基于旋转变压器的信号产生电路设计

摘要：介绍了一种在火控系统应用中用来确认填弹部位的位置具有定位功能的电路。该电路具体为利用轴角位置测量元件即旋转变压器，控制400 Hz频率的正弦波信号，经调制处理使其相位角与一定的直流电压值相对应，从而产生出两路相位差为90°的正弦信号。采用模拟电路进行了模块化设计，并对其原理进行了详细的叙述。实际产品经与整机系统联试，满足现场使用要求。该电路具有转换精度高，电路简洁实用，使用温度范围宽的特点，可广泛应用于多个相关领域。
关键词：正弦波信号；旋转信号；旋转变压器；模拟电路

0 引言
    该旋转信号处理电路模块的主要功能是利用轴角位置测量元件——旋转变压器，控制频率为400 Hz的正弦波信号，经解调处理使相位角与特定电压值相对应，产生出两路相位差为90°的信号，送入系统主控计算机来计算填弹系统的位置，对保证火控系统的正常工作具有重要意义。在此介绍一种采用模拟电路设计的方法，利用系统给出的正弦波作为载波信号，与正余弦旋转变压器进行信号调制，将所产生的调制信号送入乘法电路实现正余弦两路信号的解调，再通过滤波、反相比例电路实现其功能，达到使用要求。

1 方案设计
1．1 基本方案
    产品总体设计方案如图1所示：实验中采用标准信号源来模拟系统输入信号，输出频率为400 Hz，峰-峰值为6 V的正弦波做为VCA信号；DSB1和DSB2分别为正余弦的调制信号；OUT1，OUT2为两路输出。

1．2 电路原理及模块功能
    电路原理及模块功能如图2所示。

1．2．1 电路工作原理概述(以下按余弦进行分析计算)
    设正弦输入信号为：
     ur=Ursin(ωrt+φ)
     式中：Ur为正弦信号的振幅；ωr=2πfc为载波角频率；fc载波频率；φ为初始相位。
     DSB信号为：
    us=UscosΩsinωct
    式中：Ω为旋转变压器旋转角度；Us为信号经旋转变压后的输出幅度。
    这两个信号相乘：
   
    经低通滤波器的输出，且考虑ωr-ωc=△ωc在低通滤波器频带内，那么：
    u0=U0cos(△ωct+φ)cosΩ
    可以看出，当载波信号与输入信号同频同相时，即ωr=ωc，φ=0，则：
    u0=U0cosΩ
    当Ω分别为0°，45°，90°时，余弦输出为U0，0．707U0，0，再利用比例放大控制U0为2．5，同时叠加2．5 V的直流分量，则可得到最终余弦输出为：
    输入信号相位为0°，45°，90°；输出信号为5 V，4．26 V，2．5 V。
    同样利用正弦信号调制可得到另一路输出信号。
1．2．2 信号解调电路
    电路中对双边DSB信号所进行的解调是极为关键的一步。在产品中经过反复试验，没有选用通用的平衡调制解调器，而是通过采样保持电路(乘法器)实现解调的。
    原理组成：信号解调主要由乘法器和低通滤波器组成，其基本组成如图3所示。

    输入信号为：
 
   
1．2．3 滤波电路
    低通滤波器用来通过低频信号，抑制或衰减高频信号。由于电路中存在着通过放大电路输入线或电源线进入的干扰，为得到良好的输出信号，需对解调后的信号进行滤波。考虑到信号频率较低，采用了反相输入的一阶LPF。
1．2．4 放大电路
    信号经滤波后需放大使输出信号达到用户要求的幅值，同时由于需要叠加直流分量，采用如图4所示电路。

    电路的输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了差动比例运算。在输入信号不变的条件下，调节电阻R3和R4可改变输出信号的幅值和电位，在实际电路中使用了两个精密电位器，使电路调整更为方便。

2 测试验证及结果
    VCA信号为：
    ur=Ursinωct
    式中：Ur为正弦信号的振幅；ωc=2πfc为载波角频率，fc为载波频率。
    经旋转变压器调制后，得到双边带调幅信号，有：

    由上式可知，合理的选择电路各部分的电阻阻值，可得出如图5所示输出波形。

    由模拟验证得知，该设计达到了预定目标。实际测试结果如表1所示。

    在该项目的研制过程中，项目组与用户经常沟通，一起联试，并将设计过程中遇到的问题及时反馈，顺利通过了检测检验，产品获得用户的认可，各项指标均满足使用要求。

3 结语
    该电路经过实际验证，各部分工作正常，已经成功运用在某系统中，使用效果良好。该方案不仅达到了实现正余弦、高精度的要求，还具有使用灵活方便、可靠性高、体积小、成本低等特点，是一种理想实用的电路。