基于FPGA的测角脉冲细分电路的设计

摘要：对传统的数字化转角测量方法进行了简要介绍，提出了一种能够提高测角分辨率的脉冲细分技术，并结合激光陀螺输出信号对该方法进行了误差分析。接着利用FPGA对此项技术进行了硬件实现，具体描述了电路各部分的工作原理及程序设计，并使用QuartusⅡ软件对电路进行了仿真。最后，对某型激光陀螺输出信号进行周期采样，对电路进行了实验验证。结果表明该技术能够有效提高转角测量分辨率，电路工作稳定，取得了预期的效果。
关键词：角度测量；脉冲细分；高精度分辨率；FPGA

传统的基于脉冲计数原理的角度测量方法主要是对采样时间间隔内的整脉冲数进行计数，这种方法的测角分辨率依赖于相应的角度传感器，分辨率相对较低，带来的误差较大。以高精度的激光陀螺为例，传统的整脉冲计数方法仅能获得角秒量级的角度分辨率，这样的分辨率并不能满足某些高精度测量。本文提出的脉冲细分技术可以对测角脉冲进行细分，以获得更高的测角分辨率。

1 脉冲细分技术
传统的对角度传感器数字脉冲的测量方法是在确定的采样时间内对脉冲数进行计数。如图1是在2个指示脉冲时间间隔Ts内对脉冲计数，计数值为N+1。

在时间间隔Ts内存在最大为±1个脉冲的计数误差，误差δN在区间[-1，1]上的概率密度分布为均匀分布，根据计算为δN=0．82。某型激光陀螺的标度因数约为1．8／脉冲，则整脉冲计数方法的角度测量误差为0．82×1．8=1．48，这并不能满足高精度测角的要求。
脉冲细分技术是根据转台伺服控制系统中数字化速度测量方法中的高速、高精度、连续测速方案来实现的。利用脉冲细分技术对测角脉冲进行细分，将脉冲数的小数部分精确测量出来，这样可以大大提高测角的分辨率。
如图1，假设在指示脉冲时间间隔Ts内，对测角脉冲上升沿进行计数，计得N+1个，认为这段时间内的整数脉冲数为N，将前一个指示脉冲上升沿与计得的第一个测角脉冲上升沿之间的头小数脉冲数n1加上第N+1个测角脉冲上升沿与后一个指示脉冲上升沿之间的尾小数脉冲数n2相加即为这段时间内的小数脉冲数。而下一段指示脉冲时间间隔的头小数脉冲n3加上这段的尾小数脉冲n2为1。因此只需测量每一次的头小数脉冲或尾小数脉冲即可。
假设测角脉冲周期为T，时间细分高频计数时钟脉冲周期为Tc，头小数脉冲时间为To，利用高频计数时钟可以精确地将T与To测量出。测角脉冲数可表示为：

式中：f为测角脉冲信号频率，fc为高频计数时钟频率。假设测角脉冲信号频率为1 MHz，高频计数时钟频率为50 MHz，代入式(2)得δNp =0．033脉冲。假设某型陀螺的标度因数为1．8／脉冲，则角度测量误差为0．033×1．8=0．059。可以看到误差很小。脉冲细分技术的运用对提高测角精度起到了关键作用。