分辨率可变的单芯片旋变数字转换器AD2S80A的全方位解析

在电子工程领域，旋变数字转换器在诸多应用中发挥着关键作用。AD2S80A作为一款分辨率可变的单芯片旋变数字转换器，具备诸多独特的特性和优势。本文将对AD2S80A进行全面深入的剖析，为电子工程师在设计应用中提供有价值的参考。

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一、AD2S80A的特性与应用

（一）特性

AD2S80A采用单芯片（BiMOS II）设计，提供40引脚DIP或44引脚LCC陶瓷封装。其显著特性包括：

1. 分辨率可变：用户可通过外部元件将分辨率设置为10、12、14或16位，这种灵活性使得它能适应不同应用场景对精度的要求。
2. 比率转换：采用比率跟踪转换方法，能连续输出位置数据，无转换延迟，且对绝对信号电平不敏感，还可有效抑制噪声和基准、输入信号的谐波失真。
3. 低功耗：典型功耗仅300 mW，这对于一些对功耗有严格要求的应用来说非常关键。
4. 动态性能可设置：用户能通过选择外部电阻和电容值，根据系统要求确定转换器的带宽、最大跟踪速率和速度比例。
5. 速度输出：可提供与速度成比例的模拟信号，通常百分之一呈线性，在很多应用中可取代速度传感器，为伺服控制和速度反馈提供环路稳定。
6. 温度范围广：有工业温度范围版本和军用温度范围版本可供选择，能适应不同的工作环境。
7. ESD防护：具备2类ESD防护（2,000 V，最小值），增强了器件的可靠性。

（二）应用

AD2S80A的应用领域十分广泛，涵盖直流无刷和交流电机控制、过程控制、机床数字控制、机器人技术、轴控制以及军用伺服控制等。

二、技术规格详解

（一）信号与基准输入

信号输入频率范围为0 - 20,000 Hz，电平为1.8 - 2.2 V rms，输入偏置电流典型值为0.1 nA，输入阻抗为60 - 150 MΩ，最大电压为8 V pk。基准输入频率同样为0 - 20,000 Hz，电平为0.8 - 2.0 V rms，输入偏置电流典型值为0.1 nA，输入阻抗为60 - 150 MΩ。

（二）控制动态与精度

带宽可由用户可选，角度精度根据不同型号有所差异，如A、J、S型号为±8弧分，B、K、T型号为±4弧分等。单调性方面，L、U型号保证单调性，失码（16位分辨率）最大为3代码。速度信号线性度在满量程范围为±8 %FSD，反向误差为±1 %FSD等。

（三）输入/输出保护

模拟输入和输出的过压保护为±5.6 V，短路输出保护为±10.4 V。数字位置输出分辨率为10、12、14和16位，输出格式为双向自然二进制，负载为3 LSTTL。

（四）数字输入输出参数

数字输入高电压VIH为2.0 V，低电压VIL为0.8 V，高电流IIH和低电流IIL在不同条件下有相应规定。数字输出高电压VOH为2.4 V，低电压VOL为0.4 V，三态泄漏电流IL为±100 μA。

三、引脚配置与连接

（一）引脚配置

AD2S80A的引脚涵盖电源电压（+VS、–VS）、逻辑电源VL、模拟输入（SIN和COS）、基准输入REFERENCE I/P等。各引脚具有特定的功能，如ENABLE用于控制输出数据的状态，BYTE SELECT用于选择输出数据的字节等。

（二）连接要点

连接到+VS和–VS引脚的电源电压应分别为+12V dc和–12V dc，且不得颠倒。VL引脚电压为5 V dc。建议在电源线+VS、–VS和毗邻转换器的ANALOG GROUND之间并联去耦电容，同时在+VL和毗邻转换器的DIGITAL GROUND之间连接电容。旋变器应连接到SIN和COS输入、REFERENCE INPUT和SIGNAL GROUND，使用单独的屏蔽双绞线电缆来连接旋变器，以降低正弦信号和余弦信号之间的耦合。

四、转换器操作与性能

（一）转换器操作

AD2S80A接在特定电路中时，用作旋变数字转换器，形成Ⅱ型闭环系统。输出会自动跟随输入，速度最高可达选定的最大跟踪速率。转换仅取决于输入信号的比率，因此可耐受输入幅度和频率变化，且通过相位敏感检测器确保对不相干或与参考信号正交的信号具有高抗扰度。

（二）信号调理与基准输入

正弦和余弦信号输入的幅度应保持在标称值的10%以内，以确保速度信号达到最高性能。数字位置输出对幅度变化相对不敏感，但输入信号电平过高或过低都会影响精度。基准输入信号幅度在建议工作范围内即可，在没有电源和/或信号输入的情况下，施加基准电压不会损坏器件。

（三）谐波失真与位置输出

信号和基准线路上允许的谐波失真量为10%，可使用方波、三角波和锯齿波，但输入电平需进行相应调整。旋变轴位置由转换器输出端提供，以自然二进制平行数字字表示。当输出通过主进位时，会启动RIPPLE CLOCK逻辑输出，表示输入已转过一圈或完成一个俯仰。输入旋转的方向由DIRECTION逻辑输出来表示。

（四）速度信号与直流误差信号

跟踪转换器技术可在积分器的输出端生成与输入角度变化速率成比例的速度信号，在很多应用中可取代传统的转速传感器。相位敏感检测器输出端的信号与输入角度和输出数字角度之间的误差成比例，可通过连接外部比较器用作“内置测试”。

五、元件选择与数据传输

（一）元件选择

为实现所需的带宽和跟踪速率，需要合理选择外部元件。

1. 高频滤波器：可消除直流失调、降低噪音，其元件值应根据基准频率进行选择。
2. 增益调整电阻：根据是否使用R1和C2有不同的计算公式。
3. 基准输入的交流耦合：R3为100 kΩ，C3应满足一定条件以确保基准频率下没有明显相移。
4. 最大跟踪速率：VCO输入电阻R6设置转换器的最大跟踪速率，进而确定速度比例。
5. 闭环带宽选择：通过选择C4、C5、R5来确定闭环带宽。
6. VCO相位补偿：C6和R7采用特定值。
7. 失调调整：可通过配置R8和R9来调整积分器输入端的失调和偏置电流。

（二）数据传输

使用INHIBIT输入传输数据，在对INHIBIT应用逻辑“LO”后600 ns内，数据将保持有效。BUSY输出表示输出数据的有效性，INHIBIT输入禁止数据从加减计数器传到输出锁存器，ENABLE输入决定输出数据的状态，BYTE SELECT输入选择要输出的位置数据字节。

六、电路功能与动态性能

（一）环路补偿

AD2S80A用作Ⅱ型跟踪伺服环路，需要极点/零点对形式的补偿来稳定环路，可通过积分器元件（R4、C4、R5、C5）实现。

（二）比率乘法器

比率乘法器将旋变器输入角度信号与计数器中保留的数字角度进行比较，若存在差异，AC ERROR OUTPUT处将产生模拟电压。

（三）高频滤波器

可消除直流失调，降低高频噪音对环路的影响，其衰减和频率响应会影响环路增益。

（四）相位敏感解调器

对于与参考信号同相或反相的正弦信号，可在DEMODULATOR OUTPUT引脚处产生与转换器位置误差成比例的直流输出。

（五）积分器

积分器元件位于AD2S80A外部，用户可根据应用确定最佳动态特性。其输出与转速成比例，可通过选择VCO输入电阻R6来调整。

（六）电压控制振荡器（VCO）

VCO本质上是简单积分器，计数器按照与VCO输入电流幅度成比例的速率跳动。输入电阻R6决定转换器速度信号电压与VCO输入电流之间的比例。

（七）传递函数与小信号阶跃响应

转换器具有临界阻尼时间响应和最大相位余量，闭环传递函数可表示为特定公式。小信号阶跃响应的时间t1和t2可通过公式近似得出。

（八）加速度误差

采用Ⅱ型伺服环路的跟踪转换器存在因加速度导致的附加误差，可利用加速度常数KA进行定义。

七、误差源分析

（一）积分器失调

积分器的输入失调会导致旋变信号转换出现额外误差，可通过调整零失调来减小影响。

（二）差分相移

旋变器正弦和余弦信号之间的差分相移会导致静态误差，可通过选择合适的旋变器、确保信号处理方式相同并消除参考相移来降低误差。

（三）速度误差

速度信号可能存在反向误差、纹波和噪音等问题，可通过缓冲、调整供电轨、采取抗干扰措施等方法来提高速度信号的品质。

八、连接旋变器与典型电路配置

（一）连接旋变器

建议连接电路可通过改变高频滤波器中电阻R2的值来调整参考相位，相移最高可达10度。

（二）典型电路配置

以12位分辨率模式为例，所选外部元件的值可使得基准频率等于5 kHz，最大跟踪速率达到260 rps，且带宽等于520 Hz。

九、应用与订购指南

（一）应用

AD2S80A的比率乘法器可独立用作控制变压器，还可通过动态切换控制特性在宽带响应应用中获得出色性能。

（二）其它产品

AD2S82A除具有AD2S80A的所有功能外，还具有VCO输出和COMPLEMENT数据输出。AD2S81A是一款低成本、单芯片、12位旋变数字转换器。

（三）订购指南

AD2S80A有多种型号可供选择，不同型号的工作温度范围、精度和封装选项有所不同。

综上所述，AD2S80A以其丰富的特性、灵活的配置和广泛的应用领域，为电子工程师在设计中提供了强大的工具。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择元件和配置参数，以充分发挥AD2S80A的性能优势。你在使用AD2S80A的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。