數字式旋變角度顯示器的研究與實現

文/ 郭 佳（國營蕪湖機械廠）

一、概述

姿態角度的測量和獲取是飛行控制和火控領域所有計算和控制的基礎。旋轉變壓器因其結構簡單，動作靈敏，對環境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅值大，抗干擾強等優點廣泛應用于航空機載設備角位移的測量[1]。將旋轉變壓器輸出的角度正余弦電壓信號進行模數轉換，通過數碼管以數字形式顯示，使其具有輸出精度高、響應速度快、直觀易讀等優點，可極大地提升被測量機載電子設備的調試檢測效率和友好度。

二、原理和設計思想

1.旋轉變壓器原理

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

其中k 為電磁耦合系數。

圖1 旋變電壓原理圖

常見的旋轉變壓器式角度傳感器采用兩組相位相差90°的定子和轉子繞組來實現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，且保持定子與轉子之間空間氣隙內磁通分布符合正弦規律，當轉子繞組Z1、Z2短接時，轉子繞組Z3、Z4間的輸出電壓為

其中k 為電磁耦合系數,ω 為轉子角速度,θ 為轉子旋轉角度。

圖2旋轉變壓器原理圖

此時，測得轉子繞組瞬時感應電壓V3，可間接得到轉子角度θ。

2.旋變角度顯示器的設計思路

將式（2）中旋變電壓V3通過相敏解調轉換為直流模擬信號，再通過模數轉換將直流模擬信號變換為多位的并行數字信號。轉換后的數字信號作為可編程存儲器的地址碼，用于尋址輸出對應的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段數碼管驅動轉換芯片點亮數碼管，使數碼管顯示可直接讀取的角度值，其流程如圖3 所示。

圖3 數字旋變角度顯示器工作流程

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

按等分的步長對可編程存儲器進行編碼如表1 所示。

表1 18 位尋址360°編碼表

在實際應用中，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，在百位前還要設置符號位，存儲器對應內存內寫入符號位程序，其編碼如表2 所示。

實際使用中為使硬件模塊標準化，也可將360°模編碼程序最高位作為符號位，存儲器對應內存內寫入正值。

三、電路實現

數字式旋變角度顯示器硬件由模數轉換器、尋址譯碼電路和BCD 碼驅動和顯示電路組成。以顯示精度為0.001°、顯示范圍±180°的數字式旋變角度顯示器為例進行說明。

1.模數轉換器

旋變信號模數轉換采用ZSZ/XSZ-V 系列高精度測速型軸角—數字轉換器中的18XSZ243B-V 型轉換器。該轉換器采用跟蹤轉換技術[4]和模塊化結構，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制碼，主要用于角度或位移量的模數轉換，其引腳圖如圖4 所示。

表2 18 位尋址±180°編碼表

圖4 A/D 轉換器引腳定義

S4、S3、S2、S1 接被測旋轉變壓器的正余弦輸出信號。1—18 為并行數據輸出端，采用二進制，1 為最高位，以此類推。

RL、RH 為參考信號輸入端，與旋轉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,否則會燒壞內部電路，造成轉換器損壞。

INH 為禁止信號輸入端，它使輸出數據穩定在其加入并延遲3ms 的時刻。同時它將切斷轉換器內部跟蹤環，使轉換器處于非跟蹤狀態。當取消該信號后，轉換器需要一定的時間再次跟蹤。

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

2.譯碼和顯示驅動電路

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

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 驅動芯片的輸入。最后將U1到U4的輸出與對應位的數碼管驅動芯片連接即可實現對旋變信號的數字化顯示。

四、實驗驗證

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

根據測試數據，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、結束語

旋變信號的數字化顯示只是其數字化的初步利用。旋變信號數字化使旋變信號直接與PXI 總線連接成為現實，為檢測設備的自動化提供可能，有廣闊的利用前景，有待進一步研究。