可變分辨率單芯片旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S81A/AD2S82A：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、引言

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器是一個(gè)關(guān)鍵的組件，它在電機(jī)控制、過程控制等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。AD2S81A/AD2S82A作為可變分辨率單芯片旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有許多獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)，本文將深入探討其特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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二、產(chǎn)品特性

2.1 芯片結(jié)構(gòu)與基本特性

AD2S81A采用28引腳DIP封裝，成本較低；AD2S82A采用44引腳PLCC封裝，用戶可設(shè)置10、12、14和16位分辨率，最大跟蹤速率可達(dá)1040 RPS（10位分辨率時(shí)），還具備VCO輸出和數(shù)據(jù)補(bǔ)碼功能，工作在工業(yè)溫度范圍。兩者均為單芯片（BiMOS II）跟蹤R/D轉(zhuǎn)換器，采用比例轉(zhuǎn)換，功耗低，典型值為300 mW，動(dòng)態(tài)性能可由用戶設(shè)置，具有速度輸出，ESD防護(hù)等級(jí)為2級(jí)（最小2000 V）。

2.2 產(chǎn)品亮點(diǎn)

• 單芯片解決方案：減少了封裝尺寸，提高了可靠性。
• 用戶可設(shè)置分辨率：AD2S82A通過兩個(gè)控制引腳可選擇10、12、14或16位分辨率，滿足不同應(yīng)用的最佳分辨率需求。
• 比例跟蹤轉(zhuǎn)換：提供連續(xù)的輸出位置數(shù)據(jù)，無轉(zhuǎn)換延遲，對(duì)絕對(duì)信號(hào)電平不敏感，具有良好的抗噪聲能力和對(duì)參考及輸入信號(hào)諧波失真的容忍度。
• 用戶可設(shè)置動(dòng)態(tài)性能：通過選擇外部電阻和電容值，用戶可確定轉(zhuǎn)換器的帶寬、最大跟蹤速率和速度縮放，以匹配系統(tǒng)要求，且所需外部組件成本低，易于選擇。
• 速度輸出：提供與速度成正比的模擬信號(hào)，線性度典型值為1%，可用于許多應(yīng)用中替代速度傳感器，提供伺服控制中的環(huán)路穩(wěn)定和速度反饋數(shù)據(jù)。
• 低功耗：典型功耗僅300 mW。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

AD2S81A/AD2S82A適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括直流無刷和交流電機(jī)控制、過程控制、機(jī)床數(shù)控、機(jī)器人技術(shù)以及軸控制等。在這些應(yīng)用中，其高精度的轉(zhuǎn)換能力和可靈活配置的特性能夠滿足不同系統(tǒng)的需求。

四、技術(shù)規(guī)格

4.1 信號(hào)輸入與參考輸入

信號(hào)輸入方面，頻率范圍為400 - 20000 Hz，電壓電平為1.8 - 2.2 V rms，輸入偏置電流最大為150 nA，輸入阻抗為1 MΩ，最大電壓為±8 V pk。參考輸入頻率為20000 Hz，電壓電平為8.0 V pk，輸入偏置電流為1.0 MΩ。

4.2 控制動(dòng)態(tài)與精度

控制動(dòng)態(tài)方面，重復(fù)性為 -10 - 1 +10，允許的相移（信號(hào)與參考之間）最大為±10°，不同分辨率下的跟蹤速率不同，如10位分辨率時(shí)為1040 RPS，12位分辨率時(shí)為260 RPS等。精度方面，角度精度根據(jù)分辨率不同有所差異，如10位分辨率時(shí)為±30 + 1 LSB，12位分辨率時(shí)為±22 + 1 LSB等，單調(diào)性有保證，16位分辨率時(shí)缺失代碼為41。

4.3 速度信號(hào)與輸入輸出保護(hù)

速度信號(hào)的線性度、反轉(zhuǎn)誤差、直流零偏移等都有相應(yīng)的規(guī)格要求。輸入輸出保護(hù)方面，模擬輸入和輸出有過壓保護(hù)和短路輸出保護(hù)，數(shù)字位置輸出的分辨率和格式也有明確規(guī)定。

五、連接與配置

5.1 電源連接

連接到 +VS 和 -VS 引腳的電源電壓應(yīng)為 +12 V dc 和 -12 V dc，且不能反接。VL 引腳的電壓可為 +5 V dc 到 +VS。建議在電源線路 +VS、-VS 和模擬地之間并聯(lián)解耦電容，推薦值為100 nF（陶瓷）和10 μF（鉭電容），+VL 和數(shù)字地之間也應(yīng)連接100 nF 和10 μF 的電容。當(dāng)一塊板上使用多個(gè)轉(zhuǎn)換器時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)使用單獨(dú)的解耦電容。

5.2 旋轉(zhuǎn)變壓器連接

旋轉(zhuǎn)變壓器的連接應(yīng)按照特定方式進(jìn)行，將正弦和余弦輸入、參考輸入和信號(hào)地連接到相應(yīng)引腳。兩個(gè)信號(hào)接地線應(yīng)在旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)接地引腳處連接，以減少正弦和余弦信號(hào)之間的耦合。建議使用單獨(dú)屏蔽的雙絞線電纜連接旋轉(zhuǎn)變壓器，正弦、余弦和參考信號(hào)應(yīng)單獨(dú)絞合。信號(hào)地和模擬地內(nèi)部連接，模擬地和數(shù)字地必須外部連接。

5.3 轉(zhuǎn)換器分辨率設(shè)置（AD2S82A）

AD2S82A的數(shù)字輸出分辨率由輸入SC1和SC2的邏輯狀態(tài)設(shè)置為10、12、14或16位，帶寬和跟蹤速率的動(dòng)態(tài)特性由外部組件選擇。分辨率的選擇會(huì)影響R4和R6的值，若分辨率改變，必須將新的R4和R6值切換到電路中。注意在動(dòng)態(tài)條件下更改分辨率時(shí)，應(yīng)在BUSY為低電平時(shí)進(jìn)行。

六、轉(zhuǎn)換器操作與信號(hào)處理

6.1 轉(zhuǎn)換器操作

AD2S81A/AD2S82A作為跟蹤旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，形成一個(gè)2型閉環(huán)系統(tǒng)，輸出會(huì)自動(dòng)跟蹤輸入，速度可達(dá)所選的最大跟蹤速率。轉(zhuǎn)換由輸入的每個(gè)LSB增量或減量自動(dòng)啟動(dòng)，無需轉(zhuǎn)換命令。每個(gè)LSB變化會(huì)啟動(dòng)一個(gè)BUSY脈沖。

6.2 信號(hào)處理

• 信號(hào)調(diào)節(jié)：正弦和余弦信號(hào)輸入的幅度應(yīng)保持在標(biāo)稱值的10%以內(nèi)，以確保速度信號(hào)的完整性能。數(shù)字位置輸出對(duì)幅度變化相對(duì)不敏感，但輸入信號(hào)電平增加超過10%會(huì)因內(nèi)部過載導(dǎo)致精度損失，降低電平會(huì)導(dǎo)致精度逐漸下降。
• 參考輸入：參考信號(hào)的幅度不是關(guān)鍵，但應(yīng)保持在推薦的操作范圍內(nèi)。即使在沒有電源和/或信號(hào)輸入的情況下，提供參考信號(hào)也不會(huì)損壞轉(zhuǎn)換器。
• 諧波失真：信號(hào)和參考線上允許的諧波失真量為10%，可使用方波、三角波和鋸齒波等波形，但輸入電平應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。
• 位置輸出：旋轉(zhuǎn)變壓器軸位置由自然二進(jìn)制并行數(shù)字字表示，通過主要進(jìn)位時(shí)會(huì)產(chǎn)生RIPPLE CLK邏輯輸出，輸入旋轉(zhuǎn)方向由DIR邏輯輸出指示。
• 速度信號(hào)：跟蹤轉(zhuǎn)換器技術(shù)在積分器輸出產(chǎn)生與輸入角度變化率成正比的內(nèi)部信號(hào)，可用于替代傳統(tǒng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)。
• 直流誤差信號(hào)：相敏檢測(cè)器輸出的信號(hào)與輸入角度和輸出數(shù)字角度之間的誤差成正比，可用于“內(nèi)置測(cè)試”。

七、組件選擇

7.1 高頻濾波器（R1, R2, C1, C2）

用于去除直流偏移和減少信號(hào)輸入上的噪聲，推薦使用R1和C2，其值應(yīng)滿足一定條件，該濾波器在相敏檢測(cè)器輸入處提供3倍的衰減。

7.2 增益縮放電阻（R4）

根據(jù)是否安裝R1和C2，R4的計(jì)算公式不同，其值與分辨率和直流誤差縮放有關(guān)。

7.3 參考輸入的交流耦合（R3, C3）

選擇R3和C3以確保在參考頻率下無顯著相移。

7.4 最大跟蹤速率（R6）

R6設(shè)置轉(zhuǎn)換器的最大跟蹤速率和速度縮放，根據(jù)所需的最大跟蹤速率和分辨率計(jì)算R6的值。

7.5 閉環(huán)帶寬選擇（C4, C5, R5）

根據(jù)分辨率和參考頻率選擇閉環(huán)帶寬，然后計(jì)算C4、C5和R5的值。

7.6 VCO相位補(bǔ)償

C6和R7應(yīng)設(shè)置為特定值，即C6 = 470 pF，R7 = 68 Ω。

7.7 偏移調(diào)整

積分器輸入的偏移和偏置電流可能導(dǎo)致輸出位置偏移，可通過調(diào)整R8和R9來消除偏移。

八、數(shù)據(jù)傳輸與電路性能

8.1 數(shù)據(jù)傳輸

使用INHIBIT輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在施加邏輯“LO”到INHIBIT后600 ns有效。通過ENABLE輸入可傳輸兩字節(jié)數(shù)據(jù)，之后INHIBIT應(yīng)返回邏輯“HI”狀態(tài)以更新輸出鎖存器。

8.2 電路性能

• 環(huán)路補(bǔ)償：AD2S81A和AD2S82A作為2型跟蹤伺服環(huán)路，需要額外的極點(diǎn)/零點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償以穩(wěn)定環(huán)路。
• 比例乘法器：比較旋轉(zhuǎn)變壓器輸入角度和計(jì)數(shù)器中的數(shù)字角度，產(chǎn)生AC ERROR輸出。
• 高頻濾波器：用于去除直流偏移和減少噪聲，其衰減和頻率響應(yīng)會(huì)影響環(huán)路增益。
• 相敏解調(diào)器：產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換器位置誤差成正比的直流信號(hào)。
• 積分器：外部組件可由用戶選擇以確定動(dòng)態(tài)特性，輸出與速度成正比。
• 壓控振蕩器（VCO）：根據(jù)輸入電流控制計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘速率，其速率由VCO縮放因子固定，輸入電阻R6決定速度信號(hào)電壓和VCO輸入電流之間的縮放。
• VCO輸出：提供模擬輸出電壓，補(bǔ)償數(shù)字角度輸出的最小有效位內(nèi)的位置誤差。

九、誤差來源與解決方法

9.1 積分器偏移

積分器輸入的偏移會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)確，可通過調(diào)整零偏移來解決。

9.2 差分相移

正弦和余弦信號(hào)之間的差分相移會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)誤差，可通過選擇低殘余電壓的旋轉(zhuǎn)變壓器、確保信號(hào)處理一致和消除參考相移來最小化誤差。

9.3 速度誤差

速度信號(hào)的質(zhì)量可通過保護(hù)、消除反轉(zhuǎn)誤差、減少紋波和噪聲等方法提高。

十、應(yīng)用案例與其他產(chǎn)品

10.1 應(yīng)用案例

• 控制變壓器：AD2S82A的比例乘法器可獨(dú)立用作控制變壓器。
• 動(dòng)態(tài)切換：在需要寬帶響應(yīng)的應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)切換轉(zhuǎn)換器的控制特性可提高性能。

10.2 其他產(chǎn)品

除了AD2S81A/AD2S82A，還有AD2S80A、AD2S46、AD2S34和1740/41/42等相關(guān)產(chǎn)品可供選擇。

十一、總結(jié)

AD2S81A/AD2S82A作為可變分辨率單芯片旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有眾多優(yōu)秀的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求，合理選擇和配置外部組件，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，要注意各種誤差來源，并采取相應(yīng)的解決方法，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇合適的應(yīng)用模式和相關(guān)產(chǎn)品，以滿足多樣化的需求。你在使用AD2S81A/AD2S82A過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。