電路功能與優(yōu)勢(shì)
旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)廣泛用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中，用來(lái)提供電機(jī)軸位置/速度反饋信息。
AD2S1210是一款完整的10位至16位分辨率RDC，片內(nèi)集成可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供激勵(lì)。由于工作環(huán)境惡劣，AD2S1210（C級(jí)和D級(jí)）的額定溫度范圍為−40°C至+125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。
圖1所示的高電流驅(qū)動(dòng)器放大AD2S1210的參考振蕩器輸出并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而優(yōu)化與旋變器的接口。該驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)使用雙通道、低噪聲、精密運(yùn)算放大器AD8662和分立互補(bǔ)發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)的復(fù)合放大器。一個(gè)類似的驅(qū)動(dòng)器級(jí)用于互補(bǔ)激勵(lì)輸出，從而提供一個(gè)全差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋變器初級(jí)繞組。AD8662提供8引腳窄體SOIC和8引腳MSOP兩種封裝，額定溫度范圍均為−40°C至+125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。
圖1. 用于AD2S1210 RDC參考信號(hào)輸出的高電流緩沖器（原理示意圖，未顯示去耦和所有連接）
RDC與旋轉(zhuǎn)傳感器配合使用，以便檢測(cè)電機(jī)軸的位置和轉(zhuǎn)速。在這種應(yīng)用中，旋變器利用正弦波參考信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)。初級(jí)繞組上的旋變器激勵(lì)參考信號(hào)被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正弦差分輸出信號(hào)：正弦和余弦。正弦和余弦信號(hào)的幅度取決于實(shí)際的旋變器位置、旋變器轉(zhuǎn)換比和激勵(lì)信號(hào)幅度。
RDC同步采樣兩個(gè)輸入信號(hào)，以便向數(shù)字引擎（即所謂Type II跟蹤環(huán)路）提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。Type II跟蹤環(huán)路負(fù)責(zé)計(jì)算位置和速度。典型應(yīng)用電路如圖2所示。
圖2. AD2S1210 RDC典型應(yīng)用電路
由于旋變器的輸入信號(hào)要求，激勵(lì)緩沖器必須提供高達(dá)200 mA的單端電流。圖1所示的緩沖電路不僅提供電流驅(qū)動(dòng)能力，而且提供AD2S1210激勵(lì)輸出信號(hào)的增益。本電路筆記說(shuō)明性能要求及推薦的激勵(lì)緩沖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。典型旋變器的輸入電阻在100 Ω至200 Ω之間，初級(jí)線圈應(yīng)利用7 V rms的電壓驅(qū)動(dòng)。
該轉(zhuǎn)換器支持3.15 V p-p ±27%范圍的輸入信號(hào)。AD2S1210的額定頻率范圍為2 kHz至20 kHz。采用Type II跟蹤環(huán)路跟蹤輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。該器件的額定最大跟蹤速率為3,125 rps。在16位分辨率時(shí)，位置輸出的精度誤差最大值為±5.3弧分。
電路描述
AD2S1210采用5 V電源供電，輸出緩沖電路要求12 V電源，以便向旋變器提供所需的差分信號(hào)幅度。
圖1所示為AD2S1210、AD8662和相關(guān)電路的原理圖，其中包括一個(gè)推挽輸出級(jí)，它能夠向旋變器提供所需的電源。本電路的優(yōu)勢(shì)之一是當(dāng)不存在信號(hào)時(shí)，輸出晶體管只需要少量靜態(tài)電流。
AD2S1210的激勵(lì)輸出通常在EXC和EXC 輸出端提供3.6 V p-p正弦信號(hào)，這將產(chǎn)生一個(gè)7.2 V p-p差分信號(hào)。
汽車(chē)旋變器的典型轉(zhuǎn)換比為0.286。因此，如果將一個(gè)單位增益緩沖器配合AD2S1210使用，則旋變器輸出的幅度約為差分2 V p-p。這種信號(hào)的幅度不足以滿足AD2S1210的輸入幅度要求。理想情況下，正弦和余弦輸入應(yīng)具有差分3.15 V p-p的幅度，因此緩沖器級(jí)應(yīng)提供約1.5的增益。
圖1所示激勵(lì)緩沖器的增益通過(guò)電阻R1和R2設(shè)置。在電路測(cè)試期間，R1和R2電阻的值分別為10 kΩ和15.4 kΩ，對(duì)應(yīng)的增益為1.54。
電阻R3和R4設(shè)置放大器的共模電壓VCM(2) = +3.75 V。激勵(lì)輸出的共模電壓VCM(1) = +2.5 V（中間電源電壓）。因此，緩沖器輸出共模電壓VCM(OUT)約為+5.7 V（+12 V電源的大約一半）。
2.2 kΩ電阻為推挽電路輸入端的二極管D1、D2提供偏置電流，并確立該側(cè)的靜態(tài)電流。D1和Q1上的電壓(VBE)應(yīng)保持一致，D2和T2上的電壓(VBE)應(yīng)保持一致。3.3 Ω電阻和4.7 Ω電阻上的電壓也應(yīng)保持一致。
選擇運(yùn)算放大器AD8662是為了滿足推挽輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)要求。旋變器和RDC轉(zhuǎn)換器往往用于惡劣環(huán)境中，因此一般需要能夠在擴(kuò)展溫度范圍（−40°C至+125°C）工作的器件。該運(yùn)放應(yīng)提供2 MHz以上的帶寬，輸入失調(diào)電壓應(yīng)小于1 mV。注意不得在0 V附近向信號(hào)引入失真，因?yàn)樵撌д婵赡軣o(wú)法被旋變器本身濾除。確保無(wú)失真的方法是設(shè)置輸出晶體管的偏置，使得過(guò)零時(shí)仍然有足夠的電流來(lái)維持線性。
由于所選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用單電源供電，因此針對(duì)緩沖器選擇的運(yùn)放也應(yīng)當(dāng)能夠采用單供電軌供電。AD8662采用+5 V至+16 V的單電源供電，提供軌到軌輸出，因而是理想的選擇。
電容C1與電阻R2并聯(lián)形成一個(gè)低通濾波器，用來(lái)濾除EXC和EXC 輸出上可能存在的任何噪聲。應(yīng)謹(jǐn)慎選擇此濾波器的截止頻率，確保濾波器所引起的載波相移不超過(guò)AD2S1210的鎖相范圍。注意，電容C1不是必需的，因?yàn)樾兤骺梢詾V除AD2S1210激勵(lì)輸出中的高頻成分。
應(yīng)當(dāng)注意，在電路驗(yàn)證過(guò)程中，旋變器的輸出直接連接到AD2S1210輸入。客戶應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)使用其它調(diào)整電阻和/或無(wú)源RC濾波器。在AD2S1210之前可以使用其它無(wú)源器件，但應(yīng)注意不要超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的AD2S1210最大鎖相范圍。外部無(wú)源器件可能會(huì)導(dǎo)致通道間幅度不匹配誤差，這會(huì)直接轉(zhuǎn)化為位置誤差。因此，信號(hào)路徑中推薦使用至少1%容差的電阻和5%容差的電容。
圖3所示為70°角時(shí)采集到的12位角度精度碼直方圖。圖4所示為16位角度精度碼直方圖。圖5所示為100 rps旋轉(zhuǎn)速率和16位分辨率設(shè)置時(shí)的速度輸出碼直方圖。
圖3. 12位角度精度碼直方圖，70°角，10,000次采樣
圖4. 16位角度精度碼直方圖，70°角，10,000次采樣
圖5. 16位速度輸出碼直方圖，100 rps，10,000次采樣
評(píng)估結(jié)果表明，AD2S1210與所示的激勵(lì)緩沖電路一起使用能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)說(shuō)明的模擬精度和速度精度。
根據(jù)應(yīng)用和傳感器的具體要求，可以更改AD2S1210和AD8662周?chē)钠骷怠＠纾ㄟ^(guò)改變電阻值，用戶可以調(diào)整偏置電壓、幅度和緩沖電路輸出端的最大驅(qū)動(dòng)能力。
常見(jiàn)變化
圖1所示的緩沖電路可以在不做任何修改的情況下與ADI公司的其它旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器一起使用，例如AD2S1200 andAD2S1205。為了改變輸出幅度、驅(qū)動(dòng)能力和失調(diào)電壓，用戶應(yīng)適當(dāng)調(diào)整無(wú)源器件。
如果系統(tǒng)需要其它運(yùn)算放大器，可以考慮AD8664和AD8661，它們分別是AD8662的四通道版本和單通道版本。
電路評(píng)估與測(cè)試
為了評(píng)估和測(cè)試AD2S1210與本電路筆記所述的電路，我們開(kāi)發(fā)了評(píng)估板EVAL-AD2S1210EDZ。詳細(xì)原理圖、材料清單和用戶說(shuō)明請(qǐng)參閱EVAL-AD2S1210EDZ評(píng)估板用戶指南。
設(shè)備要求
為了測(cè)試和評(píng)估所述電路，需要評(píng)估板EVAL-AD2S1210EDZ、評(píng)估控制器板EVAL-CED1Z、旋變器和帶USB接口的PC（Windows™ 2000™或Windows™ XP™）。某些情況下可以用旋變器自整角機(jī)標(biāo)準(zhǔn)代替旋變器，以便仿真實(shí)際傳感器的功能。 North Atlantic Model 5300是一款合適的旋變器仿真器。
開(kāi)始使用
EVAL-CED1Z板的詳細(xì)運(yùn)作信息請(qǐng)參閱EVAL-CED1Z轉(zhuǎn)換器評(píng)估與開(kāi)發(fā)平臺(tái)和EVAL-CED1Z技術(shù)文檔。
設(shè)置與測(cè)試
關(guān)于AD2S1210測(cè)試的詳細(xì)信息請(qǐng)參閱EVAL-AD2S1210EDZ評(píng)估板用戶指南。