桑坤，金慧敏，朱向冰

　　(安徽師范大學 物理與電子信息學院, 安徽 蕪湖 241000)

　　摘要：自整角機信號發生器將輸入的數字角度信號轉化為模擬量，驅動自整角機旋轉，廣泛應用于控制系統中。國外的自整角機信號發生器產品進口周期長，并且進行技術封鎖，國內產品轉換精度較差，轉換速度較慢。針對國內外自整角機信號發生器存在的問題，介紹了一種以單片機為控制和處理核心的能夠將自整角機信號數字角量轉化為模擬角度的信號發生器的設計方案，分析了如何用單片機及D/A芯片實現將數字角量信號轉化為自整角機所需的三路模擬信號，改善了轉換速度和精度的問題，提高了穩定性和抗干擾性等性能。

　　關鍵詞：自整角機；單片機；信號發生器；D/A芯片

　　0引言

　　自整角機是一種特種電機，已用于軍事、自控工業、航海等諸多方面。自整角機信號發生器接收數字角度信號并轉換為模擬信號驅動自整角機轉到特定的角度，可以減少模擬角度信號在較長距離傳輸時的干擾，伴隨數控系統的推廣，自整角機信號發生器作為該系統中不可缺少的組成部分，也將擁有廣泛的市場應用前景。現有的自整角機信號發生器雖然已實現了集成化和產品化，但國內技術在精度及轉換速度上始終難以達到國外同行標準，國外技術又存在價格昂貴、技術封鎖等原因，導致其在某些領域內的應用市場受制于人，不利于在控制領域的推廣應用［1］。為此本文提出一種電路簡單、精度較高、轉換速度較快、易于實現的自整角機信號發生器設計方案。

1自整角機信號發生器

　　自整角機在結構上，主要由轉子和定子組成，轉子軸上的單相繞組通過電刷和滑環與外界連接，引出端用Z1和Z2表示；定子的三相對稱繞組以Y型連接，空間位置上依次落后120°，輸入端分別用S1、S2、S3表示，其結構如圖1所示。　　

　　自整角機輸入三路交流信號［2］，需要一路交流電壓激勵，激勵電壓也稱為參考電壓，激勵電壓為：

　　Uref=ERLO－RHIsinωt(1)

　　S1、S2、S3是信號電壓的引腳，三路交流信號分別為：

　　ES1－S3=ERLO－RHIsinωtsinθ(2)

　　ES3－S2=ERLO－RHIsinωtsin(θ+120°）(3)

　　ES2－S1=ERLO－RHIsinωtsin(θ+240°）(4)

　　并且

　　ES2－S1+ES3－S2+ES1－S3=0(5)

　　其中sinωt為交流信號，θ是自整角機的目標轉角［13］。在控制系統中，數字角度信號θ是14 bit并行二進制碼，范圍是0°~360°，自整角機信號發生器將數字角度信號θ轉化成式（2）~式（4）的模擬信號，驅動自整角機旋轉。

2整體電路的設計

　　本文所述的設計方案是以單片機為控制核心，將數字角度信號傳輸給單片機，單片機進行查表運算，輸出的數字信號通過數模轉換芯片轉換為模擬信號并發送至乘法器；激勵信號經過變壓器隔離和降壓后輸入乘法器，兩圖4單片機模塊

　　路模擬信號與降壓后的激勵信號相乘，得到所需的模擬信號，并通過輸出變壓器隔離和升壓，輸出至自整角機。電路總體設計方案及電路圖如圖2所示。

　　硬件電路是由電源模塊、激勵信號電路、單片機模塊、數模轉換電路、乘法輸出電路組成。

　　2.1電源模塊

　　電路中的元器件需要±15 V和+5 V電源，并且±15 V電源不能接反，+15 V上電時間不能晚于+5 V電源。采用二極管串聯防止±15 V電源反接，在+5 V電源的輸入端串接MOSFET管，+15 V電源控制MOSFET管開和關，可以保證+15 V電源上電時間不晚于+5 V電源，保證了電路的正常工作。

　　由于選擇的二極管反向電壓可以達到40 V，能夠很好地保護后續電路，提升了穩定性和可靠性。

　　2.2激勵信號電路

　　激勵信號電路是由運算放大器及外圍電路組成，電路圖如圖3所示。

　　該電路將激勵電壓Uref通過微型變壓器隔離和衰減，可以有效地避免Uref中的干擾信號對后續電路的影響，并且將參考信號的地與電路中的地分開。由于微型變壓器的輸出功率非常小，為了驅動后續電路，需要通過運算放大器進行放大。

　　上述電路可用于處理共模電壓范圍在±270 V之間的信號；并可以承受持續10 s高達±500 V的共模信號輸入，對電路能起到很好的隔離保護作用；對于400 Hz的共模信號共模抑制比高達95 dB，可以很好地抑制外界干擾。由于使用了自制的微型變壓器和運算放大器的裸芯片，所以本電路板的面積明顯下降，成本低。

　　2.3單片機模塊

　　單片機模塊采用的是STC公司生產的型號為STC15F2K60S2單片機［4］，如圖4所示。該芯片的指令代碼運行速度相對于傳統單片機較快，其內部有專用于復位電路的MAX810，具有高速、低功耗、超強抗干擾、超強抗靜電、高可靠性等性能，適用于對電機控制和強干擾場合。

　　數字角θ通過P1和P2端口輸入單片機，通過查表求出對應的正余弦函數值，單片機通過P0.3和P0.4端口控制D/A芯片的雙通道轉換。

　　本單片機系統簡化了電路的設計，與國內外自整角機轉換器的設計相比，提高了抗干擾能力和轉換速率。

　　2.4數模轉換電路

　　數模轉換電路是由ADI公司生產的AD5557和ADR01芯片構成，如圖5所示。AD5557是14位雙通道并行輸入的電流輸出型數模轉換芯片，可采用+5 V單電源進行供電，最高輸出帶寬可達4 MHz，芯片內置了有利于電阻匹配和溫度跟蹤的四象限電阻，而且反饋電阻簡化通過外部緩沖實現電流電壓轉換的操作。單片機控制AD5557的A0、A1的電平脈沖，用來啟動D/A芯片的通道A和通道B的轉換。

　　ADR01為D/A芯片提供了精密的基準電壓源。ADR01是一種精密帶隙基準電壓源，其具有高精度和高穩定性及低功耗等特性，并且還提供TRIM引腳，可用于精密調整輸出電壓。

　　AD8512為雙通道精密JFET放大器，具有低失調電壓、低輸入偏置電流、低輸入電壓噪聲和低輸入電流噪聲圖5數模轉換電路特性,低失調、低噪聲和極低輸入偏置電流這些特性相結合，使這些放大器特別適合高阻抗傳感器放大以及采用分流的精密電流測量應用。AD8512芯片作為輸入過壓保護單片機輸出的離散函數值D0-D13端口并行輸入的D/A芯片，D/A芯片將輸入的數字量轉換為模擬量，轉換為兩路模擬電流信號，發送給后續的乘法器，該芯片處理數據的速度比單片機或DSP［5］等內部D/A數據處理快。

　　2.5乘法輸出電路

　　乘法輸出電路由兩片AD7734芯片和變壓器組成，如圖6所示。AD7734是一種高精度和高吞吐量模擬前端的芯片，適合高分辨率多路復用應用,可通過簡易數字接口對該器件進行配置，平衡噪聲性能與數據吞吐量等，該芯片可最高實現15.4 kHz的轉換速率，該模擬前端具有4個單端輸入通道，采用+5 V模擬電源供電時可接受最高±10 V的單極性或雙極性輸入范圍。

　　由D/A轉化的一路模擬信號和參考信號分別通過AD7734芯片的輸入端X1和Y1進入芯片，進行信號相乘，然后經過變壓器，將兩路信號變為3路，發送給自整角機的S1、S2、S3端。

　　3系統軟件設計

　　系統的程序主要包括：系統初始化、讀入數據、D/A轉換控制、數值計算、數據輸出。算法流程如圖7所示。

4結論

　　本方案的設計相對于其他電路有簡單易于實現的優點，雖然與國內外公布的已知自整角機信號發生器的研制方法不同，但是本方案總體精度和運算速度達到國外同類產品水平，抗干擾能力優于國內同類產品。系統尚處在試驗階段，需要進一步在實際使用中檢驗和測試，進而對硬件電路和程序逐步進行優化。

　　參考文獻

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　　［4］ 羅純哲,李探元.基于STC12C5A60S2的雙通道音量調節及電平指示模塊設計［J］.微型機與應用,2013,32(7):8688.

　　［5］ 余福榮,羅海波,胡宇，等.基于DSP處理系統的多路數據傳輸方法與實現［J］.電子技術應用,2014,40(4): 2528.