桑 坤，金慧敏，朱向冰（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000）

一種自整角機信號發(fā)生器設(shè)計*

桑 坤，金慧敏，朱向冰
（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000）

自整角機信號發(fā)生器將輸入的數(shù)字角度信號轉(zhuǎn)化為模擬量，驅(qū)動自整角機旋轉(zhuǎn)，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。國外的自整角機信號發(fā)生器產(chǎn)品進(jìn)口周期長，并且進(jìn)行技術(shù)封鎖，國內(nèi)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換精度較差，轉(zhuǎn)換速度較慢。針對國內(nèi)外自整角機信號發(fā)生器存在的問題，介紹了一種以單片機為控制和處理核心的能夠?qū)⒆哉菣C信號數(shù)字角量轉(zhuǎn)化為模擬角度的信號發(fā)生器的設(shè)計方案，分析了如何用單片機及D/A芯片實現(xiàn)將數(shù)字角量信號轉(zhuǎn)化為自整角機所需的三路模擬信號，改善了轉(zhuǎn)換速度和精度的問題，提高了穩(wěn)定性和抗干擾性等性能。

自整角機；單片機；信號發(fā)生器；D/A芯片

O 引言

自整角機是一種特種電機，已用于軍事、自控工業(yè)、航海等諸多方面。自整角機信號發(fā)生器接收數(shù)字角度信號并轉(zhuǎn)換為模擬信號驅(qū)動自整角機轉(zhuǎn)到特定的角度，可以減少模擬角度信號在較長距離傳輸時的干擾，伴隨數(shù)控系統(tǒng)的推廣，自整角機信號發(fā)生器作為該系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，也將擁有廣泛的市場應(yīng)用前景。現(xiàn)有的自整角機信號發(fā)生器雖然已實現(xiàn)了集成化和產(chǎn)品化，但國內(nèi)技術(shù)在精度及轉(zhuǎn)換速度上始終難以達(dá)到國外同行標(biāo)準(zhǔn)，國外技術(shù)又存在價格昂貴、技術(shù)封鎖等原因，導(dǎo)致其在某些領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用市場受制于人，不利于在控制領(lǐng)域的推廣應(yīng)用［1］。為此本文提出一種電路簡單、精度較高、轉(zhuǎn)換速度較快、易于實現(xiàn)的自整角機信號發(fā)生器設(shè)計方案。

1 自整角機信號發(fā)生器

自整角機在結(jié)構(gòu)上，主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子軸上的單相繞組通過電刷和滑環(huán)與外界連接，引出端用Z1 和Z2表示；定子的三相對稱繞組以Y型連接，空間位置上依次落后120°，輸入端分別用S1、S2、S3表示，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自整角機結(jié)構(gòu)圖

自整角機輸入三路交流信號［2］，需要一路交流電壓激勵，激勵電壓也稱為參考電壓，激勵電壓為：

S1、S2、S3是信號電壓的引腳，三路交流信號分別為：

其中sinωt為交流信號，θ是自整角機的目標(biāo)轉(zhuǎn)角［1-3］。在控制系統(tǒng)中，數(shù)字角度信號θ是14 bit并行二進(jìn)制碼，范圍是0°～360°，自整角機信號發(fā)生器將數(shù)字角度信號θ轉(zhuǎn)化成式（2）～式（4）的模擬信號，驅(qū)動自整角機旋轉(zhuǎn)。

2 整體電路的設(shè)計

本文所述的設(shè)計方案是以單片機為控制核心，將數(shù)字角度信號傳輸給單片機，單片機進(jìn)行查表運算，輸出的數(shù)字信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為模擬信號并發(fā)送至乘法器；激勵信號經(jīng)過變壓器隔離和降壓后輸入乘法器，兩路模擬信號與降壓后的激勵信號相乘，得到所需的模擬信號，并通過輸出變壓器隔離和升壓，輸出至自整角機。電路總體設(shè)計方案及電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路總體設(shè)計方案

硬件電路是由電源模塊、激勵信號電路、單片機模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、乘法輸出電路組成。

2.1 電源模塊

電路中的元器件需要±15 V和+5 V電源，并且±15 V電源不能接反，+15 V上電時間不能晚于+5 V電源。采用二極管串聯(lián)防止±15 V電源反接，在+5 V電源的輸入端串接MOSFET管，+15 V電源控制MOSFET管開和關(guān)，可以保證+15 V電源上電時間不晚于+5 V電源，保證了電路的正常工作。

由于選擇的二極管反向電壓可以達(dá)到40 V，能夠很好地保護(hù)后續(xù)電路，提升了穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 激勵信號電路

激勵信號電路是由運算放大器及外圍電路組成，電路圖如圖3所示。

該電路將激勵電壓Uref通過微型變壓器隔離和衰減，可以有效地避免Uref中的干擾信號對后續(xù)電路的影響，并且將參考信號的地與電路中的地分開。由于微型變壓器的輸出功率非常小，為了驅(qū)動后續(xù)電路，需要通過運算放大器進(jìn)行放大。

圖3 激勵信號電路

上述電路可用于處理共模電壓范圍在±270 V之間的信號；并可以承受持續(xù)10 s高達(dá)±500 V的共模信號輸入，對電路能起到很好的隔離保護(hù)作用；對于400 Hz的共模信號共模抑制比高達(dá)95 dB，可以很好地抑制外界干擾。由于使用了自制的微型變壓器和運算放大器的裸芯片，所以本電路板的面積明顯下降，成本低。

2.3 單片機模塊

單片機模塊采用的是STC公司生產(chǎn)的型號為STC15F2K60S2單片機［4］，如圖4所示。該芯片的指令代碼運行速度相對于傳統(tǒng)單片機較快，其內(nèi)部有專用于復(fù)位電路的MAX810，具有高速、低功耗、超強抗干擾、超強抗靜電、高可靠性等性能，適用于對電機控制和強干擾場合。

圖4 單片機模塊

數(shù)字角θ通過P1和P2端口輸入單片機，通過查表求出對應(yīng)的正余弦函數(shù)值，單片機通過P0.3和P0.4端口控制D/A芯片的雙通道轉(zhuǎn)換。

本單片機系統(tǒng)簡化了電路的設(shè)計，與國內(nèi)外自整角機轉(zhuǎn)換器的設(shè)計相比，提高了抗干擾能力和轉(zhuǎn)換速率。

2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是由ADI公司生產(chǎn)的AD5557和ADR01芯片構(gòu)成，如圖5所示。AD5557是14位雙通道并行輸入的電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，可采用+5 V單電源進(jìn)行供電，最高輸出帶寬可達(dá)4 MHz，芯片內(nèi)置了有利于電阻匹配和溫度跟蹤的四象限電阻，而且反饋電阻簡化通過外部緩沖實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換的操作。單片機控制AD5557的A0、A1的電平脈沖，用來啟動D/A芯片的通道A和通道B的轉(zhuǎn)換。

ADR01為D/A芯片提供了精密的基準(zhǔn)電壓源。ADR01是一種精密帶隙基準(zhǔn)電壓源，其具有高精度和高穩(wěn)定性及低功耗等特性，并且還提供TRIM引腳，可用于精密調(diào)整輸出電壓。

AD8512為雙通道精密JFET放大器，具有低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、低輸入電壓噪聲和低輸入電流噪聲特性，低失調(diào)、低噪聲和極低輸入偏置電流這些特性相結(jié)合，使這些放大器特別適合高阻抗傳感器放大以及采用分流的精密電流測量應(yīng)用。AD8512芯片作為輸入過壓保護(hù)單片機輸出的離散函數(shù)值D0 -D13端口并行輸入的D/A芯片，D/A芯片將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，轉(zhuǎn)換為兩路模擬電流信號，發(fā)送給后續(xù)的乘法器，該芯片處理數(shù)據(jù)的速度比單片機或DSP［5］等內(nèi)部D/A數(shù)據(jù)處理快。

圖5 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

2.5 乘法輸出電路

乘法輸出電路由兩片AD7734芯片和變壓器組成，如圖6所示。AD7734是一種高精度和高吞吐量模擬前端的芯片，適合高分辨率多路復(fù)用應(yīng)用，可通過簡易數(shù)字接口對該器件進(jìn)行配置，平衡噪聲性能與數(shù)據(jù)吞吐量等，該芯片可最高實現(xiàn)15.4 kHz的轉(zhuǎn)換速率，該模擬前端具有4個單端輸入通道，采用+5 V模擬電源供電時可接受最高±10 V的單極性或雙極性輸入范圍。

由D/A轉(zhuǎn)化的一路模擬信號和參考信號分別通過AD7734芯片的輸入端X1和Y1進(jìn)入芯片，進(jìn)行信號相乘，然后經(jīng)過變壓器，將兩路信號變?yōu)?路，發(fā)送給自整角機的S1、S2、S3端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序主要包括：系統(tǒng)初始化、讀入數(shù)據(jù)、D/A轉(zhuǎn)換控制、數(shù)值計算、數(shù)據(jù)輸出。算法流程如圖7所示。

圖6 乘法輸出電路

4 結(jié)論

本方案的設(shè)計相對于其他電路有簡單易于實現(xiàn)的優(yōu)點，雖然與國內(nèi)外公布的已知自整角機信號發(fā)生器的研制方法不同，但是本方案總體精度和運算速度達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，抗干擾能力優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。系統(tǒng)尚處在試驗階段，需要進(jìn)一步在實際使用中檢驗和測試，進(jìn)而對硬件電路和程序逐步進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 程序框圖

［1］朱家俊，李康，翟從鴻，等.基于單片機的自整角機數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研制［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（9）：92-95.

［2］張敏.數(shù)字—自整角機轉(zhuǎn)換器的研究［J］.江蘇電器，2008 （7）：18-19.

［3］程萬娟，張慶，高延濱.實用型數(shù)字/軸角轉(zhuǎn)換器的測試與優(yōu)化設(shè)計［J］.應(yīng)用科技，2009，36（3）：38-41.

［4］羅純哲，李探元.基于STC12C5A60S2的雙通道音量調(diào)節(jié)及電平指示模塊設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2013，32（7）：86-88.

［5］余福榮，羅海波，胡宇，等.基于DSP處理系統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)傳輸方法與實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（4）：25-28.

朱向冰（1973 -），通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：光電技術(shù)。E-mai1：sk7310@163.com。

A design of synchro signa1generator

Sang Kun，Jin Huimin，Zhu Xiangbing
（Co11ege of Physics and E1ectronic Information，Anhui Norma1University，Wuhu 241000，China）

Se1syn is an abso1ute Position outPut ang1e sensor with high re1iabi1ity and high Precision，it is one of the imPortantmeasuring e1ements in the engine contro1 system.Aim ing at various Prob1ems existing in the design of synchro signa1generator at home and abroad，this Pa-Per Presents a synchro signa1 digitization design.This design takes sing1e-chiP microcontro11er as the contro11ing and Processing core，which takes synchro's digita1 ang1e signa1 into ana1og signa1.It ana1yzes that how to convert digita1 angu1ar signa1 to three ana1og signa1s that is required using sing1e chiP microcomPuter and D/A chiP.This design can imProve the Prob1ems of conversion sPeed and conversion aecuracy，and enhance the Performance of stabi1ity and anti-interference.

synchro；MsCU；signa1generator；D/A chiP

TN79 +2

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.011

桑坤，金慧敏，朱向冰.一種自整角機信號發(fā)生器設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2016，35（9）：34-36.

安徽省高校自然科學(xué)研究重大項目（KJ2015ZD23）

2015-12-12）

桑坤（1991 -），男，碩士，主要研究方向：硬件電路設(shè)計。

金慧敏（1991 -），女，碩士，主要研究方向：軟件設(shè)計。