單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法

2023-10-26 22:04:12 1

專利名稱：單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法
專利說明單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法 方法領域 本發明屬於集成電路領域，特別是涉及一種單晶片的自整角機/旋轉變壓器-數字轉換方法。
背景方法 在自整角機/旋轉變壓器-數字轉換集成電路領域，通常使用基於CMOS工藝的低壓集成電路，即單電源CMOS集成電路自整角機/旋轉變壓器-數字集成電路轉換技術，如申請號為200810013440.3中國專利申請。其電壓只有±5V，輸入信號的幅度較小，固態控制變壓器使用開關電容，不可修調，轉換精度一般為4LSB～7LSB，電路結構較為複雜，穩定性較差，輸出數據功能單一。


發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種高精度、高電壓、多功能的自整角機/旋轉變壓器-數字集成電路轉換方法。
本發明所要解決的技術問題是通過以下的技術方案來實現的。本發明是一種單晶片的自整角機/旋轉變壓器-數字轉換方法，其特點是它對自整角機信號/旋轉變壓器信號進行數位化處理，把自整角機信號/旋轉變壓器信號轉換成二進位數字角；它的電路是由可修調固態控制變壓器電路、交流誤差放大電路、高通濾波電路、相敏解調電路、二階積分電路、壓控振蕩電路、計數電路和電平轉換電路組成；並採用高壓BiMOS工藝將上述電路集成在單個晶片上；整個電路的供電電源為-12V～+12V； 可修調固態控制變壓器電路由R-2RDAC和6組分段比例電路(分別為180°、90°、45°、22.5°、11.25°、5.625°的分段比例電路)組成，每組分段比例電路均由運算放大器和分壓薄膜電阻組成；通過電平轉換電路的置數電路對可修調固態控制變壓器電路的分段比例電路進行設置，控制分段比例電路的開關，使自整角機/旋轉變壓器的模擬角θ只經過選定的分段比例電路輸出，再由R-2RDAC轉換後輸出誤差信號Ksin(θ-φ)；可修調固態控制變壓器電路採用薄膜電阻雷射修調方法，對可修調固態控制變壓器電路中的分壓薄膜電阻進行修調，使分壓薄膜電阻相對精度達萬分之一，使輸出誤差信號Ksin(θ-φ)為θ，使轉換精度達1LSB～2LSB，即0.0055°～0.011°； 所述的電平轉換電路由電壓參考產生電路、降壓鎖存器、升壓變壓器和置數電路組成；降壓鎖存器由高低電平選擇器、電壓選擇開關和鎖存器組成，升壓變壓器由高低電平選擇器和電壓選擇開關組成；計數電路輸出的高電平為+12V、低電平為-12V的數字角通過降壓鎖存器的高低電平選擇器輸出電壓選擇信號，再通過電壓選擇開關、鎖壓器轉換為高電平為+5V、低電平為0V的數字角輸出；計數電路在置數狀態時，外部高電平為+5V、低電平為0V的數字角通過升壓變壓器的高低電平選擇器輸出電壓選擇信號，再通過電壓選擇開關轉換為高電平為+12V、低電平為-12V的數字角輸入計路電路；電壓參考產生電路為降壓鎖存器和升壓變壓器提供5V、5.4V和10.8V的基準電壓；置數電路對可修調固態變壓器電路進行置數； 模擬角θ在可修調固態控制變壓器電路中經交流誤差放大電路後輸出誤差信號Ksin(θ-φ)，在依次經過高通濾波器濾波、相敏解調電路、二階積分電路、壓控振蕩電路和計數電路產生數字角φ，最後數字角φ在可修調固態控制變壓器電路中與模擬角θ比較組成的一個閉環迴路，尋找sin(θ-φ)的零點；當這一過程完成時，數字角φ等於模擬角θ；最後經電平轉換電路輸出數字角φ；其中K是變比。
本發明所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現。以上所述的單晶片的自整角機/旋轉變壓器一數字轉換方法，其特點是所述的高通濾波電路採用二階RC無源高通濾波電路。由二階RC無源高通濾波電路對由可修調固態變壓器輸出的誤差信號進行濾波，濾除電路產生的直流和低頻噪聲信號，進一步提高轉換精度。
本發明所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現。以上所述的單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法，其特點是所述的電平轉換電路還設有輸出字節選擇和補碼控制；輸出字節選擇對輸出數據進行字節選擇，補碼控制對輸入數據進行求補。
以下對本發明方法進行進一步的說明。
1.1可修調固態控制變壓器電路中分壓薄膜電阻雷射修調方法 可修調固態控制變壓器電路採用高6位分段電路和低10位細分電路，高6位分段電路將角度變化量0°-360°分解到0°-5.625°，低10位細分電路採用R-2R電阻的D/A轉換器，構成一個模擬乘法器，實現0°-5.625°範圍內的模擬角到數字角的轉換。
可修調固態控制變壓器電路中採用可修調的分壓薄膜電阻網絡方法替代開關電容網絡方法，在BiMOS工藝上實現高精度的模擬角到數字角的轉換，本發明方法的轉換精度可達在1～2LSB。
由基準信號源輸入相同的數字角φ與模擬角θ進入本發明方法的轉換電路。模擬角θ通過可修調固態控制變壓器電路的粗分電路和細分電路進行分壓變換。數字角φ進入分段置數電路，分別控制粗分控制信號和細分控制信號。在可修調固態控制變壓器電路中180°、90°、45°、22.5°、11.25°、5.625°的粗分控制信號控制180°、90°、45°、22.5°、11.25°、5.625°共6組分段比例電路，使其按置數電路數據開啟，將模擬角θ轉換為sin(θ-n*5.625)和sin(θ-(n-1)*5.625)的電平信號(其中n＝[θ/5.625]([]為取整符號))，輸入細分R-2RDAC電路。最後輸出的誤差電壓為數字角φ與模擬角θ的輸出誤差信號sin(θ-φ)。
在修調時依次修調6組分段比例電路(分別為5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°的分段比例電路)，先對5.625°分段比例電路進行修調，通過電平轉換電路的置數電路對可修調固態控制變壓器電路的分段比例電路進行設置，使信號sinθ，cosθ之間接入5.625°分段比例電路，修調過程測試誤差電壓值，當在信號為2V 有效電壓時，誤差信號sin(θ-φ)值小於(1LSB的誤差電壓)時，完成一組分段比例電路修調。然後對下一組進行修調，並以此類推。其結構如圖2所示。其中各個電阻的比例為 R1∶R2＝1； R3∶R4＝1/COS45°-1＝0.41421； R5∶R6＝1/COS22.5°-1＝0.08239； R7∶R8＝1/COS11.25°-1＝0.01959； R9∶R10＝1/COS5.625°-1＝0.00483。
在軸角轉換中，45°的精度為最差點，因此我們以45°為例計算精度。如圖所3示，其中R1、R2、R3、R4，都為待修調的分壓薄膜電阻。其誤差為X％，信號的最終誤差為 對16位的精度，其誤差為7個碼(即0.11°)，即至少精確到13位，其值為0.043，對其計算電阻的精度為 (SIN(45°+0.011°)-SIN45°)/SIN45°＝0.075％ 即有所以，X＝0.047％ 對16位的精度，其誤差為1個碼，即至少精確到16位(即0.0055°)，其計算電阻的精度要達到0.006％。
因此，對16位的精度，匹配的分壓薄膜電阻為萬分之五，7LSB精度要求電阻的匹配精度為0.047％，基本滿足，修調後的分壓薄膜電阻為0.006％，精度可達的1LSB。
1.2二階RC無源高通濾波方法 使用二階RC無源高通濾波器對可修調固態控制變壓器電路輸出的誤差信號進行濾波，其導通頻率為可以消除影響內部的直流誤差和低頻噪聲，從而提供轉換精度。
1.3高電壓自整角機/旋轉變壓器-數字轉換電路方法 本發明使用高壓的BiMOS工藝，BiMOS電路的結構更加簡單可靠，使得本發明方法的電路的穩定性和精度遠遠好於CMOS工藝電路。高壓電壓使得輸入信號電壓範圍輸出速度電壓範圍更大有更好的適用性。
1.4電平轉換電路 一般的信號的標準電壓其為0～5V，而本發明方法的電路的供電電源為-12V～+12V。如圖4所示，通過電平轉換電路實現內部的-12V～+12V數據信號與外部的標準電壓0～5V實現相互轉換。
與現有技術相比，本發明方法採用高壓BiMOS工藝實現自整角機/旋轉變壓器-數字轉換方法。高壓BiMOS的器件性能較CMOS器件的更好，在實現同樣性能的情況下，BiMOS電路的結構更加簡單、可靠，使得轉換電路的溫度適用範圍、穩定性和精度遠遠好於CMOS工藝電路。而且高電壓使得輸入信號電壓範圍、輸出速度電壓範圍更大。



圖1是本發明方法的電路框圖。
圖2是修調固態控制變壓器電路的結構圖。
圖3是45°分段比例電路圖。
圖4是電平轉換電路框圖。

具體實施例方式 以下進一步描述本發明的具體方法方案，以便於本領域的方法人員進一步地理解本發明，而不構成對其權利的限制。
實施例1。參照圖1-4。一種單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法，它對自整角機信號/旋轉變壓器信號進行數位化處理，把自整角機信號/旋轉變壓器信號轉換成二進位數字角；它的電路是由可修調固態控制變壓器電路、交流誤差放大電路、高通濾波電路、相敏解調電路、二階積分電路、壓控振蕩電路、計數電路和電平轉換電路組成；並採用高壓BiMOS工藝將上述電路集成在單個晶片上；整個電路的供電電源為-12V～+12V； 可修調固態控制變壓器電路由R-2RDAC和6組分段比例電路組成，每組分段比例電路均由運算放大器和分壓薄膜電阻組成；通過電平轉換電路的置數電路對可修調固態控制變壓器電路的分段比例電路進行設置，控制分段比例電路的開關，使自整角機/旋轉變壓器的模擬角θ只經過選定的分段比例電路輸出，再由R-2RDAC轉換後輸出誤差信號Ksin(θ-φ)；可修調固態控制變壓器電路採用薄膜電阻雷射修調方法，對可修調固態控制變壓器電路中的分壓薄膜電阻進行修調，使分壓薄膜電阻相對精度達萬分之一，使輸出誤差信號Ksin(θ-φ)為0，使轉換精度達1LSB～2LSB，即0.0055°～0.011°； 所述的電平轉換電路由電壓參考產生電路、降壓鎖存器、升壓變壓器和置數電路組成；降壓鎖存器由高低電平選擇器、電壓選擇開關和鎖存器組成，升壓變壓器由高低電平選擇器和電壓選擇開關組成；計數電路輸出的高電平為+12V、低電平為-12V的數字角通過降壓鎖存器的高低電平選擇器輸出電壓選擇信號，再通過電壓選擇開關、鎖壓器轉換為高電平為+5V、低電平為0V的數字角輸出；計數電路在置數狀態時，外部高電平為+5V、低電平為0V的數字角通過升壓變壓器的高低電平選擇器輸出電壓選擇信號，再通過電壓選擇開關轉換為高電平為+12V、低電平為-12V的數字角輸入計路電路；電壓參考產生電路為降壓鎖存器和升壓變壓器提供5V、5.4V和10.8V的基準電壓；置數電路對可修調固態變壓器電路進行置數； 模擬角θ在可修調固態控制變壓器電路中經交流誤差放大電路後輸出誤差信號Ksin(θ-φ)，在依次經過高通濾波器濾波、相敏解調電路、二階積分電路、壓控振蕩電路和計數電路產生數字角φ，最後數字角φ在可修調固態控制變壓器電路中與模擬角θ比較組成的一個閉環迴路，尋找sin(θ-φ)的零點；當這一過程完成時，數字角φ等於模擬角θ；最後經電平轉換電路輸出數字角φ；其中K是變比。
實施例2。實施例1所述的單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法中所述的高通濾波電路採用二階RC無源高通濾波電路。
實施例3。實施例1或2所述的單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法中所述的電平轉換電路還設有輸出字節選擇和補碼控制；輸出字節選擇對輸出數據進行字節選擇，補碼控制對輸入數據進行求補。數字角φ是由電平轉換電路輸出為0～5V的電平信號，並且可以控制其輸出字節和補碼形式。所以晶片可以對輸出的數據進行選擇，可以同時輸出的高8位和低8位數據，也可對高8位和低8位進行選擇分別輸出。顯示補碼，例如10位的原輸出數據為0100 0010 0011，變為補碼後為1011 1110 1100。可以方便的直接對信號進行加減處理。
權利要求
1.一種單晶片的自整角機/旋轉變壓器-數字轉換方法，其特徵在於它對自整角機信號/旋轉變壓器信號進行數位化處理，把自整角機信號/旋轉變壓器信號轉換成二進位數字角；它的電路是由可修調固態控制變壓器電路、交流誤差放大電路、高通濾波電路、相敏解調電路、二階積分電路、壓控振蕩電路、計數電路和電平轉換電路組成；並採用高壓BiMOS工藝將上述電路集成在單個晶片上；整個電路的供電電源為-12V～+12V；
可修調固態控制變壓器電路由R-2RDAC和6組分段比例電路組成，每組分段比例電路均由運算放大器和分壓薄膜電阻組成；通過電平轉換電路的置數電路對可修調固態控制變壓器電路的分段比例電路進行設置，控制分段比例電路的開關，使自整角機/旋轉變壓器的模擬角θ只經過選定的分段比例電路輸出，再由R-2RDAC轉換後輸出誤差信號Ksin(θ-φ)；可修調固態控制變壓器電路採用薄膜電阻雷射修調方法，對可修調固態控制變壓器電路中的分壓薄膜電阻進行修調，使分壓薄膜電阻相對精度達萬分之一，使輸出誤差信號Ksin(θ-φ)為0，使轉換精度達1LSB～2LSB，即0.0055°～0.011°；
所述的電平轉換電路由電壓參考產生電路、降壓鎖存器、升壓變壓器和置數電路組成；降壓鎖存器由高低電平選擇器、電壓選擇開關和鎖存器組成，升壓變壓器由高低電平選擇器和電壓選擇開關組成；計數電路輸出的高電平為+12V、低電平為-12V的數字角通過降壓鎖存器的高低電平選擇器輸出電壓選擇信號，再通過電壓選擇開關、鎖壓器轉換為高電平為+5V、低電平為0V的數字角輸出；計數電路在置數狀態時，外部高電平為+5V、低電平為0V的數字角通過升壓變壓器的高低電平選擇器輸出電壓選擇信號，再通過電壓選擇開關轉換為高電平為+12V、低電平為-12V的數字角輸入計路電路；電壓參考產生電路為降壓鎖存器和升壓變壓器提供5V、5.4V和10.8V的基準電壓；置數電路對可修調固態變壓器電路進行置數；
模擬角θ在可修調固態控制變壓器電路中經交流誤差放大電路後輸出誤差信號K sin(θ-φ)，在依次經過高通濾波器濾波、相敏解調電路、二階積分電路、壓控振蕩電路和計數電路產生數字角φ，最後數字角φ在可修調固態控制變壓器電路中與模擬角θ比較組成的一個閉環迴路，尋找sin(θ-φ)的零點；當這一過程完成時，數字角φ等於模擬角θ；最後經電平轉換電路輸出數字角φ；其中K是變比。
2.根據權利要求1所述的單晶片的自整角機/旋轉變壓器-數字轉換方法，其特徵在於所述的高通濾波電路採用二階RC無源高通濾波電路。
3.根據權利要求1所述的單晶片的自整角機/旋轉變壓器-數字轉換方法，其特徵在於所述的電平轉換電路還設有輸出字節選擇和補碼控制；輸出字節選擇對輸出數據進行字節選擇，補碼控制對輸入數據進行求補。
全文摘要
本發明是一種單晶片的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換方法，其特徵在於它對自整角機信號/旋轉變壓器信號進行數位化處理，把自整角機信號/旋轉變壓器信號轉換成二進位數字角；它的電路是由可修調固態控制變壓器電路、交流誤差放大電路、高通濾波電路、相敏解調電路、二階積分電路、壓控振蕩電路、計數電路和電平轉換電路組成；並採用高壓BiMOS工藝將上述電路集成在單個晶片上；整個電路的供電電源為-12V～+12V。它在可修調固態控制變壓器電路中採用薄膜電阻的修雷射修調方法，提高電阻匹配精度，從而提高轉換精度；在交流誤差信號放大電路後級採用信號濾波方法，慮除低頻噪聲和直流誤差，提高轉換精度。其電路的性能好，信號的輸入輸出幅值變大。
文檔編號H02P31/00GK101789757SQ20101012644
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者陳大科, 楊波, 夏偉 申請人:連雲港傑瑞電子有限公司