AD2S83：高性能可變分辨率旋轉變壓器-數字轉換器的深度解析

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（Resolver-to-Digital Converter，R/D Converter）是實現精確位置和速度測量的關鍵組件。AD2S83作為一款性能卓越的可變分辨率R/D轉換器，以其高精準度、靈活配置和廣泛的應用場景，在工業控制、機器人等領域發揮著重要作用。今天，我們就來深入探究AD2S83的技術細節、性能特點及應用要點。

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產品概述

主要特性

AD2S83是一款單片式10、12、14或16位跟蹤旋轉變壓器 - 數字轉換器，具有以下顯著特性：

1. 高精度速度輸出：能生成典型線性度為±0.1%、反轉誤差小于±0.3%的精密模擬速度信號，可替代傳統的機械測速發電機，為伺服系統提供穩定的環路和速度控制。
2. 用戶可設置分辨率：通過兩個控制引腳，用戶可靈活選擇10、12、14或16位的分辨率，滿足不同應用場景的需求。
3. 比例跟蹤轉換：采用比例跟蹤轉換技術，可提供連續的輸出位置數據，無轉換延遲，同時具備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。
4. 用戶可設置動態性能：用戶可通過選擇外部電阻和電容值，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。還可使用免費的組件選擇軟件設計輔助工具輕松選擇組件值。
5. 寬工作溫度范圍：適用于工業溫度范圍，能在 -40°C至 +85°C的環境下穩定工作。

應用領域

AD2S83在多個領域有著廣泛的應用，包括但不限于：

• 直流和交流伺服電機控制：為電機提供精確的位置和速度反饋，實現高效、穩定的控制。
• 過程控制：在工業生產過程中，確保設備的精確運行和控制。
• 機床數控和機器人：滿足高精度運動控制的需求，提高機器人的運動精度和工作效率。
• 軸控制：實現對軸的精確位置和速度控制。

技術細節分析

工作原理

AD2S83采用比例跟蹤轉換方法，將旋轉變壓器格式的輸入信號轉換為并行自然二進制數字字。其核心工作原理基于一個Type 2跟蹤伺服環路，其中VCO/計數器組合和積分器執行Type 2環路中固有的兩個積分功能。

主要電路模塊

1. 高頻濾波器（HF Filter）：用于去除直流偏移和減少信號輸入中的噪聲，防止噪聲影響相位敏感檢測器和輸出。推薦使用R1、R2、C1、C2組成的濾波器，其參數選擇需根據參考頻率進行計算，以確保在參考頻率下有適當的衰減和相位特性。
2. 增益縮放電阻（R4）：根據是否使用R1、C2，R4的計算公式有所不同。其作用是對直流誤差信號進行縮放，以適應不同的分辨率設置。
3. 參考輸入交流耦合（R3、C3）：選擇合適的R3和C3值，確保在參考頻率下無顯著相移。
4. 最大跟蹤速率（R6）：VCO輸入電阻R6決定了轉換器的最大跟蹤速率和速度縮放。用戶需根據所需的最大跟蹤速率“T”來計算R6的值，同時要注意線性度在不同頻率范圍的規定。
5. 閉環帶寬選擇（C4、C5、R5）：根據所需的閉環帶寬 (f_{BW}) ，選擇合適的C4、C5和R5值。不同分辨率下，參考頻率與帶寬的比例有不同的指導原則。
6. VCO相位補償和優化：C6 = 390 pF、R7 = 3.3 kΩ應盡可能靠近VCO輸出引腳連接，以實現相位補償；C7 = 150 pF應跨接在VCO輸入和輸出引腳之間，以優化VCO性能。
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。若能容忍該偏移，可省略R8和R9；否則，可使用R8 = 4.7 MΩ、R9 = 1 MΩ電位器進行零偏移調整。

數據傳輸與控制

AD2S83的數據傳輸通過INHIBIT、ENABLE、BYTE SELECT等輸入引腳進行控制：

• INHIBIT輸入：僅抑制數據從上下計數器傳輸到輸出鎖存器，不中斷跟蹤環路的操作。釋放INHIBIT會自動生成一個BUSY脈沖以刷新輸出數據。
• ENABLE輸入：決定輸出數據的狀態。邏輯“HI”使輸出數據引腳處于高阻抗狀態，邏輯“LO”將鎖存器中的數據呈現到輸出引腳。
• BYTE SELECT輸入：選擇要在數據輸出DB1至DB8呈現的位置數據字節。邏輯“HI”呈現8個最高有效數據位，邏輯“LO”呈現最低有效字節。

性能指標

AD2S83的各項性能指標在不同條件下有明確的規定，包括信號輸入、參考輸入、重復性、允許相移、最大跟蹤速率、帶寬、精度、速度信號線性度等。例如，在10位分辨率下，最大跟蹤速率可達1040 rps；速度信號線性度在不同頻率范圍和溫度條件下有不同的規定。

應用要點與注意事項

連接與布線

1. 電源連接：連接到 (+V{S}) 和 (-V{S}) 引腳的電源電壓應為 +12 V dc和 –12 V dc，且不得反接； (V{L}) 可在 +5 V dc至 (+V{S}) 范圍內。建議在電源線路和模擬地之間并聯去耦電容，以減少電源噪聲。
2. 旋轉變壓器連接：旋轉變壓器的連接應按照規定連接到SIN和COS輸入、參考輸入和信號地。兩個信號接地線應在轉換器的信號地引腳處連接，以減少正弦和余弦信號之間的耦合。推薦使用單獨屏蔽的雙絞線電纜連接旋轉變壓器，將正弦、余弦和參考信號分別絞合。
3. 接地處理：信號地和模擬地內部連接，模擬地和數字地必須外部連接，并盡可能靠近轉換器。

信號處理

1. 信號幅度：SINE和COSINE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，但輸入信號電平變化過大可能會影響精度。
2. 參考輸入：參考信號的幅度不是關鍵因素，但應確保在推薦的工作范圍內。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AD2S83。
3. 諧波失真：信號和參考線路上允許的諧波失真量為10%。可使用方波、三角波和鋸齒波等波形，但需調整輸入電平以滿足要求。

分辨率設置

用戶可通過SC1和SC2輸入的邏輯狀態選擇數字輸出的分辨率為10、12、14或16位。分辨率的選擇會影響R4和R6的值，若分辨率改變，需相應調整R4和R6的值。在動態條件下更改分辨率時，應在BUSY為低電平時進行，即數據不變化時。

與直流測速發電機的比較

線性度和反轉誤差

AD2S83在0 - 3600 rpm的典型工作范圍內，線性度和反轉誤差表現良好，與直流測速發電機相當。但AD2S83的旋轉變壓器/AD2S83組合可在超過10000 rpm的速度下工作，而直流測速發電機的典型工作范圍為0 - 3600 rpm。

紋波效應

直流測速發電機由于旋轉速度、換向器段和極數等因素會產生紋波，而AD2S83的輸出紋波可通過合理的設計和調整進行最小化。

其他因素

從平均無故障工作時間（MTBF）來看，旋轉變壓器的MTBF通常為8年，而直流測速發電機的MTBF僅為347天。此外，旋轉變壓器對溫度相對不敏感，無需預防性維護；而直流測速發電機的輸出電壓在高于25°C時會有±0.1%/°C的退化，且電刷需要定期檢查。

總結

AD2S83作為一款高性能的旋轉變壓器 - 數字轉換器，憑借其靈活的分辨率設置、高精度的速度輸出和良好的抗干擾能力，在工業控制和機器人等領域具有顯著的優勢。電子工程師在設計過程中，應充分了解其技術細節和應用要點，合理選擇外部組件，以實現系統的最佳性能。同時，與直流測速發電機的比較也顯示出AD2S83在可靠性和性能方面的優勢。在實際應用中，我們還需根據具體需求和場景，進一步優化設計，確保系統的穩定運行。你在使用AD2S83或其他類似轉換器的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。