介紹一個(gè)簡單的模擬旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)的方法

所謂旋轉(zhuǎn)變壓器，即是一種電磁傳感器，通常被用于測量“旋轉(zhuǎn)物體“的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。這些“旋轉(zhuǎn)物體”通常應(yīng)用于汽車電子（凸輪/曲軸位置），航空（襟翼位置）以及舵機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。

當(dāng)對(duì)使用旋轉(zhuǎn)變壓器的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、測試及故障排查時(shí)，很有必要建立一個(gè)可以模擬實(shí)際旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的系統(tǒng)，尤其是當(dāng)需要測量一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器電路的操作限值以及隨之產(chǎn)生的信號(hào)時(shí)。所建立的仿真系統(tǒng)使得我們可以通過添加一些已知誤差信號(hào)到待測信號(hào)上，或者通過改變信號(hào)的幅度/頻率/波形形狀來確認(rèn)故障點(diǎn)，從而控制和測試待測系統(tǒng)的限值。

接下來我們將介紹一下一個(gè)簡單的模擬旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)的方法。

旋轉(zhuǎn)變壓器基礎(chǔ)知識(shí)

大部分旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下：作為轉(zhuǎn)子的初級(jí)線圈，以及兩個(gè)固定線圈（彼此成90度定位的定子）

圖1 常見旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)

初級(jí)線圈由交流電壓Vr供電。初級(jí)線圈接收到的激勵(lì)信號(hào)通常是正弦波，然后耦合到兩個(gè)次級(jí)線圈上。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器中，兩個(gè)次級(jí)線圈的安裝角度互為90度。由于每個(gè)次級(jí)線圈位于相對(duì)于初級(jí)線圈不同的位置，所以它們具有不同的耦合效率；又因?yàn)樗麄儽舜酥g角度差為90度，所以他們的輸出的信號(hào)為正交的（相位相差90度）。隨著轉(zhuǎn)子角度的變化，次級(jí)線圈的輸出信號(hào)將如圖所示變化：

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出波形

從圖中我們可以看出，每個(gè)軸角都有對(duì)應(yīng)的電壓值。通過測量次級(jí)線圈的瞬時(shí)電壓，可以確定轉(zhuǎn)子的角度。

仿真儀器

在本文所提的仿真實(shí)驗(yàn)中，我們將使用任意波形發(fā)生器為初級(jí)線圈提供激勵(lì)電壓。該任意波形發(fā)生器將用于同時(shí)調(diào)制另一臺(tái)雙通道信號(hào)發(fā)生器的輸出。如前所述，這些輸出將代表次級(jí)正弦和余弦線圈所輸出的信號(hào)。

1． SDG1062X: 作為給次級(jí)線圈輸入調(diào)制信號(hào)的調(diào)制源。所選的儀器的帶寬應(yīng)該能夠與您正在模擬的旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈的最小和最大頻率規(guī)格相匹配。許多旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈信號(hào)的頻率從5 k到20 kHz不等，電壓從幾百mV到幾百V不等。 這些更高的電壓用于激勵(lì)次級(jí)線圈。

2． SDG2042X:用于模擬次級(jí)線圈。該儀器應(yīng)具有單個(gè)外部調(diào)制輸入，獨(dú)立相位控制和雙邊帶AM（DSB-AM）調(diào)制的功能，以上功能將應(yīng)用于模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號(hào)。

3． 雙通道示波器（我們使用SDS5022X超級(jí)熒光示波器）：對(duì)模擬系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。選擇具有適當(dāng)帶寬的示波器非常重要。（所選示波器帶寬至少是待測信號(hào)的2-3倍，如果待測信號(hào)是方波的時(shí)候，則需要選擇更高帶寬的示波器）本文中我們選用的示波器還具有搜索&導(dǎo)航功能和Zoom功能，以及配備了一個(gè)10.1英寸的大電容觸摸屏，使我們更容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

儀器設(shè)置

用一根BNC線從SDG1062X的通道1連接到SDG2042X的Aux In /Out口，如下圖所示：

圖3 模擬系統(tǒng)儀器連接示意

詳細(xì)步驟：

1. 把SDG2042X的兩路輸出（即所模擬的次級(jí)線圈的輸出）接到示波器上。
2. 將SDG1062X（即初級(jí)線圈）所輸出的正弦波（Vr）調(diào)至儀器所能輸出的最低頻率。一般情況下，Vr的頻率范圍大概在5k-20kHz之間。SDG1062X將用于調(diào)制次級(jí)線圈發(fā)生器的輸出信號(hào)，其電壓設(shè)置應(yīng)該從10Vpp開始，然后逐漸調(diào)整。
3. 設(shè)置SDG2042X的CH1輸出頻率為1Hz，電壓為10Vpp的正弦波。（或者設(shè)置為旋轉(zhuǎn)變壓器電路的最大電壓）。
4. 把SDG2042X的輸出波形設(shè)為經(jīng)過DSB-AM調(diào)制的。
5. 設(shè)置SDG2042X的CH2輸出與CH1相同的正弦調(diào)制信號(hào)，僅將相位偏移設(shè)置為90度。這將保證我們所模擬的次級(jí)線圈的信號(hào)相位相差90度，符合實(shí)際情況。

SDG2042X的信號(hào)輸出頻率模擬的是次級(jí)線圈輸出頻率，其反映了實(shí)際的旋轉(zhuǎn)變壓器初級(jí)線圈的旋轉(zhuǎn)頻率大小。需確保將CH1和CH2都設(shè)置為相同的頻率。

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注：SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器具有通道復(fù)制功能和通道耦合功能，可使得以上步驟更加簡單。

要在兩個(gè)通道之間耦合頻率，請(qǐng)按Utility> 通道復(fù)制耦合>通道耦合= 打開。 然后，任一通道的頻率變化都將應(yīng)用于另一個(gè)通道。 這可以讓你同時(shí)改變兩個(gè)通道的頻率。

如果要將設(shè)置從一個(gè)通道復(fù)制到另一個(gè)通道，請(qǐng)按Utility>通道復(fù)制耦合> 通道復(fù)制> CH1 => CH2即可。

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6. 打開SDG1062X的通道1和SDG2042X的兩個(gè)通道。
7. 驗(yàn)證模擬系統(tǒng)的性能。調(diào)節(jié)SDG1062X的頻率（轉(zhuǎn)子的變化率），進(jìn)行驗(yàn)證，直到測試到該模擬器系統(tǒng)的極限。

下圖顯示了在調(diào)節(jié)SDG1062X的頻率和SDG2042X的頻率時(shí)的示波器所顯示的圖像：

圖4 初級(jí)線圈為5kHz，次級(jí)線圈為100Hz

圖5 初級(jí)線圈為5kHz，次級(jí)線圈為200Hz

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注：不要輸入過高的電壓以免使模擬次級(jí)線圈的任意波形發(fā)生器過載。大約10Vpp左右的電壓就足以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。下圖即顯示了當(dāng)輸出過高電壓時(shí)的調(diào)制輸出。

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圖6 輸出電壓設(shè)置為14V，過高，此時(shí)波形的邊緣已經(jīng)接近方波

圖7 輸入正確范圍內(nèi)的電壓（10Vpp），我們可以看到此時(shí)波形的邊緣是光滑的

比較SDG1032X（初級(jí)線圈）的調(diào)制頻率和SDG2042X（次級(jí)線圈）的調(diào)制參數(shù)。如果SDG2042X（次級(jí)線圈）的調(diào)制輸入頻率較低，則其輸出可能出現(xiàn)“臺(tái)階”，如下所示：

圖8 初級(jí)線圈的頻率設(shè)置過高時(shí)，次級(jí)線圈輸出的波形

圖9 當(dāng)初級(jí)線圈輸出的頻率過高時(shí)，對(duì)次級(jí)線圈所輸出的波形進(jìn)行Zoom設(shè)置，觀察波形細(xì)節(jié)

如果這種情況對(duì)模擬結(jié)果有影響，我們可以通過在每個(gè)次級(jí)線圈輸出上（即SDG1032X的CH1和CH2）放置低通濾波器來平滑臺(tái)階。這與對(duì)DAC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）輸出的鏡像進(jìn)行濾波是類似的原理。SDG1000X系列和SDG2000X系列都具有工作在600 kHz的調(diào)制采樣時(shí)鐘，因此添加的低通濾波器通帶截止頻率在600kHz/2=300kHz（Nyquist Limit = 采樣率的一半）即可。

設(shè)計(jì)濾波器，使通帶低于第一個(gè)鏡像的頻率。

圖9 奈奎斯特采樣定理

結(jié)論

使用任意波形發(fā)生器模擬旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)提供了一種簡單的方法來驗(yàn)證和解決旋轉(zhuǎn)變壓器的電路和軟件的操作。鼎陽科技SDG1000X系列以及SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器應(yīng)用提供了靈活而快速的測試解決方案。