数显表_一种新型高速数显表的设计与实现
摘要：采用大规模集成电路AD2S80（RDC）作为数字信号处理芯片，设计一种新型高速数显表。同时对新型数显表的工作原理、硬件电路进行讨论，该数显表具有速度快、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等优点。
关键词：数显表 数字信号处理 高速测角
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0059-02
圆感应同步器和数显表是经纬仪测角的核心部件，提供经纬仪指向的方位和俯仰角度值。目前国内一般数显表静态精度很高，但是动态精度较低，无法满足快速目标的测量要求，因此需设计一种新型高速数显表。这种新型数显表用于高速、高精度动态检测角度位移，它采用定尺激磁鉴相方式，以圆感应同步器为传感元件，以大规模集成电路为核心，具有体积小、速度快、精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠等优点。
1、数显表工作原理
数显表采用定尺激磁鉴相方式，原理如图1所示。
定尺激磁有以下优点：
(1)激磁信号经功率放大后直接送到定尺，没有中间环节，因此激磁功率较大，便于信号处理；
(2)采用定尺激磁，可以使滑尺处在均匀磁场中，感应信号与位置的函数关系更接近于正弦函数，失真度小，有利于提高细分精度；
(3)由于滑尺小，易屏蔽，可提高抗干扰能力；
(4)微弱的感应信号从滑尺感应出来，阻抗小，易匹配。
2、系统电路分析
我们采用大规模集成电路AD2S80（RDC）作为数字信号处理芯片。它是跟踪式单片集成电路，是ANALOG DEVICES公司新一代RDC。它可用于旋转变压器、感应同步器的数字转换，由于它将感应同步器的信号转换为自然二进制数是采用一种比率式跟踪方式，输出数字角度只与输入的正弦和余弦信号的比值有关，而与它的绝对值无关，因此具有较高的噪声抑制能力，减少由于从感应同步器经远距离传输带来的误差。
同时使用EPROM译码，LED数码显示出角位移量。系统采用总体开环，数字信号处理单元由AD2S80及外围器件构成，它完成正余弦函数变化的角度信号。AD2S80的分辨率和动态性能可任意选择，可供选择的分辨率为10、12、14、16bit，可通过SC1和SC2的输入逻辑电平来选择。我们根据技术要求选择12bit，它的转换器跟踪速度上限取决于集成电路内压控振荡器输出频率的最高上限，对于AD2S80它的最高上限频率为:
跟踪速度上限可由下式计算：
跟踪速度上限=（）(理论值)
式中：（是输出分辨率），对于12位，。
根据以往工作经验，数显表实际跟踪速度范围为：0～180°/S，可以满足跟踪速度指标要求。
数显表电路原理如图2所示，主要由以下部分组成：
2.1 振荡电路
对振荡电路我们采用了一个场效应管来控制电路增益的振荡电路，它波形失真小，电路中差分对管够成的检波放大电路给压控电阻提供与振幅有关的控制电压，以实现自动稳幅功能，输出振幅的稳定性可达到0.1%，输出振幅的调节率为100:1，温度系统1mV/℃。
2.2 电压跟随器及功率驱动电路
由于圆感应同步器转子的电阻很小，大约只有几欧姆左右，所以要求电路具有较强的电流驱动能力，而电压不能过高的功放电路。因此我们采用美国NS公司推出的LM2030集成芯片，该芯片失真小，输出功率大，工作稳定可靠，内部保护完善，外围电路元件少。电阻和电容采用金属膜电阻和CBB电容。在LM2030集成芯片上加有足够的散热片。否则温度升高使LM2030芯片过热保护电路工作，从而使LM2030芯片关断。为保证前级振荡电路的稳定工作，而不使输出脉冲的相位和波形失真，电路的设计采用了电路跟随器与功放电路进行隔离，以提高工作的稳定性和可靠性。
2.3 前置放大电路
由于感应同步器幅相相交换输出为毫伏级，因此产生的感应信号必须通过前置放大千倍左右，才能进行幅相测量，并通过电缆送入A/D转换电路中。放大会导致误差，因此要求放大器的放大倍数要稳定，波形失真要小，同时相移也要稳定，放大器应尽量对称。由于前置放大器输入信号小，放大倍数比较高，所以必须放在屏蔽盒内，屏蔽盒装在经纬仪内，并有良好的接地。放大器采用同相输入方式，因为感应同步器输出为电压信号，同相输入放大输入阻抗高，有利于信号放大。同时采用变压耦合器升压后送入运放，变压耦合器的优点是：易于实现阻抗匹配，没有温漂现象，并且有选频作用。
2.4 相位补偿电路
感应信号通过反相放大后，为发调整由于整个电路带来的附加相移，在放大器后加一级相位补偿电路，进行相位补偿。该电路利用运算放大器的差动输入在处产生90°相移，如果输入频率在0～∞范围内变化，相位便会在180°～0°之间变化，若以90°相移的频率为中心，频率偏离时其相角为：
为了获得任意相角，选择适当电容量，并使
2.5 计数、译码、显示电路
用DIR作为加减计数控制，对上面的RIPPLEC LOCK进行计数，就可以完成二倍节距的计数，信号处理电路和计数电路输出的结果为二进制形式，将二进制数显示为度、分、秒的形式。若采用逻辑电路进行译码，则电路较为复杂，我们采用了EPROM译码方式，每片有8位数据，可产生24位BCD码，输出的数字量通过数码驱动电路驱动LED显示，共显示7位数据。根据电路的特点，用2片EPROM（2764）就可完成分、秒的译码，度的译码是采用VHDL硬件描述语言进行集成MAX（EPM7128SLC84）芯片编程。加减计数和译码程序略。
2.6 A/D转换集成电路
A/D转换集成电路芯片AD2S80是美国AD的模拟信号转换成数字信号，通过三态输出选择并行的二进制码，能够较好地满足圆感应同步器数显表对角位移检测精度的要求。
3、结语
(1)跟踪速度快。系统采用总体开环，数字信号处理单元由AD2S80及外围器件构成，它完成正余弦函数变化的角度信号。跟踪速度上限可达268（）。
(2)抗干扰能力强。在数字转换器（RDC）内部采用闭环伺服跟踪，输出数字角与输入的正弦余弦信号的比值有关，而与它的绝对值大小无关。因此具有较高的噪声抑制能力，以减少远距离长线传输带来的误差。
我们对数显表作了新的设计，采用大规模单片集成电路 AD2S80芯片，简化了电路，提高了可靠性，达到了设计要求。
参考文献
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[2]张力,罗朝祥.新型圆感应同步器微机数显表的研究[J].机电一体化,2002．
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