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自整角信号解算器设计

第1章引言

解算电路中的核心是AD2S83解算芯片，其作用是将模拟电路转化的正交信号进行转化，以二进制数的形式输出给单片机。单片机将解算电路输出的二进制数值转换为角度的形式，并以字符串的形式输出。所输出的结果即为最后的结算结果。

本课题的研究内容包括自整角信号解算器的电路设计布局；研究AD2S83解算芯片的电路设计；研究模拟电路的设计；研究单片机最小系统的设计；研究利用Keil5编写基于STM32单片机的二进制的解算程序；研究使用Multisim和立创EDA来仿真和设计自整角信号解算器的电路。同时对该电路进行PCB电路板的绘制与布局设计。

第2章自整角信号解算器的介绍

2.1自整角信号解算器的介绍与方案的选择

本课题采用的是基于单片机的自整角信号解算器，该解算器大体由三部分组成，分别是将自整角信号转化为正余弦信号形式的模拟电路；将模拟正余弦信号转化为二进制形式的解算电路；将二进制数解码为字符串形式的单片机最小系统。自整角机由定子和转子组成，定子的三相对称绕组在空间上依次落后120°，当在转子的两端施加适当的频率和幅度的交流电时，在定子的各相绕组上就会产生相应的电势差信号。我们所设计的解算器不需要由电路自身的自整角机产生自整角信号，而是直接通过外部进行信号的输入，在这里我们介绍三种自整角信号解算器的设计思路：1：对于自整角机输出的模拟正弦电压信号需要通过一个调整电路对其电压进行适当的调整，调整电路主要用来对外部输入的正余弦信号进行压降以及隔离，外部输入的信号经过电阻的压降以后输入到一个具有高共模抑制比的差分放大电路中，来有效的抑制干扰信号。经过调整的信号输入到A/D转换模中，通过A/D转换模块将其转换为14位的数字信号，转换芯片采用AD7657，转换后的数字信号输入到一个单片机的最小系统中，通过单片机对数字信号进行解码并进行显示。单片机的选用为STC12C5A60S2。电路图如图所示；

2：第二种设计方案包括电源模块（+15V和+5V,+15V电源不能接反，且+15V的电源连接时间不能晚于+5V,这样可以保证电路的正常运作。）激励信号电路（避免干扰信号对于后面电路的影响，将参考信号的地和电路中的地分开，由于微型变压器的输出功率非小为了驱动后续电路，需要通过运算放大器进行放大。上述电路可用于处理共模电压范围在±270V之间的信号;并可以承受持续10s高达±500V的共模信号输入，对电路能起到很好的隔离保护作用;对于400Hz的共模信号共模抑制比高达95dB，可以很好地抑制外界干扰。由于使用了自制的微型变压器和运算放大器的裸芯片，所以本电路板的面积明显下降，成本低）单片机模块（用STC15F2K60S2单片机，该芯片有较快的指令运行速度其内部有专用于复位电路的MAX810，具有高速、低功耗、超强抗干扰、超强抗静电、高可靠性等性能，适用于对电机控制和强干扰场合。）数模转换电路（采用AD5557和ADR01芯片）乘法输出电路（适合高分辨率多路复用应用，可通过简易数字接口对该器件进行配置，平衡噪声性能与数据吞吐量等，该芯片可最高实现15．4kHz的转换速率，该模拟前端具有4个单端输入通道，采用+5V模拟电源供电时可接受最高±10V的单极性或双极性输入范围。）[8]

3：利用固态Scott-T电路将自整角信号信号转化为正余弦形式的信号，该信号输入到A/D转换模块中，转化模块将模拟信号转化为二进制数字信号，利用单片机最小系统对二进制数字信号进行解码，转化成角度信息，并以字符串的形式进行显示。在这个设计方案中我们我们的A/D数模转化芯片采用的是AD2S83，单片机我们所采用的是STM32F103C8T6单片机。[1]

2.2AD2S83介绍

数/模转换器种类有多种多样,其作用是将16位的二进制数转化为含有该数字角度量的自整角机信号输出的转换器16bit自然二进制数字角度量采用LS/CMOS数字锁存，输入和输出交流信号采用输入、输出变压器隔离，这样就使得转换器在使用中

不用外加数字锁存器，不用外接参考变压器和输出变压器。本课题中我们所采用的数模转换芯片是AD2S83是一种允许用户选择分辨率为10、12、14或16位的旋变数字转换器，AD2S83可以将旋转变压器格式输入信号转换为并行自然二进制数，这确保了较高的抗噪性能和长引线的耐受性。AD2S83的工作参考频率为0Hz-20,000Hz，它的优势显著，其特点可概括为：高精度速度输出（可生成典型线性度为±0.1%且反向误差小于±0.3%的精密模拟速度信号。信号的提供消除了对伺服系统中使用的机械测速发电机的需求，以保证了环路的稳定和速度控制。）；分