可變分辨率單芯片旋轉變壓器數字轉換器AD2S81A/AD2S82A：特性、應用與設計要點

一、引言

在電子工程師的日常設計工作中，旋轉變壓器數字轉換器是一個關鍵的組件，它在電機控制、過程控制等眾多領域都有著廣泛的應用。AD2S81A/AD2S82A作為可變分辨率單芯片旋轉變壓器數字轉換器，具有許多獨特的特性和優勢，本文將深入探討其特性、應用以及設計要點。

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二、產品特性

2.1 芯片結構與基本特性

AD2S81A采用28引腳DIP封裝，成本較低；AD2S82A采用44引腳PLCC封裝，用戶可設置10、12、14和16位分辨率，最大跟蹤速率可達1040 RPS（10位分辨率時），還具備VCO輸出和數據補碼功能，工作在工業溫度范圍。兩者均為單芯片（BiMOS II）跟蹤R/D轉換器，采用比例轉換，功耗低，典型值為300 mW，動態性能可由用戶設置，具有速度輸出，ESD防護等級為2級（最小2000 V）。

2.2 產品亮點

• 單芯片解決方案：減少了封裝尺寸，提高了可靠性。
• 用戶可設置分辨率：AD2S82A通過兩個控制引腳可選擇10、12、14或16位分辨率，滿足不同應用的最佳分辨率需求。
• 比例跟蹤轉換：提供連續的輸出位置數據，無轉換延遲，對絕對信號電平不敏感，具有良好的抗噪聲能力和對參考及輸入信號諧波失真的容忍度。
• 用戶可設置動態性能：通過選擇外部電阻和電容值，用戶可確定轉換器的帶寬、最大跟蹤速率和速度縮放，以匹配系統要求，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，線性度典型值為1%，可用于許多應用中替代速度傳感器，提供伺服控制中的環路穩定和速度反饋數據。
• 低功耗：典型功耗僅300 mW。

三、應用領域

AD2S81A/AD2S82A適用于多種應用場景，包括直流無刷和交流電機控制、過程控制、機床數控、機器人技術以及軸控制等。在這些應用中，其高精度的轉換能力和可靈活配置的特性能夠滿足不同系統的需求。

四、技術規格

4.1 信號輸入與參考輸入

信號輸入方面，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 控制動態與精度

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

4.3 速度信號與輸入輸出保護

速度信號的線性度、反轉誤差、直流零偏移等都有相應的規格要求。輸入輸出保護方面，模擬輸入和輸出有過壓保護和短路輸出保護，數字位置輸出的分辨率和格式也有明確規定。

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 和模擬地之間并聯解耦電容，推薦值為100 nF（陶瓷）和10 μF（鉭電容），+VL 和數字地之間也應連接100 nF 和10 μF 的電容。當一塊板上使用多個轉換器時，每個轉換器應使用單獨的解耦電容。

5.2 旋轉變壓器連接

旋轉變壓器的連接應按照特定方式進行，將正弦和余弦輸入、參考輸入和信號地連接到相應引腳。兩個信號接地線應在旋轉變壓器的信號接地引腳處連接，以減少正弦和余弦信號之間的耦合。建議使用單獨屏蔽的雙絞線電纜連接旋轉變壓器，正弦、余弦和參考信號應單獨絞合。信號地和模擬地內部連接，模擬地和數字地必須外部連接。

5.3 轉換器分辨率設置（AD2S82A）

AD2S82A的數字輸出分辨率由輸入SC1和SC2的邏輯狀態設置為10、12、14或16位，帶寬和跟蹤速率的動態特性由外部組件選擇。分辨率的選擇會影響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。注意在動態條件下更改分辨率時，應在BUSY為低電平時進行。

六、轉換器操作與信號處理

6.1 轉換器操作

AD2S81A/AD2S82A作為跟蹤旋轉變壓器數字轉換器，形成一個2型閉環系統，輸出會自動跟蹤輸入，速度可達所選的最大跟蹤速率。轉換由輸入的每個LSB增量或減量自動啟動，無需轉換命令。每個LSB變化會啟動一個BUSY脈沖。

6.2 信號處理

• 信號調節：正弦和余弦信號輸入的幅度應保持在標稱值的10%以內，以確保速度信號的完整性能。數字位置輸出對幅度變化相對不敏感，但輸入信號電平增加超過10%會因內部過載導致精度損失，降低電平會導致精度逐漸下降。
• 參考輸入：參考信號的幅度不是關鍵，但應保持在推薦的操作范圍內。即使在沒有電源和/或信號輸入的情況下，提供參考信號也不會損壞轉換器。
• 諧波失真：信號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，但輸入電平應進行調整。
• 位置輸出：旋轉變壓器軸位置由自然二進制并行數字字表示，通過主要進位時會產生RIPPLE CLK邏輯輸出，輸入旋轉方向由DIR邏輯輸出指示。
• 速度信號：跟蹤轉換器技術在積分器輸出產生與輸入角度變化率成正比的內部信號，可用于替代傳統的測速發電機。
• 直流誤差信號：相敏檢測器輸出的信號與輸入角度和輸出數字角度之間的誤差成正比，可用于“內置測試”。

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輸入上的噪聲，推薦使用R1和C2，其值應滿足一定條件，該濾波器在相敏檢測器輸入處提供3倍的衰減。

7.2 增益縮放電阻（R4）

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

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設置轉換器的最大跟蹤速率和速度縮放，根據所需的最大跟蹤速率和分辨率計算R6的值。

7.5 閉環帶寬選擇（C4, C5, R5）

根據分辨率和參考頻率選擇閉環帶寬，然后計算C4、C5和R5的值。

7.6 VCO相位補償

C6和R7應設置為特定值，即C6 = 470 pF，R7 = 68 Ω。

7.7 偏移調整

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

八、數據傳輸與電路性能

8.1 數據傳輸

使用INHIBIT輸入進行數據傳輸，數據在施加邏輯“LO”到INHIBIT后600 ns有效。通過ENABLE輸入可傳輸兩字節數據，之后INHIBIT應返回邏輯“HI”狀態以更新輸出鎖存器。

8.2 電路性能

• 環路補償：AD2S81A和AD2S82A作為2型跟蹤伺服環路，需要額外的極點/零點對補償以穩定環路。
• 比例乘法器：比較旋轉變壓器輸入角度和計數器中的數字角度，產生AC ERROR輸出。
• 高頻濾波器：用于去除直流偏移和減少噪聲，其衰減和頻率響應會影響環路增益。
• 相敏解調器：產生與轉換器位置誤差成正比的直流信號。
• 積分器：外部組件可由用戶選擇以確定動態特性，輸出與速度成正比。
• 壓控振蕩器（VCO）：根據輸入電流控制計數器的時鐘速率，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，補償數字角度輸出的最小有效位內的位置誤差。

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導致轉換不準確，可通過調整零偏移來解決。

9.2 差分相移

正弦和余弦信號之間的差分相移會導致靜態誤差，可通過選擇低殘余電壓的旋轉變壓器、確保信號處理一致和消除參考相移來最小化誤差。

9.3 速度誤差

速度信號的質量可通過保護、消除反轉誤差、減少紋波和噪聲等方法提高。

十、應用案例與其他產品

10.1 應用案例

• 控制變壓器：AD2S82A的比例乘法器可獨立用作控制變壓器。
• 動態切換：在需要寬帶響應的應用中，動態切換轉換器的控制特性可提高性能。

10.2 其他產品

除了AD2S81A/AD2S82A，還有AD2S80A、AD2S46、AD2S34和1740/41/42等相關產品可供選擇。

十一、總結

AD2S81A/AD2S82A作為可變分辨率單芯片旋轉變壓器數字轉換器，具有眾多優秀的特性和廣泛的應用領域。電子工程師在設計過程中，需要根據具體的系統需求，合理選擇和配置外部組件，以充分發揮其性能優勢。同時，要注意各種誤差來源，并采取相應的解決方法，確保系統的穩定性和準確性。在實際應用中，還可以根據不同的場景選擇合適的應用模式和相關產品，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？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。