用于伺服系统的信号处理电路设计

用于伺服系统的信号处理电路设计

周向红，卫青松，庄永河，李倚天

中国电子科技集团第四十三研究所 安徽省 合肥市 230088

摘要：本文介绍了一种用于伺服系统的信号处理电路设计，通过调理放大、电子开关、选频放大、相敏解调、有源陷波等把两路19.2kHz的正弦交流信号按一定比例转换为直流电压，从电路功能、指标要求、电路原理和设计技术分析等方面进行了阐述，并进行了仿真，且实现了产品化。

关键词：伺服；信号处理；选频放大；相敏解调；有源陷波

1 引言

伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，是物体的的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。随着伺服系统的广泛应用和推广，伺服系统中控制信号的线性变换与准确传递至关重要。

伺服系统对信号处理电路的增益、非线性度、零位、干扰电压、相移等指标有一定要求，本电路同时对同一批次产品指标变化率、不同批次产品指标变化率，三温指标变化率等一致性指标提出了要求，主要通过基本电路设计、器件选型、版图优化设计等来实现，单元电路由调理放大电路、电子开关、选频放大电路、相敏解调电路、有源陷波电路，校正放大电路等组成。

主要指标要求如下：

（1）相移：-3°～3°；

（2）干扰输出电压：≤150mV；

（3）非线性度：≤3%；

（4）零位输出电压：-20mV～20mV

（5）扶正增益：45～55；

（6）稳定增益：180～220；；

（7）增益变化率： -5%～5%；

2 设计原理概述

如图1所示，两路输入信号分别为稳定输入信号和扶正输入信号，频率为19.2kHz正弦波，经过电子开关进行切换，然后经过选频放大、解调变换成正比于输入交流信号的直流信号。陷波器滤除几百Hz的干扰信号，直流信号经校正放大后输出直流电平控制调宽功放电路。前置放大器为普通一级运放构成、电子开关由模拟电子开关构成，选频放大器采用二阶带通滤波器，它由一个运算放大器和RC网络组成。相敏解调采用半波解调方式，有源陷波器为文式电桥方式，直流校正放大器调整端外置。

图1 电路原理框图

3 电路的设计

3.1干扰电压指标的设计优化

干扰电压指标主要受版图布线的影响，前端电路如图2所示，产品有两路输入信号，经过反相放大、电子开关选择，再把选择后的信号经选频放大电路进行放大，在版图布线时，两前放电路部分要尽量远离，不能有交叉，与选频放大电路部分也要尽量远离，不能与选频放大电路中运放的反相输入端靠近。

图2 前端电路

3.2选频放大电路的优化设计

图3 选频放大电路

选频放大电路原理图如图3所示，此电路即为有源带通放大电路。

传递函数为：

中心频率为：

频域仿真结果如图4所示。中心频率为19.2kHz，增益为10.5dB。产品调试时须使选频放大电路的相移为180°左右，以使产品的输入信号在经过调理反相放大（相移为180°）、电子开关、选频放大后（相移为180°），选频输出与输入信号的相位差接近360°或0°，以满足指标要求。

图4 选频放大电路仿真图

选频放大电路中，电容用的是一类陶瓷电容，温漂较小，产品中除了一个可调电阻用厚膜印制电阻外，其它电阻采用薄膜电阻，且采用高精度负温度系数的补偿型薄膜电阻，以解决相移性能指标的温漂问题。

为了提高产品同一批次和不同批次的一致性指标，阻容器件特别是敏感器件的精度尽量采用高精度，如选频放大电路中C1C2的精度由5%改为1%后的时域仿真图如图5所示。

图5 C1和C2电容精度提高前后选频输出端的离散性比较图

（注：图上为精度提高前、图下为精度提高后）

从以上的仿真结果可以看出，C1C2电容精度提高后对电路指标的一致性有很大的改善。

3.3 相敏解调电路的设计

图6 相敏解调电路

如图6所示，相敏解调电路由模拟开关和放大器组成，正弦信号通过模拟开关和TTL方波信号控制后转换为半波信号，再经放大滤波后转换为直流电压信号。

相敏解调电路在进行版图设计时要考虑零位电压指标的设计，输入信号是零信号状态，相敏解调电路中还有TTL信号的输入，如主信号电路的地与解调电路中模拟开关的地连在一起且非常靠近的话，TTL信号对主信号就会有一定的干扰，进而影响零位指标，在版图设计时，须把这两条地线分开走线，且在模拟开关芯片的电源与地间加滤波电容，减少TTL电平及电源纹波对零位指标的影响。

3.4 陷波电路的设计

陷波电路如图7所示， 主要功能是滤除系统中几百赫兹的噪声干扰，其频域仿真图如图8所示。

图7 陷波电路

图8 陷波电路频域仿真图

4 产品达到的水平

电路产品的实测指标与合同指标的对比情况如表1所示。

表1 产品的实测指标与合同指标的对比

5结束语

伺服系统的信号处理电路把两路19.2kHz的正弦交流信号按一定比例转换为直流电压，直流信号经校正放大后输出直流电平控制调宽功放电路。本文论述了各单元电路，对设计电路进行了分析和仿真，并给出了仿真计算和实际测量结果，实现了产品化，为同类电路的设计提供了参考，具有一定的实用性。

参考文献

［1］何希才.运算放大器应用电路设计.科学出版社.2007.

［2］童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2001.

［3］杨建国.你好，放大器.西安交通大学.2014.

第一作者简介

周向红(1979- )，男，安徽望江人，硕士研究生，控制理论与控制工程专业，现主要从事信号处理与控制电路的设计

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