火控系统中角度测量系统的设计与实现

　　1　引　言

　　在火力指挥控制系统中,载体平台的姿态,传感器和火炮伺服系统中的高低、方位等离不开角度位置信号的测量、控制和传递,一般采用自整角机或旋转变压器[1]形式的模拟信号,角度位置信号的正确与否和精度决定了火控设备的整体工作状况和性能。旋转变压器-数字转换装置是基于旋转变压器的方位角测量系统的重要组件,其方案选择直接影响整个系统的准确度,国内外知名半导体公司将其发展成单片集成或模块电路,如AD2S80ARDC,ZSZ/XSZ系列[2]等,它们性能优越,但是价格昂贵,不适合低成本要求。

　　介绍的数字转换器是以高性能单片机C8051F330D为核心,配以简单的信号处理电路、成本低、易于实现,能满足多数火控教学实验的要求,且模块化软硬件设计易于功能扩展。

　　2　旋转变压器特性分析

　　旋转变压器是模拟型机电元件。根据其偏移角度θ的不同,旋转变压器励磁信号和输出信号为:

　　其中,Z为励磁信号;X,Y为正余弦信号输出;ω为信号角频率,400 Hz中频为2π/400 Hz;k为原副边比;θ为偏移角度。旋转变压器轴角-数字转换器的功能就是根据这3路模拟信号求出偏移角度θ的13位数字量。当旋转变压器负载运行时,由于其绕组的漏阻抗而导致输出绕组上有一定压降,使输出电压不再与转子转角成正、余弦函数关系,出现一些偏差。为消除输出畸变,采用原副边同时补偿的旋转变压器接线方法。可消除由于负载阻抗变化和交流磁通的影响,减小误差,提高输出信号精度。

　　3　硬件实现

　　3.1　轴角转换系统工作原理

　　系统主要由旋转变压器、信号调理电路、大小分选和采样控制电路、单片机控制电路和通信显示电路5部分[3-5]构成。其中主控芯片C8051F330D[6]内部集成有A/D,SPI,UART等功能模块,大幅度减少了系统电路复杂性和成本,系统工作原理如图1所示。

　　旋转变压器3路模拟信号先经过信号调理电路[7调理成单片机可接受的整流信号和相位信息的数字编码以区分角度区间,同时通过励磁整流信号相位控制A/D采样克服电子开关低电压造成的交越失真影响,提高系统精度和采样率。两路正余弦整流信号经过大小分选后送入A/D,大者做采样基准信号,小者做采样信号,单片机控制A/D采样转换得到ADC值为:

　　在单片机内部经过软件滤波处理后进行反正切变换得到单区间的角度数字量,根据区间编码求出绝对角度θ,最后选择4位LED显示或RS 232输出角度。

　　3.2　信号调理电路

　　由于sinωt,sinθ和cosθ都有正负之分,信号调理电路主要功能是把输入交流信号X,Y,Z转换成3路为满足A/D基准和输入要求的单极性模拟信号。系统共有3路信号调理电路,首先将输入信号峰值进行分压衰减到2.7 V,然后采用能区分输入信号Asinωt,kAsinθsinωt或kAcosθsinωt的相位的相敏整流电路[6,7]。