AD2S83：高性能跟蹤式旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子工程領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）是實(shí)現(xiàn)精確位置和速度測(cè)量的關(guān)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(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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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(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它允許用戶通過(guò)外部組件選擇自己所需的分辨率和動(dòng)態(tài)性能，最高跟蹤速率可達(dá)1040轉(zhuǎn)/秒（10位分辨率時(shí)）。其采用比例跟蹤轉(zhuǎn)換方法，將旋轉(zhuǎn)變壓器格式的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行自然二進(jìn)制數(shù)字字，具有高抗噪性和對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)線的耐受性，可遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)變壓器安裝。

1.1 產(chǎn)品特性

• 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(hào)，可替代伺服系統(tǒng)中的機(jī)械測(cè)速發(fā)電機(jī)。
• 用戶可設(shè)置分辨率：通過(guò)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。
• 比例跟蹤轉(zhuǎn)換：提供連續(xù)的輸出位置數(shù)據(jù)，無(wú)轉(zhuǎn)換延遲，同時(shí)具有抗噪聲和對(duì)參考及輸入信號(hào)諧波失真的耐受性。
• 用戶可設(shè)置動(dòng)態(tài)性能：通過(guò)選擇外部電阻和電容值，用戶可以確定轉(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。

二、技術(shù)規(guī)格與性能參數(shù)

2.1 輸入輸出規(guī)格

• 信號(hào)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(biāo)

• 重復(fù)性：最大為1 LSB。
• 允許相移：信號(hào)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(shí)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(jù)分辨率選擇合適的帶寬，如10位分辨率時(shí)參考頻率與帶寬比為2.5 : 1。

2.3 精度指標(biāo)

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

三、電路連接與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 電源連接

電源電壓連接到 +VS 和 -VS 引腳時(shí)，應(yīng)分別為 +12 V dc 和 -12 V dc，且不得反轉(zhuǎn)。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(lián)去耦電容，推薦值為100 nF（陶瓷）和10 μF（鉭電容），同時(shí)在 +VL 與數(shù)字地之間也連接100 nF和10 μF的電容。

3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器連接

旋轉(zhuǎn)變壓器的連接應(yīng)按照?qǐng)D11所示，將正弦和余弦信號(hào)連接到SIN和COS輸入，參考輸入連接到REFERENCE INPUT，信號(hào)地連接到SIGNAL GROUND。為減少正弦和余弦信號(hào)之間的耦合，兩個(gè)信號(hào)地應(yīng)在轉(zhuǎn)換器的SIGNAL GROUND引腳處連接。建議使用單獨(dú)屏蔽的雙絞線電纜連接旋轉(zhuǎn)變壓器，正弦、余弦和參考信號(hào)應(yīng)單獨(dú)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(hào)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(jù)是否使用R1、C2，計(jì)算公式有所不同，與分辨率相關(guān)。
• 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(wú)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，計(jì)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(zhuǎn)的位數(shù)。
• 閉環(huán)帶寬選擇（C4、C5、R5）：根據(jù)分辨率選擇合適的參考頻率與帶寬比，然后計(jì)算C4、C5和R5的值。
• VCO相位補(bǔ)償：C6 = 390 pF，R7 = 3.3 kΩ，應(yīng)盡可能靠近VCO輸出引腳連接。
• VCO優(yōu)化：在VCO輸入和輸出引腳之間連接C7 = 150 pF的電容。
• 偏移調(diào)整：若能容忍積分器輸入的偏移和偏置電流導(dǎo)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(jìn)行調(diào)整。

四、工作原理與功能模塊

4.1 跟蹤式轉(zhuǎn)換

AD2S83作為跟蹤式旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，輸出會(huì)自動(dòng)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(dòng)啟動(dòng)，每次LSB變化都會(huì)觸發(fā)一個(gè)BUSY脈沖。

4.2 信號(hào)調(diào)理

正弦和余弦信號(hào)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(hào)的完整性能。數(shù)字位置輸出對(duì)幅度變化相對(duì)不敏感，但輸入信號(hào)電平變化過(guò)大（超過(guò)10%）會(huì)導(dǎo)致精度下降。

4.3 參考輸入

參考信號(hào)的幅度不是關(guān)鍵，但應(yīng)確保在推薦的工作范圍內(nèi)。即使在沒(méi)有電源和/或信號(hào)輸入的情況下，提供參考信號(hào)也不會(huì)損壞AD2S83。

4.4 位置輸出

旋轉(zhuǎn)變壓器軸的位置由轉(zhuǎn)換器輸出的自然二進(jìn)制并行數(shù)字字表示。當(dāng)數(shù)字位置輸出通過(guò)主要進(jìn)位（全“1”到全“0”或反之）時(shí)，會(huì)觸發(fā)RIPPLE CLOCK邏輯輸出，表示輸入完成了一次旋轉(zhuǎn)或一個(gè)螺距。輸入旋轉(zhuǎn)方向由DIRECTION邏輯輸出指示。

4.5 速度信號(hào)

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(hào)，即速度信號(hào)。建議對(duì)速度輸出進(jìn)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(zhuǎn)換器的分辨率有關(guān)。

4.6 DC誤差信號(hào)

相敏檢測(cè)器輸出的信號(hào)與輸入角度和輸出數(shù)字角度之間的誤差成比例。若輸出無(wú)法跟蹤輸入，該信號(hào)會(huì)增加，可通過(guò)連接兩個(gè)外部比較器將其用作“內(nèi)置測(cè)試”。

五、數(shù)據(jù)傳輸與控制

5.1 數(shù)據(jù)傳輸

使用INHIBIT輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在施加邏輯“LO”到INHIBIT后490 ns，數(shù)據(jù)將有效。使用ENABLE輸入可傳輸兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，之后將INHIBIT恢復(fù)到邏輯“HI”狀態(tài)以更新輸出鎖存器。

5.2 BUSY輸出

BUSY輸出的狀態(tài)指示輸出數(shù)據(jù)的有效性。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸入變化時(shí)，BUSY輸出會(huì)出現(xiàn)一系列TTL電平的脈沖，每次輸入移動(dòng)一個(gè)LSB的模擬等效值并使內(nèi)部計(jì)數(shù)器遞增或遞減時(shí)，都會(huì)觸發(fā)一個(gè)BUSY脈沖。

5.3 INHIBIT輸入

INHIBIT邏輯輸入僅抑制從上下計(jì)數(shù)器到輸出鎖存器的數(shù)據(jù)傳輸，不中斷跟蹤環(huán)路的操作。釋放INHIBIT會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)BUSY脈沖以刷新輸出數(shù)據(jù)。

5.4 ENABLE輸入

ENABLE輸入決定輸出數(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，對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)影響。

5.5 BYTE SELECT輸入

BYTE SELECT輸入選擇要在數(shù)據(jù)輸出DB1 - DB8呈現(xiàn)的位置數(shù)據(jù)字節(jié)。邏輯“HI”呈現(xiàn)八個(gè)最高有效數(shù)據(jù)位，邏輯“LO”呈現(xiàn)最低有效字節(jié)。

5.6 RIPPLE CLOCK

當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出通過(guò)主要進(jìn)位時(shí)，RIPPLE CLOCK輸出會(huì)出現(xiàn)正沿，指示輸入完成了一次旋轉(zhuǎn)或一個(gè)螺距。其最小脈沖寬度為300 ns，通常在BUSY脈沖之前設(shè)置為高電平，并在下一個(gè)BUSY脈沖的正沿之前復(fù)位。

5.7 DIRECTION輸出

DIRECTION輸出指示輸入旋轉(zhuǎn)的方向，其狀態(tài)變化先于相應(yīng)的BUSY、DATA和RIPPLE CLOCK更新。

5.8 COMPLEMENT

COMPLEMENT輸入為低電平有效，內(nèi)部通過(guò)100 kΩ上拉到 +VS。將DATA LOAD和COMPLEMENT引腳 strobe到邏輯“LO”可將AD2S83計(jì)數(shù)器的邏輯“HI”位設(shè)置為“LO”狀態(tài)。

六、應(yīng)用場(chǎng)景與對(duì)比分析

6.1 應(yīng)用場(chǎng)景

• 直流和交流伺服電機(jī)控制：提供精確的位置和速度反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制。
• 過(guò)程控制：用于工業(yè)過(guò)程中的位置和速度測(cè)量，確保過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 機(jī)床數(shù)控和機(jī)器人技術(shù)：為機(jī)器人和機(jī)床提供高精度的位置和速度信息，提高運(yùn)動(dòng)控制的精度。
• 軸控制：實(shí)現(xiàn)軸的精確定位和速度控制。

6.2 與DC測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)比

• 線性度：AD2S83的線性度為0.1%，優(yōu)于DC測(cè)速發(fā)電機(jī)的0.3%。
• 反轉(zhuǎn)誤差：AD2S83的反轉(zhuǎn)誤差為0.1% FSO，小于DC測(cè)速發(fā)電機(jī)的0.25%。
• 工作速度范圍：DC測(cè)速發(fā)電機(jī)的典型工作范圍為0 - 3600 rpm，而旋轉(zhuǎn)變壓器/AD2S83組合可在超過(guò)10000 rpm的速度下工作。
• 可靠性：DC測(cè)速發(fā)電機(jī)的平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）為347天，而旋轉(zhuǎn)變壓器通常為8年。
• 溫度敏感性：旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)溫度相對(duì)不敏感，而DC測(cè)速發(fā)電機(jī)在高于25°C時(shí)輸出電壓會(huì)有±0.1%/°C的下降。
• 維護(hù)需求：無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器無(wú)需預(yù)防性維護(hù)，而DC測(cè)速發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)換器采用Type 2伺服環(huán)路，雖無(wú)速度滯后，但存在加速度引起的額外誤差?？墒褂眉铀俣瘸?shù)KA來(lái)定義該誤差，KA = 輸入加速度 / 輸出角度誤差。通過(guò)選擇合適的無(wú)源組件可確定KA的值，KA可用于預(yù)測(cè)給定輸入加速度下的輸出位置誤差。

7.2 誤差來(lái)源

• 積分器偏移：積分器輸入的偏移會(huì)被視為誤差信號(hào)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)確，典型角度誤差為1弧分?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整零偏移來(lái)減少該誤差。
• 差分相移：正弦和余弦信號(hào)之間的差分相移會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)誤差，可通過(guò)選擇殘余電壓小的旋轉(zhuǎn)變壓器、確保正弦和余弦信號(hào)處理相同以及消除參考相移來(lái)最小化該誤差。
• 速度信號(hào)紋波：速度信號(hào)中的紋波由參考頻率、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。可通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和選擇合適的組件來(lái)減少紋波。
• 偏移誤差：零速度直流偏移是測(cè)量低速或“爬行”速度的限制因素，可通過(guò)降低最大跟蹤速率和減小R6的值來(lái)最小化該誤差。

八、總結(jié)

AD2S83作為一款高性能的跟蹤式旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有高精度、高靈活性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理選擇外部組件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，工程師們可以充分發(fā)揮AD2S83的性能，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意誤差分析和解決方案，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。你在使用AD2S83的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？你是如何解決的？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。