用于旋轉變壓器的新型正弦波振蕩源技術研究

吳世輝，尹達一

(中國科學院上海技術物理研究所，上海200083)

0引 言

在伺服系統中，對電動機轉子位置的實時精確檢測是實現控制的關鍵。在目前常用的位置傳感器中，旋轉變壓器由于其高穩定度、抗沖擊振動、耐高溫潮濕等優點，得到了越來越廣泛的應用。而在旋轉變壓器使用中，要保證其測量精度，激磁正弦波的性能至關重要，對正弦波的精度、穩定度、負載能力、頻率范圍等都有一定要求，因此，針對不同旋轉變壓器設計出合適的正弦波激勵信號源具有十分重要的應用意義。

目前，產生正弦信號的方法有很多:一是采用晶振或者振蕩電路加濾波等模擬方法實現，但該方法使用分立元件較多，電路設計較為復雜;二是基于直接數字合成(DDS)或者D/A的數字方法，雖然DDS轉換速度快、產生信號穩定、頻率分辨率高，但其相位連續性仍不及模擬方法，且價格昂貴［2］，而D/A的相位連續性差，精度低;三是采用國外專用的振蕩器芯片，該方法產生的信號精度高，設計簡單。目前在大負載旋轉變壓器應用場合中，可以使用國外專用芯片 DDC公司的 OSC15801或者 AD公司的OSC1758(已停產)提供激磁信號，但其價格十分昂貴，進貨周期長，不利于地面測試及應用。

為了解決上述弊端，本文提出采用易于購買、價格低廉的可編程振蕩器AD2S99，結合高精度運放LMH6702及電流驅動器HA5002，設計出了一種新型的可為大負載旋轉變壓器提供高精度激磁信號的正弦波振蕩源。該振蕩源可輸出高精度、大電流的正弦波信號，輸出信號的頻率和幅度調節方便，帶負載能力強。實際測試結果表明，在伺服系統中，采用該振蕩源激勵編碼系統中的旋轉變壓器，可得到與OSC15801芯片同樣的編碼精度。因此其完全可代替OSC15801芯片應用于大型伺服系統中，不僅大大降低系統成本，同時避免了因OSC15801等國外專用芯片進貨周期長帶來的不便。

1硬件電路設計

硬件電路采用振蕩器芯片AD2S99作為正弦波的發生源，高精度寬帶運放LMH6702用來調節信號幅度，輸出級采用電流緩沖芯片HA5002驅動負載。詳細介紹如下:

1．1 AD2S99

AD2S99是AD公司生產的高性能可編程正弦波振蕩器，主要用于為旋轉變壓器和各種交流變換器提供高品質的正弦波激勵。AD2S99標準輸出頻率有 2 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz四種，可以通過引腳SEL1和SEL2的邏輯電平設置調節，另外，還可以結合引腳FBIAS與VDD之間連接電阻的大小調節得到相應的中間頻率。AD2S99輸出正弦波均方根值為2 V，負載電流均方根最大為8 mA，頻率穩定度和幅度穩定度分別可達±5%和±3%，總諧波失真-25 dB。本文采用AD2S99作為產生正弦波的振蕩源，其外圍電路設計如圖1所示。通過跳線JP1～JP5以及調節電阻R3的阻值，可使AD2S99輸出2～20 kHz之間任一頻率的正弦波信號。為了滿足后級運放LMH6702的輸入電壓范圍，在AD2S99的輸出端先經過電阻R1、R2分壓，再接入LMH6702的輸入端。另外，由于AD2S99輸出電流小(均方根8 mA)，無法滿足大負載驅動要求，所以電路輸出級還需加一個功率驅動器以增大驅動能力。

圖1 AD2S99外圍電路設計

1．2 LMH6702

由于AD2S99輸出正弦波的幅值固定，為了得到可調節幅度的正弦波以適應不同系統，在AD2S99的輸出端連接一級運放LMH6702，通過改變運放增益調節正弦波幅度。LMH6702是一款超低失真、寬帶運算放大器，主要用于高速A/D的驅動或D/A的緩沖器，其主要性能參數如表1所示。

表1 LMH6702性能參數

由表1可以看出，LMH6702的噪聲低，諧波抑制能力強。采用LMH6702調節正弦波幅度不會引入過多的噪聲和諧波失真。LMH6702外圍電路設計如圖2所示，調節電阻R5的大小即可改變輸出正弦波的幅值，R5取值范圍318 Ω～200 kΩ。

圖2 LMH6702和HA-5002外圍電路設計

1．3 HA-5002

HA-5002是美國Intersil公司生產的高壓擺率、大輸出電流驅動芯片，主要用于寬帶的大功率電流驅動。該芯片壓擺率1 300 V/μs，最大輸出電流±200 mA，3 dB帶寬110 MHz，諧波失真小于 -86 dB(VIN=1 V均方根，f=10 kHz)。采用HA-5002作為電路輸出級的電流驅動器，外圍電路設計簡單，只需做好電源的濾波退耦，就能達到功率驅動的目的，且不會影響正弦波的性能。HA-5002外圍電路設計如圖2所示。

2 Pspice仿真及分析

為了驗證電路設計的可行性，采用PSPICE對LMH6702和HA-5002兩級系統進行了仿真，包括輸出信號幅度、頻率特性、驅動負載能力等，仿真的原理圖與圖2一致，其中LMH6702的正輸入端接幅度2 V、頻率2～20 kHz可調的正弦波模擬源，具體分析如下:

2．1信號幅度及頻率特性仿真

采用瞬態仿真驗證電路輸出正弦波的最大頻率和最大幅度，仿真得出電路能輸出最大頻率20 kHz、幅度3．5 V的無失真正弦波，波形如圖3所示，圖4為其對應的頻譜圖。

圖3 頻率20 kHz，幅度

圖4 頻譜圖

3．5 V時域波形(負載1 kΩ)

從圖中可以看出，當輸出正弦波頻率20 kHz，幅度3．5 V時，波形無明顯失真，對波形進行傅里葉分析可得信號總諧波失真為-58．85 dB。AD2S99輸出波形諧波失真為-25 dB，因此采用LMH6702和HA-5002作為后級系統不會使信號諧波失真惡化。

采用交流仿真得到系統的頻率響應如圖5(a)所示(LMH6702增益為1，系統負載1 kΩ)，系統3 dB帶寬為110 MHz。圖5(b)為0～50 kHz區間的放大圖，從圖中可以看出，在20 kHz以內，隨著頻率增大，電壓增益非常平坦，沒有下降，因此系統能保證2～20 kHz之間的正弦波都能無失真通過。

圖5 系統頻率響應

2．2驅動負載能力仿真

瞬態仿真與參數分析結合可得到系統輸出信號幅度隨負載變化情況，如圖7所示。其中圖6(a)為輸出波形頻率2 kHz，幅度2 V的帶負載情況，圖6(b)為頻率20 kHz，幅度3．5 V的帶負載情況。從圖中可以看出，當負載阻值不小于30 Ω時，輸出波形幅度下降小于0．1，當負載阻值為20 Ω時，輸出波形幅度下降明顯，系統已無法帶載。

圖6 波形幅度隨負載變化情況

3實際測試結果

為了便于工程安裝使用，電路板設計小巧，尺寸僅為46．9 mm×24．2 mm，電路板實物圖如圖7所示。電路板接口引腳設置與OSC15801相同，因此可直接用其替代已有系統中的OSC15801芯片而不需要重新設計硬件電路。

圖7 電路板實物圖

下面詳細介紹測試結果。

(1)單板測試結果

電路板實際輸出波形如圖8所示，其中圖8(a)為頻率2 kHz、幅度 2．9 V、負載1 kΩ 時的時域波形，圖8(b)為其對應的頻譜圖，從圖中可以看出，波形無明顯失真，且頻譜特性較好。

圖8 頻率2 kHz、幅度2．9 V波形

電路板各項參數的測試結果如表2所示，由表2可知，電路板能輸出最大電流為110 mA的正弦波，滿足大負載驅動的要求，且電路板的帶載能力與仿真結果一致。

表2 電路板各項參數測試結果

(2)與OSC15801芯片對比結果

為了進一步驗證AD2S99振蕩源激勵旋轉變壓器的性能，將此振蕩源頻率和幅值調到系統所需要的值(頻率2 kHz，均方根值2．05 V)，然后應用于已有的旋轉變壓器系統中(32對極，精度20角秒)，與OSC15801芯片進行對比。圖9和圖10分別為振蕩源和OSC15801芯片在系統中測得的波形。測試結果表明:控制電機轉動相同角度，分別用振蕩源和OSC15801芯片激勵旋轉變壓器，兩者得到的編碼值相同。試驗結果說明，此振蕩源滿足激勵大負載旋轉變壓器的要求，可用于替代OSC15801等國外專用芯片。

圖9 AD2S99振蕩源在系統中的實測波形

圖10 OSC15801在系統中的實測波形

4結 語

在大負載旋轉變壓器應用場合中，目前主要使用國外專用芯片(如OSC15801)提供激磁信號，但這些專用芯片往往價格昂貴、進貨周期長，不利于工程應用。本文基于價格低廉、易于購買的可編程振蕩器AD2S99，設計了一種新型的可為大負載旋轉變壓器提供高精度激磁信號的正弦波振蕩源，該振蕩源輸出信號的頻率和幅度調節方便，帶負載能力強。文中對振蕩源電路各模塊進行了詳細的闡述，并對電路進行了PSPICE仿真和實際測試。測試結果表明，該振蕩源可輸出最大電流110 mA的正弦波信號，且在實際編碼系統中，用該振蕩源激勵旋轉變壓器能得到與OSC15801芯片同樣的編碼精度。因此，此設計完全可代替OSC15801等國外專用芯片應用于大型伺服控制系統中，不僅能夠大大降低系統成本，同時也避免了因專用芯片進貨周期長帶來的不便，具有非常強的實用性。

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