旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)在汽車和工業(yè)中的應(yīng)用 - 全文

　　電路功能與優(yōu)勢

　　旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)廣泛用于汽車和工業(yè)應(yīng)用中，用來提供電機軸位置/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。由于工作環(huán)境惡劣，AD2S1210(C級和D級)的額定溫度范圍為?40°C至+125°C的擴展工業(yè)溫度范圍。

　　圖1所示的高電流驅(qū)動器放大AD2S1210的參考振蕩器輸出并進行電平轉(zhuǎn)換，從而優(yōu)化與旋變器的接口。該驅(qū)動器是一個使用雙通道、低噪聲、精密運算放大器AD8662和分立互補發(fā)射極跟隨器輸出級的復(fù)合放大器。一個類似的驅(qū)動器級用于互補激勵輸出，從而提供一個全差分信號來驅(qū)動旋變器初級繞組。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的擴展工業(yè)溫度范圍。

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　　圖1. 用于AD2S1210 RDC參考信號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，以便檢測電機軸的位置和轉(zhuǎn)速。在這種應(yīng)用中，旋變器利用正弦波參考信號進行激勵。初級繞組上的旋變器激勵參考信號被轉(zhuǎn)換為兩個正弦差分輸出信號：正弦和余弦。正弦和余弦信號的幅度取決于實際的旋變器位置、旋變器轉(zhuǎn)換比和激勵信號幅度。

　　RDC同步采樣兩個輸入信號，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)路負責計算位置和速度。典型應(yīng)用電路如圖2所示。

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　　圖2. AD2S1210 RDC典型應(yīng)用電路

　　由于旋變器的輸入信號要求，激勵緩沖器必須提供高達200 mA的單端電流。圖1所示的緩沖電路不僅提供電流驅(qū)動能力，而且提供AD2S1210激勵輸出信號的增益。本電路筆記說明性能要求及推薦的激勵緩沖拓撲結(jié)構(gòu)。典型旋變器的輸入電阻在100 Ω至200 Ω之間，初級線圈應(yīng)利用7 V rms的電壓驅(qū)動。

　　該轉(zhuǎn)換器支持3.15 V p-p ±27%范圍的輸入信號。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，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，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，其中包括一個推挽輸出級，它能夠向旋變器提供所需的電源。本電路的優(yōu)勢之一是當不存在信號時，輸出晶體管只需要少量靜態(tài)電流。

　　AD2S1210的激勵輸出通常在EXC和EXC 輸出端提供3.6 V p-p正弦信號，這將產(chǎn)生一個7.2 V p-p差分信號。

　　汽車旋變器的典型轉(zhuǎn)換比為0.286。因此，如果將一個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，因此緩沖器級應(yīng)提供約1.5的增益。

　　圖1所示激勵緩沖器的增益通過電阻R1和R2設(shè)置。在電路測試期間，R1和R2電阻的值分別為10 kΩ和15.4 kΩ，對應(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。

　　選擇運算放大器AD8662是為了滿足推挽輸出級的驅(qū)動要求。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展溫度范圍(?40°C至+125°C)工作的器件。該運放應(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附近向信號引入失真，因為該失真可能無法被旋變器本身濾除。確保無失真的方法是設(shè)置輸出晶體管的偏置，使得過零時仍然有足夠的電流來維持線性。

　　由于所選的拓撲結(jié)構(gòu)可以采用單電源供電，因此針對緩沖器選擇的運放也應(yīng)當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)形成一個低通濾波器，用來濾除EXC和EXC 輸出上可能存在的任何噪聲。應(yīng)謹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AD2S1210的鎖相范圍。注意，電容C1不是必需的，因為旋變器可以濾除AD2S1210激勵輸出中的高頻成分。

　　應(yīng)當注意，在電路驗證過程中，旋變器的輸出直接連接到AD2S1210輸入?？蛻魬?yīng)用中經(jīng)常會使用其它調(diào)整電阻和/或無源RC濾波器。在AD2S1210之前可以使用其它無源器件，但應(yīng)注意不要超過數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的AD2S1210最大鎖相范圍。外部無源器件可能會導(dǎo)致通道間幅度不匹配誤差，這會直接轉(zhuǎn)化為位置誤差。因此，信號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)置時的速度輸出碼直方圖。

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　　圖3. 12位角度精度碼直方圖，70°角，10,000次采樣

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　　圖4. 16位角度精度碼直方圖，70°角，10,000次采樣

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　　圖5. 16位速度輸出碼直方圖，100 rps，10,000次采樣

　　評估結(jié)果表明，AD2S1210與所示的激勵緩沖電路一起使用能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊說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周圍的器件值。例如，通過改變電阻值，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)動能力。

　　常見變化

　　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 and AD2S1205。為了改變輸出幅度、驅(qū)動能力和失調(diào)電壓，用戶應(yīng)適當調(diào)整無源器件。

　　如果系統(tǒng)需要其它運算放大器，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。