用于旋转变压器的新型正弦波振荡源技术研究

吴世辉，尹达一

(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)

0引 言

在伺服系统中，对电动机转子位置的实时精确检测是实现控制的关键。在目前常用的位置传感器中，旋转变压器由于其高稳定度、抗冲击振动、耐高温潮湿等优点，得到了越来越广泛的应用。而在旋转变压器使用中，要保证其测量精度，激磁正弦波的性能至关重要，对正弦波的精度、稳定度、负载能力、频率范围等都有一定要求，因此，针对不同旋转变压器设计出合适的正弦波激励信号源具有十分重要的应用意义。

目前，产生正弦信号的方法有很多:一是采用晶振或者振荡电路加滤波等模拟方法实现，但该方法使用分立元件较多，电路设计较为复杂;二是基于直接数字合成(DDS)或者D/A的数字方法，虽然DDS转换速度快、产生信号稳定、频率分辨率高，但其相位连续性仍不及模拟方法，且价格昂贵［2］，而D/A的相位连续性差，精度低;三是采用国外专用的振荡器芯片，该方法产生的信号精度高，设计简单。目前在大负载旋转变压器应用场合中，可以使用国外专用芯片 DDC公司的 OSC15801或者 AD公司的OSC1758(已停产)提供激磁信号，但其价格十分昂贵，进货周期长，不利于地面测试及应用。

为了解决上述弊端，本文提出采用易于购买、价格低廉的可编程振荡器AD2S99，结合高精度运放LMH6702及电流驱动器HA5002，设计出了一种新型的可为大负载旋转变压器提供高精度激磁信号的正弦波振荡源。该振荡源可输出高精度、大电流的正弦波信号，输出信号的频率和幅度调节方便，带负载能力强。实际测试结果表明，在伺服系统中，采用该振荡源激励编码系统中的旋转变压器，可得到与OSC15801芯片同样的编码精度。因此其完全可代替OSC15801芯片应用于大型伺服系统中，不仅大大降低系统成本，同时避免了因OSC15801等国外专用芯片进货周期长带来的不便。

1硬件电路设计

硬件电路采用振荡器芯片AD2S99作为正弦波的发生源，高精度宽带运放LMH6702用来调节信号幅度，输出级采用电流缓冲芯片HA5002驱动负载。详细介绍如下:

1．1 AD2S99

AD2S99是AD公司生产的高性能可编程正弦波振荡器，主要用于为旋转变压器和各种交流变换器提供高品质的正弦波激励。AD2S99标准输出频率有 2 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz四种，可以通过引脚SEL1和SEL2的逻辑电平设置调节，另外，还可以结合引脚FBIAS与VDD之间连接电阻的大小调节得到相应的中间频率。AD2S99输出正弦波均方根值为2 V，负载电流均方根最大为8 mA，频率稳定度和幅度稳定度分别可达±5%和±3%，总谐波失真-25 dB。本文采用AD2S99作为产生正弦波的振荡源，其外围电路设计如图1所示。通过跳线JP1～JP5以及调节电阻R3的阻值，可使AD2S99输出2～20 kHz之间任一频率的正弦波信号。为了满足后级运放LMH6702的输入电压范围，在AD2S99的输出端先经过电阻R1、R2分压，再接入LMH6702的输入端。另外，由于AD2S99输出电流小(均方根8 mA)，无法满足大负载驱动要求，所以电路输出级还需加一个功率驱动器以增大驱动能力。

图1 AD2S99外围电路设计

1．2 LMH6702

由于AD2S99输出正弦波的幅值固定，为了得到可调节幅度的正弦波以适应不同系统，在AD2S99的输出端连接一级运放LMH6702，通过改变运放增益调节正弦波幅度。LMH6702是一款超低失真、宽带运算放大器，主要用于高速A/D的驱动或D/A的缓冲器，其主要性能参数如表1所示。

表1 LMH6702性能参数

由表1可以看出，LMH6702的噪声低，谐波抑制能力强。采用LMH6702调节正弦波幅度不会引入过多的噪声和谐波失真。LMH6702外围电路设计如图2所示，调节电阻R5的大小即可改变输出正弦波的幅值，R5取值范围318 Ω～200 kΩ。

图2 LMH6702和HA-5002外围电路设计

1．3 HA-5002

HA-5002是美国Intersil公司生产的高压摆率、大输出电流驱动芯片，主要用于宽带的大功率电流驱动。该芯片压摆率1 300 V/μs，最大输出电流±200 mA，3 dB带宽110 MHz，谐波失真小于 -86 dB(VIN=1 V均方根，f=10 kHz)。采用HA-5002作为电路输出级的电流驱动器，外围电路设计简单，只需做好电源的滤波退耦，就能达到功率驱动的目的，且不会影响正弦波的性能。HA-5002外围电路设计如图2所示。

2 Pspice仿真及分析

为了验证电路设计的可行性，采用PSPICE对LMH6702和HA-5002两级系统进行了仿真，包括输出信号幅度、频率特性、驱动负载能力等，仿真的原理图与图2一致，其中LMH6702的正输入端接幅度2 V、频率2～20 kHz可调的正弦波模拟源，具体分析如下:

2．1信号幅度及频率特性仿真

采用瞬态仿真验证电路输出正弦波的最大频率和最大幅度，仿真得出电路能输出最大频率20 kHz、幅度3．5 V的无失真正弦波，波形如图3所示，图4为其对应的频谱图。

图3 频率20 kHz，幅度

图4 频谱图

3．5 V时域波形(负载1 kΩ)

从图中可以看出，当输出正弦波频率20 kHz，幅度3．5 V时，波形无明显失真，对波形进行傅里叶分析可得信号总谐波失真为-58．85 dB。AD2S99输出波形谐波失真为-25 dB，因此采用LMH6702和HA-5002作为后级系统不会使信号谐波失真恶化。

采用交流仿真得到系统的频率响应如图5(a)所示(LMH6702增益为1，系统负载1 kΩ)，系统3 dB带宽为110 MHz。图5(b)为0～50 kHz区间的放大图，从图中可以看出，在20 kHz以内，随着频率增大，电压增益非常平坦，没有下降，因此系统能保证2～20 kHz之间的正弦波都能无失真通过。

图5 系统频率响应

2．2驱动负载能力仿真

瞬态仿真与参数分析结合可得到系统输出信号幅度随负载变化情况，如图7所示。其中图6(a)为输出波形频率2 kHz，幅度2 V的带负载情况，图6(b)为频率20 kHz，幅度3．5 V的带负载情况。从图中可以看出，当负载阻值不小于30 Ω时，输出波形幅度下降小于0．1，当负载阻值为20 Ω时，输出波形幅度下降明显，系统已无法带载。

图6 波形幅度随负载变化情况

3实际测试结果

为了便于工程安装使用，电路板设计小巧，尺寸仅为46．9 mm×24．2 mm，电路板实物图如图7所示。电路板接口引脚设置与OSC15801相同，因此可直接用其替代已有系统中的OSC15801芯片而不需要重新设计硬件电路。

图7 电路板实物图

下面详细介绍测试结果。

(1)单板测试结果

电路板实际输出波形如图8所示，其中图8(a)为频率2 kHz、幅度 2．9 V、负载1 kΩ 时的时域波形，图8(b)为其对应的频谱图，从图中可以看出，波形无明显失真，且频谱特性较好。

图8 频率2 kHz、幅度2．9 V波形

电路板各项参数的测试结果如表2所示，由表2可知，电路板能输出最大电流为110 mA的正弦波，满足大负载驱动的要求，且电路板的带载能力与仿真结果一致。

表2 电路板各项参数测试结果

(2)与OSC15801芯片对比结果

为了进一步验证AD2S99振荡源激励旋转变压器的性能，将此振荡源频率和幅值调到系统所需要的值(频率2 kHz，均方根值2．05 V)，然后应用于已有的旋转变压器系统中(32对极，精度20角秒)，与OSC15801芯片进行对比。图9和图10分别为振荡源和OSC15801芯片在系统中测得的波形。测试结果表明:控制电机转动相同角度，分别用振荡源和OSC15801芯片激励旋转变压器，两者得到的编码值相同。试验结果说明，此振荡源满足激励大负载旋转变压器的要求，可用于替代OSC15801等国外专用芯片。

图9 AD2S99振荡源在系统中的实测波形

图10 OSC15801在系统中的实测波形

4结 语

在大负载旋转变压器应用场合中，目前主要使用国外专用芯片(如OSC15801)提供激磁信号，但这些专用芯片往往价格昂贵、进货周期长，不利于工程应用。本文基于价格低廉、易于购买的可编程振荡器AD2S99，设计了一种新型的可为大负载旋转变压器提供高精度激磁信号的正弦波振荡源，该振荡源输出信号的频率和幅度调节方便，带负载能力强。文中对振荡源电路各模块进行了详细的阐述，并对电路进行了PSPICE仿真和实际测试。测试结果表明，该振荡源可输出最大电流110 mA的正弦波信号，且在实际编码系统中，用该振荡源激励旋转变压器能得到与OSC15801芯片同样的编码精度。因此，此设计完全可代替OSC15801等国外专用芯片应用于大型伺服控制系统中，不仅能够大大降低系统成本，同时也避免了因专用芯片进货周期长带来的不便，具有非常强的实用性。

［1］ 陈思远，高明伦．低谐波失真的CMOS正弦波振荡器设计［J］．电子测量技术，2008，31(4):13-16．

［2］ 霰军宪，邵立群，张杰．基于低失真_高精度可调正弦波发生器的实现［J］．现代电子技术，2010，(18):134-137．

［3］ 方忠民，拜继颂．基于DDS的AD9833高性能正弦波恒流源设计［J］．微计算机信息，2007，23(12-2):300-301．

［4］ 徐正平，翟林培．基于DDS技术的高频正弦波发生器的设计［J］．微计算机信息，2009，25(2-2):67-68．

［5］ 李烽，黄效国，张黎军．一款实用的固定频率正弦波稳频稳幅功率驱动器［J］．仪表技术，2010(6):10-12．

［6］ 姜燕平．旋转变压器原理及其应用［J］．电气时代，2005，(10):98-99．

［7］ 旋转变压器用高精度编码器的设计［J］．工业仪表与自动化装置，2000，(3):41-42．

［8］ 低温漂、高精度多级旋转变压器数字测角原理与系统的研究［J］．仪器仪表学报，1994，15(1):44-48．

［9］ 旋转变压器在数字伺服舵机系统中的应用［J］．微特电机，2011，(12):22-25．

［10］ 旋转变压器数字式测角系统［J］．西安电子科技大学学报，1990，17(4):71-75．