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

當對使用旋轉變壓器的系統(tǒng)進行設計、測試及故障排查時，很有必要建立一個可以模擬實際旋轉變壓器輸出的系統(tǒng)，尤其是當需要測量一個旋轉變壓器電路的操作限值以及隨之產(chǎn)生的信號時。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到待測信號上，或者通過改變信號的幅度/頻率/波形形狀來確認故障點，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簡單的模擬旋轉變壓器系統(tǒng)的方法。

旋轉變壓器基礎知識

大部分旋轉變壓器的設計結構如下：作為轉子的初級線圈，以及兩個固定線圈(彼此成90度定位的定子)

圖1 常見旋轉變壓器結構

初級線圈由交流電壓Vr供電。初級線圈接收到的激勵信號通常是正弦波，然后耦合到兩個次級線圈上。大多數(shù)旋轉變壓器中，兩個次級線圈的安裝角度互為90度。由于每個次級線圈位于相對于初級線圈不同的位置，所以它們具有不同的耦合效率;又因為他們彼此之間角度差為90度，所以他們的輸出的信號為正交的(相位相差90度)。隨著轉子角度的變化，次級線圈的輸出信號將如圖所示變化：

圖2 旋轉變壓器輸出波形

從圖中我們可以看出，每個軸角都有對應的電壓值。通過測量次級線圈的瞬時電壓，可以確定轉子的角度。

仿真儀器

在本文所提的仿真實驗中，我們將使用任意波形發(fā)生器為初級線圈提供激勵電壓。該任意波形發(fā)生器將用于同時調(diào)制另一臺雙通道信號發(fā)生器的輸出。如前所述，這些輸出將代表次級正弦和余弦線圈所輸出的信號。

1. SDG1062X: 作為給次級線圈輸入調(diào)制信號的調(diào)制源。所選的儀器的帶寬應該能夠與您正在模擬的旋轉變壓器的初級線圈的最小和最大頻率規(guī)格相匹配。許多旋轉變壓器的初級線圈信號的頻率從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次級線圈。

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

3. 雙通道示波器(我們使用SDS5022X超級熒光示波器)：對模擬系統(tǒng)輸出信號進行驗證。選擇具有適當帶寬的示波器非常重要。(所選示波器帶寬至少是待測信號的2-3倍，如果待測信號是方波的時候，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&導航功能和Zoom功能，以及配備了一個10.1英寸的大電容觸摸屏，使我們更容易進行實驗驗證。

儀器設置

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：

圖三 模擬系統(tǒng)儀器連接示意

詳細步驟：

1. 把SDG2042X的兩路輸出(即所模擬的次級線圈的輸出)接到示波器上

2. 將SDG 1062X(即初級線圈)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)制次級線圈發(fā)生器的輸出信號，其電壓設置應該從10Vpp開始，然后逐漸調(diào)整。

3. 設置SDG2042X的CH1輸出頻率為1Hz，電壓為10Vpp的正弦波。(或者設置為旋轉變壓器電路的最大電壓)

4. 把SDG2042X的輸出波形設為經(jīng)過DSB-AM調(diào)制的。

5. 設置SDG2042X的CH2輸出與CH1相同的正弦調(diào)制信號，僅將相位偏移設置為90度。這將保證我們所模擬的次級線圈的信號相位相差90度，符合實際情況。

SDG2042X的信號輸出頻率模擬的是次級線圈輸出頻率，其反映了實際的旋轉變壓器初級線圈的旋轉頻率大小。需確保將CH1和CH2都設置為相同的頻率。

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

要在兩個通道之間耦合頻率，請按Utility> CH Copy Coupling> FreqCoupl = ON。 然后，任一通道的頻率變化都將應用于另一個通道。 這可以讓你同時改變兩個通道的頻率。

如果要將設置從一個通道復制到另一個通道，請按Utility> CH Copy Coupling> CH Copy> CH1 => CH2即可。

6. 打開SDG1062X的通道1和SDG2042X的兩個通道

7. 驗證模擬系統(tǒng)的性能。調(diào)節(jié)SDG1062X的頻率(轉子的變化率)，進行驗證，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的頻率時的示波器所顯示的圖像：

圖4 初級線圈為5kHz，次級線圈為100Hz

圖5 初級線圈為5kHz，次級線圈為200Hz

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

圖6 輸出電壓設置為14V，過高，此時波形的邊緣已經(jīng)接近方波

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

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

圖8 初級線圈的頻率設置過高時，次級線圈輸出的波形

圖9 當初級線圈輸出的頻率過高時，對次級線圈所輸出的波形進行Zoom設置，觀察波形細節(jié)

如果這種情況對模擬結果有影響，我們可以通過在每個次級線圈輸出上(即SDG1032X的CH1和CH2)放置低通濾波器來平滑臺階。這與對DAC(模數(shù)轉換器)輸出的鏡像進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。

設計濾波器，使通帶低于第一個鏡像的頻率。

圖 10 奈奎斯特采樣定理

結論

使用任意波形發(fā)生器模擬旋轉變壓器系統(tǒng)提供了一種簡單的方法來驗證和解決旋轉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)生器應用提供了靈活而快速的測試解決方案。