摘  要: 簡(jiǎn)介了數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊的基本原理及其外圍電路的設(shè)計(jì)方法。該模塊可用于伺服機(jī)構(gòu)、位置控制和檢測(cè)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)給定,稍加改動(dòng)也可用于自整角機(jī)信號(hào)給定。

　　關(guān)鍵詞: 旋轉(zhuǎn)變壓器 自整角機(jī)  計(jì)算機(jī)接口

 　　《電子技術(shù)應(yīng)用》1999年第4期刊出的“旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊及其ISA接口電路的設(shè)計(jì)”一文介紹了將旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的原理及其電路的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)際應(yīng)用中,除了需要將旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)外,還經(jīng)常需要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)。如在計(jì)算機(jī)控制和測(cè)試過(guò)程中,均需要由計(jì)算機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)。本文介紹數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊的原理與電路設(shè)計(jì)方法。

1 數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊概述

　　中國(guó)船舶工業(yè)總公司第七研究院第七一六研究所生產(chǎn)的SXZ系列數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊是一種全電子的旋轉(zhuǎn)變壓器模擬裝置,也叫固態(tài)旋轉(zhuǎn)變壓器,其功能是將輸入數(shù)字全角量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)。該模塊是計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)之間的理想接口電路,可用于伺服機(jī)構(gòu)、位置控制、火控系統(tǒng)、模擬器和工業(yè)控制中。

2 數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊基本工作原理

　　數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊的原理框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)換模塊主要由參考變壓器、鎖存器、正弦乘法器、余弦乘法器、象限選擇開(kāi)關(guān)、功率放大器和輸出變壓器等幾部分組成。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)上是代表角度的數(shù)字量時(shí),控制脈沖的低電平將這些數(shù)字量鎖存起來(lái)。若數(shù)字量為14位二進(jìn)制數(shù),則“ENM”對(duì)應(yīng)高8位,“ENL”對(duì)應(yīng)低6位。數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器先將角度信息經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/模擬信號(hào)" title="模擬信號(hào)" target="_blank">模擬信號(hào),再按平面坐標(biāo)進(jìn)行分解,分解方法如圖2所示。設(shè)輸入數(shù)字量和轉(zhuǎn)換后得到的模擬量所代表的角度為α(以Y軸正向?yàn)?°,順時(shí)針增大),以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn),沿α方向取單位長(zhǎng)度線(xiàn)段,將該線(xiàn)段向兩坐標(biāo)軸投影,則X軸和Y軸上的投影分別為sinα和cosα。分解后的兩個(gè)直流模擬量經(jīng)過(guò)交流乘法器后,變?yōu)榻涣餍盘?hào)。

　　交流參考信號(hào)接在參考輸入端,經(jīng)變壓器降壓后送到數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器中。交流參考信號(hào)與sinα和cosα兩個(gè)直流信號(hào)相乘后,就得到兩路交流輸出信號(hào)。這兩路交流輸出信號(hào)的幅值分別隨兩個(gè)直流信號(hào)的變化而變化,頻率與交流參考信號(hào)相同。兩路交流信號(hào)分別送到中心線(xiàn)相互垂直的兩線(xiàn)圈中,則在兩線(xiàn)圈中形成交變磁場(chǎng),兩個(gè)交流磁場(chǎng)的向量的大小和方向,分別由sinα和cosα的大小和正負(fù)決定,如圖3所示。這兩個(gè)交流磁場(chǎng)合成后,所得合成磁場(chǎng)的向量方向,正好沿cosα信號(hào)軸正方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)α角。由此可見(jiàn),輸出的兩路交流信號(hào)在空間合成磁場(chǎng)的向量方向,就是輸入數(shù)字量所代表的角度值。這樣,數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器就把代表角度的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成了兩路(正弦和余弦)交流模擬信號(hào),其合成交變磁場(chǎng)的方向就代表這個(gè)輸入的角度值。

3 模塊主要技術(shù)指標(biāo)

　　該系列模塊有多個(gè)型號(hào),下面是14SXZ1413的主要性能指標(biāo):

　　輸入代碼  14位

　　輸出精度  ±4分

　　分辨率    1.3分

　　負(fù)載能力  1.3VA

　　參考電壓  36V/400Hz

　　輸出電壓  11.8V/400Hz

4 模塊輸出電路設(shè)計(jì)

　　模塊共有6個(gè)模擬信號(hào)接線(xiàn)端子,其中,RH和RL接交流參考信號(hào),S1、S2、S3和S4接旋轉(zhuǎn)變壓器。

　　為改善轉(zhuǎn)換器負(fù)載,提高其負(fù)載能力,應(yīng)在接收機(jī)的輸入端并聯(lián)調(diào)諧電容,如圖4所示。其目的是使并聯(lián)電容與接收機(jī)感性負(fù)載產(chǎn)生并聯(lián)諧振,使轉(zhuǎn)換器的有功功率輸出最大,以減小對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出功率要求。調(diào)諧電容容值的確定方法有如下兩種:

　　第一種為實(shí)驗(yàn)確定法。將圖4中的電容器改為可變電容器,輸入端(如S1端)串一個(gè)交流毫安表,在S1和S3之間加入額定激磁電壓(如36V/400Hz)。調(diào)整可變電容容值,使毫安表的讀數(shù)最小,此時(shí)的電容值,即為調(diào)諧電容值。

　　第二種為理論計(jì)算法。驅(qū)動(dòng)控制式變壓器所需最小功率可表示為:

　　因此,調(diào)諧電容起到了改善負(fù)載特性、提高轉(zhuǎn)換器的負(fù)載能力的作用。

　　幾點(diǎn)說(shuō)明:(1)調(diào)諧電容應(yīng)選用一級(jí)精度產(chǎn)品(±5%),盡量使幾個(gè)調(diào)諧電容容值相等;(2)調(diào)諧電容的耐壓應(yīng)大于300V,以免造成擊穿;(3)當(dāng)轉(zhuǎn)換器與負(fù)載斷開(kāi)時(shí),應(yīng)同時(shí)將調(diào)諧電容與轉(zhuǎn)換器斷開(kāi),以免造成轉(zhuǎn)換器的損壞。(4)調(diào)諧電容只適用于無(wú)源負(fù)載。

5 模塊輸入電路設(shè)計(jì)

　　模塊的輸入信號(hào)為并行自然二進(jìn)制碼,“1”腳對(duì)應(yīng)180度,“2”腳對(duì)應(yīng)90度,“3”腳對(duì)應(yīng)45度,余類(lèi)推。

　　由于輸入信號(hào)是數(shù)字量,故可以用多種方法來(lái)給定,如單片機(jī)的輸出口、I/O板的輸出口等。為減小干擾,模塊電路與計(jì)算機(jī)之間應(yīng)采用光電隔離。在實(shí)際應(yīng)用中,筆者還發(fā)現(xiàn),若直接將光隔離片輸出端與模塊輸入端相連,則模塊發(fā)熱量較大,若中間增加一個(gè)非門(mén),則發(fā)熱量小得多。該現(xiàn)象對(duì)“旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字”轉(zhuǎn)換模塊尤為明顯。

　　控制線(xiàn)上的邏輯“高”電平使輸入實(shí)現(xiàn)透明,轉(zhuǎn)換器的輸出將跟隨數(shù)字輸入量變化。當(dāng)“ENM”、“ENL”同時(shí)為低電平,則轉(zhuǎn)換器的輸出將被鎖存為下降沿時(shí)刻的輸入數(shù)據(jù),并保持不變,直到“ENM”、“ENL”又置為高電平。如果不需要鎖存器,“ENM”、“ENL”外接27kΩ上拉電阻到+5V即可。

參考文獻(xiàn)

1 SXZ系列數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換模塊使用說(shuō)明書(shū).中國(guó)船舶工業(yè)總公司第716所