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。