AD2S83：高性能可变分辨率旋转变压器-数字转换器的深度解析

引言

在电子工程师的日常设计工作中，旋转变压器 - 数字转换器（Resolver-to-Digital Converter，R/D Converter）是实现精确位置和速度测量的关键组件。AD2S83作为一款性能卓越的可变分辨率R/D转换器，以其高精准度、灵活配置和广泛的应用场景，在工业控制、机器人等领域发挥着重要作用。今天，我们就来深入探究AD2S83的技术细节、性能特点及应用要点。

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产品概述

主要特性

AD2S83是一款单片式10、12、14或16位跟踪旋转变压器 - 数字转换器，具有以下显著特性：

1. 高精度速度输出：能生成典型线性度为±0.1%、反转误差小于±0.3%的精密模拟速度信号，可替代传统的机械测速发电机，为伺服系统提供稳定的环路和速度控制。
2. 用户可设置分辨率：通过两个控制引脚，用户可灵活选择10、12、14或16位的分辨率，满足不同应用场景的需求。
3. 比例跟踪转换：采用比例跟踪转换技术，可提供连续的输出位置数据，无转换延迟，同时具备良好的抗噪声能力和对参考及输入信号谐波失真的容忍度。
4. 用户可设置动态性能：用户可通过选择外部电阻和电容值，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。还可使用免费的组件选择软件设计辅助工具轻松选择组件值。
5. 宽工作温度范围：适用于工业温度范围，能在 -40°C至 +85°C的环境下稳定工作。

应用领域

AD2S83在多个领域有着广泛的应用，包括但不限于：

• 直流和交流伺服电机控制：为电机提供精确的位置和速度反馈，实现高效、稳定的控制。
• 过程控制：在工业生产过程中，确保设备的精确运行和控制。
• 机床数控和机器人：满足高精度运动控制的需求，提高机器人的运动精度和工作效率。
• 轴控制：实现对轴的精确位置和速度控制。

技术细节分析

工作原理

AD2S83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。其核心工作原理基于一个Type 2跟踪伺服环路，其中VCO/计数器组合和积分器执行Type 2环路中固有的两个积分功能。

主要电路模块

1. 高频滤波器（HF Filter）：用于去除直流偏移和减少信号输入中的噪声，防止噪声影响相位敏感检测器和输出。推荐使用R1、R2、C1、C2组成的滤波器，其参数选择需根据参考频率进行计算，以确保在参考频率下有适当的衰减和相位特性。
2. 增益缩放电阻（R4）：根据是否使用R1、C2，R4的计算公式有所不同。其作用是对直流误差信号进行缩放，以适应不同的分辨率设置。
3. 参考输入交流耦合（R3、C3）：选择合适的R3和C3值，确保在参考频率下无显著相移。
4. 最大跟踪速率（R6）：VCO输入电阻R6决定了转换器的最大跟踪速率和速度缩放。用户需根据所需的最大跟踪速率“T”来计算R6的值，同时要注意线性度在不同频率范围的规定。
5. 闭环带宽选择（C4、C5、R5）：根据所需的闭环带宽 (f_{BW}) ，选择合适的C4、C5和R5值。不同分辨率下，参考频率与带宽的比例有不同的指导原则。
6. VCO相位补偿和优化：C6 = 390 pF、R7 = 3.3 kΩ应尽可能靠近VCO输出引脚连接，以实现相位补偿；C7 = 150 pF应跨接在VCO输入和输出引脚之间，以优化VCO性能。
7. 偏移调整：积分器输入的偏移和偏置电流可能导致输出位置偏移。若能容忍该偏移，可省略R8和R9；否则，可使用R8 = 4.7 MΩ、R9 = 1 MΩ电位器进行零偏移调整。

数据传输与控制

AD2S83的数据传输通过INHIBIT、ENABLE、BYTE SELECT等输入引脚进行控制：

• 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。释放INHIBIT会自动生成一个BUSY脉冲以刷新输出数据。
• 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。
• BYTE SELECT输入：选择要在数据输出DB1至DB8呈现的位置数据字节。逻辑“HI”呈现8个最高有效数据位，逻辑“LO”呈现最低有效字节。

性能指标

AD2S83的各项性能指标在不同条件下有明确的规定，包括信号输入、参考输入、重复性、允许相移、最大跟踪速率、带宽、精度、速度信号线性度等。例如，在10位分辨率下，最大跟踪速率可达1040 rps；速度信号线性度在不同频率范围和温度条件下有不同的规定。

应用要点与注意事项

连接与布线

1. 电源连接：连接到 (+V{S}) 和 (-V{S}) 引脚的电源电压应为 +12 V dc和 –12 V dc，且不得反接； (V{L}) 可在 +5 V dc至 (+V{S}) 范围内。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。
2. 旋转变压器连接：旋转变压器的连接应按照规定连接到SIN和COS输入、参考输入和信号地。两个信号接地线应在转换器的信号地引脚处连接，以减少正弦和余弦信号之间的耦合。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. 接地处理：信号地和模拟地内部连接，模拟地和数字地必须外部连接，并尽可能靠近转换器。

信号处理

1. 信号幅度：SINE和COSINE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可能会影响精度。
2. 参考输入：参考信号的幅度不是关键因素，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。
3. 谐波失真：信号和参考线路上允许的谐波失真量为10%。可使用方波、三角波和锯齿波等波形，但需调整输入电平以满足要求。

分辨率设置

用户可通过SC1和SC2输入的逻辑状态选择数字输出的分辨率为10、12、14或16位。分辨率的选择会影响R4和R6的值，若分辨率改变，需相应调整R4和R6的值。在动态条件下更改分辨率时，应在BUSY为低电平时进行，即数据不变化时。

与直流测速发电机的比较

线性度和反转误差

AD2S83在0 - 3600 rpm的典型工作范围内，线性度和反转误差表现良好，与直流测速发电机相当。但AD2S83的旋转变压器/AD2S83组合可在超过10000 rpm的速度下工作，而直流测速发电机的典型工作范围为0 - 3600 rpm。

纹波效应

直流测速发电机由于旋转速度、换向器段和极数等因素会产生纹波，而AD2S83的输出纹波可通过合理的设计和调整进行最小化。

其他因素

从平均无故障工作时间（MTBF）来看，旋转变压器的MTBF通常为8年，而直流测速发电机的MTBF仅为347天。此外，旋转变压器对温度相对不敏感，无需预防性维护；而直流测速发电机的输出电压在高于25°C时会有±0.1%/°C的退化，且电刷需要定期检查。

总结

AD2S83作为一款高性能的旋转变压器 - 数字转换器，凭借其灵活的分辨率设置、高精度的速度输出和良好的抗干扰能力，在工业控制和机器人等领域具有显著的优势。电子工程师在设计过程中，应充分了解其技术细节和应用要点，合理选择外部组件，以实现系统的最佳性能。同时，与直流测速发电机的比较也显示出AD2S83在可靠性和性能方面的优势。在实际应用中，我们还需根据具体需求和场景，进一步优化设计，确保系统的稳定运行。你在使用AD2S83或其他类似转换器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。