基于旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種在火控系統(tǒng)應(yīng)用中用來(lái)確認(rèn)填彈部位的位置具有定位功能的電路。該電路具體為利用軸角位置測(cè)量元件即旋轉(zhuǎn)變壓器，控制400 Hz頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)調(diào)制處理使其相位角與一定的直流電壓值相對(duì)應(yīng)，從而產(chǎn)生出兩路相位差為90°的正弦信號(hào)。采用模擬電路進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)其原理進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。實(shí)際產(chǎn)品經(jīng)與整機(jī)系統(tǒng)聯(lián)試，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。該電路具有轉(zhuǎn)換精度高，電路簡(jiǎn)潔實(shí)用，使用溫度范圍寬的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：正弦波信號(hào)；旋轉(zhuǎn)信號(hào)；旋轉(zhuǎn)變壓器；模擬電路

0 引言
    該旋轉(zhuǎn)信號(hào)處理電路模塊的主要功能是利用軸角位置測(cè)量元件——旋轉(zhuǎn)變壓器，控制頻率為400 Hz的正弦波信號(hào)，經(jīng)解調(diào)處理使相位角與特定電壓值相對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生出兩路相位差為90°的信號(hào)，送入系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算填彈系統(tǒng)的位置，對(duì)保證火控系統(tǒng)的正常工作具有重要意義。在此介紹一種采用模擬電路設(shè)計(jì)的方法，利用系統(tǒng)給出的正弦波作為載波信號(hào)，與正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，將所產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)送入乘法電路實(shí)現(xiàn)正余弦兩路信號(hào)的解調(diào)，再通過(guò)濾波、反相比例電路實(shí)現(xiàn)其功能，達(dá)到使用要求。

1 方案設(shè)計(jì)
1．1 基本方案
    產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示：實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源來(lái)模擬系統(tǒng)輸入信號(hào)，輸出頻率為400 Hz，峰-峰值為6 V的正弦波做為VCA信號(hào)；DSB1和DSB2分別為正余弦的調(diào)制信號(hào)；OUT1，OUT2為兩路輸出。

1．2 電路原理及模塊功能
    電路原理及模塊功能如圖2所示。

1．2．1 電路工作原理概述(以下按余弦進(jìn)行分析計(jì)算)
    設(shè)正弦輸入信號(hào)為：
     ur=Ursin(ωrt+φ)
     式中：Ur為正弦信號(hào)的振幅；ωr=2πfc為載波角頻率；fc載波頻率；φ為初始相位。
     DSB信號(hào)為：
    us=UscosΩsinωct
    式中：Ω為旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)角度；Us為信號(hào)經(jīng)旋轉(zhuǎn)變壓后的輸出幅度。
    這兩個(gè)信號(hào)相乘：
   
    經(jīng)低通濾波器的輸出，且考慮ωr-ωc=△ωc在低通濾波器頻帶內(nèi)，那么：
    u0=U0cos(△ωct+φ)cosΩ
    可以看出，當(dāng)載波信號(hào)與輸入信號(hào)同頻同相時(shí)，即ωr=ωc，φ=0，則：
    u0=U0cosΩ
    當(dāng)Ω分別為0°，45°，90°時(shí)，余弦輸出為U0，0．707U0，0，再利用比例放大控制U0為2．5，同時(shí)疊加2．5 V的直流分量，則可得到最終余弦輸出為：
    輸入信號(hào)相位為0°，45°，90°；輸出信號(hào)為5 V，4．26 V，2．5 V。
    同樣利用正弦信號(hào)調(diào)制可得到另一路輸出信號(hào)。
1．2．2 信號(hào)解調(diào)電路
    電路中對(duì)雙邊DSB信號(hào)所進(jìn)行的解調(diào)是極為關(guān)鍵的一步。在產(chǎn)品中經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，沒(méi)有選用通用的平衡調(diào)制解調(diào)器，而是通過(guò)采樣保持電路(乘法器)實(shí)現(xiàn)解調(diào)的。
    原理組成：信號(hào)解調(diào)主要由乘法器和低通濾波器組成，其基本組成如圖3所示。

    輸入信號(hào)為：
 
   
1．2．3 濾波電路
    低通濾波器用來(lái)通過(guò)低頻信號(hào)，抑制或衰減高頻信號(hào)。由于電路中存在著通過(guò)放大電路輸入線或電源線進(jìn)入的干擾，為得到良好的輸出信號(hào)，需對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行濾波?？紤]到信號(hào)頻率較低，采用了反相輸入的一階LPF。
1．2．4 放大電路
    信號(hào)經(jīng)濾波后需放大使輸出信號(hào)達(dá)到用戶要求的幅值，同時(shí)由于需要疊加直流分量，采用如圖4所示電路。

    電路的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成正比，實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)比例運(yùn)算。在輸入信號(hào)不變的條件下，調(diào)節(jié)電阻R3和R4可改變輸出信號(hào)的幅值和電位，在實(shí)際電路中使用了兩個(gè)精密電位器，使電路調(diào)整更為方便。

2 測(cè)試驗(yàn)證及結(jié)果
    VCA信號(hào)為：
    ur=Ursinωct
    式中：Ur為正弦信號(hào)的振幅；ωc=2πfc為載波角頻率，fc為載波頻率。
    經(jīng)旋轉(zhuǎn)變壓器調(diào)制后，得到雙邊帶調(diào)幅信號(hào)，有：

    由上式可知，合理的選擇電路各部分的電阻阻值，可得出如圖5所示輸出波形。

    由模擬驗(yàn)證得知，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    在該項(xiàng)目的研制過(guò)程中，項(xiàng)目組與用戶經(jīng)常溝通，一起聯(lián)試，并將設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及時(shí)反饋，順利通過(guò)了檢測(cè)檢驗(yàn)，產(chǎn)品獲得用戶的認(rèn)可，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)
    該電路經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，各部分工作正常，已經(jīng)成功運(yùn)用在某系統(tǒng)中，使用效果良好。該方案不僅達(dá)到了實(shí)現(xiàn)正余弦、高精度的要求，還具有使用靈活方便、可靠性高、體積小、成本低等特點(diǎn)，是一種理想實(shí)用的電路。