一种基于国产化旋转变压器/直流电压转换器电路的设计

李芳，王超，符丹钰，高群

（1.中国电子科技集团公司第四十三研究所微系统安徽省重点实验室，安徽合肥，230088；2.中国电子科技集团公司第四十三研究所，安徽合肥，230088）

1 概述

在全数字伺服电机控制系统中，对电机转子位置的检测是实现控制的关键。目前，位置传感器的种类很多，常用的有光电编码器和旋转变压器。后者由于具有抗冲击振动和耐温度变化能力强，因而在工作环境恶劣的场合获得广泛应用。旋转变压器是一种模拟机电元件，不能直接用于数字化伺服系统，需要接口电路实现其模拟信号与控制系统数字信号之间的转化。这种转换接口电路即旋转变压器/数字转换器，也叫数字式旋转变压器。

随着微电子技术的快速发展，数模转换器（DAC）作为连接数字信号和模拟信号之间的桥梁正发挥着越来越重要的作用，而且现代计算机、无线通讯等信息产业的不断进步，对DAC的速度、精度等性能指标也不断提出更高的要求。本文研究的数模转换电路主要包含10V基准参考的电路、控制逻辑电路、I/O缓冲电路、缓冲器、位权网络与电压运算电路。可以在2.5V参考电压下，输出两路差分电流。

2 电路总体方案设计

旋转变压器/直流电压转换器包含旋转变压器-数字转换器电路、16位并行二进制码输出、数字-直流电流转换器以及精密电流-电压转换器，输出直流电压信号。旋转变压器/数字转换器电路是将旋转变压器输出的四线交流电压转换成二进制数字量。16位并行输入精密D/A转换电路实现将二进制形式的数字信号转换为线性的直流电流信号输出，再通过精密运算放大器把电流信号转换成电压信号输出，电路原理框图如图1所示。

图1 电路设计总体框图

电路设计的技术指标需满足如下条件：

（1）输入信号：供电电压±12V和+5V；通道数：2路；参考电压2V；信号输入电压：2Vrms(±10%)；工作频率：1kHz～5kHz；分辨率 ：16bit。

（2）输出信号：通道数：2路；输出电压：-10～10V；（0度对应-10V，180度对应0V，360度对应10V）；输出电压精度：-0.3%～0.3%；跟踪速率：2.0r/S；分辨率：16bit；输出精度：-4～4角分；工作温度范围：-55℃～125℃。

2.1 16位解算/数字转换（R/D转换器）的原理介绍和电路设计

采用基于国产芯片R/D转换器设计的电路方案，搭配合成参考控制电路、带宽设计电路、-5V电容滤波电路、信号调理薄膜电阻网络等外围电路，主要是充分掌握该R/D转换器件的特点，利用器件各部分功能，进行对应的电路设计，设计电路框图如图2所示。

图2 R/D转换电路原理框图

信号变换电路：通常测角元件的输出信号不能直接进行采样和转换，需要采用适当的放大器或变压器对其进行幅值和信号变换。常规电路设计采用运算放大器实现输入信号电平转换功能。

R/D单芯片（包括固态控制变压器、误差放大、相位自适应、鉴相器、压控振荡器、积分器、双八位可逆计数锁存器、电源变换电路）：设计基于国产化R/D转换单芯片，设置外围电阻和电容器件，重要性能指标如系统带宽、最大跟踪速率等根据用户使用的实际需求而设定。国产化R/D转换单芯片设计为一种混合信号BICMOS工艺的IC，包含了模拟信号输入，数字信号输出部分，精确的模拟电路系统与数字逻辑结合在一起形成了一种完整的高性能跟踪型模拟信号转数字信号的变换器。

该转换器接收四线的旋转变压器信号S1、S2、S3、S4，输入激磁信号RH、RL，通过转换器内部差动隔离转换成正余弦交流电压VS、VC：

VS=KE0SinθSinωt，

VC= KE0CosθSinωt。

其中θ为旋转变压器输入角度；E0Sinωt为参考信号；K为输入信号转换器的变换系数。

这两个信号与内部可逆计数器的数字角Φ在正余弦函数乘法器中相乘，经误差处理得：

KE0SinθCosΦSinωt- KE0CosθSinΦSinωt=KE0Sin(θ-Φ)Sinωt。

经过放大、鉴相、积分滤波后送入压控振荡器，如果θ-Φ不归零，压控振荡器将输出脉冲更改可逆计数器内的数据，直到θ-Φ在转换器精度内归零，在这一过程中转换器的输出数字角Φ始终跟踪输入角θ变化。当这一过程完成时，可逆计数器的数字量Φ值就等于旋转变压器的轴角θ，实现了对θ的数字转换，并通过锁存器输出二进制数。

R/D转换器输出的忙信号作为时钟信号控制后级的D/A转换器读取数据。

R/D转换器的禁止功能端口被用来锁存数据转移到数据锁存器里的数字角输出，禁止功能低电平有效。应用禁止信号不会影响到转换器的持续跟踪。禁止信号时序图如图3所示：

图3 禁止信号时序图

R/D转换器参数设计如下：

（1）旋转载波频率fC≥3.5fBW；fC：用户系统频率而定。

（2）选择应用的跟踪速率并采用合适的RSET和RCLOCK值，常用RSET=RCLOCK=30KΩ。

（3）跟踪速率的计算：

（4）带宽频率选择计算：

2.2 16位D/A转换器的电路设计原理

旋转变压器/直流电压转换器要求输出电压精度和线性度很高，在输入角度0～360°时对应输出电压为-10V～10V，当旋转角度为0°时，对应电压为-10V；当旋转角度为180°时，对应电压为0V；当旋转角度为360°时，对应电压为+10V，因而在D/A转换电路设计时要考虑到零点电压及正负电压对称性。由于D/A转换电路实现将输入角度信号以二进制形式表示的数字信号转换对应为线性的直流电压值，且电压值要精确到毫伏级，因而在设计时选取了高精度、高可靠、高速度的并行输入的16位D/A转换器。在该D/A转换器内部包括了一个精密的+2.5V温度补偿电压基准、输入锁存器、电阻网络、电流源阵列以及16位开关控制接口电路，16位D/A转换器内部原理框图如图4所示。D/A转换器通过时钟信号控制输出信号，输入信号、时钟信号和输出信号的对应关系如图5所示。通过调整D/A转换电路中电位器的阻值来调整输出电流值及两路信号的对称性。

图4 D/A转换器原理框图

图5 时序图

2.3 I/V转换设计电路

D/A转换器输出电流通过I/V转换电路把电流信号转换成输出电压信号，I/V转换电路设计原理如图6所示：

图6 I/V 转换电路图

通过电流/电压转换电路，最终输出为电压信号。当输入数字信号的代码为0000H，输出模拟电压为负电压，调整电路中电位器的阻值，使输出电压为-10V，从而完成了双极性输出时的偏差调整。当输入数字信号的代码为FFFFH，输出模拟电压为最大正电压，调整电路中电位器的阻值，使输出电压为+10V，从而完成了增益调整。具体对应关系如表1所示，输入角度和输出电压关系如图7所示。

表1 输入角度和输出电压关系表

图7 输入角度和输出电压关系图

3 工艺制作

旋转变压器/直流电压转换器电路采用多层厚膜MCM工艺制作，厚膜成膜工艺主要是采取丝网印刷漏印工艺，将待制作的导体、绝缘、电阻、包封等粘性浆料漏印到陶瓷基片上，然后通过烘干烧成以去除印刷后的图形中的有机成分，并使具有粘接性能的玻璃、氧化物通过高温扩散、化学反应将功能相与基底材料连接起来。由于厚膜成膜材料为粘性材料，需要烘干或烧结后才能去除具有粘性的有机成分，为利于工艺操作，每种材料印刷后均需要烘干或烧结完成才能制作下一层。

产品制作过程中采用的组装工艺主要包括再流焊、粘接、键合、手工焊、平行缝焊等。基板采用再流焊工艺固定到外壳底座上，器件贴装采用再流焊和粘接工艺，引线键合采用金丝键合工艺，感性元件引线采用手工焊工艺焊接到基板焊盘上，然后采用绝缘膜和绝缘胶固定感性元件和引线，最后采用平行缝焊工艺进行密封（充氦10%）。在混合集成电路组装过程中还有一些辅助步骤，它们是数次清洗、电阻的功能调、目检、电测试、非破坏性键合拉力试验等，已保证产品电性能正常、可靠性满足军品使用要求。

4 验证情况

对该电路设计方案进行了模拟试验，并制作了厚膜混合集成样品，样品试验数据如表2所示，由表2试验数据可知，该电路设计方案技术合理可行。

表2 旋转变压器/直流电压转换器模拟试验数据

5 结束语

本文介绍了旋转变压器/直流电压转换器电路设计方案及拓扑结构，重点介绍了R/D和D/A转换器的两部分电路设计原理，实现了旋转变压器信号到模拟信号的转换功能和性能指标实现。通过模拟试验并制作了相应的实物样机，验证了理论分析的正确性。