分辨率可變的單芯片旋變數字轉換器AD2S80A的全方位解析

在電子工程領域，旋變數字轉換器在諸多應用中發揮著關鍵作用。AD2S80A作為一款分辨率可變的單芯片旋變數字轉換器，具備諸多獨特的特性和優勢。本文將對AD2S80A進行全面深入的剖析，為電子工程師在設計應用中提供有價值的參考。

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一、AD2S80A的特性與應用

（一）特性

AD2S80A采用單芯片（BiMOS II）設計，提供40引腳DIP或44引腳LCC陶瓷封裝。其顯著特性包括：

1. 分辨率可變：用戶可通過外部元件將分辨率設置為10、12、14或16位，這種靈活性使得它能適應不同應用場景對精度的要求。
2. 比率轉換：采用比率跟蹤轉換方法，能連續輸出位置數據，無轉換延遲，且對絕對信號電平不敏感，還可有效抑制噪聲和基準、輸入信號的諧波失真。
3. 低功耗：典型功耗僅300 mW，這對于一些對功耗有嚴格要求的應用來說非常關鍵。
4. 動態性能可設置：用戶能通過選擇外部電阻和電容值，根據系統要求確定轉換器的帶寬、最大跟蹤速率和速度比例。
5. 速度輸出：可提供與速度成比例的模擬信號，通常百分之一呈線性，在很多應用中可取代速度傳感器，為伺服控制和速度反饋提供環路穩定。
6. 溫度范圍廣：有工業溫度范圍版本和軍用溫度范圍版本可供選擇，能適應不同的工作環境。
7. ESD防護：具備2類ESD防護（2,000 V，最小值），增強了器件的可靠性。

（二）應用

AD2S80A的應用領域十分廣泛，涵蓋直流無刷和交流電機控制、過程控制、機床數字控制、機器人技術、軸控制以及軍用伺服控制等。

二、技術規格詳解

（一）信號與基準輸入

信號輸入頻率范圍為0 - 20,000 Hz，電平為1.8 - 2.2 V rms，輸入偏置電流典型值為0.1 nA，輸入阻抗為60 - 150 MΩ，最大電壓為8 V pk。基準輸入頻率同樣為0 - 20,000 Hz，電平為0.8 - 2.0 V rms，輸入偏置電流典型值為0.1 nA，輸入阻抗為60 - 150 MΩ。

（二）控制動態與精度

帶寬可由用戶可選，角度精度根據不同型號有所差異，如A、J、S型號為±8弧分，B、K、T型號為±4弧分等。單調性方面，L、U型號保證單調性，失碼（16位分辨率）最大為3代碼。速度信號線性度在滿量程范圍為±8 %FSD，反向誤差為±1 %FSD等。

（三）輸入/輸出保護

模擬輸入和輸出的過壓保護為±5.6 V，短路輸出保護為±10.4 V。數字位置輸出分辨率為10、12、14和16位，輸出格式為雙向自然二進制，負載為3 LSTTL。

（四）數字輸入輸出參數

數字輸入高電壓VIH為2.0 V，低電壓VIL為0.8 V，高電流IIH和低電流IIL在不同條件下有相應規定。數字輸出高電壓VOH為2.4 V，低電壓VOL為0.4 V，三態泄漏電流IL為±100 μA。

三、引腳配置與連接

（一）引腳配置

AD2S80A的引腳涵蓋電源電壓（+VS、–VS）、邏輯電源VL、模擬輸入（SIN和COS）、基準輸入REFERENCE I/P等。各引腳具有特定的功能，如ENABLE用于控制輸出數據的狀態，BYTE SELECT用于選擇輸出數據的字節等。

（二）連接要點

連接到+VS和–VS引腳的電源電壓應分別為+12V dc和–12V dc，且不得顛倒。VL引腳電壓為5 V dc。建議在電源線+VS、–VS和毗鄰轉換器的ANALOG GROUND之間并聯去耦電容，同時在+VL和毗鄰轉換器的DIGITAL GROUND之間連接電容。旋變器應連接到SIN和COS輸入、REFERENCE INPUT和SIGNAL GROUND，使用單獨的屏蔽雙絞線電纜來連接旋變器，以降低正弦信號和余弦信號之間的耦合。

四、轉換器操作與性能

（一）轉換器操作

AD2S80A接在特定電路中時，用作旋變數字轉換器，形成Ⅱ型閉環系統。輸出會自動跟隨輸入，速度最高可達選定的最大跟蹤速率。轉換僅取決于輸入信號的比率，因此可耐受輸入幅度和頻率變化，且通過相位敏感檢測器確保對不相干或與參考信號正交的信號具有高抗擾度。

（二）信號調理與基準輸入

正弦和余弦信號輸入的幅度應保持在標稱值的10%以內，以確保速度信號達到最高性能。數字位置輸出對幅度變化相對不敏感，但輸入信號電平過高或過低都會影響精度。基準輸入信號幅度在建議工作范圍內即可，在沒有電源和/或信號輸入的情況下，施加基準電壓不會損壞器件。

（三）諧波失真與位置輸出

信號和基準線路上允許的諧波失真量為10%，可使用方波、三角波和鋸齒波，但輸入電平需進行相應調整。旋變軸位置由轉換器輸出端提供，以自然二進制平行數字字表示。當輸出通過主進位時，會啟動RIPPLE CLOCK邏輯輸出，表示輸入已轉過一圈或完成一個俯仰。輸入旋轉的方向由DIRECTION邏輯輸出來表示。

（四）速度信號與直流誤差信號

跟蹤轉換器技術可在積分器的輸出端生成與輸入角度變化速率成比例的速度信號，在很多應用中可取代傳統的轉速傳感器。相位敏感檢測器輸出端的信號與輸入角度和輸出數字角度之間的誤差成比例，可通過連接外部比較器用作“內置測試”。

五、元件選擇與數據傳輸

（一）元件選擇

為實現所需的帶寬和跟蹤速率，需要合理選擇外部元件。

1. 高頻濾波器：可消除直流失調、降低噪音，其元件值應根據基準頻率進行選擇。
2. 增益調整電阻：根據是否使用R1和C2有不同的計算公式。
3. 基準輸入的交流耦合：R3為100 kΩ，C3應滿足一定條件以確保基準頻率下沒有明顯相移。
4. 最大跟蹤速率：VCO輸入電阻R6設置轉換器的最大跟蹤速率，進而確定速度比例。
5. 閉環帶寬選擇：通過選擇C4、C5、R5來確定閉環帶寬。
6. VCO相位補償：C6和R7采用特定值。
7. 失調調整：可通過配置R8和R9來調整積分器輸入端的失調和偏置電流。

（二）數據傳輸

使用INHIBIT輸入傳輸數據，在對INHIBIT應用邏輯“LO”后600 ns內，數據將保持有效。BUSY輸出表示輸出數據的有效性，INHIBIT輸入禁止數據從加減計數器傳到輸出鎖存器，ENABLE輸入決定輸出數據的狀態，BYTE SELECT輸入選擇要輸出的位置數據字節。

六、電路功能與動態性能

（一）環路補償

AD2S80A用作Ⅱ型跟蹤伺服環路，需要極點/零點對形式的補償來穩定環路，可通過積分器元件（R4、C4、R5、C5）實現。

（二）比率乘法器

比率乘法器將旋變器輸入角度信號與計數器中保留的數字角度進行比較，若存在差異，AC ERROR OUTPUT處將產生模擬電壓。

（三）高頻濾波器

可消除直流失調，降低高頻噪音對環路的影響，其衰減和頻率響應會影響環路增益。

（四）相位敏感解調器

對于與參考信號同相或反相的正弦信號，可在DEMODULATOR OUTPUT引腳處產生與轉換器位置誤差成比例的直流輸出。

（五）積分器

積分器元件位于AD2S80A外部，用戶可根據應用確定最佳動態特性。其輸出與轉速成比例，可通過選擇VCO輸入電阻R6來調整。

（六）電壓控制振蕩器（VCO）

VCO本質上是簡單積分器，計數器按照與VCO輸入電流幅度成比例的速率跳動。輸入電阻R6決定轉換器速度信號電壓與VCO輸入電流之間的比例。

（七）傳遞函數與小信號階躍響應

轉換器具有臨界阻尼時間響應和最大相位余量，閉環傳遞函數可表示為特定公式。小信號階躍響應的時間t1和t2可通過公式近似得出。

（八）加速度誤差

采用Ⅱ型伺服環路的跟蹤轉換器存在因加速度導致的附加誤差，可利用加速度常數KA進行定義。

七、誤差源分析

（一）積分器失調

積分器的輸入失調會導致旋變信號轉換出現額外誤差，可通過調整零失調來減小影響。

（二）差分相移

旋變器正弦和余弦信號之間的差分相移會導致靜態誤差，可通過選擇合適的旋變器、確保信號處理方式相同并消除參考相移來降低誤差。

（三）速度誤差

速度信號可能存在反向誤差、紋波和噪音等問題，可通過緩沖、調整供電軌、采取抗干擾措施等方法來提高速度信號的品質。

八、連接旋變器與典型電路配置

（一）連接旋變器

建議連接電路可通過改變高頻濾波器中電阻R2的值來調整參考相位，相移最高可達10度。

（二）典型電路配置

以12位分辨率模式為例，所選外部元件的值可使得基準頻率等于5 kHz，最大跟蹤速率達到260 rps，且帶寬等于520 Hz。

九、應用與訂購指南

（一）應用

AD2S80A的比率乘法器可獨立用作控制變壓器，還可通過動態切換控制特性在寬帶響應應用中獲得出色性能。

（二）其它產品

AD2S82A除具有AD2S80A的所有功能外，還具有VCO輸出和COMPLEMENT數據輸出。AD2S81A是一款低成本、單芯片、12位旋變數字轉換器。

（三）訂購指南

AD2S80A有多種型號可供選擇，不同型號的工作溫度范圍、精度和封裝選項有所不同。

綜上所述，AD2S80A以其豐富的特性、靈活的配置和廣泛的應用領域，為電子工程師在設計中提供了強大的工具。在實際應用中，工程師需要根據具體需求合理選擇元件和配置參數，以充分發揮AD2S80A的性能優勢。你在使用AD2S80A的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。