數(shù)字式旋變角度顯示器的研究與實現(xiàn)

文/ 郭 佳（國營蕪湖機(jī)械廠）

一、概述

姿態(tài)角度的測量和獲取是飛行控制和火控領(lǐng)域所有計算和控制的基礎(chǔ)。旋轉(zhuǎn)變壓器因其結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號幅值大，抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于航空機(jī)載設(shè)備角位移的測量[1]。將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的角度正余弦電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過數(shù)碼管以數(shù)字形式顯示，使其具有輸出精度高、響應(yīng)速度快、直觀易讀等優(yōu)點，可極大地提升被測量機(jī)載電子設(shè)備的調(diào)試檢測效率和友好度。

二、原理和設(shè)計思想

1.旋轉(zhuǎn)變壓器原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角而變化的角度測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成，旋變電壓的原理見圖1。當(dāng)激勵電壓U 加到定子繞組時，定子繞組會產(chǎn)生感應(yīng)磁場。轉(zhuǎn)子繞組在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)磁場中旋轉(zhuǎn)時就產(chǎn)生隨角度變化的感應(yīng)電動勢E，其瞬時值為

其中k 為電磁耦合系數(shù)。

圖1 旋變電壓原理圖

常見的旋轉(zhuǎn)變壓器式角度傳感器采用兩組相位相差90°的定子和轉(zhuǎn)子繞組來實現(xiàn)輸出電壓的正余弦變換（見圖2）。在定子繞組D1、D2上加正弦電壓V1=Vmsinωt，D3、D4上加余弦電壓V2=Vmcosωt，且保持定子與轉(zhuǎn)子之間空間氣隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組Z1、Z2短接時，轉(zhuǎn)子繞組Z3、Z4間的輸出電壓為

其中k 為電磁耦合系數(shù),ω 為轉(zhuǎn)子角速度,θ 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度。

圖2旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

此時，測得轉(zhuǎn)子繞組瞬時感應(yīng)電壓V3，可間接得到轉(zhuǎn)子角度θ。

2.旋變角度顯示器的設(shè)計思路

將式（2）中旋變電壓V3通過相敏解調(diào)轉(zhuǎn)換為直流模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將直流模擬信號變換為多位的并行數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號作為可編程存儲器的地址碼，用于尋址輸出對應(yīng)的BCD 碼。地址碼對事先寫入程序的存儲器尋址，存儲器輸出內(nèi)存里的BCD 碼，完成地址碼到BCD 碼的譯碼。BCD 碼再通過BCD 碼—7段數(shù)碼管驅(qū)動轉(zhuǎn)換芯片點亮數(shù)碼管，使數(shù)碼管顯示可直接讀取的角度值，其流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)字旋變角度顯示器工作流程

通過旋變信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)字信號的位數(shù)可以控制角度顯示器的最小分辨精度。并行數(shù)字信號作為地址碼，其位數(shù)決定了尋址范圍[2]。以18 位并行數(shù)字信號為例，其尋址范圍從00000 到3FFFF 即262144 個字，將360°經(jīng)262144 等分，每份為0.00137°，因此轉(zhuǎn)換后的18 位并行數(shù)字信號分辨精度可達(dá)5″[3]。

按等分的步長對可編程存儲器進(jìn)行編碼如表1 所示。

表1 18 位尋址360°編碼表

在實際應(yīng)用中，需要0°～360°和-180°～180°兩種范圍的顯示器，因此需要±180°模和360°模兩種程序編碼。±180°模編碼除起始值為-180°外，在百位前還要設(shè)置符號位，存儲器對應(yīng)內(nèi)存內(nèi)寫入符號位程序，其編碼如表2 所示。

實際使用中為使硬件模塊標(biāo)準(zhǔn)化，也可將360°模編碼程序最高位作為符號位，存儲器對應(yīng)內(nèi)存內(nèi)寫入正值。

三、電路實現(xiàn)

數(shù)字式旋變角度顯示器硬件由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、尋址譯碼電路和BCD 碼驅(qū)動和顯示電路組成。以顯示精度為0.001°、顯示范圍±180°的數(shù)字式旋變角度顯示器為例進(jìn)行說明。

1.模數(shù)轉(zhuǎn)換器

旋變信號模數(shù)轉(zhuǎn)換采用ZSZ/XSZ-V 系列高精度測速型軸角—數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的18XSZ243B-V 型轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器采用跟蹤轉(zhuǎn)換技術(shù)[4]和模塊化結(jié)構(gòu)，分辨率18 位、激磁頻率400Hz、信號電壓36V、參考電壓115V，輸出為與TTL 電平兼容的并行自然二進(jìn)制碼，主要用于角度或位移量的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其引腳圖如圖4 所示。

表2 18 位尋址±180°編碼表

圖4 A/D 轉(zhuǎn)換器引腳定義

S4、S3、S2、S1 接被測旋轉(zhuǎn)變壓器的正余弦輸出信號。1—18 為并行數(shù)據(jù)輸出端，采用二進(jìn)制，1 為最高位，以此類推。

RL、RH 為參考信號輸入端，與旋轉(zhuǎn)變壓器激磁信號相連。參考信號的電壓允許波動范圍是+20%，頻率波動范圍是+10%。直流電源包括±15V、+5V，對電源要求允許波動范圍不超過±10%，電源不能加反,否則會燒壞內(nèi)部電路，造成轉(zhuǎn)換器損壞。

INH 為禁止信號輸入端，它使輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定在其加入并延遲3ms 的時刻。同時它將切斷轉(zhuǎn)換器內(nèi)部跟蹤環(huán)，使轉(zhuǎn)換器處于非跟蹤狀態(tài)。當(dāng)取消該信號后，轉(zhuǎn)換器需要一定的時間再次跟蹤。

ENH、ENM、ENL 分別為高中低位數(shù)據(jù)輸出使能信號，邏輯高時對應(yīng)數(shù)據(jù)位不輸出。BUSY 為忙信號輸入端，其用于計算機(jī)檢測轉(zhuǎn)換器狀態(tài)，當(dāng)輸入模擬信號變化一個轉(zhuǎn)換器最低有效位對應(yīng)的電量時，就輸出一個約2.5ms 寬的脈沖。若它為高電平則表明轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路正在工作，輸出數(shù)值不穩(wěn)定該值無效；只有當(dāng)它為低電平時，數(shù)字輸出端的數(shù)據(jù)有效。在本顯示電路中只使用模塊的A/D 轉(zhuǎn)換部分，因此在電路中將INH、ENH、ENM、ENL接高電平，BUSY 端由于內(nèi)部接有上拉電阻因此懸空。

2.譯碼和顯示驅(qū)動電路

為滿足18 位數(shù)字信號0.001°的顯示精度，需要6位數(shù)字顯示，加上符號位占用一位，共需7 個7 段數(shù)碼管組合成角度顯示電路。數(shù)碼管驅(qū)動芯片選用CD4551BCD-7，該芯片具備消隱和鎖存控制、可通過BCD 碼輸入直接驅(qū)動LED 數(shù)碼管。每片CD4551BCD-7可驅(qū)動一個7 段數(shù)碼管。

譯碼部分選用4 片W29C020 可編程flash 存儲器，該存儲器由18 位尋址，容量8×256K，輸出兩個4 位BCD 碼。可編程存儲器U1高1024 位寫符號位編碼程序、低1024 位寫角度百位編碼程序；U2高1024 位寫角度十位編碼程序、低1024 位寫角度個位編碼程序；U3高、低1024 位分別寫角度十分位和角度百分位編碼程序；U4高1024 位寫角度千分位編碼程序，低1024 位置空。

每片存儲器可作為兩片CD4551BCD-7 驅(qū)動芯片的輸入。最后將U1到U4的輸出與對應(yīng)位的數(shù)碼管驅(qū)動芯片連接即可實現(xiàn)對旋變信號的數(shù)字化顯示。

四、實驗驗證

使用同一旋變角度傳感器，在0 到180°范圍內(nèi)按每隔20°給定角度，分別記錄機(jī)械指示器和數(shù)字顯示器顯示角度, 通過對比驗證數(shù)字式旋變角度顯示器顯示值的正確性和精度。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，顯示器顯示角度最大綜合誤差小于4″，足以滿足日常使用顯示精度2′的要求。相比指針角度指示器精度提高，直觀易讀。

五、結(jié)束語

旋變信號的數(shù)字化顯示只是其數(shù)字化的初步利用。旋變信號數(shù)字化使旋變信號直接與PXI 總線連接成為現(xiàn)實，為檢測設(shè)備的自動化提供可能，有廣闊的利用前景，有待進(jìn)一步研究。