使用任意波形發(fā)生器模擬旋轉變壓器
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概述
旋轉變壓器是一種電磁傳感器，通常被用于測量“旋轉物體“的轉軸角位移和角速度。它常用于汽車(chē)應用（凸輪/曲軸位置），航空（襟翼位置），以及伺服電機等工業(yè)領(lǐng)域。本文將介紹一種使用鼎陽(yáng)科技SDG2000X系列任意波形發(fā)生器模擬簡(jiǎn)單的旋轉變壓器的方法。
2、旋轉變壓器基本原理
在設計、測試及故障定位時(shí)，構建一個(gè)可以模擬實(shí)際旋轉變壓器輸出的系統是非常有用的，尤其是在測試旋轉變壓器測量電路的操作極限以及隨之產(chǎn)生的信號時(shí)，這將變得尤其有用。在仿真過(guò)程中，可以通過(guò)改變信號頻率/幅度/波形添加已知的誤差信號來(lái)控制和測試系統的極限，或者定位到系統的極限點(diǎn)。
許多旋轉變壓器采用相似的設計，如圖1所示：由連接到一個(gè)軸或轉子初級繞組或線(xiàn)圈，以及彼此成90度定位的兩個(gè)固定繞組或定子組成。
圖1. 基本旋轉變壓器結構
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(gè)次級線(xiàn)圈中。在許多旋轉變壓器中，次級線(xiàn)圈以彼此90度垂直安裝。由于每個(gè)線(xiàn)圈都是固定在相對于初級線(xiàn)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(zhù)軸角度的變化，次級線(xiàn)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(xiàn)圈電壓與轉角變化
由圖可見(jiàn)，每個(gè)軸角都存在不同的電壓值。因此可以通過(guò)測量次級線(xiàn)圈的瞬時(shí)電壓以確定轉子角度。
3、實(shí)驗設備
在本次仿真實(shí)驗中，我們將使用波形發(fā)生器為初級線(xiàn)圈提供激勵。同時(shí)，該任意波形發(fā)生器將用于調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(xiàn)圈的正弦輸出、余弦信號輸出。
-SDG805：次級線(xiàn)圈輸出的調制源。所選的設備需能匹配旋轉變壓器的初級線(xiàn)圈最小和最大頻率規格。大多數旋轉變壓器的初級線(xiàn)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(xiàn)圈。
-SDG1032X：模擬次級線(xiàn)圈。該型號具有單個(gè)外部調制輸入，獨立相位控制，和雙邊帶AM（DSB-AM）調制，可以成功模擬旋轉變壓器的正弦和余弦信號。
-雙通道示波器：對模擬系統輸出信號進(jìn)行驗證。選擇具有適當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(yáng)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(kāi)機
使用一根BNC線(xiàn)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(shí)驗設備
在本次仿真實(shí)驗中，我們將使用波形發(fā)生器為初級線(xiàn)圈提供激勵。同時(shí)，該任意波形發(fā)生器將用于調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(xiàn)圈的正弦輸出、余弦信號輸出。
-SDG805：次級線(xiàn)圈輸出的調制源。所選的設備需能匹配旋轉變壓器的初級線(xiàn)圈最小和最大頻率規格。大多數旋轉變壓器的初級線(xiàn)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(xiàn)圈。
-SDG1032X：模擬次級線(xiàn)圈。該型號具有單個(gè)外部調制輸入，獨立相位控制，和雙邊帶AM（DSB-AM）調制，可以成功模擬旋轉變壓器的正弦和余弦信號。
-雙通道示波器：對模擬系統輸出信號進(jìn)行驗證。選擇具有適當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(yáng)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(kāi)機
使用一根BNC線(xiàn)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(gè)信號源的連接示意圖
1）1032X（模擬次級線(xiàn)圈）的輸出（信號源的通道1、通道2）到示波器的輸入端。
2）調節SDG805（初級線(xiàn)圈）輸出一個(gè)系統最低頻率的Vr正弦波，通常Vr的頻率從5k到20kHz范圍變化。
代表初級線(xiàn)圈的信號源SDG805將調制代表次級線(xiàn)圈SDG1032X信號源輸出信號，SDG805電壓設置應該從10Vpp開(kāi)始，然后逐漸調整。
3）將代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG1032X通道1輸出一個(gè)頻率為1Hz，電壓為10Vpp（或相當于旋轉變壓器電路的最大電壓）的正弦波。
4）按下代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG805的Mod按鍵，并選擇DSB-AM類(lèi)型，使信號源通道1執行雙邊帶調制。
5）配置代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG1032X的通道2，使其輸出與通道1一樣的正弦調制信號。僅將相位偏移設置為90度，這將次級線(xiàn)圈提供正交余弦信號。
代表次級線(xiàn)圈的SDG1032X輸出頻率反應了物理旋轉中實(shí)際的旋轉變壓器初級線(xiàn)圈的旋轉頻率大小。必須確認通道1和通道2的頻率保持一樣。
注意：鼎陽(yáng)科技SDG1000X和SDG2000X系列函數任意波形發(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(gè)通道之間耦合頻率，按Utility> CH Copy Coupling，打開(kāi)FreqCoupl?，F在，任何一個(gè)輸出通道的頻率變化都將應用于另一個(gè)輸出通道，以達到同時(shí)改變兩個(gè)頻率的目標。如果要將一個(gè)通道的輸出復制到另一個(gè)通道，可以通過(guò)按下Utility > CH Copy Coupling > CH Copy > CH1 => CH2實(shí)現。
6）打開(kāi)代表初級線(xiàn)圈的信號源SDG805通道1，以及代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG1032X通道1，通道2。
7）驗證性能：調節次級線(xiàn)圈的頻率（通過(guò)轉速調節），驗證，再調節，再驗證，直到測試了旋轉變壓器系統的極限。
8）下圖顯示了模擬中的次級線(xiàn)圈頻率隨著(zhù)初級線(xiàn)圈頻率變化而變化的過(guò)程。
2）調節SDG805（初級線(xiàn)圈）輸出一個(gè)系統最低頻率的Vr正弦波，通常Vr的頻率從5k到20kHz范圍變化。
代表初級線(xiàn)圈的信號源SDG805將調制代表次級線(xiàn)圈SDG1032X信號源輸出信號，SDG805電壓設置應該從10Vpp開(kāi)始，然后逐漸調整。
3）將代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG1032X通道1輸出一個(gè)頻率為1Hz，電壓為10Vpp（或相當于旋轉變壓器電路的最大電壓）的正弦波。
4）按下代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG805的Mod按鍵，并選擇DSB-AM類(lèi)型，使信號源通道1執行雙邊帶調制。
5）配置代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG1032X的通道2，使其輸出與通道1一樣的正弦調制信號。僅將相位偏移設置為90度，這將次級線(xiàn)圈提供正交余弦信號。
代表次級線(xiàn)圈的SDG1032X輸出頻率反應了物理旋轉中實(shí)際的旋轉變壓器初級線(xiàn)圈的旋轉頻率大小。必須確認通道1和通道2的頻率保持一樣。
注意：鼎陽(yáng)科技SDG1000X和SDG2000X系列函數任意波形發(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(gè)通道之間耦合頻率，按Utility> CH Copy Coupling，打開(kāi)FreqCoupl?，F在，任何一個(gè)輸出通道的頻率變化都將應用于另一個(gè)輸出通道，以達到同時(shí)改變兩個(gè)頻率的目標。如果要將一個(gè)通道的輸出復制到另一個(gè)通道，可以通過(guò)按下Utility > CH Copy Coupling > CH Copy > CH1 => CH2實(shí)現。
6）打開(kāi)代表初級線(xiàn)圈的信號源SDG805通道1，以及代表次級線(xiàn)圈的信號源SDG1032X通道1，通道2。
7）驗證性能：調節次級線(xiàn)圈的頻率（通過(guò)轉速調節），驗證，再調節，再驗證，直到測試了旋轉變壓器系統的極限。
8）下圖顯示了模擬中的次級線(xiàn)圈頻率隨著(zhù)初級線(xiàn)圈頻率變化而變化的過(guò)程。
圖4.初級線(xiàn)圈頻率為5kHz，次級線(xiàn)圈頻率為100Hz
圖5.初級線(xiàn)圈頻率為5kHz，次級線(xiàn)圈頻率為200Hz
圖6.初級線(xiàn)圈頻率為10kHz，次級線(xiàn)圈頻率為100Hz
圖7.初級線(xiàn)圈頻率為10kHz，次級線(xiàn)圈頻率為200Hz
建議不要用太大的電壓過(guò)載調制次級線(xiàn)圈信號源的輸入。大約10Vpp足以獲得完全調制而不會(huì )過(guò)載。圖8顯示了當電壓（12Vpp）調制次級線(xiàn)圈輸入的情況。 圖9顯示了正確的調制深度（10Vpp）。
圖8.初級線(xiàn)圈電壓過(guò)高，可觀(guān)察到波形出現了方波邊沿
圖9.初級線(xiàn)圈電壓正常，可觀(guān)察到波形邊沿非常光滑
比較初級線(xiàn)圈的調制頻率和次級線(xiàn)圈信號源的調制規格。如果次級線(xiàn)圈信號源的調制輸入頻率較低，則可能輸出出現如下所示的“臺階”：
圖10. 初級線(xiàn)圈頻率設置太高時(shí)的次級線(xiàn)圈頻率
圖11. 放大高頻初級電壓，觀(guān)測波形細節
在這種情況下，可以通過(guò)在次級線(xiàn)圈的信號源輸出端加低通濾波器消除臺階，使波形更平滑。這與數模（DAC）轉換器過(guò)濾圖像非常相似。
鼎陽(yáng)科技SDG1000X和SDG2000X具備工作頻率為600kHz的調制采樣時(shí)鐘，通過(guò)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(gè)鏡像的頻率。
鼎陽(yáng)科技SDG1000X和SDG2000X具備工作頻率為600kHz的調制采樣時(shí)鐘，通過(guò)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(gè)鏡像的頻率。
總結：使用任意波形發(fā)生器模擬旋轉變壓器輸出提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)驗證和解決旋轉變壓器電路和軟件的操作。 鼎陽(yáng)科技的SDG1000X和2000X系列儀器為此應用提供了靈活且快速的解決方案。
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