基于ATmega16的数字旋转变压器设计

摘要：为了对旋转变压器(简称旋变)的信号进行仿真，通过使用AVR单片机ATmega16和AD5293实现一种电阻式数字旋变的电路设计。利用SPI总线对AD5293进行通信及设置。数字旋变模拟输出旋转变压器产生的正弦信号和余弦信号，可替代真实的旋转变压器，达到测试解码解算电路的目的。经试验验证，该设计适用于旋转变压器的仿真。
关键词：数字旋转变压器；SPI总线；AD5293；ATmega16

0 引言
    在工业自动化领域中，经常要对被控对象的角位移进行测量并加以控制。这些领域中使用的传感器件主要是旋转变压器(简称旋变)。在自动化测试中，对旋变解码器的测试往往需要用到复杂而昂贵的测试设备。这些设备往往体积大，成本高。设计了一种以ATmega16为核心的数字旋变，既能满足旋变解码器测试的需要，又具备体积小，成本低的优点。实现对旋转变压器的仿真。

1 旋转变压器工作原理
    旋转变压器也是一种变压器。和普通变压器不同，旋变的原边与副边的比例不是固定的，因此输出的电压比也不是常数。旋变是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。旋转变压器的电气示意图如图1所示。

    旋变的输入输出电压之间的有一定的函数关系。设旋变的激励频率为fsourse，激励的幅度为E。则激励信号电压随时间变化可以表示为：
   
    通过检测这两组输出信号，解码器可以计算出旋变的位置信息。

2 系统硬件设计
    系统主要由电源、单片机控制电路、数字可变电阻、调理电路、通信电路和反相电路构成。数字旋变原理如图2所示。当数字可变电阻在0～20 kΩ之间变化时，经过反相电路和调理电路，数字旋变输出与激励频率相同的正弦信号和余弦信号，进而把产生的信号提供给旋变解算单元。

    当通信电路收到上位机数据时，单片机通过解析上位机的数据，分别设定两组数字可变电阻。激励信号经过数字可变电阻的分压后，得到了初步的处理，幅值产生了变化。单片机ATmega16通过判断要设定的角度是在哪个象限，决定是否对正弦信号或余弦信号进行反相。最后经过信号调理电路输出到解算系统。调理电路用于提高数字旋变的输出阻抗。
2．1 数字可变电阻的控制
    AD5293是一种单通道，分辨率可达10 b的数字可变电阻。也就是说其电阻精度R0可达到：
    R0=Rmax／1024
    式中Rmax为AD5293的可调范围。AD5293的功能框图如图3所示。

    其中VLOGIC连接控制电路的逻辑电平“1”，SCLK，SYNC，DIN，SDO和RDY为通信接口，本系统用ATmega16的SPI接口与之通信，对AD5293进行初始化和设置。ATmega16与AD5293的通信采用DAISY-CHAIN控制方式。采用这种方式可同时设置两个AD5293。DAISY-CHAIN连接方式如图4所示。
    当采用DAISY-GHAIN控制方式时，串联起来的AD5293连到ATmega16的SPI总线。ATmega16通过SPI总线设置32位的移位寄存器，前16位用来设定U2，后16位用来设定U1，从而达到同时控制两个数字可变电阻的目的。在移位寄存器中的数据完全移出ATmega16前，必须保持信号为低电平，移出后需要把该信号再拉高，以完成一次数据的传输。
    数字可变电阻AD5293的A端和B端为数字电阻的固定端，W端为滑动端。在A端和B端加激励电压后，B端和W端就能输出与激励频率相同的正余弦信号。控制W端从而调节输出信号的幅值。AD5293外围电路如图5所示。

    旋变一般都有变压比。系统模拟的旋变的变压比Q=0．5。为提高数字旋变的设定精度，在数字可变电阻前端串联一个20 kΩ的高精度电阻R29，从而使数字可变电阻的设定范围为0．20 kΩ，而不是可变范围的一半。根据实际模拟的旋变的变压比不同，可以串联其他阻值的高精度电阻，从而使数字可变电阻的可调范围为0～20 kΩ，以提高输出精度。
    假设数字可变电阻的可调范围为Rmax，则串联的高精度电阻Rcon与变压比Q的关系为：
    Rcon=Rmax／Q-Rmax
2．2 反相电路的设计
    反相电路的设计采用模拟开关ADG1213，通过不同的开关组合，可以输出4种不同象限的正余弦信号。从而使数字旋变的仿真范围不局限于某个象限。正弦反相电路的原理图如图6所示。

    其中XB_SIN1，SGND是经过数字可变电阻分压得到的模拟信号。1_Uisin1，1_Uisin2反相电路输出到调理电路的信号。AD1213的VSS接到数字旋变的-9 V电源，VDD接+9 V电源，从而保证只要通过的信号在-9～9 V范围之间，就不会被模拟开关“截断”。
    当信号1_CTRL1为逻辑高电平时，D1，S1导通，D4，S4导通；当信号1_CTRL1为逻辑低电平时，D3，S3导通，D2，S2导通。
    反相电路的输入输出如表1所示。

    因此通过控制1_CTRL1信号的高低电平，即可达到输出信号反相的目的，余弦信号的反相与正弦类似。

3 系统软件设计
    本系统所用的单片为ATmega16，该款单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR徽处理器，性能优越。采用C语言编写单片机的控制程序，程序流程图如图7所示。

4 结语
    根据旋转变压器的原理，从硬件和软件两个方面介绍了基于ATmega16单片机和AD5293数字可变电阻的数字旋变的设计方案。为了提高输出精度，在可变电阻硬件电路中，加入了高精度电阻，解决了因变压比引起的数字可变电阻不能使用全量程的问题。通过实际试验验证，该系统适用于旋变的仿真和解码器的自动化测试。