三种轴角数字转换电路的分析与比较

摘要：介绍了三种分别基于单片机、轴角数字转换模块和光电编码器的轴角数字转换电路的原理，并对其性能进行了分析和比较。
关键词：单片机；轴角数字转换；光电编码器

1. 引言

随着现代电子技术的发展，轴角数字转换电路在飞行器姿态控制和检测、导弹控制、雷达天线跟踪、工业机器人、数控机床、计算机辅助制造(CAM )等角位置测量与控制系统中得到了越来越广泛的运用。同时，人们对电路的转换精度、转换速度和可靠性以及结构和价格等方面也提出了更高的要求。基于目前现状，分别介绍了基于单片机、轴角数字转换模块和光电转换器的三种轴角数字转换电路的原理，并进行了分析和比较研究，为轴角数字转换电路的设计和优化提供一定的参考。

2．基于单片机的轴角数字转换电路

2.1 转换原理

在基于单片机组成的轴角数字转换电路中，由自整角机（或旋转变压器）发送来的信号必须经过正余弦变压器转换为含有轴角信息的正余弦角度信号。正余弦变压器可以用电磁式实现，也可以用运放组成的高精度电子式正余弦变压器实现。由于电磁式变压器采用的磁性材料的非线性，导致其精度不可能做得很高，因此，目前多采用电子式正余弦变压器。

电子式正余弦变压器的两路输出为¹：

式中：  E_O为正弦、余弦绕组输入电压的最大值；ω为输出信号的载波频率，即激励电压的角频率；θ为转动的机械角度；K为比例系数。

正余弦变压器输出的信号是以模拟信号表示的机械轴角θ，在数字随动系统中，需将机械轴角θ转换成数字角φ。

信号V_S、V_C在峰值区间进行同步采样和保持，经A/D转换器后变成与电压成正比的数字量，依据式④进行反正切运算，即可解算出数字角φ。

2.2 电路实现

根据设计目标的不同，基于单片机的轴角数字转换电路也有一些差异，以下仅以一个实现基本转换功能的多路轴角数字转换电路²为例作以说明，其组成原理框图如图1所示。

图1  轴角到数字转换器原理框图

由上图可知，自整角机（或旋转变压器）信号经正余弦变压器后输出的正弦V_S和余弦V_C信号，通过采样基准电路输出的峰值脉冲信号，对八路V_S、V_C进行同步采样，输出直流电压信号U_S和U_C，通过多路转换开关，把其中一路轴角信号送到正余弦开关，再分别将U_S和U_C切换到12位AD574逐位直流到数字转换器，转换成12位的数字量供单片机进行采集，单片机主要完成多路转换开关选择、数据采集、数字角解算、象限判别和输出数字角等功能。

单片机的1口作为忙信号输出，P2口经译码器和信号锁存器后，作为转换开关控制输入端和AD574的转换命令输入端。P2口与写信号经译码后，作为输出数据锁存器的选通端。

由该例可以看出，与传统的转换电路需要由同步解调器、多路转换、取模、象限判决、逐位编码、电阻解码网络、精粗组合纠错、二~十进制变换和显示等诸多数字逻辑电路组成相比，基于单片机的轴角数字转换电路具有电路简单、可靠性高的优点。而与基于轴角数字转换模块和光电编码器的转换电路相比，这种电路价格非常低廉。然而，这种电路也存在着开发周期长、精度不高等缺点，只能应用于一些对精度要求不太高的场合。

3. 基于轴角数字转换模块的轴角数字转换电路

    随着现代电子技术的发展，人们对轴角数字转换电路的规范化、模块化的要求越来越高，于是出现了小型固态厚膜或薄膜混合的集成轴角数字转换模块SDC/RDC。但是，这种模块体积庞大，略显笨拙。美国ADI公司又将它发展成一系列单片集成电路，即AD2S8X系列。AD2S8X系列是将先进的CMOS逻辑电路与高精度双极线性电路相结合，以BiCMOSII工艺制作的跟踪式单片集成电路。用户可根据需要选择相应的模块类型。目前我国自主研制的轴角数字转换模块以中船重工集团的ZSZ/XSZ系列为代表，性能基本与国外产品相当。以下仅以AD2S82A为例介绍轴角数字转换模块的原理。

3.1 轴角数字转换模块原理

AD2S82A ³内部主要由高速数字式正余弦乘法器、误差放大器、相敏解调器、积分器、压控振荡器（VCO）和可逆计数器等组成。其输入的正余弦信号也可分别用式①和式②来表示，其中θ为待转换的轴角。

假定可逆计数器现时的代码值是φ，高速数字式正余弦乘法器将V_S乘以cosφ，V_C乘以sinφ，两信号再经误差放大器相减后得到：

经相敏解调器、积分器、压控振荡器和可逆计数器形成一个闭环回路系统使sin(θ-φ)趋近于零。当这一过程完成时，可逆计数器的代码值φ就相当于轴角θ。

3.2 电路实现

根据转换精度的要求不同，此类电路可以分为单通道和双通道两种。单通道轴角数字转换电路具有结构简单、调试方便、抗冲击性和抗震性好、可靠性较高、动态响应能力强、相对成本低等特点。但由于器件本身静差的限制，其转换精度不太高，一般只能达到12位，只适用于转换精度要求不太高的场合（通常指14位以下）。下面以双通道电路为例进行说明。

图2 基于轴角数字转换模块的双通道轴角数字转换电路原理图

双通道轴角数字转换电路的原理图如图2所示。在该电路中，由粗精两套自整角/旋转变压器将轴角信号转换成交流电信号，然后分别经两套SDC/RDC模块将交流信号转换成数字信号，再通过数据处理模块进行精粗组合、数据纠错等，最后将数据送到显示及通讯口。同单通道相比，双通道电路增加了成本，但是，由于静差仅为单通道的1/n（n为速比），其转换精度大大提高。因此，双通道的轴角数字转换电路性价比较高，广泛用于航空、航天、航海等各种控制中，尤其是在工作环境较恶劣的情况下。

目前市面上还出现了对单、双通道兼容，速比可变的轴角数字转换电路。这就增加了该电路应用的广泛性与灵活性，降低了其相对成本，提高了性价比。

4. 基于光电编码器的轴角数字转换电路

与基于轴角数字转换模块的轴角数字转换电路不同的是，这种电路是建立在光电编码器基础之上的。光电编码器又称为光电传感器，是一种集光、机、电为一体的数字测角装置。由于它结构简单、分辨率高、精度高，因此已广泛应用于精密角位置的测量、数控及数显系统中。

4.1 光电编码器原理

    根据形成代码方式的不同，光电编码器可以分为增量式和绝对式两大类。

增量式轴角编码器是指在玻璃盘上通过真空镀制的铬线（一般线数从50到36000）经光电扫描读数头转换成与铬线条对应的电脉冲，使用电子计数器将该脉冲累加起来就是轴角数字转换电络转过的角度值。其缺点是掉电后容易造成数据损失, 且有误差累积现象。

绝对式轴角编码器是指在玻璃盘上通过真空镀铬直接形成多圈角度位置编码图案，比如常用的循环格雷码、矩阵码以及新型的伪随机码等。利用光电扫描读数头将该图案转换成与之对应的电信号，该信号即为绝对式轴角数字转换电路要得到的角度值信号，而不需用电子计数器进行脉冲累积。同增量式轴角编码器相比, 绝对式轴角编码器除了能够串/并行输出，具有锁存和驱动能力外，还具有固定零点、输出代码为轴角单值函数、抗干扰能力强、掉电后再启动无须重新标定以及无累积误差等优点。

4.2  电路实现

    增量式和绝对式轴角编码器组成的轴角数字转换电路原理可分别用图3和图4来表示。

图3 由增量式轴角编码器组成的轴角数字转换电路原理框图

图4 由绝对式轴角编码器组成的轴角数字转换电路原理框图

从以上两图可以看出，无论是增量式还是绝对式轴角数字转换电路，其结构都非常简单，调试也极为方便，缩短了开发周期。由于直接采用轴联接，使得机械传递带来的角误差大大降低，从而使转换电路具有相当高的精度，无需进行数据处理可使其具有很好的实时性和动态特性。所以，光电式轴角数字转换电路广泛用于高精度测量与控制中，如天文、航天、雷达系统、过程控制等。但是，它们对工作环境要求较高，要求有很好的防尘、防油溅条件，不能长期工作在冲击或震动较大的环境下等，这对其工作的可靠性、运用的广泛性有一定的影响⁴。另外，这类光电转换电路价格较高，且随着转换位数的增多，其价格成阶跃性增加。

随着光电编码器体积的小型化、价格的逐渐降低和适应恶劣工作环境能力的增强，可以预见，基于光电编码器的轴角数字转换电路将会有越来越广泛的应用前景。

5. 总结

本文针对目前轴角数字转换过程中采用的几种常见电路进行了研究和比较，总体说来，基于单片机的转换电路转换精度不高，但价格低廉，对工作环境要求不高；基于光电编码器的转换电路转换精度很高，但价格昂贵，对工作环境要求比较苛刻；而基于轴角数字转换模块的转换电路转换精度介于以上两种电路之间，价格适中，而且能够适应恶劣的工作环境。因此，在工作中针对具体的应用，综合考虑精度、工作环境、价格、体积、可靠性等因素，选择合适的转换电路，以有效地提高设计效率。

本文作者创新点：对三种轴角数字转换电路的原理、性能进行了归纳分析和比较研究，指出了各自的特点和应用场合，对轴角数字转换电路的设计和优化具有一定的指导意义和参考价值。

参考文献

1 张志红、曹海源．基于ISA总线的轴角数字转换卡设计．微计算机信息．2005(2):127-128

2 高文政．一种轴角到数字转换器的设计．情报指挥控制系统与仿真技术．2002（11）：59-62

3 ANALOG DEVICES．Variable Resolution, Monolithic Resolver-to-Digital Converters AD2S81A/AD2S82A．1998．

4 董莉莉、熊经武、万秋华．光电轴角编码器的发展动态．光学精密工程．2000（4）：198-202