基于FPGA动态测频的转台动态角速度校准系统

常 欢，何俊波，余 臻，贺忠江，孙 浩

（北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

1 引言

目前，角速度校准一直采用定角测时或定时测角方法，以及一定时间域内精确测量转过确定角度的准确时间的“定时测角测时”法，实质上都是采用长时间求平均值的方法进行校准[1][2]。长时间求平均值的方法的采样时间比较长，得到的转速值是在一段时间内的平均值，因此无法校准转台在采样时间内的转速动态值，不能对转速的动态特性进行很好的评价。本文通过FPGA动态测频模块搭建转台动态角速度校准系统，实现转台角速度的动态校准，从而评测转台的动态角速度。

2 系统组成

转台动态角速度校准系统包括被测转台、标准圆光栅、信号调理模块，FPGA动态测频模块、上位机数据处理等部分，系统组成框图如图1所示。

图1 转台动态角速度校准系统框图

在转台上安装外置标准圆光栅，则校准转台的动态角速度，实际上是校准标准圆光栅输出正弦信号的周期。通过信号调理将圆光栅输出的正弦信号转换为数字电路易于识别的TTL脉冲波信号，完成信号的放大和整形。输入信号经信号调理后输出到FPGA 的脉冲计数管脚。经过FPGA 频率采集模块将采集的结果上传到上位机。动态角速度的数据处理要在完成数据采集和直接硬盘存储的基础上，用数据处理软件对存储的数据进行分析和处理，推导数据之间的关系，进而得到动态角速度的评测数据。

3 转台动态角速度校准算法

本文采用基于FPGA的动态测频方法，实现被测信号的实时采集。首先给出预置闸门信号（预置闸门周期要保证小于被测信号周期），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。本方法实际上是将被测信号的相临两个上升沿做为闸门信号，闸门起点和终点均与被测脉冲正沿同步，在闸门时间内计数标准脉冲个数。FPGA动态测频原理波形图如图2所示。

使用一个计数器对时基脉冲进行计数，设在一次实际闸门时间τ中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns。标准信号的频率为fs，则被测信号的频率为

图2 FPGA动态测频波形图

4 FPGA测频模块的实现

在动态测量的要求下，要保证较高精度的测频，必须采用较高的标准频率信号。FPGA可以满足超高速、实时测控方面的使用要求。本系统的测频基本电路基于FPGA完成，利用 FPGA测量频率的原理如图3所示。使能信号为高时表示测频结束，可以输出数据，此时频率模块停止工作，等待上位机读取数据。上位机读取数据结束后，数据输出模块将输出使能信号放低，同时将计数器模块清零，测频模块重新开始工作。测频模块频率测试完毕，产生一个数据锁存信号，将数据存入数据缓冲器中，同时将输出使能信号置高，通知上位机数据可读[3]。

图3 FPGA频率测量原理

5 试验结果及不确定度分析

利用圆光栅为角度传感器，当转台转动时，圆光栅信号细分后频率f与角速度ω的关系可用式（2）表示[4][5]。

式中，N为圆光栅刻线数；m为圆光栅信号细分数。

要实现角速度的动态测量，要连续测量圆光栅信号细分后每个脉冲的周期T，得到圆光栅信号细分后每个脉冲的周期T（即为被测脉冲周期），即可换算成角速度的瞬时值，可用式（3）表示。

FPGA测频模块标准晶振脉冲周期为T0，CB为被测脉冲周期理论值TB为TB=T0CB。

CTi为被测脉冲周期测量值，则被测脉冲角速度及标准偏差是s（k）分别为：

再根据文献[6]，得到测量不确定度为

圆光栅线数为2500线，圆光栅信号细分数为4。FPGA测频模块标准晶振为25M。转台动态角速度校准系统的测试结果如下。

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5 结束语

本文通过FPGA动态测频模块实现转台角速度的动态校准，搭建了转台动态角速度校准系统。本系统克服了传统的采用长时间求平均值的角速度测量方法的局限性，本系统采用的FPGA动态测频方法是一种值得参考的动态角速度测量方法。

[1] 董雪明.龙祖洪等.角速度波动率校准方法初探[J].航空计测技术.2004.24（5）：4-7.