基于FPGA的測角脈沖細分電路的設計

摘要：對傳統的數字化轉角測量方法進行了簡要介紹，提出了一種能夠提高測角分辨率的脈沖細分技術，并結合激光陀螺輸出信號對該方法進行了誤差分析。接著利用FPGA對此項技術進行了硬件實現，具體描述了電路各部分的工作原理及程序設計，并使用QuartusⅡ軟件對電路進行了仿真。最后，對某型激光陀螺輸出信號進行周期采樣，對電路進行了實驗驗證。結果表明該技術能夠有效提高轉角測量分辨率，電路工作穩定，取得了預期的效果。
關鍵詞：角度測量；脈沖細分；高精度分辨率；FPGA

傳統的基于脈沖計數原理的角度測量方法主要是對采樣時間間隔內的整脈沖數進行計數，這種方法的測角分辨率依賴于相應的角度傳感器，分辨率相對較低，帶來的誤差較大。以高精度的激光陀螺為例，傳統的整脈沖計數方法僅能獲得角秒量級的角度分辨率，這樣的分辨率并不能滿足某些高精度測量。本文提出的脈沖細分技術可以對測角脈沖進行細分，以獲得更高的測角分辨率。

1 脈沖細分技術
傳統的對角度傳感器數字脈沖的測量方法是在確定的采樣時間內對脈沖數進行計數。如圖1是在2個指示脈沖時間間隔Ts內對脈沖計數，計數值為N+1。

在時間間隔Ts內存在最大為±1個脈沖的計數誤差，誤差δN在區間[-1，1]上的概率密度分布為均勻分布，根據計算為δN=0．82。某型激光陀螺的標度因數約為1．8／脈沖，則整脈沖計數方法的角度測量誤差為0．82×1．8=1．48，這并不能滿足高精度測角的要求。
脈沖細分技術是根據轉臺伺服控制系統中數字化速度測量方法中的高速、高精度、連續測速方案來實現的。利用脈沖細分技術對測角脈沖進行細分，將脈沖數的小數部分精確測量出來，這樣可以大大提高測角的分辨率。
如圖1，假設在指示脈沖時間間隔Ts內，對測角脈沖上升沿進行計數，計得N+1個，認為這段時間內的整數脈沖數為N，將前一個指示脈沖上升沿與計得的第一個測角脈沖上升沿之間的頭小數脈沖數n1加上第N+1個測角脈沖上升沿與后一個指示脈沖上升沿之間的尾小數脈沖數n2相加即為這段時間內的小數脈沖數。而下一段指示脈沖時間間隔的頭小數脈沖n3加上這段的尾小數脈沖n2為1。因此只需測量每一次的頭小數脈沖或尾小數脈沖即可。
假設測角脈沖周期為T，時間細分高頻計數時鐘脈沖周期為Tc，頭小數脈沖時間為To，利用高頻計數時鐘可以精確地將T與To測量出。測角脈沖數可表示為：

式中：f為測角脈沖信號頻率，fc為高頻計數時鐘頻率。假設測角脈沖信號頻率為1 MHz，高頻計數時鐘頻率為50 MHz，代入式(2)得δNp =0．033脈沖。假設某型陀螺的標度因數為1．8／脈沖，則角度測量誤差為0．033×1．8=0．059。可以看到誤差很小。脈沖細分技術的運用對提高測角精度起到了關鍵作用。