本實(shí)用新型涉及信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在軍事、工業(yè)、日常生活以及航空航天等領(lǐng)域，感應(yīng)同步器的應(yīng)用越來越受到重視，感應(yīng)同步器是將角度或者直線位移信號(hào)變換為交流電壓的位移傳感器，又稱平面式旋轉(zhuǎn)變壓器。從原理上看，它與旋轉(zhuǎn)變壓器(簡(jiǎn)稱旋變)并無實(shí)質(zhì)的區(qū)別，但是與旋變不同之處在于，它的定子與轉(zhuǎn)子不是安裝在圓筒形和圓柱形的鐵芯槽內(nèi)的繞組，而是類似于印制電路板的“印刷繞組”，這樣的“繞組”和旋變的繞組相比，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量大大減小，因此廣泛應(yīng)用于高精度的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、雷達(dá)天線、火炮和無線電望遠(yuǎn)鏡的定位跟蹤、精密數(shù)控機(jī)床以及高精度位置檢測(cè)系統(tǒng)中。

但是，減小質(zhì)量與慣量的同時(shí)，帶來了另外一個(gè)問題，就是感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)，即載有位置信息的正余弦信號(hào)只有毫伏(mV)級(jí)別，所以相對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器，增加了解碼的難度，尤其在需要高精度位置信號(hào)的使用場(chǎng)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)，以解決解碼難度較大的問題。

為了解決上述問題，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：

一種感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)，其包括：數(shù)字控制電路、精密放大電路和鎖相放大器；所述數(shù)字控制電路用于輸出激磁信號(hào)以使感應(yīng)同步器的正余弦繞組在所述激磁信號(hào)的耦合下，產(chǎn)生載有位置信息的正余弦信號(hào)；所述精密放大電路用于將感應(yīng)同步器輸出的載有位置信息的正余弦信號(hào)的幅值放大到伏級(jí)；所述鎖相放大器與所述精密放大電路連接，用于從經(jīng)所述信號(hào)放大電路放大的正余弦信號(hào)中對(duì)應(yīng)地提取出和激磁信號(hào)同頻的信號(hào)的正余弦幅值信號(hào)；所述數(shù)字控制電路還與所述鎖相放大器連接，用于對(duì)所述鎖相放大器輸出的正余弦幅值信號(hào)進(jìn)行解碼以得到位置信息。

在如上所述的感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述精密放大電路包括：低通濾波電路，與所述感應(yīng)同步器連接，為RC濾波電路；放大電路，與所述RC濾波電路連接。

在如上所述的感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述放大電路的芯片型號(hào)為AD625。

在如上所述的感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述鎖相放大器為正交型鎖相放大器。

在如上所述的感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述數(shù)字控制電路為數(shù)字信號(hào)處理芯片。

在如上所述的感應(yīng)同步器信號(hào)解碼系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述激磁信號(hào)的頻率為10Hz。

分析可知，本實(shí)用新型提出一種以DSP作為控制主控單元，結(jié)合精密運(yùn)算放大電路和鎖相放大器進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)處理的高精度解算方案。與一般的直接信號(hào)放大后硬件解碼的方案相比，本實(shí)用新型具有較低的成本與較高的靈活性，而且鎖相放大器的濾波能保證解碼的精度。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的總體框圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的信號(hào)放大過程示意圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的鎖相放大過程示意圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的鎖相放大器信號(hào)處理流程圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的正弦信號(hào)鎖相放大器原理圖；

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的正交型鎖相放大器原理圖；

圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例的解碼示意圖；

圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的激磁信號(hào)發(fā)生電路；

圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例的高精度放大電路；

圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例的信號(hào)發(fā)生電路；

圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例的鎖相放大器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

就本實(shí)用新型的原理而言，對(duì)感應(yīng)同步器進(jìn)行解碼的操作可分為三個(gè)步驟：信號(hào)放大步驟、鎖相放大步驟以及解碼步驟。針對(duì)感應(yīng)同步器輸出信號(hào)弱的特點(diǎn)，分別進(jìn)行放大、濾波和解碼處理。尤其在濾波環(huán)節(jié)，利用鎖相放大器能夠在噪聲中提取特定頻率微弱信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行有效濾波，而且正交型鎖相放大器的應(yīng)用可以避免相位帶來的問題。

基于此，如圖1，在本實(shí)用新型提供的系統(tǒng)中，硬件部件主要包括三大模塊：數(shù)字控制電路、精密放大電路、鎖相放大器。其中，在數(shù)字控制電路中，以DSP(Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理器)作為調(diào)控主單元，如型號(hào)為TMS320X2812的數(shù)字芯片，其包括由晶振等元器件構(gòu)成的最小系統(tǒng)，提供使TMS320X2812工作的3.3V和1.8V電壓、一定頻率的時(shí)鐘信號(hào)。電平轉(zhuǎn)換電路74ACT245，將DSP輸出幅值3.3V的PWM波形轉(zhuǎn)換成5V的PWM波形信號(hào)，提高芯片驅(qū)動(dòng)能力。采樣模塊的高精度外部采樣芯片ADS7864，能夠?qū)崟r(shí)的采取外部模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再通過數(shù)據(jù)總線傳送至DSP處理。仿真燒寫口電路JTAG，能實(shí)現(xiàn)芯片的程序燒寫和在線程序仿真，提高開發(fā)能力。以及作為激磁模塊的OSC-15801激磁芯片，OSC-15801激磁芯片的電路連接示意如圖8所示，引腳PAOUT為激磁信號(hào)輸出的引腳。

精密放大電路包括：RC濾波電路和放大電路，放大電路由高精度、高共模抑制比的儀表放大器AD625及其外圍電路組成。放大器AD625的電路連接示意圖如圖9所示，圖中待放大信號(hào)為待測(cè)正弦信號(hào)，引腳Vout為放大后的正弦信號(hào)sin_out輸出的引腳，

鎖相放大器包括：芯片AD9850，其是根據(jù)直接數(shù)字頻率合成原理設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生芯片，基于直接頻率合成器，該合成器應(yīng)用先進(jìn)的CMOS技術(shù)，可以利用DSP引腳對(duì)其進(jìn)行控制。信號(hào)發(fā)生器芯片AD9850的電路連接示意圖如圖10所示，圖中LPF為低通濾波電路。芯片AD630，內(nèi)部構(gòu)成包括兩個(gè)運(yùn)算放大器A和B、切換開關(guān)、比較器COMP(含三極管T)、輸出積分放大器、片內(nèi)補(bǔ)償電容、片內(nèi)電阻。其優(yōu)點(diǎn)突出，在設(shè)計(jì)鎖相放大器時(shí)，AD630作為相敏檢波器來使用，即乘法器，來完成相關(guān)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，雖然上述描述涉及芯片類型，但是本實(shí)用新型并不以此為限。

如圖1所示，數(shù)字控制電路通過其激磁模塊輸出高頻的正弦激磁信號(hào)，優(yōu)選地，該信號(hào)的頻率為10kHz。該正弦激磁信號(hào)的幅值可以為10V。感應(yīng)同步器的正余弦繞組在激磁信號(hào)的耦合下，會(huì)產(chǎn)生載有位置信息的正余弦信號(hào)：

激磁信號(hào)：U_m＝A′·sinωt (1)

其中，ω表示激磁信號(hào)的角頻率；

感應(yīng)同步器輸出信號(hào)：

其中，U_sin、U_cos中的α為位置角信號(hào)，用于表示位置信息，但是由于U_sin、U_cos信號(hào)只有mV級(jí)，而且特別容易被噪聲干擾，所以需要經(jīng)過特殊的處理才行，即設(shè)置了如下處理步驟。

(一)第一部分：信號(hào)放大

信號(hào)放大處理過程如圖2所示，這一過程的作用在于提高正余弦輸出信號(hào)的幅值(由mV級(jí)別放大到V級(jí))，在此過程中盡量保持信號(hào)不受干擾，但是主要目的在于放大。該信號(hào)方法步驟可由精密放大電路處理，精密放大電路的低通濾波電路使用RC濾波電路即可，精密放大電路(或稱前置放大電路)的放大器電路使用具有高精度和高共模抑制比的儀表放大器AD625，并設(shè)計(jì)其外圍電路，選用高精度的配置電阻，可以方便靈活地選擇放大的倍數(shù)。

放大后得到的信號(hào)為：

由于，位置角α相對(duì)與激磁頻率(10kHz)的變化相比非常緩慢，信號(hào)處理過程中可假設(shè)為不變量，因此放大后的信號(hào)可表示為：

其中，V_A為正弦幅值信號(hào)，V_A′為余弦幅值信號(hào)。

(二)第二部分：鎖相放大

在微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，與伴隨的噪聲相比，信號(hào)幅度一般都很小，甚至為μV到nV量級(jí)，一般的手段很難精準(zhǔn)的提取微弱信號(hào)，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。現(xiàn)有技術(shù)中的檢測(cè)方法大多把帶通濾波器作為濾波手段，但是此方法存在弊端，需要將帶寬設(shè)計(jì)的很窄，對(duì)設(shè)計(jì)有很高的要求，而且容易受到溫度、電壓的影響。因此，在本實(shí)用新型實(shí)施中，通過采用鎖相放大器在經(jīng)信號(hào)放大步驟放大得到的正余弦信號(hào)中對(duì)應(yīng)地提取出和激磁信號(hào)同頻的信號(hào)(即有用信號(hào))的正余弦幅值信號(hào)，濾掉激磁頻率以外的無用信號(hào)，具體地通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖相放大、濾波得到。鎖相放大的處理過程如圖3所示。鎖相放大器是基于互相關(guān)檢測(cè)原理設(shè)計(jì)而成的，它的核心是相敏檢波，有關(guān)原理不再贅述。鎖相放大器的信號(hào)處理過程如圖4所示，需要一路參考信號(hào)，此參考信號(hào)必須要和待處理的正余弦信號(hào)具有一樣的頻率(比如都為

10kHz)，可以為正弦或者方波，這里以正弦為例。

圖5所示，為一路正弦信號(hào)的處理過程(解碼信號(hào)為正弦余弦兩路信號(hào))，這里以正弦信號(hào)為例，余弦信號(hào)以此類推。實(shí)際電路采用的相敏檢測(cè)器為AD630，信號(hào)發(fā)生器為AD9850，低通濾波器為RC濾波電路，即鎖相放大器包括：相敏檢測(cè)器、信號(hào)發(fā)生器和低通濾波器。

相敏檢波器的任務(wù)是完成輸入信號(hào)與參考信號(hào)的乘法運(yùn)算，運(yùn)算處理后可得輸入信號(hào)與參考信號(hào)的和頻、差頻信號(hào)。低通濾波器的目的是濾除信號(hào)中的高頻成分，這就使頻帶變窄，因此達(dá)到了提取噪聲中的微弱信號(hào)的目的。

設(shè)待測(cè)正弦信號(hào)為x₁(t)＝V_Asin(ωt+a)，噪聲為n(t)，第一參考信號(hào)是y₁(t)＝B·sin(ωt+b)，第二參考信號(hào)y₂(t)＝B·sin(ωt+b-90°)，其中，幅值B已知，a、b分別表示待測(cè)正弦信號(hào)和第一參考信號(hào)的初始相位。在相敏檢波環(huán)節(jié)中，使待測(cè)正弦信號(hào)和第一參考信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算，其結(jié)果如下：

式(5)中第一項(xiàng)為直流信號(hào)，其數(shù)值正比于兩信號(hào)的幅度值及相位差的余弦；第二項(xiàng)為是被測(cè)信號(hào)的倍頻信號(hào)。噪聲與被測(cè)信號(hào)在同一時(shí)間輸入到乘法器，也參與到參考信號(hào)相乘中。對(duì)結(jié)果分析中，可看到n(t)B sin(ωt+b)幾乎全部是交流信號(hào)。低通濾波器的通道可以做到很窄，通過低通濾波器時(shí)，濾掉了目標(biāo)信號(hào)的二倍頻信號(hào)和噪聲與參考信號(hào)的乘積信號(hào)，僅直流信號(hào)通過，即只要知道兩個(gè)信號(hào)的初相位a和b，則cos(a-b)確定，且有確定的幅值B，則待測(cè)信號(hào)的幅值V_A很容易獲得。

但是在一般情況下，單通道中很難使cos(a-b)恒定，且不易獲取。為了避免此帶來的影響，把參考信號(hào)移動(dòng)相位90°并使其作為另一路的參考信號(hào)(即第二參考信號(hào))，這樣一來正交型的鎖相放大器就可以動(dòng)態(tài)地完成信號(hào)的檢測(cè)并計(jì)算出其幅值和相位。圖6所示，為正交型鎖相放大器的原理圖。待測(cè)正弦信號(hào)與另一路參考信號(hào)相乘運(yùn)算的結(jié)果為：

正交型鎖相放大器的結(jié)構(gòu)呈一定的對(duì)稱性，由兩個(gè)的信號(hào)通道及相關(guān)器構(gòu)成。其中，兩信號(hào)通道完全相同，且信號(hào)通道輸出兩路完全相同信號(hào)，參考通道輸出兩路同頻率正弦信號(hào)，相位相差90°，分別輸入到兩個(gè)相關(guān)器(AD630)中進(jìn)行運(yùn)算。其兩個(gè)相關(guān)器輸出分別為：

v₁(t)＝0.5V_AB cos(a-b)

v₂(t)＝0.5V_AB sin(a-b)

由上兩式進(jìn)行平方和，再開根號(hào)處理(該處理過程具體地可經(jīng)矢量/相位DSP處理)可得：

即

由式(8)可知，v₁₂可通過采樣計(jì)算得出，且v₁₂中含有待測(cè)信號(hào)幅值V_A和參考信號(hào)幅值B的信息，因?yàn)锽已知，所以待測(cè)信號(hào)幅值可求得；即鎖相放大器能夠很好地檢測(cè)出待測(cè)信號(hào)的幅度值V_A，微弱信號(hào)被成功檢出。

即：V_A＝A·sinα

換言之，在經(jīng)信號(hào)放大步驟放大得到的正弦信號(hào)中提取出和激磁信號(hào)同頻的信號(hào)的正弦幅值信號(hào)。

同理設(shè)待測(cè)余弦信號(hào)為x₂(t)＝V′_Asin(ωt+a)，對(duì)待測(cè)余弦信號(hào)進(jìn)行處理的過程詳見上述正弦信號(hào)的處理過程：

待測(cè)余弦信號(hào)分別與第一參考信號(hào)和第二參考信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算，得到第三相乘運(yùn)算結(jié)果和第四相乘運(yùn)行結(jié)果，第三相乘運(yùn)算結(jié)果如下：

所述第四相乘運(yùn)算結(jié)果如下：

經(jīng)低通濾波器濾波后可得：

v₃(t)＝0.5V′_ABcos(a-b)

v₄(t)＝0.5V′_ABsin(a-b)

由上兩式進(jìn)行平方和，再開根號(hào)處理(該處理過程具體地可經(jīng)矢量/相位DSP處理)可得：

即

V_A′＝A·cosα

換言之，在經(jīng)信號(hào)放大步驟放大得到的余弦信號(hào)中提取出和激磁信號(hào)同頻的信號(hào)的余弦幅值信號(hào)。

應(yīng)用中，由式(8)，a與b的相位差一定，達(dá)到了鎖定相位的目的，且參考信號(hào)初始相位已知，則待測(cè)信號(hào)相位可求得。

(三)第三部分：解碼

最后一步解碼由數(shù)字控制電路完成，如圖7所示，通過AD采樣得到鎖相放大器選頻處理之后的信號(hào)，即：

顯然這兩路信號(hào)相除就得到了tanα，再通過查表的方法就可以得到位置角α的值。

綜上，本實(shí)用新型的解碼過程主要可分為三個(gè)部分：信號(hào)放大、鎖相放大以及解碼。第一個(gè)部分信號(hào)放大，將毫伏級(jí)別的載有位置信息的正余弦信號(hào)放大到伏級(jí)，要求在放大過程中，將信號(hào)的失真降到最低。第二部分鎖相放大，這里鎖相放大器的作用是在已經(jīng)被放大的正余弦信號(hào)中提取出和激磁信號(hào)同頻的信號(hào)，即有用的信號(hào)，濾掉激磁頻率以外的其他無用信號(hào)，相當(dāng)于一個(gè)特殊的濾波器。第三部分，根據(jù)前兩步處理之后得到的正余弦幅值信號(hào)通過數(shù)字控制電路中內(nèi)置的軟件計(jì)算出位置信號(hào)。測(cè)試表明，本實(shí)用新型具有較低的成本與較高的靈活性，而且鎖相放大器的濾波能保證解碼的精度。

由技術(shù)常識(shí)可知，本實(shí)用新型可以通過其它的不脫離其精神實(shí)質(zhì)或必要特征的實(shí)施方案來實(shí)現(xiàn)。因此，上述公開的實(shí)施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本實(shí)用新型范圍內(nèi)或在等同于本實(shí)用新型的范圍內(nèi)的改變均被本實(shí)用新型包含。