鲁达 桑坤，金慧敏，朱向冰
(安徽师范大学 物理与电子信息学院, 安徽 芜湖 241000)
摘要：自整角机信号发生器将输入的数字角度信号转化为模拟量，驱动自整角机旋转，广泛应用于控制系统中。国外的自整角机信号发生器产品进口周期长，并且进行技术封锁，国内产品转换精度较差，转换速度较慢。针对国内外自整角机信号发生器存在的问题，介绍了一种以单片机为控制和处理核心的能够将自整角机信号数字角量转化为模拟角度的信号发生器的设计方案，分析了如何用单片机及D/A芯片实现将数字角量信号转化为自整角机所需的三路模拟信号，改善了转换速度和精度的问题，提高了稳定性和抗干扰性等性能。
0引言
自整角机是一种特种电机，已用于军事、自控工业、航海等诸多方面。自整角机信号发生器接收数字角度信号并转换为模拟信号驱动自整角机转到特定的角度，可以减少模拟角度信号在较长距离传输时的干扰，伴随数控系统的推广，自整角机信号发生器作为该系统中不可缺少的组成部分，也将拥有广泛的市场应用前景。现有的自整角机信号发生器虽然已实现了集成化和产品化，但国内技术在精度及转换速度上始终难以达到国外同行标准，国外技术又存在价格昂贵、技术封锁等原因，导致其在某些领域内的应用市场受制于人，不利于在控制领域的推广应用［1］。为此本文提出一种电路简单、精度较高、转换速度较快、易于实现的自整角机信号发生器设计方案。
1自整角机信号发生器
自整角机在结构上，主要由转子和定子组成，转子轴上的单相绕组通过电刷和滑环与外界连接，引出端用Z1和Z2表示；定子的三相对称绕组以Y型连接，空间位置上依次落后120°，输入端分别用S1、S2、S3表示，其结构如图1所示。
自整角机输入三路交流信号［2］，需要一路交流电压激励，激励电压也称为参考电压，激励电压为：
Uref=ERLO－RHIsinωt(1)
S1、S2、S3是信号电压的引脚，三路交流信号分别为：
ES1－S3=ERLO－RHIsinωtsinθ(2)
ES3－S2=ERLO－RHIsinωtsin(θ+120°）(3)
ES2－S1=ERLO－RHIsinωtsin(θ+240°）(4)
并且
ES2－S1+ES3－S2+ES1－S3=0(5)
其中sinωt为交流信号，θ是自整角机的目标转角［13］。在控制系统中，数字角度信号θ是14 bit并行二进制码，范围是0°~360°，自整角机信号发生器将数字角度信号θ转化成式（2）~式（4）的模拟信号，驱动自整角机旋转。
2整体电路的设计
本文所述的设计方案是以单片机为控制核心，将数字角度信号传输给单片机，单片机进行查表运算，输出的数字信号通过数模转换芯片转换为模拟信号并发送至乘法器；激励信号经过变压器隔离和降压后输入乘法器，两图4单片机模块
路模拟信号与降压后的激励信号相乘，得到所需的模拟信号，并通过输出变压器隔离和升压，输出至自整角机。电路总体设计方案及电路图如图2所示。
硬件电路是由电源模块、激励信号电路、单片机模块、数模转换电路、乘法输出电路组成。
2.1电源模块
电路中的元器件需要±15 V和+5 V电源，并且±15 V电源不能接反，+15 V上电时间不能晚于+5 V电源。采用二极管串联防止±15 V电源反接，在+5 V电源的输入端串接MOSFET管，+15 V电源控制MOSFET管开和关，可以保证+15 V电源上电时间不晚于+5 V电源，保证了电路的正常工作。
由于选择的二极管反向电压可以达到40 V，能够很好地保护后续电路，提升了稳定性和可靠性。
2.2激励信号电路
激励信号电路是由运算放大器及外围电路组成，电路图如图3所示。
该电路将激励电压Uref通过微型变压器隔离和衰减，可以有效地避免Uref中的干扰信号对后续电路的影响，并且将参考信号的地与电路中的地分开。由于微型变压器的输出功率非常小，为了驱动后续电路，需要通过运算放大器进行放大。
上述电路可用于处理共模电压范围在±270 V之间的信号；并可以承受持续10 s高达±500 V的共模信号输入，对电路能起到很好的隔离保护作用；对于400 Hz的共模信号共模抑制比高达95 dB，可以很好地抑制外界干扰。由于使用了自制的微型变压器和运算放大器的裸芯片，所以本电路板的面积明显下降，成本低。
2.3单片机模块
单片机模块采用的是STC公司生产的型号为STC15F2K60S2单片机［4］，如图4所示。该芯片的指令代码运行速度相对于传统单片机较快，其内部有专用于复位电路的MAX810，具有高速、低功耗、超强抗干扰、超强抗静电、高可靠性等性能，适用于对电机控制和强干扰场合。
数字角θ通过P1和P2端口输入单片机，通过查表求出对应的正余弦函数值，单片机通过P0.3和P0.4端口控制D/A芯片的双通道转换。
本单片机系统简化了电路的设计，与国内外自整角机转换器的设计相比，提高了抗干扰能力和转换速率。
2.4数模转换电路
数模转换电路是由ADI公司生产的AD5557和ADR01芯片构成，如图5所示。AD5557是14位双通道并行输入的电流输出型数模转换芯片，可采用+5 V单电源进行供电，最高输出带宽可达4 MHz，芯片内置了有利于电阻匹配和温度跟踪的四象限电阻，而且反馈电阻简化通过外部缓冲实现电流电压转换的操作。单片机控制AD5557的A0、A1的电平脉冲，用来启动D/A芯片的通道A和通道B的转换。
ADR01为D/A芯片提供了精密的基准电压源。ADR01是一种精密带隙基准电压源，其具有高精度和高稳定性及低功耗等特性，并且还提供TRIM引脚，可用于精密调整输出电压。
AD8512为双通道精密JFET放大器，具有低失调电压、低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声图5数模转换电路特性,低失调、低噪声和极低输入偏置电流这些特性相结合，使这些放大器特别适合高阻抗传感器放大以及采用分流的精密电流测量应用。AD8512芯片作为输入过压保护单片机输出的离散函数值D0-D13端口并行输入的D/A芯片，D/A芯片将输入的数字量转换为模拟量，转换为两路模拟电流信号，发送给后续的乘法器，该芯片处理数据的速度比单片机或DSP［5］等内部D/A数据处理快。
2.5乘法输出电路
乘法输出电路由两片AD7734芯片和变压器组成，如图6所示。AD7734是一种高精度和高吞吐量模拟前端的芯片，适合高分辨率多路复用应用,可通过简易数字接口对该器件进行配置，平衡噪声性能与数据吞吐量等，该芯片可最高实现15.4 kHz的转换速率，该模拟前端具有4个单端输入通道，采用+5 V模拟电源供电时可接受最高±10 V的单极性或双极性输入范围。
由D/A转化的一路模拟信号和参考信号分别通过AD7734芯片的输入端X1和Y1进入芯片，进行信号相乘，然后经过变压器，将两路信号变为3路，发送给自整角机的S1、S2、S3端。
3系统软件设计
系统的程序主要包括：系统初始化、读入数据、D/A转换控制、数值计算、数据输出。算法流程如图7所示。
4结论
本方案的设计相对于其他电路有简单易于实现的优点，虽然与国内外公布的已知自整角机信号发生器的研制方法不同，但是本方案总体精度和运算速度达到国外同类产品水平，抗干扰能力优于国内同类产品。系统尚处在试验阶段，需要进一步在实际使用中检验和测试，进而对硬件电路和程序逐步进行优化。
参考文献
［1］ 朱家俊，李康，翟从鸿，等.基于单片机的自整角机数字转换器的研制［J］.微型机与应用，2015，34(9):9295.
［2］ 张敏.数字—自整角机转换器的研究［J］.江苏电器，2008(7):1819.
［3］ 程万娟，张庆，高延滨. 实用型数字/轴角转换器的测试与优化设计［J］. 应用科技，2009，36(3):3841.
［4］ 罗纯哲,李探元.基于STC12C5A60S2的双通道音量调节及电平指示模块设计［J］.微型机与应用,2013,32(7):8688.
［5］ 余福荣,罗海波,胡宇，等.基于DSP处理系统的多路数据传输方法与实现［J］.电子技术应用,2014,40(4): 2528.