AD2S83：高性能跟踪式旋转变压器-数字转换器的深度解析

在电子工程领域，旋转变压器 - 数字转换器（RDC）是实现精确位置和速度测量的关键组件。AD2S83作为一款高性能的跟踪式RDC，为工程师们提供了灵活且精确的解决方案。本文将深入探讨AD2S83的特性、工作原理、应用场景以及设计要点。

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一、AD2S83概述

AD2S83是一款单片式10、12、14或16位跟踪式旋转变压器 - 数字转换器。它允许用户通过外部组件选择自己所需的分辨率和动态性能，最高跟踪速率可达1040转/秒（10位分辨率时）。其采用比例跟踪转换方法，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，具有高抗噪性和对长导线的耐受性，可远离旋转变压器安装。

1.1 产品特性

• 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。
• 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。
• 比例跟踪转换：提供连续的输出位置数据，无转换延迟，同时具有抗噪声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：通过选择外部电阻和电容值，用户可以确定转换器的带宽、最大跟踪速率和速度缩放，以匹配系统要求。

二、技术规格与性能参数

2.1 输入输出规格

• 信号输入（SIN、COS）：频率范围为0 - 20,000 Hz，电压电平典型值为2.0 V rms，输入偏置电流最大为60 nA，输入阻抗为1 MΩ。
• 参考输入（REF）：频率范围为0 - 20,000 Hz，电压电平典型值为60 V pk，输入偏置电流最大为150 nA，输入阻抗为1 MΩ。

2.2 性能指标

• 重复性：最大为1 LSB。
• 允许相移：信号与参考之间的相移范围为 - 10°至 + 10°。
• 最大跟踪速率：10位分辨率时为1040 rps，12位为260 rps，14位为65 rps，16位为16.25 rps。
• 带宽：用户可根据分辨率选择合适的带宽，如10位分辨率时参考频率与带宽比为2.5 : 1。

2.3 精度指标

• 角度精度：保证单调，最大误差为±8 + 1 LSB（弧分）。
• 速度信号线性度：不同型号和频率范围有所不同，如AD2S83AP在0 kHz - 500 kHz时为±0.15% FSR，0.5 MHz - 1 MHz时为±0.25% FSR。

三、电路连接与设计要点

3.1 电源连接

电源电压连接到 +VS 和 -VS 引脚时，应分别为 +12 V dc 和 -12 V dc，且不得反转。VL 引脚的电压可为 +5 V dc 至 +VS。建议在电源线路与模拟地之间并联去耦电容，推荐值为100 nF（陶瓷）和10 µF（钽电容），同时在 +VL 与数字地之间也连接100 nF和10 µF的电容。

3.2 旋转变压器连接

旋转变压器的连接应按照图11所示，将正弦和余弦信号连接到SIN和COS输入，参考输入连接到REFERENCE INPUT，信号地连接到SIGNAL GROUND。为减少正弦和余弦信号之间的耦合，两个信号地应在转换器的SIGNAL GROUND引脚处连接。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。

3.3 组件选择

• 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，建议选择15 kΩ ≤ R1 = R2 ≤ 56 kΩ，C1 = C2 = 1 / (2πR1fREF)。
• 增益缩放电阻（R4）：根据是否使用R1、C2，计算公式有所不同，与分辨率相关。
• 参考输入交流耦合（R3、C3）：选择R3 = 100 kΩ，C3 > 1 / (R3 × fREF) F，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，计算公式为R6 = 6.81 × 10^10 / (T × n) Ω，其中T为最大跟踪速率，n为每转的位数。
• 闭环带宽选择（C4、C5、R5）：根据分辨率选择合适的参考频率与带宽比，然后计算C4、C5和R5的值。
• VCO相位补偿：C6 = 390 pF，R7 = 3.3 kΩ，应尽可能靠近VCO输出引脚连接。
• VCO优化：在VCO输入和输出引脚之间连接C7 = 150 pF的电容。
• 偏移调整：若能容忍积分器输入的偏移和偏置电流导致的输出位置偏移，可省略R8和R9；否则，使用R8 = 4.7 MΩ，R9 = 1 MΩ电位器进行调整。

四、工作原理与功能模块

4.1 跟踪式转换

AD2S83作为跟踪式旋转变压器 - 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。

4.2 信号调理

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，但输入信号电平变化过大（超过10%）会导致精度下降。

4.3 参考输入

参考信号的幅度不是关键，但应确保在推荐的工作范围内。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。

4.4 位置输出

旋转变压器轴的位置由转换器输出的自然二进制并行数字字表示。当数字位置输出通过主要进位（全“1”到全“0”或反之）时，会触发RIPPLE CLOCK逻辑输出，表示输入完成了一次旋转或一个螺距。输入旋转方向由DIRECTION逻辑输出指示。

4.5 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，其满量程输出为±8 V dc，输出速度缩放和跟踪速率与转换器的分辨率有关。

4.6 DC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。若输出无法跟踪输入，该信号会增加，可通过连接两个外部比较器将其用作“内置测试”。

五、数据传输与控制

5.1 数据传输

使用INHIBIT输入进行数据传输，在施加逻辑“LO”到INHIBIT后490 ns，数据将有效。使用ENABLE输入可传输两个字节的数据，之后将INHIBIT恢复到逻辑“HI”状态以更新输出锁存器。

5.2 BUSY输出

BUSY输出的状态指示输出数据的有效性。当转换器输入变化时，BUSY输出会出现一系列TTL电平的脉冲，每次输入移动一个LSB的模拟等效值并使内部计数器递增或递减时，都会触发一个BUSY脉冲。

5.3 INHIBIT输入

INHIBIT逻辑输入仅抑制从上下计数器到输出锁存器的数据传输，不中断跟踪环路的操作。释放INHIBIT会自动生成一个BUSY脉冲以刷新输出数据。

5.4 ENABLE输入

ENABLE输入决定输出数据的状态。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，对转换过程无影响。

5.5 BYTE SELECT输入

BYTE SELECT输入选择要在数据输出DB1 - DB8呈现的位置数据字节。逻辑“HI”呈现八个最高有效数据位，逻辑“LO”呈现最低有效字节。

5.6 RIPPLE CLOCK

当转换器输出通过主要进位时，RIPPLE CLOCK输出会出现正沿，指示输入完成了一次旋转或一个螺距。其最小脉冲宽度为300 ns，通常在BUSY脉冲之前设置为高电平，并在下一个BUSY脉冲的正沿之前复位。

5.7 DIRECTION输出

DIRECTION输出指示输入旋转的方向，其状态变化先于相应的BUSY、DATA和RIPPLE CLOCK更新。

5.8 COMPLEMENT

COMPLEMENT输入为低电平有效，内部通过100 kΩ上拉到 +VS。将DATA LOAD和COMPLEMENT引脚 strobe到逻辑“LO”可将AD2S83计数器的逻辑“HI”位设置为“LO”状态。

六、应用场景与对比分析

6.1 应用场景

• 直流和交流伺服电机控制：提供精确的位置和速度反馈，实现电机的精确控制。
• 过程控制：用于工业过程中的位置和速度测量，确保过程的稳定性和准确性。
• 机床数控和机器人技术：为机器人和机床提供高精度的位置和速度信息，提高运动控制的精度。
• 轴控制：实现轴的精确定位和速度控制。

6.2 与DC测速发电机对比

• 线性度：AD2S83的线性度为0.1%，优于DC测速发电机的0.3%。
• 反转误差：AD2S83的反转误差为0.1% FSO，小于DC测速发电机的0.25%。
• 工作速度范围：DC测速发电机的典型工作范围为0 - 3600 rpm，而旋转变压器/AD2S83组合可在超过10000 rpm的速度下工作。
• 可靠性：DC测速发电机的平均无故障工作时间（MTBF）为347天，而旋转变压器通常为8年。
• 温度敏感性：旋转变压器对温度相对不敏感，而DC测速发电机在高于25°C时输出电压会有±0.1%/°C的下降。
• 维护需求：无刷旋转变压器无需预防性维护，而DC测速发电机的电刷需要定期检查。

七、误差分析与解决方案

7.1 加速度误差

跟踪转换器采用Type 2伺服环路，虽无速度滞后，但存在加速度引起的额外误差。可使用加速度常数KA来定义该误差，KA = 输入加速度 / 输出角度误差。通过选择合适的无源组件可确定KA的值，KA可用于预测给定输入加速度下的输出位置误差。

7.2 误差来源

• 积分器偏移：积分器输入的偏移会被视为误差信号，导致转换不准确，典型角度误差为1弧分。可通过调整零偏移来减少该误差。
• 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，可通过选择残余电压小的旋转变压器、确保正弦和余弦信号处理相同以及消除参考相移来最小化该误差。
• 速度信号纹波：速度信号中的纹波由参考频率、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纹波。
• 偏移误差：零速度直流偏移是测量低速或“爬行”速度的限制因素，可通过降低最大跟踪速率和减小R6的值来最小化该误差。

八、总结

AD2S83作为一款高性能的跟踪式旋转变压器 - 数字转换器，具有高精度、高灵活性和可靠性等优点。通过合理选择外部组件和优化电路设计，工程师们可以充分发挥AD2S83的性能，满足各种应用场景的需求。在实际应用中，需要注意误差分析和解决方案，以确保系统的准确性和稳定性。你在使用AD2S83的过程中遇到过哪些问题呢？你是如何解决的？欢迎在评论区分享你的经验。