一种LVDT/RVDT信号的数字转换方法与流程

本发明属于模拟信号到数字转换领域，特别涉及一种lvdt/rvdt信号的数字转换方法。

背景技术：

1、lvdt/rvdt传感器是用来检测角度、伸长度、振动频率、振幅、物体厚薄程度和膨胀度的传感器，适用于各种自动化控制和自动测量系统，主要应用于机械、电力、电子、汽车、航空航天、冶金、煤炭、石油、交通、轻工、纺织、建材、水利等领域。lvdt/rvdt传感器输出信号是模拟量，数字处理器无法直接处理，需要将其信号类型进行转换，目前常用的lvdt/rvdt信号的数字转换方法一般是将lvdt/rvdt传感器输入输出信号进行比较、滤波、放大后转换成直流电压量，然后经过d/a转换将直流电压量转换成数字量。这种转换方法具有以下缺点：该转换方法经过了二次转换，转换精度低；该转换方法是开环控制，没有反馈环节，转换精度低，温漂大。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，分辨率高，精度高，线性度好，温漂小的lvdt/rvdt信号的数字转换方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种lvdt/rvdt信号的数字转换方法，其特点是，该数字转换方法包括如下步骤，

4、(1)所述信号调理电路接收的电压为2vrms以上、频率50hz～8k hz的线性位移/线性旋变信号，并对该信号进行信号调理，将其转变成有效值为2v的标准正弦信号；

5、(2)通过误差检测电路将有效值为2v的标准正弦信号确定的模拟θ与可逆计数器输出的数字角进行比较，产生一个误差电压；

6、(3)通过误差放大电路将误差检测电路产生的误差电压信号进一步放大；

7、(4)通过相敏整流电路根据参考电压相位确定交流误差信号的相位，并进行全波整流，以获得具有正负极性的直流误差电压信号；

8、(5)通过积分电路在跟踪回路中串入积分环节，提高跟踪回路误差度的阶次；

9、(6)通过压控振荡器根据输入的直流误差电压的大小而产生时钟脉冲，通过可逆计数器输出数字角作为压控振荡器输出频率对时间的积分，压控振荡器的频率与输入控制电压成正比。

10、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，步骤(1)中信号调理过程为，线性位移/线性旋变信号如三线/二线lvdt/rvdt信号通过运放进行加减运算后，输出有效值最大为2v的标准正弦信号；信号调理输入与输出关系式如下：

11、

12、va，vb——va，vb为lvdt或rvdt传感器产生的感应电压值；

13、vanull,vbnull——va与vb相等时的电压值；

14、sin，cos——经调理电路调整后的标准正弦信号；

15、对信号va和信号vb进行加法运算，最后输出与和值电压(va+vb)成正比关系的有效值为2vrms的参考信号。

16、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，步骤(2)中所述误差检测电路的工作过程为，

17、将模拟角度θ角aθsinωt(其中0°≤θ≤90°)和数字角φ求差，得到误差信号a(θ-ф)sinωt输出，

18、当|θ-ф|≤0.0027°时，在误差范围内模拟角度θ和数字角度ф近似相等，环路处于稳定状态；当|θ-ф|＞0.0027°时，数字角ф将改变，直到满足|θ-ф|≤0.0027°；

19、其中，数字角的高2位(bit1和bit2)作为溢出指示信号，正常情况下转换电路工作在第一象限，即bit1和bit2都为低电平，当输入信号超出正常范围时转换电路会工作在第二或第三或第四象限之一，这时bit1和bit2信号必定存在一个为高电平；所以，bit1和bit2的高低电平可用来表征输入lvdt/rvdt信号是否超出正常范围。

20、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，上述误差信号的输出形式为电压，即

21、

22、式中k1为比较器的灵敏度，θ为标准正余弦信号确定的模拟角，为可逆计数器中的数字角，

23、该电路的传递函数为：

24、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，步骤(3)中所述误差放大电路的传递函数为：

25、式中：ui为比较器输出的误差电压；uo为放大电路输出电压；交流放大器传递系数为k2，其量纲为每微安的输出电压值，取r3＝150kω，则k2＝0.15v/μa。

26、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，步骤(4)中相敏解调环节的传递函数为：w3(s)＝k3＝0.9。

27、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，步骤(5)中所述积分电路的传递函数为：

28、其中，积分电路增益为积分环节采用有源网络，对直流有倍的放大并倒相。

29、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，步骤(6)中压控振荡器传递函数为：

30、

31、其中，1.25v为压控振荡器中比较器的门限电压，a2为压控振荡器的灵敏度：

32、

33、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，实现该数字转换方法的电路由信号调理电路、误差检测电路、误差放大电路、相敏整流电路、积分电路、压控振荡器和可逆计数器构成，通过误差检测电路、误差放大电路、相敏整流电路、压控振荡器以及可逆计数器组成一个完整的二阶跟踪回路；

34、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述信号调理电路包括三线lvdt/rvdt信号调理电路和二线lvdt/rvdt信号调理电路，三线lvdt/rvdt信号调理电路和二线lvdt/rvdt信号调理电路均设有对信号进行加减运算的运放器n1、运放器n3和对信号进行加法运算的运放器n2、运放器n4；

35、所述误差检测电路包括象限开关、可逆计数器和乘法型d/a转换器，象限开关的输入端分别与信号调理电路的输出端、可逆计数器的输出端相接，象限开关的输出端与乘法型d/a转换器的输入端相连，

36、所述误差放大电路由运放器a1、运放器a2、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电容c1、电容c2、稳压二极管bg1及稳压二极管bg2组成，运放器a1、电阻r2、电容c1、运放器a2串联，电阻r1和运放器a1并联，电阻r3、电容c2与运放器a2并联，稳压二极管bg1及稳压二极管bg2串联后并联在电容c1与运放器a2之间的电路上；

37、所述相敏整流电路由运放器a3、电阻r4、电阻r5、电容c3、cmos开关以及开关驱动器组成，电阻r4、运放器a3、cmos开关串联，电阻r5、电容c3与运放器a3并联，开关驱动器与cmos开关相连，开关驱动器接收参考信号；

38、所述积分电路由电阻r6、电阻r7、电容c4、电容c5及运放器a4组成，电阻r6与运放器a4串联，电阻r7与电容c4串联后，再与电容c5、运放器a4并联；

39、所述压控振荡器设有充放电电路和控制电路，充放电电路由电阻r8、运放器a5、运放器a6、电容c6、电容c7组成，电阻r8一端与和积分电路连接，电阻r8另一端与运放器a5的负输入端连接，运放器a5的输出端与控制电路输入端相连接，运放器a5的输出端还通过电容c6与开关k2连接，运放器a6的正输入端与运放器a6的负输入端连接，运放器a6的输出端通过开关k1与控制电路相连接，开关k1通过开关k2与运放器a6的正输入端连接，开关k1与开关k2之间的电路通过电容c7与开关k3一端连接，开关k3另一端与控制电路的s2端口连接。

40、本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述压控振荡器的工作过程为，

41、向控制电路输送假零位检测信号和tp置数控制信号，通过输入置数控制信号，为高时压控振荡器不振荡，通过假零位检测信号在发生假零位时有脉冲产生，使压控振荡器振荡，从而避免了假零位现象发生，控制电路上设dir方向信号输出端和端，端为计数器提供时钟；

42、tp置数控制信号和假零位检测信号都能改变控制信号s1，控制控振荡器振荡，tp置数控制信号和假零位检测信号无效时，控制电路在运放器a5输出电压大于v+或小于v-时使s1输出一个宽度固定为1个clk周期的脉冲，使控振荡器放电并控制放电时间；

43、充电状态时，k1闭合，k2断开，k3选择与ue极性有关，速度电压为正时k3选择v-，速度电压为负时k3选择v+，使电容c7预充电；电容c6根据误差电压速度电压大小进行充电，充电时间与速度电压大小成正比；电阻r8调节充电时间；

44、当电容c6充电电压达到预设值时，进入放电状态；控制电路使k1断开，k2闭合，k3选择与ue极性有关，速度电压为正时k3选择v+，速度电压为负时k3选择v-，加快电容c7放电和充电过程；电容c6上一般的电荷会与电容c7中的电荷抵消，其余充入电容c7。电容c6上电压低于预设值，电路进入充电状态。

45、与现有技术相比，本发明通过设误差检测电路、误差放大电路、相敏整流电路、压控振荡器以及可逆计数器，组成一个完整的二阶跟踪回路，采用二阶跟踪方法实现对lvdt/rvdt信号的数字转换，系统闭环，转换精度高，线性度好，稳定性好，温漂小，可靠性高等特点。本发明所述方法可实现最高14位分辨率、线性度≤0.2‰，转换精度≤±5lsb，温漂≤10ppm/℃。