变压器转换模块及外围电路设计

　　1 数字/旋转变压器转换模块概述

　　中国船舶工业总公司第七研究院第七一六研究所生产的SXZ系列数字/旋转变压器转换模块是一种全电子的旋转变压器模拟装置，也叫固态旋转变压器，其功能是将输入数字全角量转换成旋转变压器信号。该模块是计算机与控制系统之间的理想接口电路，可用于伺服机构、位置控制、火控系统、模拟器和工业控制中。

　　2 数字/旋转变压器转换模块基本工作原理

　　数字/旋转变压器转换模块的原理框图如图1所示。转换模块主要由参考变压器、锁存器、正弦乘法器、余弦乘法器、象限选择开关、功率放大器和输出变压器等几部分组成。

　　当数据总线上是代表角度的数字量时，控制脉冲的低电平将这些数字量锁存起来。若数字量为14位二进制数，则“ENM”对应高8位，“ENL”对应低6位。数字旋转变压器先将角度信息经数/模转换变为直流模拟信号，再按平面坐标进行分解，分解方法如图2所示。设输入数字量和转换后得到的模拟量所代表的角度为α，以坐标原点为起点，沿α方向取单位长度线段，将该线段向两坐标轴投影，则X轴和Y轴上的投影分别为sinα和cosα。分解后的两个直流模拟量经过交流乘法器后，变为交流信号。

　　交流参考信号接在参考输入端，经变压器降压后送到数字旋转变压器中。交流参考信号与sinα和cosα两个直流信号相乘后，就得到两路交流输出信号。这两路交流输出信号的幅值分别随两个直流信号的变化而变化，频率与交流参考信号相同。两路交流信号分别送到中心线相互垂直的两线圈中，则在两线圈中形成交变磁场，两个交流磁场的向量的大小和方向，分别由sinα和cosα的大小和正负决定，如图3所示。这两个交流磁场合成后，所得合成磁场的向量方向，正好沿cosα信号轴正方向顺时针转过α角。由此可见，输出的两路交流信号在空间合成磁场的向量方向，就是输入数字量所代表的角度值。这样，数字旋转变压器就把代表角度的数字量转换成了两路交流模拟信号，其合成交变磁场的方向就代表这个输入的角度值。

　　3 模块主要技术指标

　　该系列模块有多个型号，下面是14SXZ1413的主要性能指标：

　　输入代码  14位

　　输出  ±4分

　　分辨率    1.3分

　　负载能力  1.3VA

　　参考电压  36V/400Hz

　　输出电压  11.8V/400Hz

　　4 模块输出电路设计

　　模块共有6个模拟信号接线端子，其中，RH和RL接交流参考信号，S1、S2、S3和S4接旋转变压器。

　　为改善转换器负载，提高其负载能力，应在接收机的输入端并联调谐电容，如图4所示。其目的是使并联电容与接收机感性负载产生并联谐振，使转换器的有功功率输出，以减小对转换器的输出功率要求。调谐电容容值的确定方法有如下两种：

　　种为实验确定法。将图4中的电容器改为可变电容器，输入端串一个交流毫安表，在S1和S3之间加入额定激磁电压。调整可变电容容值，使毫安表的读数，此时的电容值，即为调谐电容值。

　　第二种为理论计算法。驱动控制式变压器所需功率可表示为：

　　因此，调谐电容起到了改善负载特性、提高转换器的负载能力的作用。

　　几点说明：（1）调谐电容应选用产品，尽量使几个调谐电容容值相等；（2）调谐电容的耐压应大于300V,以免造成击穿；（3）当转换器与负载断开时，应同时将调谐电容与转换器断开，以免造成转换器的损坏。（4）调谐电容只适用于无源负载。

　　5 模块输入电路设计

　　模块的输入信号为并行自然二进制码，“1”脚对应180度，“2”脚对应90度，“3”脚对应45度，余类推。

　　由于输入信号是数字量，故可以用多种方法来给定，如单片机的输出口、I/O板的输出口等。为减小干扰，模块电路与计算机之间应采用光电隔离。在实际应用中，笔者还发现，若直接将光隔离片输出端与模块输入端相连，则模块发热量较大，若中间增加一个非门，则发热量小得多。该现象对“旋转变压器/数字”转换模块尤为明显。

　　控制线上的逻辑“高”电平使输入实现透明，转换器的输出将跟随数字输入量变化。当“ENM”、“ENL”同时为低电平，则转换器的输出将被锁存为下降沿时刻的输入数据，并保持不变，直到“ENM”、“ENL”又置为高电平。如果不需要锁存器，“ENM”、“ENL”外接27kΩ上拉电阻到+5V即可。