摘要：為了對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器(簡(jiǎn)稱旋變)的信號(hào)進(jìn)行仿真，通過使用AVR單片機(jī)ATmega16和AD5293實(shí)現(xiàn)一種電阻式數(shù)字旋變的電路設(shè)計(jì)。利用SPI總線對(duì)AD5293進(jìn)行通信及設(shè)置。數(shù)字旋變模擬輸出旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，可替代真實(shí)的旋轉(zhuǎn)變壓器，達(dá)到測(cè)試解碼解算電路的目的。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)適用于旋轉(zhuǎn)變壓器的仿真。
關(guān)鍵詞：數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器；SPI總線；AD5293；ATmega16

0 引言
    在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，經(jīng)常要對(duì)被控對(duì)象的角位移進(jìn)行測(cè)量并加以控制。這些領(lǐng)域中使用的傳感器件主要是旋轉(zhuǎn)變壓器(簡(jiǎn)稱旋變)。在自動(dòng)化測(cè)試中，對(duì)旋變解碼器的測(cè)試往往需要用到復(fù)雜而昂貴的測(cè)試設(shè)備。這些設(shè)備往往體積大，成本高。設(shè)計(jì)了一種以ATmega16為核心的數(shù)字旋變，既能滿足旋變解碼器測(cè)試的需要，又具備體積小，成本低的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的仿真。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理
    旋轉(zhuǎn)變壓器也是一種變壓器。和普通變壓器不同，旋變的原邊與副邊的比例不是固定的，因此輸出的電壓比也不是常數(shù)。旋變是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系，或保持某一比例關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣示意圖如圖1所示。

    旋變的輸入輸出電壓之間的有一定的函數(shù)關(guān)系。設(shè)旋變的激勵(lì)頻率為fsourse，激勵(lì)的幅度為E。則激勵(lì)信號(hào)電壓隨時(shí)間變化可以表示為：
   
    通過檢測(cè)這兩組輸出信號(hào)，解碼器可以計(jì)算出旋變的位置信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要由電源、單片機(jī)控制電路、數(shù)字可變電阻、調(diào)理電路、通信電路和反相電路構(gòu)成。數(shù)字旋變?cè)砣鐖D2所示。當(dāng)數(shù)字可變電阻在0～20 kΩ之間變化時(shí)，經(jīng)過反相電路和調(diào)理電路，數(shù)字旋變輸出與激勵(lì)頻率相同的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，進(jìn)而把產(chǎn)生的信號(hào)提供給旋變解算單元。

    當(dāng)通信電路收到上位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)通過解析上位機(jī)的數(shù)據(jù)，分別設(shè)定兩組數(shù)字可變電阻。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過數(shù)字可變電阻的分壓后，得到了初步的處理，幅值產(chǎn)生了變化。單片機(jī)ATmega16通過判斷要設(shè)定的角度是在哪個(gè)象限，決定是否對(duì)正弦信號(hào)或余弦信號(hào)進(jìn)行反相。最后經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路輸出到解算系統(tǒng)。調(diào)理電路用于提高數(shù)字旋變的輸出阻抗。
2．1 數(shù)字可變電阻的控制
    AD5293是一種單通道，分辨率可達(dá)10 b的數(shù)字可變電阻。也就是說其電阻精度R0可達(dá)到：
    R0=Rmax／1024
    式中Rmax為AD5293的可調(diào)范圍。AD5293的功能框圖如圖3所示。

    其中VLOGIC連接控制電路的邏輯電平“1”，SCLK，SYNC，DIN，SDO和RDY為通信接口，本系統(tǒng)用ATmega16的SPI接口與之通信，對(duì)AD5293進(jìn)行初始化和設(shè)置。ATmega16與AD5293的通信采用DAISY-CHAIN控制方式。采用這種方式可同時(shí)設(shè)置兩個(gè)AD5293。DAISY-CHAIN連接方式如圖4所示。
    當(dāng)采用DAISY-GHAIN控制方式時(shí)，串聯(lián)起來的AD5293連到ATmega16的SPI總線。ATmega16通過SPI總線設(shè)置32位的移位寄存器，前16位用來設(shè)定U2，后16位用來設(shè)定U1，從而達(dá)到同時(shí)控制兩個(gè)數(shù)字可變電阻的目的。在移位寄存器中的數(shù)據(jù)完全移出ATmega16前，必須保持信號(hào)為低電平，移出后需要把該信號(hào)再拉高，以完成一次數(shù)據(jù)的傳輸。
    數(shù)字可變電阻AD5293的A端和B端為數(shù)字電阻的固定端，W端為滑動(dòng)端。在A端和B端加激勵(lì)電壓后，B端和W端就能輸出與激勵(lì)頻率相同的正余弦信號(hào)?？刂芖端從而調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅值。AD5293外圍電路如圖5所示。

    旋變一般都有變壓比。系統(tǒng)模擬的旋變的變壓比Q=0．5。為提高數(shù)字旋變的設(shè)定精度，在數(shù)字可變電阻前端串聯(lián)一個(gè)20 kΩ的高精度電阻R29，從而使數(shù)字可變電阻的設(shè)定范圍為0．20 kΩ，而不是可變范圍的一半。根據(jù)實(shí)際模擬的旋變的變壓比不同，可以串聯(lián)其他阻值的高精度電阻，從而使數(shù)字可變電阻的可調(diào)范圍為0～20 kΩ，以提高輸出精度。
    假設(shè)數(shù)字可變電阻的可調(diào)范圍為Rmax，則串聯(lián)的高精度電阻Rcon與變壓比Q的關(guān)系為：
    Rcon=Rmax／Q-Rmax
2．2 反相電路的設(shè)計(jì)
    反相電路的設(shè)計(jì)采用模擬開關(guān)ADG1213，通過不同的開關(guān)組合，可以輸出4種不同象限的正余弦信號(hào)。從而使數(shù)字旋變的仿真范圍不局限于某個(gè)象限。正弦反相電路的原理圖如圖6所示。

    其中XB_SIN1，SGND是經(jīng)過數(shù)字可變電阻分壓得到的模擬信號(hào)。1_Uisin1，1_Uisin2反相電路輸出到調(diào)理電路的信號(hào)。AD1213的VSS接到數(shù)字旋變的-9 V電源，VDD接+9 V電源，從而保證只要通過的信號(hào)在-9～9 V范圍之間，就不會(huì)被模擬開關(guān)“截?cái)?rdquo;。
    當(dāng)信號(hào)1_CTRL1為邏輯高電平時(shí)，D1，S1導(dǎo)通，D4，S4導(dǎo)通；當(dāng)信號(hào)1_CTRL1為邏輯低電平時(shí)，D3，S3導(dǎo)通，D2，S2導(dǎo)通。
    反相電路的輸入輸出如表1所示。

    因此通過控制1_CTRL1信號(hào)的高低電平，即可達(dá)到輸出信號(hào)反相的目的，余弦信號(hào)的反相與正弦類似。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)所用的單片為ATmega16，該款單片機(jī)是一款高性能、低功耗的8位AVR徽處理器，性能優(yōu)越。采用C語言編寫單片機(jī)的控制程序，程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)語
    根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的原理，從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了基于ATmega16單片機(jī)和AD5293數(shù)字可變電阻的數(shù)字旋變的設(shè)計(jì)方案。為了提高輸出精度，在可變電阻硬件電路中，加入了高精度電阻，解決了因變壓比引起的數(shù)字可變電阻不能使用全量程的問題。通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)適用于旋變的仿真和解碼器的自動(dòng)化測(cè)試。