使用任意波形發(fā)生器模擬旋轉(zhuǎn)變壓器
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概述
旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁傳感器，通常被用于測量“旋轉(zhuǎn)物體“的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。它常用于汽車應(yīng)用（凸輪/曲軸位置），航空（襟翼位置），以及伺服電機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。本文將介紹一種使用鼎陽科技SDG2000X系列任意波形發(fā)生器模擬簡單的旋轉(zhuǎn)變壓器的方法。
2、旋轉(zhuǎn)變壓器基本原理
在設(shè)計、測試及故障定位時，構(gòu)建一個可以模擬實際旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的系統(tǒng)是非常有用的，尤其是在測試旋轉(zhuǎn)變壓器測量電路的操作極限以及隨之產(chǎn)生的信號時，這將變得尤其有用。在仿真過程中，可以通過改變信號頻率/幅度/波形添加已知的誤差信號來控制和測試系統(tǒng)的極限，或者定位到系統(tǒng)的極限點。
許多旋轉(zhuǎn)變壓器采用相似的設(shè)計，如圖1所示：由連接到一個軸或轉(zhuǎn)子初級繞組或線圈，以及彼此成90度定位的兩個固定繞組或定子組成。
圖1. 基本旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)
初級繞組通入AC交流電壓，該初級激勵信號通常是正弦波，然后耦合到兩個次級線圈中。在許多旋轉(zhuǎn)變壓器中，次級線圈以彼此90度垂直安裝。由于每個線圈都是固定在相對于初級線圈的不同位置，它們將具有不同的耦合效率，并且它們安裝相隔90度，使得輸出波形正交（彼此相位差為90度）。隨著軸角度的變化，次級線圈的輸出信號將發(fā)生變化，如圖2所示。
圖2.正弦激勵電壓下線圈電壓與轉(zhuǎn)角變化
由圖可見，每個軸角都存在不同的電壓值。因此可以通過測量次級線圈的瞬時電壓以確定轉(zhuǎn)子角度。
3、實驗設(shè)備
在本次仿真實驗中，我們將使用波形發(fā)生器為初級線圈提供激勵。同時，該任意波形發(fā)生器將用于調(diào)制另一臺雙通道信號源的輸出，雙通道信號源的輸出將代表次級線圈的正弦輸出、余弦信號輸出。
-SDG805：次級線圈輸出的調(diào)制源。所選的設(shè)備需能匹配旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈最小和最大頻率規(guī)格。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈信號從5k到20kHz不等，幾百mV到100的伏特不等。這些較高的電壓可用于激勵次級線圈。
-SDG1032X：模擬次級線圈。該型號具有單個外部調(diào)制輸入，獨立相位控制，和雙邊帶AM（DSB-AM）調(diào)制，可以成功模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號。
-雙通道示波器：對模擬系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行驗證。選擇具有適當(dāng)帶寬的示波器非常重要（所選示波器帶寬至少是待測信號最大頻率的2到3倍，如果待測信號具有更高的諧波/方波，示波器所需帶寬需更高）。
在本次測試中，我們將使用鼎陽科技SDS2102X超級熒光示波器，它具有140Mpts的存儲深度，Zoom功能，以及能輕松查看信號的10.1英寸大顯示屏。
4、開機(jī)
使用一根BNC線纜連接到SDG805通道1的輸出到SDG1032X信號源的Aux/Mod，如圖3所示。
3、實驗設(shè)備
在本次仿真實驗中，我們將使用波形發(fā)生器為初級線圈提供激勵。同時，該任意波形發(fā)生器將用于調(diào)制另一臺雙通道信號源的輸出，雙通道信號源的輸出將代表次級線圈的正弦輸出、余弦信號輸出。
-SDG805：次級線圈輸出的調(diào)制源。所選的設(shè)備需能匹配旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈最小和最大頻率規(guī)格。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級線圈信號從5k到20kHz不等，幾百mV到100的伏特不等。這些較高的電壓可用于激勵次級線圈。
-SDG1032X：模擬次級線圈。該型號具有單個外部調(diào)制輸入，獨立相位控制，和雙邊帶AM（DSB-AM）調(diào)制，可以成功模擬旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號。
-雙通道示波器：對模擬系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行驗證。選擇具有適當(dāng)帶寬的示波器非常重要（所選示波器帶寬至少是待測信號最大頻率的2到3倍，如果待測信號具有更高的諧波/方波，示波器所需帶寬需更高）。
在本次測試中，我們將使用鼎陽科技SDS2102X超級熒光示波器，它具有140Mpts的存儲深度，Zoom功能，以及能輕松查看信號的10.1英寸大顯示屏。
4、開機(jī)
使用一根BNC線纜連接到SDG805通道1的輸出到SDG1032X信號源的Aux/Mod，如圖3所示。
圖3.兩個信號源的連接示意圖
1）1032X（模擬次級線圈）的輸出（信號源的通道1、通道2）到示波器的輸入端。
2）調(diào)節(jié)SDG805（初級線圈）輸出一個系統(tǒng)最低頻率的Vr正弦波，通常Vr的頻率從5k到20kHz范圍變化。
代表初級線圈的信號源SDG805將調(diào)制代表次級線圈SDG1032X信號源輸出信號，SDG805電壓設(shè)置應(yīng)該從10Vpp開始，然后逐漸調(diào)整。
3）將代表次級線圈的信號源SDG1032X通道1輸出一個頻率為1Hz，電壓為10Vpp（或相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器電路的最大電壓）的正弦波。
4）按下代表次級線圈的信號源SDG805的Mod按鍵，并選擇DSB-AM類型，使信號源通道1執(zhí)行雙邊帶調(diào)制。
5）配置代表次級線圈的信號源SDG1032X的通道2，使其輸出與通道1一樣的正弦調(diào)制信號。僅將相位偏移設(shè)置為90度，這將次級線圈提供正交余弦信號。
代表次級線圈的SDG1032X輸出頻率反應(yīng)了物理旋轉(zhuǎn)中實際的旋轉(zhuǎn)變壓器初級線圈的旋轉(zhuǎn)頻率大小。必須確認(rèn)通道1和通道2的頻率保持一樣。
注意：鼎陽科技SDG1000X和SDG2000X系列函數(shù)任意波形發(fā)生器具有通道解析功能和通道耦合功能可以輕松讓兩通道輸出頻率一致。
要在兩個通道之間耦合頻率，按Utility> CH Copy Coupling，打開FreqCoupl。現(xiàn)在，任何一個輸出通道的頻率變化都將應(yīng)用于另一個輸出通道，以達(dá)到同時改變兩個頻率的目標(biāo)。如果要將一個通道的輸出復(fù)制到另一個通道，可以通過按下Utility > CH Copy Coupling > CH Copy > CH1 => CH2實現(xiàn)。
6）打開代表初級線圈的信號源SDG805通道1，以及代表次級線圈的信號源SDG1032X通道1，通道2。
7）驗證性能：調(diào)節(jié)次級線圈的頻率（通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)），驗證，再調(diào)節(jié)，再驗證，直到測試了旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)的極限。
8）下圖顯示了模擬中的次級線圈頻率隨著初級線圈頻率變化而變化的過程。
2）調(diào)節(jié)SDG805（初級線圈）輸出一個系統(tǒng)最低頻率的Vr正弦波，通常Vr的頻率從5k到20kHz范圍變化。
代表初級線圈的信號源SDG805將調(diào)制代表次級線圈SDG1032X信號源輸出信號，SDG805電壓設(shè)置應(yīng)該從10Vpp開始，然后逐漸調(diào)整。
3）將代表次級線圈的信號源SDG1032X通道1輸出一個頻率為1Hz，電壓為10Vpp（或相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器電路的最大電壓）的正弦波。
4）按下代表次級線圈的信號源SDG805的Mod按鍵，并選擇DSB-AM類型，使信號源通道1執(zhí)行雙邊帶調(diào)制。
5）配置代表次級線圈的信號源SDG1032X的通道2，使其輸出與通道1一樣的正弦調(diào)制信號。僅將相位偏移設(shè)置為90度，這將次級線圈提供正交余弦信號。
代表次級線圈的SDG1032X輸出頻率反應(yīng)了物理旋轉(zhuǎn)中實際的旋轉(zhuǎn)變壓器初級線圈的旋轉(zhuǎn)頻率大小。必須確認(rèn)通道1和通道2的頻率保持一樣。
注意：鼎陽科技SDG1000X和SDG2000X系列函數(shù)任意波形發(fā)生器具有通道解析功能和通道耦合功能可以輕松讓兩通道輸出頻率一致。
要在兩個通道之間耦合頻率，按Utility> CH Copy Coupling，打開FreqCoupl。現(xiàn)在，任何一個輸出通道的頻率變化都將應(yīng)用于另一個輸出通道，以達(dá)到同時改變兩個頻率的目標(biāo)。如果要將一個通道的輸出復(fù)制到另一個通道，可以通過按下Utility > CH Copy Coupling > CH Copy > CH1 => CH2實現(xiàn)。
6）打開代表初級線圈的信號源SDG805通道1，以及代表次級線圈的信號源SDG1032X通道1，通道2。
7）驗證性能：調(diào)節(jié)次級線圈的頻率（通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)），驗證，再調(diào)節(jié)，再驗證，直到測試了旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)的極限。
8）下圖顯示了模擬中的次級線圈頻率隨著初級線圈頻率變化而變化的過程。
圖4.初級線圈頻率為5kHz，次級線圈頻率為100Hz
圖5.初級線圈頻率為5kHz，次級線圈頻率為200Hz
圖6.初級線圈頻率為10kHz，次級線圈頻率為100Hz
圖7.初級線圈頻率為10kHz，次級線圈頻率為200Hz
建議不要用太大的電壓過載調(diào)制次級線圈信號源的輸入。大約10Vpp足以獲得完全調(diào)制而不會過載。圖8顯示了當(dāng)電壓（12Vpp）調(diào)制次級線圈輸入的情況。 圖9顯示了正確的調(diào)制深度（10Vpp）。
圖8.初級線圈電壓過高，可觀察到波形出現(xiàn)了方波邊沿
圖9.初級線圈電壓正常，可觀察到波形邊沿非常光滑
比較初級線圈的調(diào)制頻率和次級線圈信號源的調(diào)制規(guī)格。如果次級線圈信號源的調(diào)制輸入頻率較低，則可能輸出出現(xiàn)如下所示的“臺階”：
圖10. 初級線圈頻率設(shè)置太高時的次級線圈頻率
圖11. 放大高頻初級電壓，觀測波形細(xì)節(jié)
在這種情況下，可以通過在次級線圈的信號源輸出端加低通濾波器消除臺階，使波形更平滑。這與數(shù)模（DAC）轉(zhuǎn)換器過濾圖像非常相似。
鼎陽科技SDG1000X和SDG2000X具備工作頻率為600kHz的調(diào)制采樣時鐘，通過增加通帶低于奈奎斯特極限600 kHz的低通濾波器，使通帶低于第一個鏡像的頻率。
鼎陽科技SDG1000X和SDG2000X具備工作頻率為600kHz的調(diào)制采樣時鐘，通過增加通帶低于奈奎斯特極限600 kHz的低通濾波器，使通帶低于第一個鏡像的頻率。
總結(jié)：使用任意波形發(fā)生器模擬旋轉(zhuǎn)變壓器輸出提供了一種簡單的方法來驗證和解決旋轉(zhuǎn)變壓器電路和軟件的操作。 鼎陽科技的SDG1000X和2000X系列儀器為此應(yīng)用提供了靈活且快速的解決方案。
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