可变分辨率单芯片旋转变压器数字转换器AD2S81A/AD2S82A：特性、应用与设计要点

一、引言

在电子工程师的日常设计工作中，旋转变压器数字转换器是一个关键的组件，它在电机控制、过程控制等众多领域都有着广泛的应用。AD2S81A/AD2S82A作为可变分辨率单芯片旋转变压器数字转换器，具有许多独特的特性和优势，本文将深入探讨其特性、应用以及设计要点。

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二、产品特性

2.1 芯片结构与基本特性

AD2S81A采用28引脚DIP封装，成本较低；AD2S82A采用44引脚PLCC封装，用户可设置10、12、14和16位分辨率，最大跟踪速率可达1040 RPS（10位分辨率时），还具备VCO输出和数据补码功能，工作在工业温度范围。两者均为单芯片（BiMOS II）跟踪R/D转换器，采用比例转换，功耗低，典型值为300 mW，动态性能可由用户设置，具有速度输出，ESD防护等级为2级（最小2000 V）。

2.2 产品亮点

• 单芯片解决方案：减少了封装尺寸，提高了可靠性。
• 用户可设置分辨率：AD2S82A通过两个控制引脚可选择10、12、14或16位分辨率，满足不同应用的最佳分辨率需求。
• 比例跟踪转换：提供连续的输出位置数据，无转换延迟，对绝对信号电平不敏感，具有良好的抗噪声能力和对参考及输入信号谐波失真的容忍度。
• 用户可设置动态性能：通过选择外部电阻和电容值，用户可确定转换器的带宽、最大跟踪速率和速度缩放，以匹配系统要求，且所需外部组件成本低，易于选择。
• 速度输出：提供与速度成正比的模拟信号，线性度典型值为1%，可用于许多应用中替代速度传感器，提供伺服控制中的环路稳定和速度反馈数据。
• 低功耗：典型功耗仅300 mW。

三、应用领域

AD2S81A/AD2S82A适用于多种应用场景，包括直流无刷和交流电机控制、过程控制、机床数控、机器人技术以及轴控制等。在这些应用中，其高精度的转换能力和可灵活配置的特性能够满足不同系统的需求。

四、技术规格

4.1 信号输入与参考输入

信号输入方面，频率范围为400 - 20000 Hz，电压电平为1.8 - 2.2 V rms，输入偏置电流最大为150 nA，输入阻抗为1 MΩ，最大电压为±8 V pk。参考输入频率为20000 Hz，电压电平为8.0 V pk，输入偏置电流为1.0 MΩ。

4.2 控制动态与精度

控制动态方面，重复性为 -10 - 1 +10，允许的相移（信号与参考之间）最大为±10°，不同分辨率下的跟踪速率不同，如10位分辨率时为1040 RPS，12位分辨率时为260 RPS等。精度方面，角度精度根据分辨率不同有所差异，如10位分辨率时为±30 + 1 LSB，12位分辨率时为±22 + 1 LSB等，单调性有保证，16位分辨率时缺失代码为41。

4.3 速度信号与输入输出保护

速度信号的线性度、反转误差、直流零偏移等都有相应的规格要求。输入输出保护方面，模拟输入和输出有过压保护和短路输出保护，数字位置输出的分辨率和格式也有明确规定。

五、连接与配置

5.1 电源连接

连接到 +VS 和 -VS 引脚的电源电压应为 +12 V dc 和 -12 V dc，且不能反接。VL 引脚的电压可为 +5 V dc 到 +VS。建议在电源线路 +VS、-VS 和模拟地之间并联解耦电容，推荐值为100 nF（陶瓷）和10 μF（钽电容），+VL 和数字地之间也应连接100 nF 和10 μF 的电容。当一块板上使用多个转换器时，每个转换器应使用单独的解耦电容。

5.2 旋转变压器连接

旋转变压器的连接应按照特定方式进行，将正弦和余弦输入、参考输入和信号地连接到相应引脚。两个信号接地线应在旋转变压器的信号接地引脚处连接，以减少正弦和余弦信号之间的耦合。建议使用单独屏蔽的双绞线电缆连接旋转变压器，正弦、余弦和参考信号应单独绞合。信号地和模拟地内部连接，模拟地和数字地必须外部连接。

5.3 转换器分辨率设置（AD2S82A）

AD2S82A的数字输出分辨率由输入SC1和SC2的逻辑状态设置为10、12、14或16位，带宽和跟踪速率的动态特性由外部组件选择。分辨率的选择会影响R4和R6的值，若分辨率改变，必须将新的R4和R6值切换到电路中。注意在动态条件下更改分辨率时，应在BUSY为低电平时进行。

六、转换器操作与信号处理

6.1 转换器操作

AD2S81A/AD2S82A作为跟踪旋转变压器数字转换器，形成一个2型闭环系统，输出会自动跟踪输入，速度可达所选的最大跟踪速率。转换由输入的每个LSB增量或减量自动启动，无需转换命令。每个LSB变化会启动一个BUSY脉冲。

6.2 信号处理

• 信号调节：正弦和余弦信号输入的幅度应保持在标称值的10%以内，以确保速度信号的完整性能。数字位置输出对幅度变化相对不敏感，但输入信号电平增加超过10%会因内部过载导致精度损失，降低电平会导致精度逐渐下降。
• 参考输入：参考信号的幅度不是关键，但应保持在推荐的操作范围内。即使在没有电源和/或信号输入的情况下，提供参考信号也不会损坏转换器。
• 谐波失真：信号和参考线上允许的谐波失真量为10%，可使用方波、三角波和锯齿波等波形，但输入电平应进行调整。
• 位置输出：旋转变压器轴位置由自然二进制并行数字字表示，通过主要进位时会产生RIPPLE CLK逻辑输出，输入旋转方向由DIR逻辑输出指示。
• 速度信号：跟踪转换器技术在积分器输出产生与输入角度变化率成正比的内部信号，可用于替代传统的测速发电机。
• 直流误差信号：相敏检测器输出的信号与输入角度和输出数字角度之间的误差成正比，可用于“内置测试”。

七、组件选择

7.1 高频滤波器（R1, R2, C1, C2）

用于去除直流偏移和减少信号输入上的噪声，推荐使用R1和C2，其值应满足一定条件，该滤波器在相敏检测器输入处提供3倍的衰减。

7.2 增益缩放电阻（R4）

根据是否安装R1和C2，R4的计算公式不同，其值与分辨率和直流误差缩放有关。

7.3 参考输入的交流耦合（R3, C3）

选择R3和C3以确保在参考频率下无显著相移。

7.4 最大跟踪速率（R6）

R6设置转换器的最大跟踪速率和速度缩放，根据所需的最大跟踪速率和分辨率计算R6的值。

7.5 闭环带宽选择（C4, C5, R5）

根据分辨率和参考频率选择闭环带宽，然后计算C4、C5和R5的值。

7.6 VCO相位补偿

C6和R7应设置为特定值，即C6 = 470 pF，R7 = 68 Ω。

7.7 偏移调整

积分器输入的偏移和偏置电流可能导致输出位置偏移，可通过调整R8和R9来消除偏移。

八、数据传输与电路性能

8.1 数据传输

使用INHIBIT输入进行数据传输，数据在施加逻辑“LO”到INHIBIT后600 ns有效。通过ENABLE输入可传输两字节数据，之后INHIBIT应返回逻辑“HI”状态以更新输出锁存器。

8.2 电路性能

• 环路补偿：AD2S81A和AD2S82A作为2型跟踪伺服环路，需要额外的极点/零点对补偿以稳定环路。
• 比例乘法器：比较旋转变压器输入角度和计数器中的数字角度，产生AC ERROR输出。
• 高频滤波器：用于去除直流偏移和减少噪声，其衰减和频率响应会影响环路增益。
• 相敏解调器：产生与转换器位置误差成正比的直流信号。
• 积分器：外部组件可由用户选择以确定动态特性，输出与速度成正比。
• 压控振荡器（VCO）：根据输入电流控制计数器的时钟速率，其速率由VCO缩放因子固定，输入电阻R6决定速度信号电压和VCO输入电流之间的缩放。
• VCO输出：提供模拟输出电压，补偿数字角度输出的最小有效位内的位置误差。

九、误差来源与解决方法

9.1 积分器偏移

积分器输入的偏移会导致转换不准确，可通过调整零偏移来解决。

9.2 差分相移

正弦和余弦信号之间的差分相移会导致静态误差，可通过选择低残余电压的旋转变压器、确保信号处理一致和消除参考相移来最小化误差。

9.3 速度误差

速度信号的质量可通过保护、消除反转误差、减少纹波和噪声等方法提高。

十、应用案例与其他产品

10.1 应用案例

• 控制变压器：AD2S82A的比例乘法器可独立用作控制变压器。
• 动态切换：在需要宽带响应的应用中，动态切换转换器的控制特性可提高性能。

10.2 其他产品

除了AD2S81A/AD2S82A，还有AD2S80A、AD2S46、AD2S34和1740/41/42等相关产品可供选择。

十一、总结

AD2S81A/AD2S82A作为可变分辨率单芯片旋转变压器数字转换器，具有众多优秀的特性和广泛的应用领域。电子工程师在设计过程中，需要根据具体的系统需求，合理选择和配置外部组件，以充分发挥其性能优势。同时，要注意各种误差来源，并采取相应的解决方法，确保系统的稳定性和准确性。在实际应用中，还可以根据不同的场景选择合适的应用模式和相关产品，以满足多样化的需求。你在使用AD2S81A/AD2S82A过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。