如何使用任意波形发生器进行旋转变压器模拟？

所谓旋转变压器，即是一种电磁传感器，通常被用于测量“旋转物体“的转轴角位移和角速度。这些“旋转物体”通常应用于汽车电子(凸轮/曲轴位置)，航空(襟翼位置)以及舵机等工业领域。

当对使用旋转变压器的系统进行设计、测试及故障排查时，很有必要建立一个可以模拟实际旋转变压器输出的系统，尤其是当需要测量一个旋转变压器电路的操作限值以及随之产生的信号时。所建立的仿真系统使得我们可以通过添加一些已知误差信号到待测信号上，或者通过改变信号的幅度/频率/波形形状来确认故障点，从而控制和测试待测系统的限值。

接下来我们将介绍一下一个简单的模拟旋转变压器系统的方法。

旋转变压器基础知识

大部分旋转变压器的设计结构如下：作为转子的初级线圈，以及两个固定线圈(彼此成90度定位的定子)

图1 常见旋转变压器结构

初级线圈由交流电压Vr供电。初级线圈接收到的激励信号通常是正弦波，然后耦合到两个次级线圈上。大多数旋转变压器中，两个次级线圈的安装角度互为90度。由于每个次级线圈位于相对于初级线圈不同的位置，所以它们具有不同的耦合效率;又因为他们彼此之间角度差为90度，所以他们的输出的信号为正交的(相位相差90度)。随着转子角度的变化，次级线圈的输出信号将如图所示变化：

图2 旋转变压器输出波形

从图中我们可以看出，每个轴角都有对应的电压值。通过测量次级线圈的瞬时电压，可以确定转子的角度。

仿真仪器

在本文所提的仿真实验中，我们将使用任意波形发生器为初级线圈提供激励电压。该任意波形发生器将用于同时调制另一台双通道信号发生器的输出。如前所述，这些输出将代表次级正弦和余弦线圈所输出的信号。

1. SDG1062X: 作为给次级线圈输入调制信号的调制源。所选的仪器的带宽应该能够与您正在模拟的旋转变压器的初级线圈的最小和最大频率规格相匹配。许多旋转变压器的初级线圈信号的频率从5 k到20 kHz不等，电压从几百mV到几百V不等。 这些更高的电压用于激励次级线圈。

2. SDG2042X:用于模拟次级线圈。该仪器应具有单个外部调制输入，独立相位控制和双边带AM(DSB-AM)调制的功能，以上功能将应用于模拟旋转变压器的正弦和余弦信号。

3. 双通道示波器(我们使用SDS5022X超级荧光示波器)：对模拟系统输出信号进行验证。选择具有适当带宽的示波器非常重要。(所选示波器带宽至少是待测信号的2-3倍，如果待测信号是方波的时候，则需要选择更高带宽的示波器)本文中我们选用的示波器还具有搜索&导航功能和Zoom功能，以及配备了一个10.1英寸的大电容触摸屏，使我们更容易进行实验验证。

仪器设置

用一根BNC线从SDG1062X的通道1连接到SDG2042X的Aux In /Out口，如下图所示：

图三 模拟系统仪器连接示意

详细步骤：

1. 把SDG2042X的两路输出(即所模拟的次级线圈的输出)接到示波器上

2. 将SDG 1062X(即初级线圈)所输出的正弦波(Vr)调至仪器所能输出的最低频率。一般情况下，Vr的频率范围大概在5k-20kHz之间。SDG1062X将用于调制次级线圈发生器的输出信号，其电压设置应该从10Vpp开始，然后逐渐调整。

3. 设置SDG2042X的CH1输出频率为1Hz，电压为10Vpp的正弦波。(或者设置为旋转变压器电路的最大电压)

4. 把SDG2042X的输出波形设为经过DSB-AM调制的。

5. 设置SDG2042X的CH2输出与CH1相同的正弦调制信号，仅将相位偏移设置为90度。这将保证我们所模拟的次级线圈的信号相位相差90度，符合实际情况。

SDG2042X的信号输出频率模拟的是次级线圈输出频率，其反映了实际的旋转变压器初级线圈的旋转频率大小。需确保将CH1和CH2都设置为相同的频率。

注：SDG2000X系列函数/任意波形发生器具有通道复制功能和通道耦合功能，可使得以上步骤更加简单。

要在两个通道之间耦合频率，请按Utility> CH Copy Coupling> FreqCoupl = ON。 然后，任一通道的频率变化都将应用于另一个通道。 这可以让你同时改变两个通道的频率。

如果要将设置从一个通道复制到另一个通道，请按Utility> CH Copy Coupling> CH Copy> CH1 => CH2即可。

6. 打开SDG1062X的通道1和SDG2042X的两个通道

7. 验证模拟系统的性能。调节SDG1062X的频率(转子的变化率)，进行验证，直到测试到该模拟器系统的极限。

下图显示了在调节SDG1062X的频率和SDG2042X的频率时的示波器所显示的图像：

图4 初级线圈为5kHz，次级线圈为100Hz

图5 初级线圈为5kHz，次级线圈为200Hz

注：不要输入过高的电压以免使模拟次级线圈的任意波形发生器过载。大约10Vpp左右的电压就足以实现调制。下图即显示了当输出过高电压时的调制输出。

图6 输出电压设置为14V，过高，此时波形的边缘已经接近方波

图7 输入正确范围内的电压(10Vpp)，我们可以看到此时波形的边缘是光滑的

比较SDG1032X(初级线圈)的调制频率和SDG2042X(次级线圈)的调制参数。如果SDG2042X(次级线圈)的调制输入频率较低，则其输出可能出现“台阶”，如下所示：

图8 初级线圈的频率设置过高时，次级线圈输出的波形

图9 当初级线圈输出的频率过高时，对次级线圈所输出的波形进行Zoom设置，观察波形细节

如果这种情况对模拟结果有影响，我们可以通过在每个次级线圈输出上(即SDG1032X的CH1和CH2)放置低通滤波器来平滑台阶。这与对DAC(模数转换器)输出的镜像进行滤波是类似的原理。SDG1000X系列和SDG2000X系列都具有工作在600 kHz的调制采样时钟，因此添加的低通滤波器通带截止频率在600kHz/2=300kHz(Nyquist Limit = 采样率的一半)即可。

设计滤波器，使通带低于第一个镜像的频率。

图 10 奈奎斯特采样定理

结论

使用任意波形发生器模拟旋转变压器系统提供了一种简单的方法来验证和解决旋转变压器的电路和软件的操作。鼎阳科技SDG1000X系列以及SDG2000X系列函数/任意波形发生器应用提供了灵活而快速的测试解决方案。