利用Xilinx FPGA和分解器數字轉換器簡化角度測量

圖3 – SD-14620方框圖（單信道）
圖中文字如下：
REFERENCE CONDITIONER：基準調節器
BIT DETECTOR：位檢測器
“S” OPTION SYNTHESIZED REFERENCE：“S”選項綜合基準
INPUT OPTION：輸入選項
CONTROL TRANSFORMER：控制變壓器
GAIN：增益
DEMODULATOR：解調器
HYSTERESIS：滯后
INTEGRATOR：積分器
DC/DC CONVERTER：DC/DC轉換器
14/16 BIT UP/DOWN COUNTER：14/16位遞增/遞減計數器
VCO & TIMING：VCO與時序
DATA LATCHES：數據鎖存器
FILTER：濾波器
47μf external capacitor：47μf外部電容

圖4 – OSC-15802基準振蕩器方框圖
圖中文字如下：
QUAD OSCILLATOR：四線組振蕩器

檢測器采用分解器的轉子電壓作為基準同步解調此AC誤差信號。這會產生與sin (θ -ψ)成正比的DC誤差信號。

DC誤差信號饋送到積分器，其輸出驅動一個由電壓控制的振蕩器。而VCO會導致遞增/遞減計數器按正確方向計數，從而在一次計數中產生：

sin (θ -ψ)→0方程8

當取得此結果，則：

θ -ψ→0  方程9

因此，

θ = ψ 方程10

因此，計數器的數字輸出ψ代表著角度θ。鎖存器可以在不中斷回路跟蹤情況下實現此數據向外部的傳輸。

此電路等效于2型伺服回路，因為它實際上有兩個積分器。一個是累計脈沖的計數器；另一個是位于檢測器輸出端的積分器。在具有恒定旋轉速度輸入的2型伺服回路中，輸出數字字連續跟隨或跟蹤該輸入，而無需外部導出轉換。

RDC典型實例：SD-14621

SD-14621是數據設備公司（DDC）生產的小型低成本RDC。它有兩條具備可編程分辨率控制功能的信道。分辨率編程功能允許選擇10、12、14或16位模式[4]。此功能允許低分辨率高速跟蹤或者更高分辨率支持更高精度。由于其大小、成本、精度與多功能性，此轉換器適用于高性能軍用、商用及位置控制系統。

器件的運行需要一個+5V電壓。轉換器有兩個對模擬地為±4V電壓范圍的速度輸出（VEL A、VEL B），可用于替代轉速計。為兩條信道（/BIT A與/BIT B）提供兩個內置測試輸出，以指示信號丟失（LOS）。

此轉換器由三大部分組成：輸入前端、誤差處理器和數字接口。前端對于同步器、分解器和直接輸入端有所不同。電子Scott-T用于同步器輸入，分解器調節器用于分解器輸入，而正弦與余弦電壓跟隨器用于直接輸入端。這些放大器可以饋送高精度控制變壓器（CT）。CT的另一個輸入是16位數字角度ψ，其輸出是兩個輸入之間的模擬誤差角度或差分角度。CT采用放大器、交換機、邏輯電路與電容器以查準率執行SINθ COSψ - COSθ SINψ = Sin(θ-ψ)的三角函數計算。

與常規精密電阻器相比，這些電容器按查準率使用，以獲得更高精度。另外，這些電容器（與運算放大器一起用作計算元件）進行高速采樣，以消除偏移和運算放大器偏差。

DC誤差處理進行積分運算，然后得到驅動電壓控制振蕩器的速度電壓。此VCO與速度積分器結合在一起構成遞增積分器：一種2型伺服反饋回路。

基準振蕩器

我們設計中采用的OSC-15802功耗振蕩器也是DDC公司提供。此器件適用于RDC、同步器、LVDT和感應式傳感器應用[5]。頻率與振幅輸出可以分別由電容器和電阻器編程。輸出頻率范圍介于400Hz~10kHz之間，輸出電壓為7Vrms。圖4顯示了器件的方框圖。

饋送到分解器和RDC的振蕩器輸出用作基準信號。

FPGA的I/O電壓為3.3V，而RDC的電壓為5V。我們采用電壓收發器實現兩個器件之間的電壓兼容。

VIRTEX-5 FX30T FPGA與RDC接口

我們在設計中采用賽靈思Virtex-5 FX30T FPGA [6]。FPGA的I/O電壓為3.3V，而RDC的電壓為5V。因此我們采用電壓收發器來實現這兩個器件之間的電壓兼容。通過賽靈思提供的GPIO IP核與FPGA建立內部連接，如圖5所示。

為了簡單起見，圖5僅顯示一條具有一個分解器接口的信道。您可以在本文件隨附的賽靈思開發板描述（XBD）文件找到RDC的引腳詳情以及FPGA對應的專用引腳。詳情見該文件第一部分。