精密旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量角位置和速度

　　相比Type-I環(huán)路，Type-II跟蹤環(huán)路的優(yōu)勢(shì)是恒定速度下不會(huì)產(chǎn)生位置誤差。然而，哪怕在完美平衡的系統(tǒng)中，加速度也會(huì)產(chǎn)生誤差項(xiàng)。加速度產(chǎn)生的誤差量由控制環(huán)路響應(yīng)確定。圖 8 顯示AD2S1210 的環(huán)路響應(yīng)。

　　圖 8. AD2S1210 環(huán)路響應(yīng)

　　環(huán)路加速度常數(shù)Ka可以表示為：

 (15)

　　其中，環(huán)路系數(shù)隨分辨率、輸入信號(hào)幅度和采樣周期的變化而改變。AD2S1210 在每個(gè)CLKIN 周期中進(jìn)行兩次采樣。

　　表 3. RDC系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)

　　加速度產(chǎn)生的跟蹤誤差便可計(jì)算如下：

 (16)

　　圖 9 顯示不同分辨率設(shè)置下的角度誤差與加速度的關(guān)系。

　　圖 9. 角度誤差與加速度的關(guān)系

　　輸入濾波器

　　為獲得最佳的系統(tǒng)精度，可將旋變器輸出直接連接至AD2S1210 SIN、COS、SINLO和COSLO引腳，減少失配或相移。但是，該方法并非始終有效。可能需要衰減旋變器的正弦和余弦信號(hào)，以匹配RDC的輸入規(guī) 格;由于環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重，可能需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾，并且旋變器的連接器還可能需要提供ESD或短路保護(hù)。

　　圖 10 顯示旋變器和AD2S1210 之間的典型接口電路。串聯(lián)電阻和二極管提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，降低外部事件(如ESD或電源/接地短路)的能量。這些電阻和電容部署了低通濾波器，可以減少由于 驅(qū)動(dòng)電機(jī)而耦合至旋變器輸入端的高頻噪聲?？赡苓€需要衰減旋變器的正弦和余弦輸入信號(hào)，以便符合RDC的輸 入電壓規(guī)格 。這可以 通過添加 一個(gè)電阻 RA來實(shí)現(xiàn)。 AD2S1210 集成內(nèi)部偏置電路，可將SIN、SINLO、COS和COSLO偏置為VREF/2。該微弱的偏置可輕松過載，一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是采用 47 kΩ電阻RB，它可將信號(hào)偏置為 2.5 V。

　　圖 10. 接口電路

　　激勵(lì)緩沖器

　　通常需要使用緩沖器來驅(qū)動(dòng)旋變器的低阻抗輸入。有很多種方法可以部署該激勵(lì)緩沖器，本文介紹其中的兩種方法。第一種電路常用于汽車和工業(yè)設(shè)計(jì)中，第二種電路以高輸出電流放大器代替標(biāo)準(zhǔn)推挽式架構(gòu)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

　　11 所示之高電流驅(qū)動(dòng)器可放大參考振蕩器的輸出，并對(duì)其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換操作。驅(qū)動(dòng)器使用雙通道、低噪聲、精密運(yùn)算放大器AD8662，以及一個(gè)分立式發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)。緩沖器翻版電路提供全差分信號(hào)，驅(qū)動(dòng)旋變器的初級(jí)繞組。

　　圖 11. 使用運(yùn)算放大器 AD8662 的高電流參考緩沖器(具有推挽式輸出)

　　該高電流緩沖器提供針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋變器優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)能力、增益范圍和帶寬，可進(jìn)行調(diào)節(jié)以便滿足特定應(yīng)用和傳感器的要求，但其復(fù)雜的設(shè)計(jì)帶來了一系列缺點(diǎn)，比如元件數(shù)、PCB尺寸、成本和進(jìn)行修改以滿足特定應(yīng)用所需的工程設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　通過采用放大器代替AD8662，可以優(yōu)化該設(shè)計(jì);放大器提供直接驅(qū)動(dòng)旋變器所需的高輸出電流，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，無需使用推挽級(jí)。

　　圖 12 中的高電流驅(qū)動(dòng)器采用高電流雙通道運(yùn)算放大器AD8397 該器件具有軌到軌輸出，可以放大參考振蕩器輸出信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，優(yōu)化旋變器接口。AD8397 具有低失真、高輸出電流和寬動(dòng)態(tài)范圍特性，非常適合與旋變器一同使用。在 32 Ω負(fù)載情況下，該器件具有 310 mA電流能力，無需使用傳統(tǒng)的推挽級(jí)便可為旋變器提供所需的電源，從而簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器電路，并降低功耗。翻版電路提供全差分信號(hào)，驅(qū)動(dòng)初級(jí)繞組。AD8397 采用 8 引腳SOIC封裝，額定工作溫度 為–40°C至+125°C擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。

　　圖 12. 基于運(yùn)算放大器 AD8397 的高電流參考緩沖器

　　可以修改無源元件值，以改變輸出幅度和共模電壓;輸出幅度由放大器增益 R2/R1設(shè)置，而共模電壓由R3 和 R4設(shè)置。

　　電容 C1 和電阻R2組成低通濾波器，最大程度降低EXC和EXC輸出端的噪聲。應(yīng)當(dāng)以最大程度降低載波的相移為標(biāo)準(zhǔn)選擇電容。激勵(lì)輸出和正弦/余弦輸入之間的總相移不應(yīng)超過RDC的鎖相范圍。電容為可選元件，因?yàn)榻?jīng)典旋變器可以很好地過濾高頻分量。

　　圖 13 顯示AD8397 參考緩沖器與傳統(tǒng)推挽電路的對(duì)比。FFT分析儀測(cè)量AD2S1210 激勵(lì)信號(hào)的基波和諧波功率。

　　圖 13. 緩沖器 AD8397與推挽緩沖器 AD8662

　　在兩種配置中，基波功率幾乎沒有差異，但緩沖器AD8397的諧波更低。雖然AD8397 電路的失真略低，但兩個(gè)緩沖器的性能相當(dāng)。相比傳統(tǒng)電路，省略推挽級(jí)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減 少空間并降低功耗。

　　結(jié)論

　　與旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S1210 一同使用時(shí)，旋變器可以為電 機(jī)控制應(yīng)用的位置和速度測(cè)量提供高精度、性能穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。為了獲得最佳的整體性能，需要使用基于AD8662 或 AD8397 的緩沖器電路以放大激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)提供旋變器所 需的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。為了使系統(tǒng)更為完整，可以按需采用基本輸 入電路提供信號(hào)調(diào)理。如同所有混合信號(hào)機(jī)電一體化信號(hào) 鏈，設(shè)計(jì)精確系統(tǒng)時(shí)必須十分仔細(xì)地考慮到所有誤差來源。 AD2S1210 具有可變的分辨率，可以生成參考信號(hào)，并集成 片內(nèi)診斷功能，是旋變器應(yīng)用的理想RDC解決方案。該器件同時(shí)提供工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)產(chǎn)品。