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）是實現(xiàn)精確位置和速度測量的關(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)用場景以及設(shè)計要點。

文件下載：AD2S83.pdf

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。它允許用戶通過外部組件選擇自己所需的分辨率和動態(tài)性能，最高跟蹤速率可達1040轉(zhuǎn)/秒（10位分辨率時）。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轉(zhuǎn)換為并行自然二進制數(shù)字字，具有高抗噪性和對長導(dǎo)線的耐受性，可遠離旋轉(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，可替代伺服系統(tǒng)中的機械測速發(fā)電機。
• 用戶可設(shè)置分辨率：通過兩個控制引腳，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)，無轉(zhuǎn)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(shè)置動態(tài)性能：通過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(jù)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(biāo)

• 角度精度：保證單調(diào)，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(shè)計要點

3.1 電源連接

電源電壓連接到 +VS 和 -VS 引腳時，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(yīng)在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器，正弦、余弦和參考信號應(yīng)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(jù)是否使用R1、C2，計算公式有所不同，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，然后計算C4、C5和R5的值。
• VCO相位補償：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，輸出會自動跟隨輸入，直至達到所選的最大跟蹤速率。轉(zhuǎn)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(fā)一個BUSY脈沖。

4.2 信號調(diào)理

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，但輸入信號電平變化過大（超過10%）會導(dǎo)致精度下降。

4.3 參考輸入

參考信號的幅度不是關(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(zhuǎn)變壓器軸的位置由轉(zhuǎn)換器輸出的自然二進制并行數(shù)字字表示。當(dāng)數(shù)字位置輸出通過主要進位（全“1”到全“0”或反之）時，會觸發(fā)RIPPLE CLOCK邏輯輸出，表示輸入完成了一次旋轉(zhuǎn)或一個螺距。輸入旋轉(zhuǎn)方向由DIRECTION邏輯輸出指示。

4.5 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

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。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(nèi)置測試”。

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，BUSY輸出會出現(xiàn)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(nèi)部計數(shù)器遞增或遞減時，都會觸發(fā)一個BUSY脈沖。

5.3 INHIBIT輸入

INHIBIT邏輯輸入僅抑制從上下計數(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會自動生成一個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，對轉(zhuǎn)換過程無影響。

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)換器輸出通過主要進位時，RIPPLE CLOCK輸出會出現(xiàn)正沿，指示輸入完成了一次旋轉(zhuǎn)或一個螺距。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100 kΩ上拉到 +VS。將DATA LOAD和COMPLEMENT引腳 strobe到邏輯“LO”可將AD2S83計數(shù)器的邏輯“HI”位設(shè)置為“LO”狀態(tài)。

六、應(yīng)用場景與對比分析

6.1 應(yīng)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(xiàn)電機的精確控制。
• 過程控制：用于工業(yè)過程中的位置和速度測量，確保過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 機床數(shù)控和機器人技術(shù)：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(xiàn)軸的精確定位和速度控制。

6.2 與DC測速發(fā)電機對比

• 線性度：AD2S83的線性度為0.1%，優(yōu)于DC測速發(fā)電機的0.3%。
• 反轉(zhuǎn)誤差：AD2S83的反轉(zhuǎn)誤差為0.1% FSO，小于DC測速發(fā)電機的0.25%。
• 工作速度范圍：DC測速發(fā)電機的典型工作范圍為0 - 3600 rpm，而旋轉(zhuǎn)變壓器/AD2S83組合可在超過10000 rpm的速度下工作。
• 可靠性：DC測速發(fā)電機的平均無故障工作時間（MTBF）為347天，而旋轉(zhuǎn)變壓器通常為8年。
• 溫度敏感性：旋轉(zhuǎn)變壓器對溫度相對不敏感，而DC測速發(fā)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(zhuǎn)變壓器無需預(yù)防性維護，而DC測速發(fā)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(zhuǎn)換器采用Type 2伺服環(huán)路，雖無速度滯后，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(yù)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(dǎo)致轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)確，典型角度誤差為1弧分?？赏ㄟ^調(diào)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(dǎo)致靜態(tài)誤差，可通過選擇殘余電壓小的旋轉(zhuǎn)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(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(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。通過合理選擇外部組件和優(yōu)化電路設(shè)計，工程師們可以充分發(fā)揮AD2S83的性能，滿足各種應(yīng)用場景的需求。在實際應(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的過程中遇到過哪些問題呢？你是如何解決的？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。