李芳，王超，符丹鈺，高群

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，安徽合肥，230088）

1 概述

在全數(shù)字伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵。目前，位置傳感器的種類很多，常用的有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。后者由于具有抗沖擊振動(dòng)和耐溫度變化能力強(qiáng)，因而在工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬機(jī)電元件，不能直接用于數(shù)字化伺服系統(tǒng)，需要接口電路實(shí)現(xiàn)其模擬信號(hào)與控制系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)換接口電路即旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，也叫數(shù)字式旋轉(zhuǎn)變壓器。

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）作為連接數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之間的橋梁正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而且現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、無(wú)線通訊等信息產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步，對(duì)DAC的速度、精度等性能指標(biāo)也不斷提出更高的要求。本文研究的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路主要包含10V基準(zhǔn)參考的電路、控制邏輯電路、I/O緩沖電路、緩沖器、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)與電壓運(yùn)算電路?？梢栽?.5V參考電壓下，輸出兩路差分電流。

2 電路總體方案設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)變壓器/直流電壓轉(zhuǎn)換器包含旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路、16位并行二進(jìn)制碼輸出、數(shù)字-直流電流轉(zhuǎn)換器以及精密電流-電壓轉(zhuǎn)換器，輸出直流電壓信號(hào)。旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路是將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的四線交流電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量。16位并行輸入精密D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將二進(jìn)制形式的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性的直流電流信號(hào)輸出，再通過(guò)精密運(yùn)算放大器把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，電路原理框圖如圖1所示。

圖1 電路設(shè)計(jì)總體框圖

電路設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)需滿足如下條件：

（1）輸入信號(hào)：供電電壓±12V和+5V；通道數(shù)：2路；參考電壓2V；信號(hào)輸入電壓：2Vrms(±10%)；工作頻率：1kHz～5kHz；分辨率 ：16bit。

（2）輸出信號(hào)：通道數(shù)：2路；輸出電壓：-10～10V；（0度對(duì)應(yīng)-10V，180度對(duì)應(yīng)0V，360度對(duì)應(yīng)10V）；輸出電壓精度：-0.3%～0.3%；跟蹤速率：2.0r/S；分辨率：16bit；輸出精度：-4～4角分；工作溫度范圍：-55℃～125℃。

2.1 16位解算/數(shù)字轉(zhuǎn)換（R/D轉(zhuǎn)換器）的原理介紹和電路設(shè)計(jì)

采用基于國(guó)產(chǎn)芯片R/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的電路方案，搭配合成參考控制電路、帶寬設(shè)計(jì)電路、-5V電容濾波電路、信號(hào)調(diào)理薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)等外圍電路，主要是充分掌握該R/D轉(zhuǎn)換器件的特點(diǎn)，利用器件各部分功能，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電路框圖如圖2所示。

圖2 R/D轉(zhuǎn)換電路原理框圖

信號(hào)變換電路：通常測(cè)角元件的輸出信號(hào)不能直接進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，需要采用適當(dāng)?shù)姆糯笃骰蜃儔浩鲗?duì)其進(jìn)行幅值和信號(hào)變換。常規(guī)電路設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)電平轉(zhuǎn)換功能。

R/D單芯片（包括固態(tài)控制變壓器、誤差放大、相位自適應(yīng)、鑒相器、壓控振蕩器、積分器、雙八位可逆計(jì)數(shù)鎖存器、電源變換電路）：設(shè)計(jì)基于國(guó)產(chǎn)化R/D轉(zhuǎn)換單芯片，設(shè)置外圍電阻和電容器件，重要性能指標(biāo)如系統(tǒng)帶寬、最大跟蹤速率等根據(jù)用戶使用的實(shí)際需求而設(shè)定。國(guó)產(chǎn)化R/D轉(zhuǎn)換單芯片設(shè)計(jì)為一種混合信號(hào)BICMOS工藝的IC，包含了模擬信號(hào)輸入，數(shù)字信號(hào)輸出部分，精確的模擬電路系統(tǒng)與數(shù)字邏輯結(jié)合在一起形成了一種完整的高性能跟蹤型模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)的變換器。

該轉(zhuǎn)換器接收四線的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)S1、S2、S3、S4，輸入激磁信號(hào)RH、RL，通過(guò)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部差動(dòng)隔離轉(zhuǎn)換成正余弦交流電壓VS、VC：

VS=KE0SinθSinωt，

VC= KE0CosθSinωt。

其中θ為旋轉(zhuǎn)變壓器輸入角度；E0Sinωt為參考信號(hào)；K為輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換器的變換系數(shù)。

這兩個(gè)信號(hào)與內(nèi)部可逆計(jì)數(shù)器的數(shù)字角Φ在正余弦函數(shù)乘法器中相乘，經(jīng)誤差處理得：

KE0SinθCosΦSinωt- KE0CosθSinΦSinωt=KE0Sin(θ-Φ)Sinωt。

經(jīng)過(guò)放大、鑒相、積分濾波后送入壓控振蕩器，如果θ-Φ不歸零，壓控振蕩器將輸出脈沖更改可逆計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，直到θ-Φ在轉(zhuǎn)換器精度內(nèi)歸零，在這一過(guò)程中轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字角Φ始終跟蹤輸入角θ變化。當(dāng)這一過(guò)程完成時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器的數(shù)字量Φ值就等于旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角θ，實(shí)現(xiàn)了對(duì)θ的數(shù)字轉(zhuǎn)換，并通過(guò)鎖存器輸出二進(jìn)制數(shù)。

R/D轉(zhuǎn)換器輸出的忙信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)控制后級(jí)的D/A轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)。

R/D轉(zhuǎn)換器的禁止功能端口被用來(lái)鎖存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)鎖存器里的數(shù)字角輸出，禁止功能低電平有效。應(yīng)用禁止信號(hào)不會(huì)影響到轉(zhuǎn)換器的持續(xù)跟蹤。禁止信號(hào)時(shí)序圖如圖3所示：

圖3 禁止信號(hào)時(shí)序圖

R/D轉(zhuǎn)換器參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

（1）旋轉(zhuǎn)載波頻率fC≥3.5fBW；fC：用戶系統(tǒng)頻率而定。

（2）選擇應(yīng)用的跟蹤速率并采用合適的RSET和RCLOCK值，常用RSET=RCLOCK=30KΩ。

（3）跟蹤速率的計(jì)算：

（4）帶寬頻率選擇計(jì)算：

2.2 16位D/A轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)原理

旋轉(zhuǎn)變壓器/直流電壓轉(zhuǎn)換器要求輸出電壓精度和線性度很高，在輸入角度0～360°時(shí)對(duì)應(yīng)輸出電壓為-10V～10V，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)，對(duì)應(yīng)電壓為-10V；當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為180°時(shí)，對(duì)應(yīng)電壓為0V；當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為360°時(shí)，對(duì)應(yīng)電壓為+10V，因而在D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到零點(diǎn)電壓及正負(fù)電壓對(duì)稱性。由于D/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將輸入角度信號(hào)以二進(jìn)制形式表示的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)為線性的直流電壓值，且電壓值要精確到毫伏級(jí)，因而在設(shè)計(jì)時(shí)選取了高精度、高可靠、高速度的并行輸入的16位D/A轉(zhuǎn)換器。在該D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括了一個(gè)精密的+2.5V溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)、輸入鎖存器、電阻網(wǎng)絡(luò)、電流源陣列以及16位開(kāi)關(guān)控制接口電路，16位D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部原理框圖如圖4所示。D/A轉(zhuǎn)換器通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)控制輸出信號(hào)，輸入信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。通過(guò)調(diào)整D/A轉(zhuǎn)換電路中電位器的阻值來(lái)調(diào)整輸出電流值及兩路信號(hào)的對(duì)稱性。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換器原理框圖

圖5 時(shí)序圖

2.3 I/V轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電路

D/A轉(zhuǎn)換器輸出電流通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號(hào)，I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理如圖6所示：

圖6 I/V 轉(zhuǎn)換電路圖

通過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，最終輸出為電壓信號(hào)。當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)的代碼為0000H，輸出模擬電壓為負(fù)電壓，調(diào)整電路中電位器的阻值，使輸出電壓為-10V，從而完成了雙極性輸出時(shí)的偏差調(diào)整。當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)的代碼為FFFFH，輸出模擬電壓為最大正電壓，調(diào)整電路中電位器的阻值，使輸出電壓為+10V，從而完成了增益調(diào)整。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，輸入角度和輸出電壓關(guān)系如圖7所示。

表1 輸入角度和輸出電壓關(guān)系表

圖7 輸入角度和輸出電壓關(guān)系圖

3 工藝制作

旋轉(zhuǎn)變壓器/直流電壓轉(zhuǎn)換器電路采用多層厚膜MCM工藝制作，厚膜成膜工藝主要是采取絲網(wǎng)印刷漏印工藝，將待制作的導(dǎo)體、絕緣、電阻、包封等粘性漿料漏印到陶瓷基片上，然后通過(guò)烘干燒成以去除印刷后的圖形中的有機(jī)成分，并使具有粘接性能的玻璃、氧化物通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)將功能相與基底材料連接起來(lái)。由于厚膜成膜材料為粘性材料，需要烘干或燒結(jié)后才能去除具有粘性的有機(jī)成分，為利于工藝操作，每種材料印刷后均需要烘干或燒結(jié)完成才能制作下一層。

產(chǎn)品制作過(guò)程中采用的組裝工藝主要包括再流焊、粘接、鍵合、手工焊、平行縫焊等。基板采用再流焊工藝固定到外殼底座上，器件貼裝采用再流焊和粘接工藝，引線鍵合采用金絲鍵合工藝，感性元件引線采用手工焊工藝焊接到基板焊盤上，然后采用絕緣膜和絕緣膠固定感性元件和引線，最后采用平行縫焊工藝進(jìn)行密封（充氦10%）。在混合集成電路組裝過(guò)程中還有一些輔助步驟，它們是數(shù)次清洗、電阻的功能調(diào)、目檢、電測(cè)試、非破壞性鍵合拉力試驗(yàn)等，已保證產(chǎn)品電性能正常、可靠性滿足軍品使用要求。

4 驗(yàn)證情況

對(duì)該電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，并制作了厚膜混合集成樣品，樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該電路設(shè)計(jì)方案技術(shù)合理可行。

表2 旋轉(zhuǎn)變壓器/直流電壓轉(zhuǎn)換器模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器/直流電壓轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)方案及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了R/D和D/A轉(zhuǎn)換器的兩部分電路設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能和性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)模擬試驗(yàn)并制作了相應(yīng)的實(shí)物樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。