低功耗12位旋转变压器数字转换器AD2S90：特性、应用与设计要点

在工业控制、伺服系统等领域，精确的角度测量和位置反馈至关重要。AD2S90作为一款低功耗、高集成度的12位旋转变压器数字转换器，为工程师们提供了一种可靠的解决方案。本文将详细介绍AD2S90的特性、应用以及设计要点，帮助电子工程师更好地了解和应用这款产品。

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一、AD2S90概述

AD2S90是一款完整的12位分辨率跟踪旋转变压器数字转换器，无需外部组件即可工作。它具有以下显著特点：

1. 高集成度：单芯片实现旋转变压器信号数字化，提供完整的旋转变压器 - 数字接口。
2. 双格式位置数据输出：支持绝对串行二进制和增量式A QUAD B两种输出格式，满足不同应用需求。
3. 高精度：在20引脚PLCC封装中提供±10.6弧分的角度精度。
4. 低功耗：典型功耗仅50mW，适合对功耗要求较高的应用。
5. 宽温度范围：工业温度范围（-40°C至+85°C），保证在恶劣环境下稳定工作。

二、关键特性与规格

（一）输入特性

AD2S90的SIN、COS和REF输入接受2V rms ± 10%的输入信号，频率范围为3kHz - 20kHz。输入偏置电流为100nA，输入阻抗为1.0MΩ，共模抑制比（CMRR）在10kHz时为60dB。

（二）转换器动态特性

• 带宽：内部设置为1kHz，确保对输入信号的快速跟踪。
• 最大跟踪速率：高达500rps，满足高速旋转系统的需求。
• 最大VCO速率（CLKOUT）：2.048MHz，提供高分辨率的时钟信号。
• 建立时间：1°阶跃为2ms，179°阶跃为20ms，响应迅速。

（三）精度特性

• 角度精度：±10.6弧分 + 1 LSB，保证角度测量的准确性。
• 重复性：1弧分LSB，确保测量结果的一致性。

（四）速度输出特性

模拟速度输出VEL按150rps/V dc ± 15%进行缩放，可驱动最大10kΩ和30pF的负载组合，正电压表示角度增加。

三、工作原理

AD2S90基于Type 2跟踪闭环原理工作。通过相敏检测器、积分器和压控振荡器（VCO）形成闭环系统，不断跟踪旋转变压器的位置，将输入的SIN和COS信息转换为数字角度表示。当系统达到平衡时，上下计数器的字状态φ等于旋转变压器轴角θ，误差在转换器的额定精度范围内。

四、输出格式

（一）绝对位置输出 - 串行接口

绝对角度位置通过三线接口（DATA、CS和SCLK）以串行二进制数据形式输出。当CS为高电平时，DATA输出处于高阻态；当CS为低电平时，DATA输出使能，当前角度信息从计数器传输到串行接口。通过向SCLK引脚施加外部时钟，以2MHz的最大数据速率读取数据，12个时钟沿可提取完整的12位数据。

（二）增量式编码器输出

AD2S90模拟1024线编码器，输出A、B和NM信号。A、B信号用于表示角度旋转方向，B领先A表示角度增加（顺时针方向）；DIR输出指示旋转方向，高电平表示角度增加。NM信号为北标记脉冲，在绝对角度位置通过零时生成，支持90°、180°和360°三种标准宽度，可通过NMC引脚控制。

五、应用领域

（一）工业电机控制

在工业电机控制中，AD2S90可精确测量电机轴的角度位置和速度，为电机的闭环控制提供准确的反馈信息，实现精确的速度和位置控制。

（二）伺服电机控制

伺服系统对位置和速度的精度要求极高，AD2S90的高精度和快速响应特性使其成为伺服电机控制的理想选择，能够有效提高伺服系统的性能。

（三）工业测量

在工业测量领域，AD2S90可用于精确测量旋转物体的角度和位置，如机床、机器人等设备的运动控制。

（四）汽车运动传感与控制

在汽车领域，AD2S90可用于测量汽车发动机、变速器等部件的旋转角度和速度，为汽车的电子控制系统提供准确的信息。

六、设计要点

（一）电源连接

AD2S90使用±5V dc ± 5%的电源，正电源VDD连接到引脚13和14，负电源VSS连接到引脚12。电源极性不能接反，否则会损坏器件。

（二）信号连接

旋转变压器的SIN和COS输出分别连接到AD2S90的SIN和COS引脚，SIN LO和COS LO连接到AD2S90的SINLO和COSLO引脚。REF输入通常来自旋转变压器的初级激励，相位偏移相对于SIN和COS输入最大为±10°。所有模拟输入建议使用单独的屏蔽双绞线，屏蔽层连接到转换器的AGND引脚。

（三）北标记宽度选择

通过NMC引脚（引脚15）控制北标记脉冲宽度，施加VDD、0V或VSS可选择90°、180°和360°三种标准宽度。若未连接，NM脉冲默认宽度为90°。

（四）ESD防护

AD2S90具有输入保护电路，但仍需采取适当的ESD防护措施，以避免功能损坏或性能下降。具体的ESD防护措施可参考Analog Devices的ESD预防手册。

七、与DSP的接口设计

AD2S90的串行输出非常适合与DSP配置的微处理器接口。不同的DSP芯片与AD2S90的接口方式有所不同，例如：

（一）ADSP - 2105接口

使用ADSP - 2105的片上串行端口，选择交替帧接收模式，内部帧（内部反转）和内部串行时钟生成（外部反转）选项。ADSP - 2105提供CS和串行时钟，时钟反转以防止时序错误。

（二）TMS32020接口

接口配置为交替内部帧、外部时钟（外部反转）模式。16位数据从AD2S90时钟输入到TMS32020的数据接收寄存器，处理器需要执行三次右移以获取12位有效数据。

（三）DSP56000接口

DSP56000配置为正常模式同步操作，带门控时钟，SCLK和SC1作为输出。SC1应用于CS，SCLK反转以确保有效数据在一个前导位后时钟输入。

（四）NEC7720接口

NEC7720期望数据在其SCLK输出的上升沿，无需反相器。SIEN用于选择AD2S90并帧化数据，处理器需要执行四次右移以获取12位有效数据。

八、总结

AD2S90作为一款高性能的旋转变压器数字转换器，具有高集成度、高精度、低功耗等优点，适用于多种工业和汽车应用。在设计过程中，工程师需要注意电源连接、信号连接、ESD防护等要点，并根据具体的应用需求选择合适的接口方式。通过合理的设计和应用，AD2S90能够为系统提供准确的角度测量和位置反馈，提高系统的性能和可靠性。你在使用AD2S90的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。