出SINθ，COSθ。最终输出SIN（θ-2m*90）和SIN（θ-（2m+1）*90），其中m=0、1、2、3。两个相差90°的信号输入到非线性DAC电路中。其结构如图2所示。

非线性DAC电路将输入的两个相差90°的信号转换为两个相差2.8125º的信号。非线性DAC电路采用非线性拟合分段的方法对输入信号进行分段，电路中的各段电阻阻值Rk如下公式所示：

，其中k=1、2、…、32。使其在分压组合中各个电阻和等于正弦函数，从原理上消除误差，转换原理如下公式所示：

。最终最终输出SIN（θ-2n*2.8125°）和SIN（θ-（2n+1）*2.8125°），其中n=0、1、2、…、15。两个相差2.8125°的信号输入到线性DAC电路。再由线性DAC电路对信号进行BIT8~BIT16的9位细分，最终将转换的sin（θ-φ）误差信号输出后端的相敏解调电路中。

内置参考电路分为置数寄存电路、小数分频电路和滤波驱动电路。可以实现0、60Hz、400Hz、1KHz、2KHz、3KHz、4KHz、5KHz、6KHz、7KHz、8KHz、9KHz、10KHz、15KHz、20KHz的可编程频率。工作时由外部输入2.67MHz方波信号，同时设定置数寄存电路控制信号（FS0~FS3），置数寄存电路向小数分频电路内输入分频数值（如表1所示）。通过小数分频电路对输入的2.67MHz方波信号进行除法分频输出达到设置频率的方波信号CLKout。方波信号CLKout通过带通滤波驱动电路得到完整的参考信号RH输出。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

1、本发明电路体积较小，分布比较集中，可以实现系统元件高密度安装。

2、本发明电路及其转换方法可靠性好，集成度高，有效地提高了系统的可靠性与稳定性。

附图说明

图1为本发明转换电路框图；

图2为象限划分电路和非线性DAC电路结构图；

图3为内置参考发生电路结构图。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

参照图1，一种单芯片内参考轴角转换电路，该电路包括象限划分电路，象限划分电路依次与非线性DAC电路、线性DAC电路、相敏解调电路、积分电路、压控振荡电路和计数电路连接；该电路还包括内置参考电路，内置参考电路分别接入相敏解调电路和外部的旋转变压器；计数电路则分别与象限划分电路、非线性DAC电路和线性DAC电路连接。

该单芯片内参考轴角转换电路进行转换的方法如下：内置参考电路产生一个参考信号RH输入相敏解调电路和外部的旋转变压器，旋转变压器再产生一个轴角信号的模拟角θ(分为SINθ和COSθ两个信号)输入象限划分电路、非线性DAC电路和线性DAC电路后与数字角φ合成一个误差信号sin(θ-φ)，在经过相敏解调电路、内置参数积分电路、压控振荡电路和计数电路产生数字角φ（数字角由二进制码BIT1~BIT16表示，其中BIT1代表180°权值，BIT1代表90°权值，…，BIT16代表0.0055°权值），最后数字角φ在象限划分电路、非线性DAC电路和线性DAC电路中与模拟角θ比较组成的一个闭环回路，寻找sin（θ-φ）的零点；当这一过程完成时，数字控制电路的数字角φ等于信号输入轴角θ,最后输出数字角φ。其结构如图1所示。

参照图2，象限划分电路象限划分电路对输入的模拟角θ(分为SINθ和COSθ两个信号)进行象限选择，将输入的SINθ信号通过反相电路变化为-SINθ信号，COSθ信号通过反相电路变化为-COSθ信号，通过输入的数字角高两位BIT1与BIT2进行选择，其中在[0°，90°）区间，即BIT1=0、BIT2=0时，输出SINθ，-COSθ。在[90°，180°）区间，即BIT1=0、BIT2=1时，输出-SINθ，-COSθ。在[180°，270°）区间，即BIT1=1、BIT2=0时，输出-SINθ，COSθ。在[180°，270°）区间，即BIT1=1、BIT2=1时，输出SINθ，COSθ。最终输出SIN（θ-2m*90）和SIN（θ-（2m+1）*90），其中m=0、1、2、3。两个相差90°的信号输入到非线性DAC电路中。

参考图2，非线性DAC电路将输入的两个相差90°的信号转换为两个相差2.8125º的信号。非线性DAC电路采用非线性拟合分段的方法对输入信号进行分段，电路中的各段电阻阻值Rk如下公式所示：

，其中k=1、2、…、32。使其在分压组合中各个电阻和等于正弦函数，从原理上消除误差，转换原理如下公式所示：

。最终最终输出SIN（θ-2n*2.8125°）和SIN（θ-（2n+1）*2.8125°），其中n=0、1、2、…、15。两个相差2.8125°的信号输入到线性DAC电路。再由线性DAC电路对信号进行BIT8~BIT16的9位细分，最终将转换的sin（θ-φ）误差信号输出后端的相敏解调电路中。

参考图3，内置参考电路分为置数寄存电路、小数分频电路和滤波驱动电路。可以实现0、60Hz、400Hz、1KHz、2KHz、3KHz、4KHz、5KHz、6KHz、7KHz、8KHz、9KHz、10KHz、15KHz、20KHz的可编程频率。工作时由外部输入2.67MHz方波信号，同时设定置数寄存电路控制信号（FS0~FS3），置数寄存电路向小数分频电路内输入分频数值，如表1所示：

表1 分频置数寄存电路对应数值表

通过小数分频电路对输入的2.67MHz方波信号进行除法分频输出达到设置频率的方波信号CLKout。方波信号CLKout通过带通滤波驱动电路得到完整的参考信号RH输出。