摘要：為了對旋轉變壓器(簡稱旋變)的信號進行仿真，通過使用AVR單片機ATmega16和AD5293實現(xiàn)一種電阻式數(shù)字旋變的電路設計。利用SPI總線對AD5293進行通信及設置。數(shù)字旋變模擬輸出旋轉變壓器產生的正弦信號和余弦信號，可替代真實的旋轉變壓器，達到測試解碼解算電路的目的。經(jīng)試驗驗證，該設計適用于旋轉變壓器的仿真。
關鍵詞：數(shù)字旋轉變壓器；SPI總線；AD5293；ATmega16

0 引言
    在工業(yè)自動化領域中，經(jīng)常要對被控對象的角位移進行測量并加以控制。這些領域中使用的傳感器件主要是旋轉變壓器(簡稱旋變)。在自動化測試中，對旋變解碼器的測試往往需要用到復雜而昂貴的測試設備。這些設備往往體積大，成本高。設計了一種以ATmega16為核心的數(shù)字旋變，既能滿足旋變解碼器測試的需要，又具備體積小，成本低的優(yōu)點。實現(xiàn)對旋轉變壓器的仿真。

1 旋轉變壓器工作原理
    旋轉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子轉角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正余弦函數(shù)關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。旋轉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)關系。設旋變的激勵頻率為fsourse，激勵的幅度為E。則激勵信號電壓隨時間變化可以表示為：
   
    通過檢測這兩組輸出信號，解碼器可以計算出旋變的位置信息。

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)主要由電源、單片機控制電路、數(shù)字可變電阻、調理電路、通信電路和反相電路構成。數(shù)字旋變原理如圖2所示。當數(shù)字可變電阻在0～20 kΩ之間變化時，經(jīng)過反相電路和調理電路，數(shù)字旋變輸出與激勵頻率相同的正弦信號和余弦信號，進而把產生的信號提供給旋變解算單元。

    當通信電路收到上位機數(shù)據(jù)時，單片機通過解析上位機的數(shù)據(jù)，分別設定兩組數(shù)字可變電阻。激勵信號經(jīng)過數(shù)字可變電阻的分壓后，得到了初步的處理，幅值產生了變化。單片機ATmega16通過判斷要設定的角度是在哪個象限，決定是否對正弦信號或余弦信號進行反相。最后經(jīng)過信號調理電路輸出到解算系統(tǒng)。調理電路用于提高數(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10 b的數(shù)字可變電阻。也就是說其電阻精度R0可達到：
    R0=Rmax／1024
    式中Rmax為AD5293的可調范圍。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AD5293進行初始化和設置。ATmega16與AD5293的通信采用DAISY-CHAIN控制方式。采用這種方式可同時設置兩個AD5293。DAISY-CHAIN連接方式如圖4所示。
    當采用DAISY-GHAIN控制方式時，串聯(lián)起來的AD5293連到ATmega16的SPI總線。ATmega16通過SPI總線設置32位的移位寄存器，前16位用來設定U2，后16位用來設定U1，從而達到同時控制兩個數(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，必須保持信號為低電平，移出后需要把該信號再拉高，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端為滑動端。在A端和B端加激勵電壓后，B端和W端就能輸出與激勵頻率相同的正余弦信號?？刂芖端從而調節(jié)輸出信號的幅值。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)字旋變的設定精度，在數(shù)字可變電阻前端串聯(lián)一個20 kΩ的高精度電阻R29，從而使數(shù)字可變電阻的設定范圍為0．20 kΩ，而不是可變范圍的一半。根據(jù)實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)字可變電阻的可調范圍為0～20 kΩ，以提高輸出精度。
    假設數(shù)字可變電阻的可調范圍為Rmax，則串聯(lián)的高精度電阻Rcon與變壓比Q的關系為：
    Rcon=Rmax／Q-Rmax
2．2 反相電路的設計
    反相電路的設計采用模擬開關ADG1213，通過不同的開關組合，可以輸出4種不同象限的正余弦信號。從而使數(shù)字旋變的仿真范圍不局限于某個象限。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。1_Uisin1，1_Uisin2反相電路輸出到調理電路的信號。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在-9～9 V范圍之間，就不會被模擬開關“截斷”。
    當信號1_CTRL1為邏輯高電平時，D1，S1導通，D4，S4導通；當信號1_CTRL1為邏輯低電平時，D3，S3導通，D2，S2導通。
    反相電路的輸入輸出如表1所示。

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

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

4 結語
    根據(jù)旋轉變壓器的原理，從硬件和軟件兩個方面介紹了基于ATmega16單片機和AD5293數(shù)字可變電阻的數(shù)字旋變的設計方案。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。通過實際試驗驗證，該系統(tǒng)適用于旋變的仿真和解碼器的自動化測試。