利用FPGA和分解器数字转换器简化角度测量

　　1 编码器和分解器的类型

　　编码器分为增量和绝对两个基本类别。增量编码器可以监控轮轴上的两个位置，可以在轮轴每次经过这两个位置时产生A或B脉冲。独立的外部电动计数器然后从这些脉冲解读出转速和旋转方向。虽然适用于众多应用，但是增量式计数器确实存在某些不足。例如，在轮轴停转情况下，增量编码器在开始运行之前必须首先通过调回到某个指定校准点来实现自身校准。另外，增量式计数器易受到电气干扰的影响，导致发送到系统的脉冲不准确，进而造成旋转计数错误。不仅如此，许多增量编码器属于光电器件，如果对目标应用有影响，则无法用于辐射危险区域。

　　绝对编码器是监控轮轴旋转计数和方向的传感器系统。在基于绝对编码器的系统中，用户一般把转轮连接到具有电触头或光电基准的轮轴。在轮轴运行时，基于绝对编码器的系统会记录旋转和运行方向，同时产生易于转换成代码(最常见的是二进制码或格雷码)的并行数字输出。绝对编码器的优势在于只需要校准一次(一般是在工厂中校准)，而无需每次使用前都校准。此外，绝对编码器一般比其它编码器更可靠。不过，绝对编码器一般很昂贵，而且它们不利于进行并行数据传输，尤其是在测量其读数的电子系统距离编码器较远情况下。

　　分解器就其本身而言是一种旋转变压器——一种输出电压与其所监控的输入轴角唯一关联的模拟器件。它是一款具有0°~360°旋转角度的绝对位置传感器，其直接连接到轮轴并报告转速和位置。分解器与编码器相比有诸多优势。分解器非常稳健可靠，能够经受带有灰尘、油污、极端温度、振动和辐射的严酷环境。作为一种变压器，分解器可以提供信号隔离以及对电气干扰的自然共模抑制。除了这些特性之外，分解器只需要四根线就可进行角数据传输，这使其能够适用于从重工业、微型系统到航空航天工业等各种应用。

　　无刷分解器得到了进一步改进，其无需与转子的滑环连接。因此，这种分解器更可靠，而且使用寿命更长。

　　分解器采用两种方式获取与轴角相关的输出电压。在第一种方式中，如图1所示的转子绕组由交变信号激励，而输出来自两个定子绕组。由于定子是以机械方式定位到正确角度，因此输出信号幅度是通过轴角的三角正弦和余弦关联。正弦与余弦信号均具有与原始激励信号相同的相位;仅其幅度随轮轴的旋转通过正弦与余弦进行调制。

　　在第二种方式中，定子绕组由相位正交的交变信号激励。然后在转子绕组中感应电压。绕组的幅度和频率固定，但其相移随轴角变化。

　　分解器可以放置到需要测量角度的位置。而电子装置一般指的是分解器数字转换器(RDC)，可以放置到需要测量数字输出的位置。分解器的模拟输出(含有轮轴角位置信息)然后经RDC转换成数字形式。

　　2 典型RDC的功能

　　一般而言，分解器的两个输出会应用到RDC的正弦与余弦乘法器。这些乘法器结合正弦和余弦查找表以及函数构成乘法数模转换器。图2显示了其功能。