AD2S83：高性能跟蹤式旋轉變壓器-數字轉換器的深度解析

在電子工程領域，旋轉變壓器 - 數字轉換器（RDC）是實現精確位置和速度測量的關鍵組件。AD2S83作為一款高性能的跟蹤式RDC，為工程師們提供了靈活且精確的解決方案。本文將深入探討AD2S83的特性、工作原理、應用場景以及設計要點。

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一、AD2S83概述

AD2S83是一款單片式10、12、14或16位跟蹤式旋轉變壓器 - 數字轉換器。它允許用戶通過外部組件選擇自己所需的分辨率和動態性能，最高跟蹤速率可達1040轉/秒（10位分辨率時）。其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，具有高抗噪性和對長導線的耐受性，可遠離旋轉變壓器安裝。

1.1 產品特性

• 高精度速度輸出：產生典型線性度為±0.1%、反轉誤差小于±0.3%的精密模擬速度信號，可替代伺服系統中的機械測速發電機。
• 用戶可設置分辨率：通過兩個控制引腳，用戶可將AD2S83的分辨率設置為10、12、14或16位，以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，同時具有抗噪聲和對參考及輸入信號諧波失真的耐受性。
• 用戶可設置動態性能：通過選擇外部電阻和電容值，用戶可以確定轉換器的帶寬、最大跟蹤速率和速度縮放，以匹配系統要求。

二、技術規格與性能參數

2.1 輸入輸出規格

• 信號輸入（SIN、COS）：頻率范圍為0 - 20,000 Hz，電壓電平典型值為2.0 V rms，輸入偏置電流最大為60 nA，輸入阻抗為1 MΩ。
• 參考輸入（REF）：頻率范圍為0 - 20,000 Hz，電壓電平典型值為60 V pk，輸入偏置電流最大為150 nA，輸入阻抗為1 MΩ。

2.2 性能指標

• 重復性：最大為1 LSB。
• 允許相移：信號與參考之間的相移范圍為 - 10°至 + 10°。
• 最大跟蹤速率：10位分辨率時為1040 rps，12位為260 rps，14位為65 rps，16位為16.25 rps。
• 帶寬：用戶可根據分辨率選擇合適的帶寬，如10位分辨率時參考頻率與帶寬比為2.5 : 1。

2.3 精度指標

• 角度精度：保證單調，最大誤差為±8 + 1 LSB（弧分）。
• 速度信號線性度：不同型號和頻率范圍有所不同，如AD2S83AP在0 kHz - 500 kHz時為±0.15% FSR，0.5 MHz - 1 MHz時為±0.25% FSR。

三、電路連接與設計要點

3.1 電源連接

電源電壓連接到 +VS 和 -VS 引腳時，應分別為 +12 V dc 和 -12 V dc，且不得反轉。VL 引腳的電壓可為 +5 V dc 至 +VS。建議在電源線路與模擬地之間并聯去耦電容，推薦值為100 nF（陶瓷）和10 μF（鉭電容），同時在 +VL 與數字地之間也連接100 nF和10 μF的電容。

3.2 旋轉變壓器連接

旋轉變壓器的連接應按照圖11所示，將正弦和余弦信號連接到SIN和COS輸入，參考輸入連接到REFERENCE INPUT，信號地連接到SIGNAL GROUND。為減少正弦和余弦信號之間的耦合，兩個信號地應在轉換器的SIGNAL GROUND引腳處連接。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。

3.3 組件選擇

• HF濾波器（R1、R2、C1、C2）：用于去除直流偏移和減少信號輸入中的噪聲，建議選擇15 kΩ ≤ R1 = R2 ≤ 56 kΩ，C1 = C2 = 1 / (2πR1fREF)。
• 增益縮放電阻（R4）：根據是否使用R1、C2，計算公式有所不同，與分辨率相關。
• 參考輸入交流耦合（R3、C3）：選擇R3 = 100 kΩ，C3 > 1 / (R3 × fREF) F，以確保參考頻率下無顯著相移。
• 最大跟蹤速率（R6）：VCO輸入電阻R6設置轉換器的最大跟蹤速率和速度縮放，計算公式為R6 = 6.81 × 10^10 / (T × n) Ω，其中T為最大跟蹤速率，n為每轉的位數。
• 閉環帶寬選擇（C4、C5、R5）：根據分辨率選擇合適的參考頻率與帶寬比，然后計算C4、C5和R5的值。
• VCO相位補償：C6 = 390 pF，R7 = 3.3 kΩ，應盡可能靠近VCO輸出引腳連接。
• VCO優化：在VCO輸入和輸出引腳之間連接C7 = 150 pF的電容。
• 偏移調整：若能容忍積分器輸入的偏移和偏置電流導致的輸出位置偏移，可省略R8和R9；否則，使用R8 = 4.7 MΩ，R9 = 1 MΩ電位器進行調整。

四、工作原理與功能模塊

4.1 跟蹤式轉換

AD2S83作為跟蹤式旋轉變壓器 - 數字轉換器，輸出會自動跟隨輸入，直至達到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，每次LSB變化都會觸發一個BUSY脈沖。

4.2 信號調理

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，但輸入信號電平變化過大（超過10%）會導致精度下降。

4.3 參考輸入

參考信號的幅度不是關鍵，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。

4.4 位置輸出

旋轉變壓器軸的位置由轉換器輸出的自然二進制并行數字字表示。當數字位置輸出通過主要進位（全“1”到全“0”或反之）時，會觸發RIPPLE CLOCK邏輯輸出，表示輸入完成了一次旋轉或一個螺距。輸入旋轉方向由DIRECTION邏輯輸出指示。

4.5 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比例的內部信號，即速度信號。建議對速度輸出進行緩沖，其滿量程輸出為±8 V dc，輸出速度縮放和跟蹤速率與轉換器的分辨率有關。

4.6 DC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比例。若輸出無法跟蹤輸入，該信號會增加，可通過連接兩個外部比較器將其用作“內置測試”。

五、數據傳輸與控制

5.1 數據傳輸

使用INHIBIT輸入進行數據傳輸，在施加邏輯“LO”到INHIBIT后490 ns，數據將有效。使用ENABLE輸入可傳輸兩個字節的數據，之后將INHIBIT恢復到邏輯“HI”狀態以更新輸出鎖存器。

5.2 BUSY輸出

BUSY輸出的狀態指示輸出數據的有效性。當轉換器輸入變化時，BUSY輸出會出現一系列TTL電平的脈沖，每次輸入移動一個LSB的模擬等效值并使內部計數器遞增或遞減時，都會觸發一個BUSY脈沖。

5.3 INHIBIT輸入

INHIBIT邏輯輸入僅抑制從上下計數器到輸出鎖存器的數據傳輸，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。

5.4 ENABLE輸入

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，對轉換過程無影響。

5.5 BYTE SELECT輸入

BYTE SELECT輸入選擇要在數據輸出DB1 - DB8呈現的位置數據字節。邏輯“HI”呈現八個最高有效數據位，邏輯“LO”呈現最低有效字節。

5.6 RIPPLE CLOCK

當轉換器輸出通過主要進位時，RIPPLE CLOCK輸出會出現正沿，指示輸入完成了一次旋轉或一個螺距。其最小脈沖寬度為300 ns，通常在BUSY脈沖之前設置為高電平，并在下一個BUSY脈沖的正沿之前復位。

5.7 DIRECTION輸出

DIRECTION輸出指示輸入旋轉的方向，其狀態變化先于相應的BUSY、DATA和RIPPLE CLOCK更新。

5.8 COMPLEMENT

COMPLEMENT輸入為低電平有效，內部通過100 kΩ上拉到 +VS。將DATA LOAD和COMPLEMENT引腳 strobe到邏輯“LO”可將AD2S83計數器的邏輯“HI”位設置為“LO”狀態。

六、應用場景與對比分析

6.1 應用場景

• 直流和交流伺服電機控制：提供精確的位置和速度反饋，實現電機的精確控制。
• 過程控制：用于工業過程中的位置和速度測量，確保過程的穩定性和準確性。
• 機床數控和機器人技術：為機器人和機床提供高精度的位置和速度信息，提高運動控制的精度。
• 軸控制：實現軸的精確定位和速度控制。

6.2 與DC測速發電機對比

• 線性度：AD2S83的線性度為0.1%，優于DC測速發電機的0.3%。
• 反轉誤差：AD2S83的反轉誤差為0.1% FSO，小于DC測速發電機的0.25%。
• 工作速度范圍：DC測速發電機的典型工作范圍為0 - 3600 rpm，而旋轉變壓器/AD2S83組合可在超過10000 rpm的速度下工作。
• 可靠性：DC測速發電機的平均無故障工作時間（MTBF）為347天，而旋轉變壓器通常為8年。
• 溫度敏感性：旋轉變壓器對溫度相對不敏感，而DC測速發電機在高于25°C時輸出電壓會有±0.1%/°C的下降。
• 維護需求：無刷旋轉變壓器無需預防性維護，而DC測速發電機的電刷需要定期檢查。

七、誤差分析與解決方案

7.1 加速度誤差

跟蹤轉換器采用Type 2伺服環路，雖無速度滯后，但存在加速度引起的額外誤差。可使用加速度常數KA來定義該誤差，KA = 輸入加速度 / 輸出角度誤差。通過選擇合適的無源組件可確定KA的值，KA可用于預測給定輸入加速度下的輸出位置誤差。

7.2 誤差來源

• 積分器偏移：積分器輸入的偏移會被視為誤差信號，導致轉換不準確，典型角度誤差為1弧分。可通過調整零偏移來減少該誤差。
• 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，可通過選擇殘余電壓小的旋轉變壓器、確保正弦和余弦信號處理相同以及消除參考相移來最小化該誤差。
• 速度信號紋波：速度信號中的紋波由參考頻率、旋轉變壓器不準確、LSB更新紋波和轉矩紋波等因素引起。可通過優化電路設計和選擇合適的組件來減少紋波。
• 偏移誤差：零速度直流偏移是測量低速或“爬行”速度的限制因素，可通過降低最大跟蹤速率和減小R6的值來最小化該誤差。

八、總結

AD2S83作為一款高性能的跟蹤式旋轉變壓器 - 數字轉換器，具有高精度、高靈活性和可靠性等優點。通過合理選擇外部組件和優化電路設計，工程師們可以充分發揮AD2S83的性能，滿足各種應用場景的需求。在實際應用中，需要注意誤差分析和解決方案，以確保系統的準確性和穩定性。你在使用AD2S83的過程中遇到過哪些問題呢？你是如何解決的？歡迎在評論區分享你的經驗。