解析AD2S83：高精度跟蹤旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器

在電子工程領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（R/D轉(zhuǎn)換器）是實(shí)現(xiàn)角度測量和控制的關(guān)鍵組件。今天我們要深入探討的AD2S83，就是一款具有卓越性能的跟蹤R/D轉(zhuǎn)換器，它在諸多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。

文件下載：AD2S83APZ.pdf

1. AD2S83概述

AD2S83是一款單片式10 - 16位跟蹤旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用戶可以通過外部組件自行選擇分辨率和動態(tài)性能。它能將旋轉(zhuǎn)變壓器格式的輸入信號轉(zhuǎn)換為并行自然二進(jìn)制數(shù)字字，采用比率跟蹤轉(zhuǎn)換方法，具有高抗噪性和對長引線的耐受性，允許轉(zhuǎn)換器與旋轉(zhuǎn)變壓器遠(yuǎn)程放置。

1.1 主要特性

• 高精度速度輸出：產(chǎn)生典型線性度為±0.1%、反轉(zhuǎn)誤差小于±0.3%的精密模擬速度信號，可替代伺服系統(tǒng)中的機(jī)械測速發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定和速度控制。
• 用戶可設(shè)置分辨率：通過兩個(gè)控制引腳，用戶可將AD2S83的分辨率設(shè)置為10、12、14或16位，以滿足不同應(yīng)用的最佳分辨率需求。
• 比率跟蹤轉(zhuǎn)換：該技術(shù)提供連續(xù)的輸出位置數(shù)據(jù)，無轉(zhuǎn)換延遲，同時(shí)具備抗噪能力和對參考及輸入信號諧波失真的耐受性。
• 用戶可設(shè)置動態(tài)性能：用戶通過選擇外部電阻和電容值，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。借助免費(fèi)的組件選擇軟件設(shè)計(jì)輔助工具，組件值的選擇變得輕松。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

AD2S83廣泛應(yīng)用于直流和交流伺服電機(jī)控制、過程控制、機(jī)床數(shù)控、機(jī)器人技術(shù)以及軸控制等領(lǐng)域。

2. 技術(shù)規(guī)格

2.1 電氣參數(shù)

• 電源電壓：±12Vdc ± 5%（±Vs），5Vdc ± 10%（VL）。
• 工作溫度范圍：-40°C至+85°C。
• 頻率輸入：頻率范圍為0 - 20,000Hz，輸入偏置電流和輸入阻抗等參數(shù)有明確規(guī)定。

2.2 性能指標(biāo)

• 線性度：在不同溫度和頻率條件下，線性度有所不同，如在-40°C至+85°C，0.5MHz - 1MHz時(shí)，線性度為±1.0% FSR。
• 最大跟蹤速率：10位分辨率時(shí)可達(dá)1040 RPS（62,400 rpm）。

3. 電路連接與操作

3.1 電源連接

連接到+Vs和 - Vs引腳的電源電壓應(yīng)為+12Vdc和 - 12Vdc，且不能反接。VL引腳的電壓可為+5Vdc至+Vs。建議在電源線路和模擬地之間并聯(lián)去耦電容，以減少電源噪聲。

3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器連接

將旋轉(zhuǎn)變壓器的SIN和COS輸入、參考輸入和信號地連接到AD2S83。為減少正弦和余弦信號之間的耦合，兩個(gè)信號地線應(yīng)在轉(zhuǎn)換器的信號地引腳處連接。推薦使用單獨(dú)屏蔽的雙絞線電纜連接旋轉(zhuǎn)變壓器，將正弦、余弦和參考信號分別絞合。

3.3 轉(zhuǎn)換器操作

AD2S83作為跟蹤旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸出會自動跟隨輸入，直至達(dá)到所選的最大跟蹤速率。轉(zhuǎn)換由輸入的每個(gè)LSB增量或減量自動啟動，每次LSB變化都會觸發(fā)一個(gè)BUSY脈沖。

4. 信號處理與輸出

4.1 信號調(diào)節(jié)

正弦和余弦信號輸入的幅度應(yīng)保持在標(biāo)稱值的±10%以內(nèi)，以確保速度信號的完整性能。數(shù)字位置輸出對幅度變化相對不敏感，但輸入信號電平的大幅變化會影響精度。

4.2 參考輸入

參考信號的幅度并非關(guān)鍵，但需確保在推薦的操作范圍內(nèi)。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。

4.3 位置輸出

轉(zhuǎn)換器輸出以自然二進(jìn)制并行數(shù)字字表示旋轉(zhuǎn)變壓器軸的位置。當(dāng)數(shù)字位置輸出經(jīng)過主要進(jìn)位（全“1”到全“0”或反之）時(shí)，會觸發(fā)RIPPLE CLOCK邏輯輸出，指示輸入的一圈或一個(gè)節(jié)距已完成。方向邏輯輸出（DIR）指示輸入旋轉(zhuǎn)的方向。

4.4 速度信號

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比例的內(nèi)部信號，即速度信號。建議對速度輸出進(jìn)行緩沖，滿量程速度輸出為±8Vdc。速度輸出的縮放和跟蹤速率與轉(zhuǎn)換器的分辨率有關(guān)。

4.5 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(shù)字角度之間的誤差成比例。當(dāng)轉(zhuǎn)換器無法跟蹤輸入時(shí)，該信號會增加，可通過連接外部比較器將其用作“內(nèi)置測試”。

5. 組件選擇

為實(shí)現(xiàn)所需的帶寬和跟蹤速率，需要選擇合適的外部組件。以下是各組件的選擇方法：

• 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，推薦在存在開關(guān)電源和無刷電機(jī)驅(qū)動噪聲時(shí)使用。
• 增益縮放電阻（R4）：根據(jù)是否使用R1和C2，計(jì)算公式有所不同，與分辨率有關(guān)。
• 參考輸入的交流耦合（R3, C3）：選擇R3和C3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(shè)置轉(zhuǎn)換器的最大跟蹤速率和速度縮放。
• 閉環(huán)帶寬選擇（C4, C5, R5）：根據(jù)分辨率和參考頻率選擇合適的閉環(huán)帶寬，進(jìn)而確定C4、C5和R5的值。
• VCO相位補(bǔ)償（C6, R7）：C6 = 390pF，R7 = 3.3kΩ，應(yīng)盡可能靠近VCO輸出連接。
• VCO優(yōu)化（C7）：C7 = 150pF，跨接在VCO輸入和輸出之間。
• 偏移調(diào)整（R8, R9）：用于調(diào)整積分器輸入的偏移，可根據(jù)需要選擇是否使用。

6. 數(shù)據(jù)傳輸與控制

6.1 數(shù)據(jù)傳輸

使用INHIBIT輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，邏輯“LO”應(yīng)用于INHIBIT后490ns數(shù)據(jù)有效。使用ENABLE輸入可傳輸兩字節(jié)數(shù)據(jù)，之后將INHIBIT恢復(fù)為邏輯“HI”以更新輸出鎖存器。

6.2 控制信號

• BUSY輸出：指示輸出數(shù)據(jù)的有效性，輸入變化時(shí)會產(chǎn)生一系列TTL電平脈沖。
• INHIBIT輸入：僅抑制數(shù)據(jù)從上下計(jì)數(shù)器傳輸?shù)捷敵鲦i存器，不中斷跟蹤環(huán)路的操作。
• ENABLE輸入：確定輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，邏輯“HI”使輸出數(shù)據(jù)引腳處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，邏輯“LO”將鎖存器中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到輸出引腳。
• BYTE SELECT輸入：選擇位置數(shù)據(jù)的字節(jié)，邏輯“HI”呈現(xiàn)最高有效字節(jié)，邏輯“LO”呈現(xiàn)最低有效字節(jié)。
• RIPPLE CLOCK：輸出經(jīng)過主要進(jìn)位時(shí)觸發(fā)正沿，指示輸入的一圈或一個(gè)節(jié)距已完成。
• DIRECTION輸出：指示輸入旋轉(zhuǎn)的方向，狀態(tài)變化先于BUSY、DATA和RIPPLE CLOCK更新。
• COMPLEMENT輸入：低電平有效，用于設(shè)置計(jì)數(shù)器的邏輯狀態(tài)。

7. 電路功能與動態(tài)性能

7.1 環(huán)路補(bǔ)償

AD2S83作為Type 2跟蹤伺服環(huán)路工作，VCO/計(jì)數(shù)器組合和積分器執(zhí)行兩個(gè)積分功能。需要額外的極點(diǎn)/零點(diǎn)對補(bǔ)償來穩(wěn)定環(huán)路，由積分器組件（R4, C4, R5, C5）實(shí)現(xiàn)。

7.2 比率乘法器

比率乘法器是AD2S83的輸入部分，比較旋轉(zhuǎn)變壓器信號和計(jì)數(shù)器中的數(shù)字角度，差異產(chǎn)生AC ERROR輸出。

7.3 高頻濾波器

用于去除AC ERROR輸出中的直流偏移和減少噪聲，其衰減和頻率響應(yīng)會影響環(huán)路增益。

7.4 相敏解調(diào)器

產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換器位置誤差成比例的直流電平信號，跟蹤環(huán)路閉合時(shí)，誤差為零（除非輸入角度加速）。

7.5 積分器

外部組件（R4, C4, R5, C5）允許用戶確定最佳動態(tài)特性，輸出與速度成比例，可通過R6縮放。

7.6 壓控振蕩器（VCO）

本質(zhì)上是一個(gè)簡單的積分器，向一對直流電平比較器提供信號。VCO速率由輸入電流和縮放因子決定，最大推薦速率為1.1MHz。

7.7 傳遞函數(shù)

通過選擇合適的組件，轉(zhuǎn)換器具有臨界阻尼時(shí)間響應(yīng)和最大相位裕度。閉環(huán)傳遞函數(shù)和加速度常數(shù)可用于預(yù)測輸出位置誤差。

8. 作為硅測速發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

8.1 位置控制

AD2S83可作為速度和位置反饋設(shè)備，傳統(tǒng)位置控制環(huán)路通過比較需求位置和實(shí)際位置來推導(dǎo)位置誤差和速度需求。引入二階項(xiàng)可補(bǔ)償動態(tài)負(fù)載效應(yīng)，AD2S83可同時(shí)提供速度和位置信息。

8.2 與直流測速發(fā)電機(jī)比較

與直流測速發(fā)電機(jī)相比，AD2S83具有更高的線性度、更低的反轉(zhuǎn)誤差和更寬的工作速度范圍。此外，AD2S83的平均MTBF更長，對溫度不敏感，無需預(yù)防性維護(hù)。

9. 誤差來源與補(bǔ)償

9.1 積分器偏移

積分器輸入的偏移會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)確，可通過調(diào)整零偏移來補(bǔ)償。

9.2 差分相移

正弦和余弦信號之間的差分相移會導(dǎo)致靜態(tài)誤差，可通過選擇合適的旋轉(zhuǎn)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

速度信號中的紋波或噪聲由參考頻率、旋轉(zhuǎn)變壓器不準(zhǔn)確、LSB更新紋波和轉(zhuǎn)矩紋波等因素引起?？赏ㄟ^優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和選擇合適的組件來減少誤差。

10. 典型電路配置

圖11展示了AD2S83的典型電路配置，適用于12位分辨率，參考頻率為5kHz，最大跟蹤速率為260 rps，帶寬為520Hz。通過合理選擇外部組件的值，可實(shí)現(xiàn)良好的性能。

總結(jié)

AD2S83是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有高精度、高靈活性和廣泛的應(yīng)用范圍。通過深入了解其技術(shù)規(guī)格、電路連接、信號處理和誤差補(bǔ)償?shù)确矫妫?a target="_blank">電子工程師可以更好地應(yīng)用AD2S83，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的角度測量和控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，你是否遇到過類似轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用難題？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。