分辨率可變的單芯片旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S80A的全方位解析

在電子工程領(lǐng)域，旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器在諸多應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。AD2S80A作為一款分辨率可變的單芯片旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具備諸多獨(dú)特的特性和優(yōu)勢。本文將對AD2S80A進(jìn)行全面深入的剖析，為電子工程師在設(shè)計應(yīng)用中提供有價值的參考。

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一、AD2S80A的特性與應(yīng)用

（一）特性

AD2S80A采用單芯片（BiMOS II）設(shè)計，提供40引腳DIP或44引腳LCC陶瓷封裝。其顯著特性包括：

1. 分辨率可變：用戶可通過外部元件將分辨率設(shè)置為10、12、14或16位，這種靈活性使得它能適應(yīng)不同應(yīng)用場景對精度的要求。
2. 比率轉(zhuǎn)換：采用比率跟蹤轉(zhuǎn)換方法，能連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)，無轉(zhuǎn)換延遲，且對絕對信號電平不敏感，還可有效抑制噪聲和基準(zhǔn)、輸入信號的諧波失真。
3. 低功耗：典型功耗僅300 mW，這對于一些對功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用來說非常關(guān)鍵。
4. 動態(tài)性能可設(shè)置：用戶能通過選擇外部電阻和電容值，根據(jù)系統(tǒng)要求確定轉(zhuǎn)換器的帶寬、最大跟蹤速率和速度比例。
5. 速度輸出：可提供與速度成比例的模擬信號，通常百分之一呈線性，在很多應(yīng)用中可取代速度傳感器，為伺服控制和速度反饋提供環(huán)路穩(wěn)定。
6. 溫度范圍廣：有工業(yè)溫度范圍版本和軍用溫度范圍版本可供選擇，能適應(yīng)不同的工作環(huán)境。
7. ESD防護(hù)：具備2類ESD防護(hù)（2,000 V，最小值），增強(qiáng)了器件的可靠性。

（二）應(yīng)用

AD2S80A的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋直流無刷和交流電機(jī)控制、過程控制、機(jī)床數(shù)字控制、機(jī)器人技術(shù)、軸控制以及軍用伺服控制等。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

（一）信號與基準(zhǔn)輸入

信號輸入頻率范圍為0 - 20,000 Hz，電平為1.8 - 2.2 V rms，輸入偏置電流典型值為0.1 nA，輸入阻抗為60 - 150 MΩ，最大電壓為8 V pk?；鶞?zhǔn)輸入頻率同樣為0 - 20,000 Hz，電平為0.8 - 2.0 V rms，輸入偏置電流典型值為0.1 nA，輸入阻抗為60 - 150 MΩ。

（二）控制動態(tài)與精度

帶寬可由用戶可選，角度精度根據(jù)不同型號有所差異，如A、J、S型號為±8弧分，B、K、T型號為±4弧分等。單調(diào)性方面，L、U型號保證單調(diào)性，失碼（16位分辨率）最大為3代碼。速度信號線性度在滿量程范圍為±8 %FSD，反向誤差為±1 %FSD等。

（三）輸入/輸出保護(hù)

模擬輸入和輸出的過壓保護(hù)為±5.6 V，短路輸出保護(hù)為±10.4 V。數(shù)字位置輸出分辨率為10、12、14和16位，輸出格式為雙向自然二進(jìn)制，負(fù)載為3 LSTTL。

（四）數(shù)字輸入輸出參數(shù)

數(shù)字輸入高電壓VIH為2.0 V，低電壓VIL為0.8 V，高電流IIH和低電流IIL在不同條件下有相應(yīng)規(guī)定。數(shù)字輸出高電壓VOH為2.4 V，低電壓VOL為0.4 V，三態(tài)泄漏電流IL為±100 μA。

三、引腳配置與連接

（一）引腳配置

AD2S80A的引腳涵蓋電源電壓（+VS、–VS）、邏輯電源VL、模擬輸入（SIN和COS）、基準(zhǔn)輸入REFERENCE I/P等。各引腳具有特定的功能，如ENABLE用于控制輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，BYTE SELECT用于選擇輸出數(shù)據(jù)的字節(jié)等。

（二）連接要點(diǎn)

連接到+VS和–VS引腳的電源電壓應(yīng)分別為+12V dc和–12V dc，且不得顛倒。VL引腳電壓為5 V dc。建議在電源線+VS、–VS和毗鄰轉(zhuǎn)換器的ANALOG GROUND之間并聯(lián)去耦電容，同時在+VL和毗鄰轉(zhuǎn)換器的DIGITAL GROUND之間連接電容。旋變器應(yīng)連接到SIN和COS輸入、REFERENCE INPUT和SIGNAL GROUND，使用單獨(dú)的屏蔽雙絞線電纜來連接旋變器，以降低正弦信號和余弦信號之間的耦合。

四、轉(zhuǎn)換器操作與性能

（一）轉(zhuǎn)換器操作

AD2S80A接在特定電路中時，用作旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器，形成Ⅱ型閉環(huán)系統(tǒng)。輸出會自動跟隨輸入，速度最高可達(dá)選定的最大跟蹤速率。轉(zhuǎn)換僅取決于輸入信號的比率，因此可耐受輸入幅度和頻率變化，且通過相位敏感檢測器確保對不相干或與參考信號正交的信號具有高抗擾度。

（二）信號調(diào)理與基準(zhǔn)輸入

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)，以確保速度信號達(dá)到最高性能。數(shù)字位置輸出對幅度變化相對不敏感，但輸入信號電平過高或過低都會影響精度?；鶞?zhǔn)輸入信號幅度在建議工作范圍內(nèi)即可，在沒有電源和/或信號輸入的情況下，施加基準(zhǔn)電壓不會損壞器件。

（三）諧波失真與位置輸出

信號和基準(zhǔn)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，但輸入電平需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。旋變軸位置由轉(zhuǎn)換器輸出端提供，以自然二進(jìn)制平行數(shù)字字表示。當(dāng)輸出通過主進(jìn)位時，會啟動RIPPLE CLOCK邏輯輸出，表示輸入已轉(zhuǎn)過一圈或完成一個俯仰。輸入旋轉(zhuǎn)的方向由DIRECTION邏輯輸出來表示。

（四）速度信號與直流誤差信號

跟蹤轉(zhuǎn)換器技術(shù)可在積分器的輸出端生成與輸入角度變化速率成比例的速度信號，在很多應(yīng)用中可取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳感器。相位敏感檢測器輸出端的信號與輸入角度和輸出數(shù)字角度之間的誤差成比例，可通過連接外部比較器用作“內(nèi)置測試”。

五、元件選擇與數(shù)據(jù)傳輸

（一）元件選擇

為實(shí)現(xiàn)所需的帶寬和跟蹤速率，需要合理選擇外部元件。

1. 高頻濾波器：可消除直流失調(diào)、降低噪音，其元件值應(yīng)根據(jù)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行選擇。
2. 增益調(diào)整電阻：根據(jù)是否使用R1和C2有不同的計算公式。
3. 基準(zhǔn)輸入的交流耦合：R3為100 kΩ，C3應(yīng)滿足一定條件以確?；鶞?zhǔn)頻率下沒有明顯相移。
4. 最大跟蹤速率：VCO輸入電阻R6設(shè)置轉(zhuǎn)換器的最大跟蹤速率，進(jìn)而確定速度比例。
5. 閉環(huán)帶寬選擇：通過選擇C4、C5、R5來確定閉環(huán)帶寬。
6. VCO相位補(bǔ)償：C6和R7采用特定值。
7. 失調(diào)調(diào)整：可通過配置R8和R9來調(diào)整積分器輸入端的失調(diào)和偏置電流。

（二）數(shù)據(jù)傳輸

使用INHIBIT輸入傳輸數(shù)據(jù)，在對INHIBIT應(yīng)用邏輯“LO”后600 ns內(nèi)，數(shù)據(jù)將保持有效。BUSY輸出表示輸出數(shù)據(jù)的有效性，INHIBIT輸入禁止數(shù)據(jù)從加減計數(shù)器傳到輸出鎖存器，ENABLE輸入決定輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，BYTE SELECT輸入選擇要輸出的位置數(shù)據(jù)字節(jié)。

六、電路功能與動態(tài)性能

（一）環(huán)路補(bǔ)償

AD2S80A用作Ⅱ型跟蹤伺服環(huán)路，需要極點(diǎn)/零點(diǎn)對形式的補(bǔ)償來穩(wěn)定環(huán)路，可通過積分器元件（R4、C4、R5、C5）實(shí)現(xiàn)。

（二）比率乘法器

比率乘法器將旋變器輸入角度信號與計數(shù)器中保留的數(shù)字角度進(jìn)行比較，若存在差異，AC ERROR OUTPUT處將產(chǎn)生模擬電壓。

（三）高頻濾波器

可消除直流失調(diào)，降低高頻噪音對環(huán)路的影響，其衰減和頻率響應(yīng)會影響環(huán)路增益。

（四）相位敏感解調(diào)器

對于與參考信號同相或反相的正弦信號，可在DEMODULATOR OUTPUT引腳處產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換器位置誤差成比例的直流輸出。

（五）積分器

積分器元件位于AD2S80A外部，用戶可根據(jù)應(yīng)用確定最佳動態(tài)特性。其輸出與轉(zhuǎn)速成比例，可通過選擇VCO輸入電阻R6來調(diào)整。

（六）電壓控制振蕩器（VCO）

VCO本質(zhì)上是簡單積分器，計數(shù)器按照與VCO輸入電流幅度成比例的速率跳動。輸入電阻R6決定轉(zhuǎn)換器速度信號電壓與VCO輸入電流之間的比例。

（七）傳遞函數(shù)與小信號階躍響應(yīng)

轉(zhuǎn)換器具有臨界阻尼時間響應(yīng)和最大相位余量，閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為特定公式。小信號階躍響應(yīng)的時間t1和t2可通過公式近似得出。

（八）加速度誤差

采用Ⅱ型伺服環(huán)路的跟蹤轉(zhuǎn)換器存在因加速度導(dǎo)致的附加誤差，可利用加速度常數(shù)KA進(jìn)行定義。

七、誤差源分析

（一）積分器失調(diào)

積分器的輸入失調(diào)會導(dǎo)致旋變信號轉(zhuǎn)換出現(xiàn)額外誤差，可通過調(diào)整零失調(diào)來減小影響。

（二）差分相移

旋變器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變器、確保信號處理方式相同并消除參考相移來降低誤差。

（三）速度誤差

速度信號可能存在反向誤差、紋波和噪音等問題，可通過緩沖、調(diào)整供電軌、采取抗干擾措施等方法來提高速度信號的品質(zhì)。

八、連接旋變器與典型電路配置

（一）連接旋變器

建議連接電路可通過改變高頻濾波器中電阻R2的值來調(diào)整參考相位，相移最高可達(dá)10度。

（二）典型電路配置

以12位分辨率模式為例，所選外部元件的值可使得基準(zhǔn)頻率等于5 kHz，最大跟蹤速率達(dá)到260 rps，且?guī)挼扔?20 Hz。

九、應(yīng)用與訂購指南

（一）應(yīng)用

AD2S80A的比率乘法器可獨(dú)立用作控制變壓器，還可通過動態(tài)切換控制特性在寬帶響應(yīng)應(yīng)用中獲得出色性能。

（二）其它產(chǎn)品

AD2S82A除具有AD2S80A的所有功能外，還具有VCO輸出和COMPLEMENT數(shù)據(jù)輸出。AD2S81A是一款低成本、單芯片、12位旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

（三）訂購指南

AD2S80A有多種型號可供選擇，不同型號的工作溫度范圍、精度和封裝選項(xiàng)有所不同。

綜上所述，AD2S80A以其豐富的特性、靈活的配置和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電子工程師在設(shè)計中提供了強(qiáng)大的工具。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇元件和配置參數(shù)，以充分發(fā)揮AD2S80A的性能優(yōu)勢。你在使用AD2S80A的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。