轉(zhuǎn)AD2S80系列分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)及應(yīng)用

1、轉(zhuǎn)AD2S80 系列分解器 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)及應(yīng)用（轉(zhuǎn)）AD2S80系列分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)及應(yīng)用2010/07/1516:52 摘要：介紹了 AD2S80 系列分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換 器的主要特點(diǎn)、技術(shù)指標(biāo)及使用方法，并以AD2S80A 為例詳細(xì)說明了外接兀件的選擇及有關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。關(guān)鍵詞：跟蹤速率高頻濾波器相敏檢波器1概述分解器（Resolver）又叫旋轉(zhuǎn)變壓器，它和自整角機(jī)（也叫同步器）都 是角位移傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換 器（縮寫為RDC是一種特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它采用比值跟蹤的轉(zhuǎn)換方式， 專門用于將分解器的角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

2、，以便計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)能夠進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字運(yùn)算。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)理想的專用接口器件。AD2S8C系列RDC是美國模擬器件公司（AnalogDevicesInc）生產(chǎn)的RDC產(chǎn)品中的一部分。 AD2S8C系列包括 AD2S80A AD2S81A AD2S82A AD2S83等產(chǎn)品。以下介紹它們 的主要特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)及使用方法。2AD2S8C系列RDC勺主要特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo) AD2S8C系列RDC勺共同特 點(diǎn)：單片結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。線路結(jié)構(gòu)相同，芯片內(nèi)含有 輸入緩沖器、分段開關(guān)、R2R梯形網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、可逆計(jì)數(shù)器、相敏檢波器、 積分器、壓控振蕩器（VCO）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換邏輯電路，輸出數(shù)據(jù)鎖存器

3、及輸出緩沖器 等，原理框圖如圖1所示。圖1AD2S80系列的原理框圖及外圍器件基本接線圖與外界的接線方法， 外接器件參數(shù)計(jì)算方法及使用方法都完全相同。采用BiMOS工藝，兼有CMOS邏輯電路的優(yōu)點(diǎn)及采用高精度的線性電路。因此，AD2S8C系列的RDC產(chǎn)品具有精度高、長期穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。都具有速度傳感的輸出電壓，它 與RDC勺輸入轉(zhuǎn)角變化速率成正比，其線性度為1% 由用戶選擇動(dòng)態(tài)性能。通過外接電阻和電容的不同選擇，可得到不同的帶寬和跟蹤速率及RDC專換器速度輸出的比例值。這樣，不同用戶可以根據(jù)最佳的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能選用最佳的 外接元件值。除AD2S81A外其余品種RDC由用戶根據(jù)系統(tǒng)要求選

4、擇分辨率。具有很好的抗干擾性能，允許遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)。YM5HZ =11 AD2S80系列RDC勺不同點(diǎn)：基準(zhǔn)信號(hào)頻率不同。AD2S80A AD2S82A AD2S83基準(zhǔn)信 號(hào)頻率是50Hz20kHz AD2S81A基準(zhǔn)信號(hào)頻率是400Hz20kHz 輸出信號(hào)的 二進(jìn)制數(shù)碼形式不同。AD2S80A AD2S81A輸出二進(jìn)制碼，AD2S82A AD2S83 當(dāng)COM!是低電平時(shí)，輸出二進(jìn)制補(bǔ)碼信號(hào)。DATALOA控制端不同。AD2S80AAD2S81A AD2S82A!電平有效，而 AD2S83低電平有效。AD2S80系列主要技術(shù)指標(biāo)見表1。表1AD2S80系列RDC主要技術(shù)指標(biāo)型號(hào) AD2S8

5、0AAD2S81AAD2S82AAD分辨3率（位）10，12，14，161210, 12，14， 1610，12，14，16 輸入信號(hào)頻率（Hz）5020，00040020, 0005020, 0005020, 000輸入信號(hào)電壓（典型值）20V20V20V20V基準(zhǔn)信號(hào)頻率（Hz）5020，00040020, 0005020, 0005020, 000 基準(zhǔn)信號(hào)電壓（VPK）1080108010801080誤差跟蹤 速率 H（分）土 22+1LSBA J , S（分）土 8+1LSB 30+1LSB 8+1LSB 8+1LSBB K, T（分）土4+1LSB4+1LSBL U（分）土 2+1

6、LSB 2+1LSB10位, rps 最大 1040 最大 1040最大104012位，rps最大260最大260最大260最大26014位，rps最大 65最大65最大6516位，rps最大1625最大1625最大1625速度信號(hào)線性 度%FS 1 1 1 1反轉(zhuǎn)誤差%FS 1最大土 2最大土 203%俞出值直流零位 失調(diào)電壓最大6mV最大6mV最大6mV典型值土 3mV數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間最大 600ns最 大600ns最大600ns最大490ns數(shù)據(jù)總線16位8位16位16位信號(hào)和基準(zhǔn)諧波 失真度最大 10%最 大 10%最 大 10%最 大 10% 源電壓土 12Vdc 10% 12Vdc 1

7、0% 12Vdc 10% 12Vdc 10%寸裝形式40腳，陶瓷雙列直插。44腳，陶瓷無引 線芯片載體28腳，陶瓷雙列直插44腳，塑料引腳芯片載體44腳，塑料引腳芯 片載體 ADI 也生產(chǎn)混合集成 RDC和 SDC（SynchrotoDigitalConverter），女口RDC1742/1740 SDC1742/1740等，這是目前國內(nèi)用得較多的幾種型號(hào)?；旌鲜?RDC與 SDC之間的唯一差別是輸入變壓器的結(jié)構(gòu)形式不同。同步器的S1, S2和S3端連接SDC勺S1、S2和S3輸入端，然后用一個(gè)微型Scott變壓器將同步器 的三相格式信號(hào)變換為旋轉(zhuǎn)變壓器的格式（SIN和COST個(gè)單相信號(hào)），其

8、后面 的電路形式兩者完全相同。早期生產(chǎn)的 SDC1742/1740和RDC1742/174Q組件內(nèi) 部的芯片數(shù)較多。自2S80系列芯片問世以來，SDC1742/1740或 RDC1742/1740 內(nèi)部主要為2S80A芯片和微型變壓器，并將一些輔助元器件封裝在同一個(gè)管殼 內(nèi)，所以在使用時(shí)不需外接任何元器件，比較方便。ADI生產(chǎn)過模塊式SDC/RDC如RDC/SDC170系列，它與單片式RDC相比，存在著工藝復(fù)雜，精度低，穩(wěn)定性差，漂移大，體積大，可靠性差等缺點(diǎn)。因此，該類產(chǎn)品ADI已停產(chǎn)。但混合式SDC/RD集成塊與單片式RDC2S8系列同樣在用戶中廣泛使用。在設(shè)計(jì)新 產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)選用單片式的R

9、DC產(chǎn)品。3AD2S8C系列分解器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用由于 AD2S8C系列RD夠直接將物 體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換成單調(diào)的二進(jìn)制數(shù)字。因此，它在國防、工業(yè)控制、 科研生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了極其廣泛的應(yīng)用。例如，直流無刷電機(jī)和交流電 機(jī)的控制、過程控制、數(shù)字控制機(jī)械工具、機(jī)器人、坐標(biāo)軸控制、導(dǎo)航控制、 導(dǎo)彈與火炮的伺服控制系統(tǒng)、仿真領(lǐng)域等。下面以AD2S80ARD為例，說明使用中的一些基本問題。31AD2S80ARD的基本接法及參數(shù)計(jì)算 AD2S80ARD外圍電 路的基本接法如圖1所示。YM5HZ =12使用AD2S80ARD時(shí)，+VS和-VS引腳 分別接直流穩(wěn)壓電源的+12V和-12V電壓，電源

10、電壓幅值偏差不大于10%電源 穩(wěn)定度要求1%以上，電源的紋波電壓不大于 2mV接線時(shí)，電源極性不要接錯(cuò)。 +VL的輸出電壓范圍是+5V+VS在RDC勺+VS -VS電源引腳旁，要求在+VS和 -VS電源線和模擬地(ANALOGGROUND)-之間分別接去耦電容，去耦電容分別 同一個(gè)陶瓷電容(典型值01卩F)和一個(gè)鉭電容(典型值10卩F)并聯(lián)而成。在VL 引腳和數(shù)字地(DIGITALGROUND)間也應(yīng)連接去耦電容，該去耦電容同樣地由 01卩F的陶瓷電容和10卩F的鉭電容并聯(lián)組成。同一塊印制板安裝多個(gè)AD2S80系列RDC時(shí)，則應(yīng)該在每個(gè)RDC的 +VS -VS，+VL引腳旁分別加去耦電容。SI

11、N 和COS引腳分別接分解器的SIN和COS信號(hào)的高端，而分解器的SIN和COS信 號(hào)的低端分別接到信號(hào)地(SIGNALGNE引腳上，這樣可以消除測量誤差。DATALOA引腳是加載數(shù)據(jù)的控制端，當(dāng)邏輯低時(shí)，16位可逆計(jì)數(shù)器DB1DB16 輸入數(shù)據(jù)，邏輯高時(shí)，DB1DB1輸出數(shù)據(jù)。SC1和SC2是AD2S80A俞出數(shù)據(jù)分 辨率的控制端，SC1和 SC2的電平邏輯與分辨率關(guān)系如表 2所示。表2SC1 SC2 邏輯關(guān)系與分辨率關(guān)系表下面討論圖1的有關(guān)參數(shù)計(jì)算方法:(1)在圖1中，外接元件R1, C1和R2, C2組成一個(gè)高頻濾波器，它的作用是消除任何直流偏移 及減少輸入到片內(nèi)相敏檢波器的噪聲值。在R

12、2=R3和 3= C3的條件下，R1和C2可以省略，但是實(shí)際應(yīng)用中 R2=R3通常取R仁R2 3= C2計(jì)算時(shí)，先確定R1 和 R2 的值。15kQ1/(R3fREF)(F)(4)式中R3單 位Q, C3單位F，fREF單位Hz(4)最大跟蹤速率的確定。壓控振蕩器(VCO)的輸 入電阻R6決定了 AD2S80系列RDC勺最大跟蹤速率。因此，在確定速度輸出8V電壓的條件下，也就確定了在最大跟蹤速率時(shí)的速度比例。電阻R6按下式計(jì)算:R6=632X 10n/(T X n)( Q )(5)式中n每一轉(zhuǎn)的位數(shù)。不同的分辨率時(shí)，n值 不同。10位分辨率，n=1，024;12位分辨率，n=4,096;14位

13、分辨率， n=16,384;16位分辨率，n=65,536T每秒鐘轉(zhuǎn)數(shù)，T必須不超過最大跟蹤速率， 或者取基準(zhǔn)頻率的1/16 o (5)閉環(huán)帶寬fBW的選擇。在圖1中，影響閉環(huán)帶寬 的因素是C4, C5和R5為了保證閉環(huán)帶寬，要求基準(zhǔn)頻率與閉環(huán)帶寬的比例 不能超過下列數(shù)值:10位分辨率，基準(zhǔn)頻率/閉環(huán)帶寬比25 ： 1o 12位分辨率， 基準(zhǔn)頻率/閉環(huán)帶寬比4 ： 1。14位分辨率，基準(zhǔn)頻率/閉環(huán)帶寬比6 : 1o 16位 分辨率，基準(zhǔn)頻率/閉環(huán)帶寬比75 ： 1 o 一般情況下基準(zhǔn)頻率為400Hz,帶寬取 100Hz;基準(zhǔn)頻率為5kHz時(shí)，帶寬取5001000Hz電容器C4的選擇:C4=21

14、/(R6fBW)(6)式中R6單位Q ;fBW閉環(huán)帶寬，單位 Hz電容器C5的選 擇:C5=5C4(7)電阻R5根據(jù)下列公式計(jì)算:R5=4/(2 n C5fBW)(Q )(8)(6)壓控振蕩 器(VCO)的相位補(bǔ)償。在壓控振蕩器中，外接元件 R7和C6組成一個(gè)相位補(bǔ)償電 路，推薦值如下:R7=68Q，C6=470pF失調(diào)的調(diào)整。在積分器中，失調(diào)和偏置 電路都能引起RDC勺位置失調(diào)，存在一個(gè)附加輸出，它的典型值最小是1分，最大是53分。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果這種情況是允許的，那么電路中R8和R9可以省略；如果不允許，電阻R8取47MQ，電位器R9取1MQ。調(diào)試方法如下：將 COS引腳與REFEREN

15、CEINP引腳短接，SIN弓I腳與SIGNALGROUNtW短接，接 通電源，并且加上基準(zhǔn)信號(hào)源，然后調(diào)整電位器R9,使RDC勺輸出全為0o32AD2S80ARD與分解器的連接方法AD2S80ARD與分解器的連接線路圖如圖 2。圖2AD2S80ARD與分解器接線原理圖在圖2的線路中，基準(zhǔn)源的相位與來自分 解器的激磁電壓有關(guān)。假定，R仁R2=RC仁C3基準(zhǔn)頻率fREF=1/2 n RC(9)根據(jù) 公式(9)就能得到圖1中的高頻濾波器的不同電阻值。由于 R2電阻值的變化與 輸入的基準(zhǔn)源相位變化接近線性關(guān)系，相位變化可以達(dá)到10度以上，電阻R2每增加10%就會(huì)使相位滯后2度;反之，R2每減少10%就

16、會(huì)使相位超前2度， 可以用公式表示如下：超前相位=arctan(1/2 n fRC)(10)滯后相位=arctan(2 nfRC)(11)33AD2S80系列RDC與同步器的連接 AD2S8C系列RDC能夠直接與分解 器相連接，這時(shí)RDC通過4根導(dǎo)線從分解器輸入SIN和COST個(gè)信號(hào)。但是， 許多應(yīng)用環(huán)境是由同步器輸出三相信號(hào) ：VS1S3=KVREFsirn VS3S2=KVREFsinQ +120 )(12)VS1S3=KVREFsin( Q +240 )式中 K 同步器的變化，VREF激磁電壓。 同步器輸出信號(hào)幅值要比分解器的輸出信號(hào)SIN和COS幅值大得多。如果要使AD2S80系列RD

17、C能夠接收同步器的信號(hào)，則必須將公式(12)中的三相信號(hào) VS1S3 VS3S2和VS2S1變換成SIN和COS言號(hào)，Scott變壓器和Scott固態(tài)變 壓器都具有這種功能，也可以采用 ADI公司生產(chǎn)的AD2S75同步器/分解器變壓 器隔離接口進(jìn)行變換。Scott變壓器的變換：Scott變壓器的基本原理圖如圖3 所示：圖3Scott變壓器原理圖同步器輸出信號(hào) VS1S3=Vsin tsin Q VS3S2=Vsin3 tsin( Q +120 )VS2S1=Vsin tsin( Q +240 )式中 V=KVREFV仁Vsin tsin Q V2=Vsin tcos Q (13)在第一個(gè)變壓器

18、中設(shè)變比為 1 : Rn初級(jí)電壓VS1S3=Vsin 3 tsin Q (14)次級(jí)電壓 V仁VR nsi n tsin Q (15)令 VS1S3=V1 貝 U Vs in tsin Q =VRnsintsin Q (16)得出Rn=1因此，第一個(gè)變壓器的變比為1 ： 1。設(shè)第二個(gè) 變壓器的變化為 Rm變壓器次級(jí)電壓：V2=VRmsin tsin( Q +120 )+Nsin 3 tsin Q (17)其中N是第一個(gè)變壓器的抽頭比例。式(17)可以簡寫成:V2=VRmsin tsin(Q +120)+Nsin tsinQ YM5H乙=8所以 Vsin tcos Q =VRmsintsi n(

19、Q +120)+Nsin tsinQ 消去 Vs in t得:cos Q =si n( Q +120 )+KsinQ Rm(18)當(dāng) Q =0 時(shí)，1=Rmsin120 =Rmsin60 Rm=2/3當(dāng) Q =90 時(shí) 0=Rm(sin210 +Nsin90 )0=-sin30 +NN=1/2 因此，第二個(gè)變壓器的變比為1 :2/3，第一個(gè)變壓器的抽頭比例是1/2。固態(tài)Scott變壓器的變換：固態(tài)Scott 變壓器的原理圖如圖4所示：圖4固態(tài)Scott變壓器原理圖設(shè)AD2S80系列RDC的輸入信號(hào)電壓為 VREFVs in， Vcos,并且放大器A1，A2和A3的增益分別為G1, G2和G3從

20、圖4可 以得出以下關(guān)系式：從固態(tài)Scott變壓器輸入RDC的基準(zhǔn)電壓:VREF=G1VREFsin t(19)RDC 的 Vs in 端輸入電壓:Vsi n=G2VS1S3=G2KVREFsitsin Q (20)RDC 的 VCO端輸入電壓:VCOS=G3VS3S2-G3VS2S仁G3(VS3S2-VS2S1)(21)VS3S2- VS2S1=KVREFsitsin( Q +120 )-KVREFsin tsin( Q +240 )=KVREFsin tsin( Q +120 )-sin( Q +240 )(22)從三角和公式得出:sin( Q +120 )- sin( Q +240 )=3

21、cos Q (23)將式(23)代入(22)后得出:VS3S2-VS2S1=3KVREFsin 3 tcos 9 (24)將式(24)的值代入(21)，與式(19)及(20)聯(lián)立得:VREF=VREFG1sin s tVsin=VREFKG2sin tsin 9 (25)VCOS=VREFKG33sintcos 9 式中 K和VREFsins t分別為同步器(自整角機(jī))的變比與激磁電壓，公式(23)為同步器信 號(hào)通過固態(tài)Scott變壓器轉(zhuǎn)換成分解器信號(hào)的變換關(guān)系，根據(jù)公式就能計(jì)算出 固態(tài)變壓器各通道放大器同步器激磁電壓不同時(shí)的增益G1, G2 G3由于AD2S80系列 RDC勺輸入電壓一般為

22、VREF=2Vrms Vs in=2Vrms, VCOS=2Vrms 因 此很容易確定固態(tài)變壓器的增益與各通道的電阻值。固態(tài)Scott變壓器在實(shí)際使用中，由于電路存在分布電容及電阻誤差等許多因素，所以實(shí)際結(jié)果與理論 計(jì)算會(huì)出現(xiàn)誤差。因此，在電路中增加了一個(gè)調(diào)整幅值的電位器。電路中要求 采用精密電阻，精度不低于1%下面推薦幾種信號(hào)電壓時(shí)的電阻值，見表3。YM5HZ =9表3同步器輸出電壓與固態(tài)變壓器電阻值的關(guān)系信號(hào)電壓 (Vrms)R1R2R3R42011 Ik 127k Q 226k Q 113k Q 11811kQ 127k Q 133k Q 665k Q 2611kQ 127kQ 280kQ 140kQ 9011kQ 127kQ 118MQ 590kQ VR1155X RVX RVX R/2 采用AD2S75與 AD2S8C系列RDC的連接如圖5所示。圖5AD2S75與 AD2S8C系列 RDC的接線原理圖AD2S75是通用同步器分解器電壓信