转AD2S80系列分解器数字转换器的特点及应用

1、转AD2S80 系列分解器 数字转换器的特点及应用（转）AD2S80系列分解器数字转换器的特点及应用2010/07/1516:52 摘要：介绍了 AD2S80 系列分解器数字转换 器的主要特点、技术指标及使用方法，并以AD2S80A 为例详细说明了外接兀件的选择及有关参数的计算方法。关键词：跟踪速率高频滤波器相敏检波器1概述分解器（Resolver）又叫旋转变压器，它和自整角机（也叫同步器）都 是角位移传感器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。分解器数字转换 器（缩写为RDC是一种特殊的模数转换器（ADC），它采用比值跟踪的转换方式， 专门用于将分解器的角位移信号转换成相应的二进制数字信号

2、，以便计算机系 统能够进行相应的数字运算。它是计算机系统理想的专用接口器件。AD2S8C系列RDC是美国模拟器件公司（AnalogDevicesInc）生产的RDC产品中的一部分。 AD2S8C系列包括 AD2S80A AD2S81A AD2S82A AD2S83等产品。以下介绍它们 的主要特点和技术指标及使用方法。2AD2S8C系列RDC勺主要特点和技术指标 AD2S8C系列RDC勺共同特 点：单片结构，具有尺寸小、性能稳定等优点。线路结构相同，芯片内含有 输入缓冲器、分段开关、R2R梯形网络数模转换器、可逆计数器、相敏检波器、 积分器、压控振荡器（VCO）、数据转换逻辑电路，输出数据锁存器

3、及输出缓冲器 等，原理框图如图1所示。图1AD2S80系列的原理框图及外围器件基本接线图与外界的接线方法， 外接器件参数计算方法及使用方法都完全相同。采用BiMOS工艺，兼有CMOS逻辑电路的优点及采用高精度的线性电路。因此，AD2S8C系列的RDC产品具有精度高、长期稳定性好、可靠性高等优点。都具有速度传感的输出电压，它 与RDC勺输入转角变化速率成正比，其线性度为1% 由用户选择动态性能。通过外接电阻和电容的不同选择，可得到不同的带宽和跟踪速率及RDC专换器速度输出的比例值。这样，不同用户可以根据最佳的系统动态性能选用最佳的 外接元件值。除AD2S81A外其余品种RDC由用户根据系统要求选

4、择分辨率。具有很好的抗干扰性能，允许远距离传输信号。YM5HZ =11 AD2S80系列RDC勺不同点：基准信号频率不同。AD2S80A AD2S82A AD2S83基准信 号频率是50Hz20kHz AD2S81A基准信号频率是400Hz20kHz 输出信号的 二进制数码形式不同。AD2S80A AD2S81A输出二进制码，AD2S82A AD2S83 当COM!是低电平时，输出二进制补码信号。DATALOA控制端不同。AD2S80AAD2S81A AD2S82A!电平有效，而 AD2S83低电平有效。AD2S80系列主要技术指标见表1。表1AD2S80系列RDC主要技术指标型号 AD2S8

5、0AAD2S81AAD2S82AAD分辨3率（位）10，12，14，161210, 12，14， 1610，12，14，16 输入信号频率（Hz）5020，00040020, 0005020, 0005020, 000输入信号电压（典型值）20V20V20V20V基准信号频率（Hz）5020，00040020, 0005020, 0005020, 000 基准信号电压（VPK）1080108010801080误差跟踪 速率 H（分）土 22+1LSBA J , S（分）土 8+1LSB 30+1LSB 8+1LSB 8+1LSBB K, T（分）土4+1LSB4+1LSBL U（分）土 2+1

6、LSB 2+1LSB10位, rps 最大 1040 最大 1040最大104012位，rps最大260最大260最大260最大26014位，rps最大 65最大65最大6516位，rps最大1625最大1625最大1625速度信号线性 度%FS 1 1 1 1反转误差%FS 1最大土 2最大土 203%俞出值直流零位 失调电压最大6mV最大6mV最大6mV典型值土 3mV数据稳定时间最大 600ns最 大600ns最大600ns最大490ns数据总线16位8位16位16位信号和基准谐波 失真度最大 10%最 大 10%最 大 10%最 大 10% 源电压土 12Vdc 10% 12Vdc 1

7、0% 12Vdc 10% 12Vdc 10%寸装形式40脚，陶瓷双列直插。44脚，陶瓷无引 线芯片载体28脚，陶瓷双列直插44脚，塑料引脚芯片载体44脚，塑料引脚芯 片载体 ADI 也生产混合集成 RDC和 SDC（SynchrotoDigitalConverter），女口RDC1742/1740 SDC1742/1740等，这是目前国内用得较多的几种型号。混合式 RDC与 SDC之间的唯一差别是输入变压器的结构形式不同。同步器的S1, S2和S3端连接SDC勺S1、S2和S3输入端，然后用一个微型Scott变压器将同步器 的三相格式信号变换为旋转变压器的格式（SIN和COST个单相信号），其

8、后面 的电路形式两者完全相同。早期生产的 SDC1742/1740和RDC1742/174Q组件内 部的芯片数较多。自2S80系列芯片问世以来，SDC1742/1740或 RDC1742/1740 内部主要为2S80A芯片和微型变压器，并将一些辅助元器件封装在同一个管壳 内，所以在使用时不需外接任何元器件，比较方便。ADI生产过模块式SDC/RDC如RDC/SDC170系列，它与单片式RDC相比，存在着工艺复杂，精度低，稳定性差，漂移大，体积大，可靠性差等缺点。因此，该类产品ADI已停产。但混合式SDC/RD集成块与单片式RDC2S8系列同样在用户中广泛使用。在设计新 产品时，应选用单片式的R

9、DC产品。3AD2S8C系列分解器数字转换器的应用由于 AD2S8C系列RD够直接将物 体旋转运动的转动角度转换成单调的二进制数字。因此，它在国防、工业控制、 科研生产等各个领域都得到了极其广泛的应用。例如，直流无刷电机和交流电 机的控制、过程控制、数字控制机械工具、机器人、坐标轴控制、导航控制、 导弹与火炮的伺服控制系统、仿真领域等。下面以AD2S80ARD为例，说明使用中的一些基本问题。31AD2S80ARD的基本接法及参数计算 AD2S80ARD外围电 路的基本接法如图1所示。YM5HZ =12使用AD2S80ARD时，+VS和-VS引脚 分别接直流稳压电源的+12V和-12V电压，电源

10、电压幅值偏差不大于10%电源 稳定度要求1%以上，电源的纹波电压不大于 2mV接线时，电源极性不要接错。 +VL的输出电压范围是+5V+VS在RDC勺+VS -VS电源引脚旁，要求在+VS和 -VS电源线和模拟地(ANALOGGROUND)-之间分别接去耦电容，去耦电容分别 同一个陶瓷电容(典型值01卩F)和一个钽电容(典型值10卩F)并联而成。在VL 引脚和数字地(DIGITALGROUND)间也应连接去耦电容，该去耦电容同样地由 01卩F的陶瓷电容和10卩F的钽电容并联组成。同一块印制板安装多个AD2S80系列RDC时，则应该在每个RDC的 +VS -VS，+VL引脚旁分别加去耦电容。SI

11、N 和COS引脚分别接分解器的SIN和COS信号的高端，而分解器的SIN和COS信 号的低端分别接到信号地(SIGNALGNE引脚上，这样可以消除测量误差。DATALOA引脚是加载数据的控制端，当逻辑低时，16位可逆计数器DB1DB16 输入数据，逻辑高时，DB1DB1输出数据。SC1和SC2是AD2S80A俞出数据分 辨率的控制端，SC1和 SC2的电平逻辑与分辨率关系如表 2所示。表2SC1 SC2 逻辑关系与分辨率关系表下面讨论图1的有关参数计算方法:(1)在图1中，外接元件R1, C1和R2, C2组成一个高频滤波器，它的作用是消除任何直流偏移 及减少输入到片内相敏检波器的噪声值。在R

12、2=R3和 3= C3的条件下，R1和C2可以省略，但是实际应用中 R2=R3通常取R仁R2 3= C2计算时，先确定R1 和 R2 的值。15kQ1/(R3fREF)(F)(4)式中R3单 位Q, C3单位F，fREF单位Hz(4)最大跟踪速率的确定。压控振荡器(VCO)的输 入电阻R6决定了 AD2S80系列RDC勺最大跟踪速率。因此，在确定速度输出8V电压的条件下，也就确定了在最大跟踪速率时的速度比例。电阻R6按下式计算:R6=632X 10n/(T X n)( Q )(5)式中n每一转的位数。不同的分辨率时，n值 不同。10位分辨率，n=1，024;12位分辨率，n=4,096;14位

13、分辨率， n=16,384;16位分辨率，n=65,536T每秒钟转数，T必须不超过最大跟踪速率， 或者取基准频率的1/16 o (5)闭环带宽fBW的选择。在图1中，影响闭环带宽 的因素是C4, C5和R5为了保证闭环带宽，要求基准频率与闭环带宽的比例 不能超过下列数值:10位分辨率，基准频率/闭环带宽比25 ： 1o 12位分辨率， 基准频率/闭环带宽比4 ： 1。14位分辨率，基准频率/闭环带宽比6 : 1o 16位 分辨率，基准频率/闭环带宽比75 ： 1 o 一般情况下基准频率为400Hz,带宽取 100Hz;基准频率为5kHz时，带宽取5001000Hz电容器C4的选择:C4=21

14、/(R6fBW)(6)式中R6单位Q ;fBW闭环带宽，单位 Hz电容器C5的选 择:C5=5C4(7)电阻R5根据下列公式计算:R5=4/(2 n C5fBW)(Q )(8)(6)压控振荡 器(VCO)的相位补偿。在压控振荡器中，外接元件 R7和C6组成一个相位补偿电 路，推荐值如下:R7=68Q，C6=470pF失调的调整。在积分器中，失调和偏置 电路都能引起RDC勺位置失调，存在一个附加输出，它的典型值最小是1分，最大是53分。在系统设计时，如果这种情况是允许的，那么电路中R8和R9可以省略；如果不允许，电阻R8取47MQ，电位器R9取1MQ。调试方法如下：将 COS引脚与REFEREN

15、CEINP引脚短接，SIN弓I脚与SIGNALGROUNtW短接，接 通电源，并且加上基准信号源，然后调整电位器R9,使RDC勺输出全为0o32AD2S80ARD与分解器的连接方法AD2S80ARD与分解器的连接线路图如图 2。图2AD2S80ARD与分解器接线原理图在图2的线路中，基准源的相位与来自分 解器的激磁电压有关。假定，R仁R2=RC仁C3基准频率fREF=1/2 n RC(9)根据 公式(9)就能得到图1中的高频滤波器的不同电阻值。由于 R2电阻值的变化与 输入的基准源相位变化接近线性关系，相位变化可以达到10度以上，电阻R2每增加10%就会使相位滞后2度;反之，R2每减少10%就

16、会使相位超前2度， 可以用公式表示如下：超前相位=arctan(1/2 n fRC)(10)滞后相位=arctan(2 nfRC)(11)33AD2S80系列RDC与同步器的连接 AD2S8C系列RDC能够直接与分解 器相连接，这时RDC通过4根导线从分解器输入SIN和COST个信号。但是， 许多应用环境是由同步器输出三相信号 ：VS1S3=KVREFsirn VS3S2=KVREFsinQ +120 )(12)VS1S3=KVREFsin( Q +240 )式中 K 同步器的变化，VREF激磁电压。 同步器输出信号幅值要比分解器的输出信号SIN和COS幅值大得多。如果要使AD2S80系列RD

17、C能够接收同步器的信号，则必须将公式(12)中的三相信号 VS1S3 VS3S2和VS2S1变换成SIN和COS言号，Scott变压器和Scott固态变 压器都具有这种功能，也可以采用 ADI公司生产的AD2S75同步器/分解器变压 器隔离接口进行变换。Scott变压器的变换：Scott变压器的基本原理图如图3 所示：图3Scott变压器原理图同步器输出信号 VS1S3=Vsin tsin Q VS3S2=Vsin3 tsin( Q +120 )VS2S1=Vsin tsin( Q +240 )式中 V=KVREFV仁Vsin tsin Q V2=Vsin tcos Q (13)在第一个变压器

18、中设变比为 1 : Rn初级电压VS1S3=Vsin 3 tsin Q (14)次级电压 V仁VR nsi n tsin Q (15)令 VS1S3=V1 贝 U Vs in tsin Q =VRnsintsin Q (16)得出Rn=1因此，第一个变压器的变比为1 ： 1。设第二个 变压器的变化为 Rm变压器次级电压：V2=VRmsin tsin( Q +120 )+Nsin 3 tsin Q (17)其中N是第一个变压器的抽头比例。式(17)可以简写成:V2=VRmsin tsin(Q +120)+Nsin tsinQ YM5H乙=8所以 Vsin tcos Q =VRmsintsi n(

19、Q +120)+Nsin tsinQ 消去 Vs in t得:cos Q =si n( Q +120 )+KsinQ Rm(18)当 Q =0 时，1=Rmsin120 =Rmsin60 Rm=2/3当 Q =90 时 0=Rm(sin210 +Nsin90 )0=-sin30 +NN=1/2 因此，第二个变压器的变比为1 :2/3，第一个变压器的抽头比例是1/2。固态Scott变压器的变换：固态Scott 变压器的原理图如图4所示：图4固态Scott变压器原理图设AD2S80系列RDC的输入信号电压为 VREFVs in， Vcos,并且放大器A1，A2和A3的增益分别为G1, G2和G3从

20、图4可 以得出以下关系式：从固态Scott变压器输入RDC的基准电压:VREF=G1VREFsin t(19)RDC 的 Vs in 端输入电压:Vsi n=G2VS1S3=G2KVREFsitsin Q (20)RDC 的 VCO端输入电压:VCOS=G3VS3S2-G3VS2S仁G3(VS3S2-VS2S1)(21)VS3S2- VS2S1=KVREFsitsin( Q +120 )-KVREFsin tsin( Q +240 )=KVREFsin tsin( Q +120 )-sin( Q +240 )(22)从三角和公式得出:sin( Q +120 )- sin( Q +240 )=3

21、cos Q (23)将式(23)代入(22)后得出:VS3S2-VS2S1=3KVREFsin 3 tcos 9 (24)将式(24)的值代入(21)，与式(19)及(20)联立得:VREF=VREFG1sin s tVsin=VREFKG2sin tsin 9 (25)VCOS=VREFKG33sintcos 9 式中 K和VREFsins t分别为同步器(自整角机)的变比与激磁电压，公式(23)为同步器信 号通过固态Scott变压器转换成分解器信号的变换关系，根据公式就能计算出 固态变压器各通道放大器同步器激磁电压不同时的增益G1, G2 G3由于AD2S80系列 RDC勺输入电压一般为

22、VREF=2Vrms Vs in=2Vrms, VCOS=2Vrms 因 此很容易确定固态变压器的增益与各通道的电阻值。固态Scott变压器在实际使用中，由于电路存在分布电容及电阻误差等许多因素，所以实际结果与理论 计算会出现误差。因此，在电路中增加了一个调整幅值的电位器。电路中要求 采用精密电阻，精度不低于1%下面推荐几种信号电压时的电阻值，见表3。YM5HZ =9表3同步器输出电压与固态变压器电阻值的关系信号电压 (Vrms)R1R2R3R42011 Ik 127k Q 226k Q 113k Q 11811kQ 127k Q 133k Q 665k Q 2611kQ 127kQ 280kQ 140kQ 9011kQ 127kQ 118MQ 590kQ VR1155X RVX RVX R/2 采用AD2S75与 AD2S8C系列RDC的连接如图5所示。图5AD2S75与 AD2S8C系列 RDC的接线原理图AD2S75是通用同步器分解器电压信