基于FPGA的測(cè)角脈沖細(xì)分電路的設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)角測(cè)量方法進(jìn)行了簡要介紹，提出了一種能夠提高測(cè)角分辨率的脈沖細(xì)分技術(shù)，并結(jié)合激光陀螺輸出信號(hào)對(duì)該方法進(jìn)行了誤差分析。接著利用FPGA對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)，具體描述了電路各部分的工作原理及程序設(shè)計(jì)，并使用QuartusⅡ軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真。最后，對(duì)某型激光陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行周期采樣，對(duì)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該技術(shù)能夠有效提高轉(zhuǎn)角測(cè)量分辨率，電路工作穩(wěn)定，取得了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞：角度測(cè)量；脈沖細(xì)分；高精度分辨率；FPGA

傳統(tǒng)的基于脈沖計(jì)數(shù)原理的角度測(cè)量方法主要是對(duì)采樣時(shí)間間隔內(nèi)的整脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這種方法的測(cè)角分辨率依賴于相應(yīng)的角度傳感器，分辨率相對(duì)較低，帶來的誤差較大。以高精度的激光陀螺為例，傳統(tǒng)的整脈沖計(jì)數(shù)方法僅能獲得角秒量級(jí)的角度分辨率，這樣的分辨率并不能滿足某些高精度測(cè)量。本文提出的脈沖細(xì)分技術(shù)可以對(duì)測(cè)角脈沖進(jìn)行細(xì)分，以獲得更高的測(cè)角分辨率。

1 脈沖細(xì)分技術(shù)
傳統(tǒng)的對(duì)角度傳感器數(shù)字脈沖的測(cè)量方法是在確定的采樣時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖1是在2個(gè)指示脈沖時(shí)間間隔Ts內(nèi)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N+1。

在時(shí)間間隔Ts內(nèi)存在最大為±1個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)誤差，誤差δN在區(qū)間[-1，1]上的概率密度分布為均勻分布，根據(jù)計(jì)算為δN=0．82。某型激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)約為1．8／脈沖，則整脈沖計(jì)數(shù)方法的角度測(cè)量誤差為0．82×1．8=1．48，這并不能滿足高精度測(cè)角的要求。
脈沖細(xì)分技術(shù)是根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)中數(shù)字化速度測(cè)量方法中的高速、高精度、連續(xù)測(cè)速方案來實(shí)現(xiàn)的。利用脈沖細(xì)分技術(shù)對(duì)測(cè)角脈沖進(jìn)行細(xì)分，將脈沖數(shù)的小數(shù)部分精確測(cè)量出來，這樣可以大大提高測(cè)角的分辨率。
如圖1，假設(shè)在指示脈沖時(shí)間間隔Ts內(nèi)，對(duì)測(cè)角脈沖上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)得N+1個(gè)，認(rèn)為這段時(shí)間內(nèi)的整數(shù)脈沖數(shù)為N，將前一個(gè)指示脈沖上升沿與計(jì)得的第一個(gè)測(cè)角脈沖上升沿之間的頭小數(shù)脈沖數(shù)n1加上第N+1個(gè)測(cè)角脈沖上升沿與后一個(gè)指示脈沖上升沿之間的尾小數(shù)脈沖數(shù)n2相加即為這段時(shí)間內(nèi)的小數(shù)脈沖數(shù)。而下一段指示脈沖時(shí)間間隔的頭小數(shù)脈沖n3加上這段的尾小數(shù)脈沖n2為1。因此只需測(cè)量每一次的頭小數(shù)脈沖或尾小數(shù)脈沖即可。
假設(shè)測(cè)角脈沖周期為T，時(shí)間細(xì)分高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖周期為Tc，頭小數(shù)脈沖時(shí)間為To，利用高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘可以精確地將T與To測(cè)量出。測(cè)角脈沖數(shù)可表示為：

式中：f為測(cè)角脈沖信號(hào)頻率，fc為高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率。假設(shè)測(cè)角脈沖信號(hào)頻率為1 MHz，高頻計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為50 MHz，代入式(2)得δNp =0．033脈沖。假設(shè)某型陀螺的標(biāo)度因數(shù)為1．8／脈沖，則角度測(cè)量誤差為0．033×1．8=0．059。可以看到誤差很小。脈沖細(xì)分技術(shù)的運(yùn)用對(duì)提高測(cè)角精度起到了關(guān)鍵作用。