隨著現代計算機與數字技術的發展．這種顯示方式已不適合時代發展的要求。為了實現對雷達探測目標的錄取、綜合、相關及顯示，為了實現設備的小型化，需要將天線的方位角變換為數字信號，而ADI公司生產的單片旋轉角數字變換器AD2S82A正是一種可將旋轉變壓器格式的信號轉換為角度數字信號的專用芯片。配合一些外圍電路及單片機，可靈活方便地實現對天線方位角的數字變換。 　　

1 AD2S82A的結構及特點
　　
AD2S82A是由美國ADI公司專為旋轉變壓器格式的旋轉角信號而生產的一種旋轉角／數字信號變換器，其封裝形式為44腳PLCC，旋轉角的數字輸出分辨率為10、12、14、16位可選，除了旋轉角的數字輸出外，它還輸出模擬速度量VEL、DC誤差信號及壓控振蕩(VCO)模擬控制信號。
　　
1.1 功能結構及特點
　　
AD2S82A的內部結構如圖1所示，主要由比率乘法器、相敏檢調器、壓控振蕩器(VCO)及輸出數據鎖存器構成。其中A1、A2作為輸 信號的緩沖器，與段選擇電路、16位加減計數器、R-2R DAC及誤差信號緩沖器A3構成比率乘法器，作為AD2S82A的輸入電路，主要負責將從旋轉變壓器輸入的角度信號θ與16位加減計數器中的數字角φ作比較，并產生一個與兩個角度差相關聯的模擬電壓信號(AC ERROR)。該信號表示為A1 Sin(θ-φ)sinωt。

Al為比率乘法器的增益系數，ω=2fREF。相敏檢調器的作用是把AC ERROR信號中所含旋轉變壓器輸入的角度θ與16位加減計數器中的數字角θ的角度差信號檢測出來，并以直流模擬電壓信號輸出。壓控振蕩器(VCO)是一個控制16位加減計數器的電路，根據其輸入信號電壓的大小，控制16位加減計數器是進行加計數還是進行減計數。輸出數據鎖存器用于保存變換器的輸出數據，便于計算機或其他設備讀取。
　　
AD2S82A具有尺寸小，功耗低(300 mW)，靈活性好的特點，用戶通過2個引腳CSl和CS2可選擇10、1 2、14、16位分辨率。芯片采用了速率跟蹤轉換技術實現了連續不間斷的相位數據輸出，除無變換延時外，轉換處理與信號幅度的絕對值關聯不大。
　　
它還具有良好的噪聲抑制并容許參考信號及輸入信號存在一定的諧波失真；通過選擇外部電阻及電容的數值，用戶可以決定帶寬、最大跟蹤速率以及轉換器的速度量程．以適應不同的系統要求；所需的外圍器件為價格較低廉的電容和電阻，而且它們的取值通過簡單的計算就可得到；具有速度控制信號的模擬量輸出，其線性度可達l％，在許多應用場臺中，這個信號可作為速度傳感器信號，為閉環馬達控制提供穩定的速度反饋。
　　
1.2 引腳說明
　　
AD2S82A的引腳按功能分為直流供電引腳、模擬信號輸入腳、控制信號輸入腳、狀態信號輸出腳、數字信號輸出腳、模擬速度量及VC0控制輸出腳。
　　
1.2.1 直流供電引腳
　　
直流供電引腳包括+VL、+Vs、一Vs、數字地及模擬地。+Vs、-Vs為片內模擬電路的工作電壓，分別接+12V和一12V。VL為片內數字電路的工作電壓，其電壓可接+5V DC至+Vs。模擬地與數字地必須在外部連接。
　　
1.2.2 模擬信號輸入腳
　　
模擬信號輸入腳包括用于連接到旋轉變壓器的SIN信號、COS信號、參考信號和信號地。信號地在芯片內部已與模擬地相連。為了減小信號之間互相耦合的影響，SIN信號、COS信號和參考信號應分別采用雙絞線連接，它們的信號地線匯接到芯片的信號地引腳上。3個輸入信號的電壓幅度(有效值)要求為2 V，允許有10％的波動范固。如果信號電壓的波動超過10％，則將導致輸出數據的精度降低。信號允許的諧波失真率為10％。
　　
1.2.3 控制信號輸入腳
　　
控制信號輸入腳包括INHIBIT、ENABLE、BYTESELECT以及SCl和SC2。通過設置SCl和SC2的邏輯狀態，用戶可以自行選擇變換器輸出數據的分辨率(10、12、14和16位)。需要注意的是，分辨率的改變，會影響到外部元件R4和R6的選擇(見第3部分，外圍元件的連接及選擇)。通常INHIBIT腳與計算機的CS信號相連接。將該信號置為低電平，用于把加減計數器的數值打入到鎖存器中，600ns后可從鎖存器中讀出有效數據，1NHIBIT變高將會自動產生一個BUSY脈沖信號，以刷新輸出數據。ENABLE腳通常與計算機的RD信號相連接。當該信號為高電平時，數字輸出引腳全部為高阻狀態；當該信號為低電平時，將鎖存器中的數據置到數據輸出引腳。該信號的操作不會影響變換器的工作。BYTESELECT引腳用于數據輸出的字節選擇，當用戶使用8位寬度的數據總線時，只需將變換器的高8位連接到數據總線上；在ENABLE為低的情況下，當BYTE SELECT為高電平時，變換器將高8位數據輸出到數據總線；當BYTE SELECT為低電平時，變換器將低8位數據輸出到數據總線。如果用戶使用16位寬度的數據總線，將變換器的數據輸出全量與數據總線相連接，并將BYTE SELECT腳置為高電平或懸空。注意：當變換器的分辨率被選擇為非16位時，無用的數據位將被強置為低電平。BYTE SELECT信號的操作同樣不影響變換器的工作。

1.2.4 狀態信號輸出腳
　　
器件的狀態信號輸出腳包括BUSY(忙)、DIR(正／反轉)及RIPPLE(過零)信號。BUSY引腳為計算機查詢變換器的工作狀態提供了方便，當輸入到變換器的SIN和C0S信號發生變化時，BUSY腳輸出一連串TTL電平脈沖。當BUSY為高電平時，表示變換器內部的二階電子伺服環路正在工作，加減計數器正在發生變化，數字輸出端的數據不能直接輸出；反之，可從數字輸出端直接讀取數據。DIR引腳的輸出表示旋轉變壓器的轉動方向，DIR狀態的變化超前于相應的BUSY、輸出數據及：RIPPLE信號的變化，在兩個連續LSB變化周期之間可能發生多次DIR的變化。RIPPLE引腳在變換器輸出產生進位(比如由全l變為全O或相反)時，即輸入完成1周旋轉或1個節距時，輸出1個正跳變脈沖，脈沖寬度大于300 ns。
　　
1.2.5 模擬速度量VEL及DO誤差信號輸出腳
　　
變換器產生一個表示輸入角變化率的直流模擬輸出信號VEL，在許多場合中，可用于替代傳統的測速傳感器信號。DC誤差信號由相敏檢波器產生，表示輸入角與輸出的數字角度之間的誤差量，也是一個直流模擬電壓信號。其電壓值與輸入和輸出角之差成正比。
　　
1.2.6 數字輸出腳
　　
旋轉變壓器的角位移量經過變換后，以二進制碼的形式并行輸出。根據用戶對分辨率及精度的不同要求，變換器有10、12、14及16位數字輸出可供選擇。
　　
1．3 數據傳輸
　　
從變換器讀取旋轉角數據時，應遵循以下步驟：檢測BUSY信號，若BUSY為“1”，則數據無效，反之數據有效；給INHIBIT腳加低電平；等待600ns后，給ENABLE腳加低電平，行有效數據的讀取。其信號關系如圖2所示。


 

　　
2 硬件電路設計
　　
利用AD2S82A豐富的片內資源及其靈活的外圍電路設置，可設計出適用于不同雷達、不同用戶需求的雷達方位角數字變換器，硬件電路構成如圖3所示。該硬件電路系統由輸入信號緩沖電路、AD2S82A及其外圍電路、電源模塊及讀取和向上位機傳送方位角數據的微處理器幾部分構成。其中電源模塊為微處理器及AD2S82A提供+5V數字電源，為AD2S82A及輸入信號緩沖電路提供士12V電源。



 

　　
圖4為一種適用于具有旋轉變壓器的雷達方位角數字變換器的電原理圖。與天線隨動的旋轉變壓器使用400 Hz、115V交流激磁電壓，輸出最大90 V的sin和cos旋轉角信號。數據分辨率采用12位，由8位單片機AT89C205l讀取變換后的數據，并向上位機傳送。AD2S82A的外圍器件根據要求，按第3部分的方法選取并連接。經計算，在圖5中它們的取值為：


 

系統的工作過程：從與雷達天線同步的旋轉變壓器來的115V、400 Hz激磁信號輸入到由R1、R2、R2、R4及運放A1組成的衰減緩沖電路后。產生AD2S82A所需的2V(有效值)參考信號。同樣，旋轉變壓器輸出的sin和cos信號也經過相似的衰減緩沖電路，產生AD2S82A所需的2V(有效值)sin及cos信號。它們被連接到AD2S82A相應的輸入端，經AD2S82A變換后，在其數據輸出端產生與雷達天線方位角對應的二進制數字信號。
　　
由單片機讀取方位角的二進制數字信號，并進行相應的轉換處理，最后向上位機傳送雷達天線的方位角度值。衰減緩沖電路中電阻值的選取，耍根據不同型號的旋轉變壓器選取不同的數值。每個運放輸入端的齊納二極管，是為了保護運放不被高壓擊毀。對于使用同步機的其他型號雷達，衰減緩沖電路應設計成斯考特電路或采用斯考特輸入變壓器。關于斯考特電路這里不作討論。
　　
3 外圍元件的連接及選擇
　　
為了實現旋轉角的數字變換，AD2S82A還需要一些外圍輔助電路。這些電路的工作特性除了能夠影響變換電路的整體動態特性外，甚至還能影響到電路的變換精度。因此，外圍元件的選擇顯得格外重要。AD2S82A的外圍電路連接如圖5所示。

①Rl、C1、R2、C2構成HF濾波器。其作用是去除直流偏移并減小輸入信號中噪聲信號對相敏解調及輸出數據的影響。它們的選擇可根據如下公式計算：
 

　　fREF為參考信號的頻率，單位為Hz。
　　②R4為DC誤差信號的增益調整電阻。在選擇好Rl和C2之后，R4應根據如下公式計算：

 

③R6是決定變換器電路最大跟蹤速度的電阻。根據用戶對最大跟蹤速度的要求，由下式計算R6的值(注意，最大跟蹤速度為每秒T轉，不能大于參考信號頻率的1／16)：

 

　　④C4、C5和R5構成閉環帶寬(fBW)選擇電路。對于400 Hz的參考信號，典型的帶寬取值為100 Hz；對于5000 Hz的參考信號，典型的帶寬取值為500～1000 Hz。要求該電路能確保參考信號的頻率與帶寬之比大于下列數值的要求：

 

　　式中：R6的單位為Ω，fBW的單位為Hz。
　　⑤R3和C3構成參考信號的交流耦合電路。為R3和C3選擇適當的值，可使參考信號無相位偏移。這里R3=100kΩ。
 

       ⑥C6和R7構成VC0的相位補償電路。它們的取值為：
　　C6=470pF，R7=68Ω
　　⑦R8和R9組成偏置調整電路，保證其所接輸入端的直流電平為OV。它們的取值為：
　　R8=4.7 MΩ，R9為lMΩ的多圈電位器。
 

4 軟件設計
　　
電路中單片機89C2051的主要功能是讀取AD2S82A產生的方位角二進制數字并經串口向上位機傳送。其程序的主要模塊包括：單片機及串口初始化、數據讀取、數據轉換及數據上報。注意：在設計數據讀取程序時，由于采用了8位寬度的數據總線，所以在讀取方位角數據時，應分兩次讀取，第一次讀取高位，第二次讀取低位數據。圖6為單片機程序流程。讀取方位數據的程序為：


 

　　
結語
　　
有高集成度的AD2S82A，體積小，靈活性強，大大方便了旋轉角的數字變換。用它設計的旋轉角數字變換電路，電路簡單，轉換精度高，工作穩定可靠，適用性強。另外，由于它還有模擬量信號的輸出，還可應用于交流馬達控制、過程控制和機器人等領域。