解析AD2S83：高精度跟踪旋转变压器 - 数字转换器

在电子工程领域，旋转变压器 - 数字转换器（R/D转换器）是实现角度测量和控制的关键组件。今天我们要深入探讨的AD2S83，就是一款具有卓越性能的跟踪R/D转换器，它在诸多应用场景中展现出独特的优势。

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1. AD2S83概述

AD2S83是一款单片式10 - 16位跟踪旋转变压器 - 数字转换器，用户可以通过外部组件自行选择分辨率和动态性能。它能将旋转变压器格式的输入信号转换为并行自然二进制数字字，采用比率跟踪转换方法，具有高抗噪性和对长引线的耐受性，允许转换器与旋转变压器远程放置。

1.1 主要特性

• 高精度速度输出：产生典型线性度为±0.1%、反转误差小于±0.3%的精密模拟速度信号，可替代伺服系统中的机械测速发电机，实现环路稳定和速度控制。
• 用户可设置分辨率：通过两个控制引脚，用户可将AD2S83的分辨率设置为10、12、14或16位，以满足不同应用的最佳分辨率需求。
• 比率跟踪转换：该技术提供连续的输出位置数据，无转换延迟，同时具备抗噪能力和对参考及输入信号谐波失真的耐受性。
• 用户可设置动态性能：用户通过选择外部电阻和电容值，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。借助免费的组件选择软件设计辅助工具，组件值的选择变得轻松。

1.2 应用领域

AD2S83广泛应用于直流和交流伺服电机控制、过程控制、机床数控、机器人技术以及轴控制等领域。

2. 技术规格

2.1 电气参数

• 电源电压：±12Vdc ± 5%（±Vs），5Vdc ± 10%（VL）。
• 工作温度范围：-40°C至+85°C。
• 频率输入：频率范围为0 - 20,000Hz，输入偏置电流和输入阻抗等参数有明确规定。

2.2 性能指标

• 线性度：在不同温度和频率条件下，线性度有所不同，如在-40°C至+85°C，0.5MHz - 1MHz时，线性度为±1.0% FSR。
• 最大跟踪速率：10位分辨率时可达1040 RPS（62,400 rpm）。

3. 电路连接与操作

3.1 电源连接

连接到+Vs和 - Vs引脚的电源电压应为+12Vdc和 - 12Vdc，且不能反接。VL引脚的电压可为+5Vdc至+Vs。建议在电源线路和模拟地之间并联去耦电容，以减少电源噪声。

3.2 旋转变压器连接

将旋转变压器的SIN和COS输入、参考输入和信号地连接到AD2S83。为减少正弦和余弦信号之间的耦合，两个信号地线应在转换器的信号地引脚处连接。推荐使用单独屏蔽的双绞线电缆连接旋转变压器，将正弦、余弦和参考信号分别绞合。

3.3 转换器操作

AD2S83作为跟踪旋转变压器 - 数字转换器，输出会自动跟随输入，直至达到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，每次LSB变化都会触发一个BUSY脉冲。

4. 信号处理与输出

4.1 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，但输入信号电平的大幅变化会影响精度。

4.2 参考输入

参考信号的幅度并非关键，但需确保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AD2S83。

4.3 位置输出

转换器输出以自然二进制并行数字字表示旋转变压器轴的位置。当数字位置输出经过主要进位（全“1”到全“0”或反之）时，会触发RIPPLE CLOCK逻辑输出，指示输入的一圈或一个节距已完成。方向逻辑输出（DIR）指示输入旋转的方向。

4.4 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比例的内部信号，即速度信号。建议对速度输出进行缓冲，满量程速度输出为±8Vdc。速度输出的缩放和跟踪速率与转换器的分辨率有关。

4.5 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比例。当转换器无法跟踪输入时，该信号会增加，可通过连接外部比较器将其用作“内置测试”。

5. 组件选择

为实现所需的带宽和跟踪速率，需要选择合适的外部组件。以下是各组件的选择方法：

• HF滤波器（R1, R2, C1, C2）：用于去除直流偏移和减少信号输入中的噪声，推荐在存在开关电源和无刷电机驱动噪声时使用。
• 增益缩放电阻（R4）：根据是否使用R1和C2，计算公式有所不同，与分辨率有关。
• 参考输入的交流耦合（R3, C3）：选择R3和C3以确保参考频率下无显著相移。
• 最大跟踪速率（R6）：VCO输入电阻R6设置转换器的最大跟踪速率和速度缩放。
• 闭环带宽选择（C4, C5, R5）：根据分辨率和参考频率选择合适的闭环带宽，进而确定C4、C5和R5的值。
• VCO相位补偿（C6, R7）：C6 = 390pF，R7 = 3.3kΩ，应尽可能靠近VCO输出连接。
• VCO优化（C7）：C7 = 150pF，跨接在VCO输入和输出之间。
• 偏移调整（R8, R9）：用于调整积分器输入的偏移，可根据需要选择是否使用。

6. 数据传输与控制

6.1 数据传输

使用INHIBIT输入进行数据传输，逻辑“LO”应用于INHIBIT后490ns数据有效。使用ENABLE输入可传输两字节数据，之后将INHIBIT恢复为逻辑“HI”以更新输出锁存器。

6.2 控制信号

• BUSY输出：指示输出数据的有效性，输入变化时会产生一系列TTL电平脉冲。
• INHIBIT输入：仅抑制数据从上下计数器传输到输出锁存器，不中断跟踪环路的操作。
• ENABLE输入：确定输出数据的状态，逻辑“HI”使输出数据引脚处于高阻抗状态，逻辑“LO”将锁存器中的数据呈现到输出引脚。
• BYTE SELECT输入：选择位置数据的字节，逻辑“HI”呈现最高有效字节，逻辑“LO”呈现最低有效字节。
• RIPPLE CLOCK：输出经过主要进位时触发正沿，指示输入的一圈或一个节距已完成。
• DIRECTION输出：指示输入旋转的方向，状态变化先于BUSY、DATA和RIPPLE CLOCK更新。
• COMPLEMENT输入：低电平有效，用于设置计数器的逻辑状态。

7. 电路功能与动态性能

7.1 环路补偿

AD2S83作为Type 2跟踪伺服环路工作，VCO/计数器组合和积分器执行两个积分功能。需要额外的极点/零点对补偿来稳定环路，由积分器组件（R4, C4, R5, C5）实现。

7.2 比率乘法器

比率乘法器是AD2S83的输入部分，比较旋转变压器信号和计数器中的数字角度，差异产生AC ERROR输出。

7.3 高频滤波器

用于去除AC ERROR输出中的直流偏移和减少噪声，其衰减和频率响应会影响环路增益。

7.4 相敏解调器

产生与转换器位置误差成比例的直流电平信号，跟踪环路闭合时，误差为零（除非输入角度加速）。

7.5 积分器

外部组件（R4, C4, R5, C5）允许用户确定最佳动态特性，输出与速度成比例，可通过R6缩放。

7.6 压控振荡器（VCO）

本质上是一个简单的积分器，向一对直流电平比较器提供信号。VCO速率由输入电流和缩放因子决定，最大推荐速率为1.1MHz。

7.7 传递函数

通过选择合适的组件，转换器具有临界阻尼时间响应和最大相位裕度。闭环传递函数和加速度常数可用于预测输出位置误差。

8. 作为硅测速发电机的应用

8.1 位置控制

AD2S83可作为速度和位置反馈设备，传统位置控制环路通过比较需求位置和实际位置来推导位置误差和速度需求。引入二阶项可补偿动态负载效应，AD2S83可同时提供速度和位置信息。

8.2 与直流测速发电机比较

与直流测速发电机相比，AD2S83具有更高的线性度、更低的反转误差和更宽的工作速度范围。此外，AD2S83的平均MTBF更长，对温度不敏感，无需预防性维护。

9. 误差来源与补偿

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补偿。

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，可通过选择合适的旋转变压器、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

速度信号中的纹波或噪声由参考频率、旋转变压器不准确、LSB更新纹波和转矩纹波等因素引起。可通过优化电路设计和选择合适的组件来减少误差。

10. 典型电路配置

图11展示了AD2S83的典型电路配置，适用于12位分辨率，参考频率为5kHz，最大跟踪速率为260 rps，带宽为520Hz。通过合理选择外部组件的值，可实现良好的性能。

总结

AD2S83是一款功能强大、性能卓越的旋转变压器 - 数字转换器，具有高精度、高灵活性和广泛的应用范围。通过深入了解其技术规格、电路连接、信号处理和误差补偿等方面，电子工程师可以更好地应用AD2S83，实现高效、可靠的角度测量和控制。在实际设计中，你是否遇到过类似转换器的应用难题？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。