低功耗12位旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S90：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在工業(yè)控制、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域，精確的角度測量和位置反饋至關(guān)重要。AD2S90作為一款低功耗、高集成度的12位旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，為工程師們提供了一種可靠的解決方案。本文將詳細(xì)介紹AD2S90的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

文件下載：AD2S90.pdf

一、AD2S90概述

AD2S90是一款完整的12位分辨率跟蹤旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，無需外部組件即可工作。它具有以下顯著特點(diǎn)：

1. 高集成度：單芯片實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)數(shù)字化，提供完整的旋轉(zhuǎn)變壓器 - 數(shù)字接口。
2. 雙格式位置數(shù)據(jù)輸出：支持絕對(duì)串行二進(jìn)制和增量式A QUAD B兩種輸出格式，滿足不同應(yīng)用需求。
3. 高精度：在20引腳PLCC封裝中提供±10.6弧分的角度精度。
4. 低功耗：典型功耗僅50mW，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。
5. 寬溫度范圍：工業(yè)溫度范圍（-40°C至+85°C），保證在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。

二、關(guān)鍵特性與規(guī)格

（一）輸入特性

AD2S90的SIN、COS和REF輸入接受2V rms ± 10%的輸入信號(hào)，頻率范圍為3kHz - 20kHz。輸入偏置電流為100nA，輸入阻抗為1.0MΩ，共模抑制比（CMRR）在10kHz時(shí)為60dB。

（二）轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)特性

• 帶寬：內(nèi)部設(shè)置為1kHz，確保對(duì)輸入信號(hào)的快速跟蹤。
• 最大跟蹤速率：高達(dá)500rps，滿足高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的需求。
• 最大VCO速率（CLKOUT）：2.048MHz，提供高分辨率的時(shí)鐘信號(hào)。
• 建立時(shí)間：1°階躍為2ms，179°階躍為20ms，響應(yīng)迅速。

（三）精度特性

• 角度精度：±10.6弧分 + 1 LSB，保證角度測量的準(zhǔn)確性。
• 重復(fù)性：1弧分LSB，確保測量結(jié)果的一致性。

（四）速度輸出特性

模擬速度輸出VEL按150rps/V dc ± 15%進(jìn)行縮放，可驅(qū)動(dòng)最大10kΩ和30pF的負(fù)載組合，正電壓表示角度增加。

三、工作原理

AD2S90基于Type 2跟蹤閉環(huán)原理工作。通過相敏檢測器、積分器和壓控振蕩器（VCO）形成閉環(huán)系統(tǒng)，不斷跟蹤旋轉(zhuǎn)變壓器的位置，將輸入的SIN和COS信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字角度表示。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，上下計(jì)數(shù)器的字狀態(tài)φ等于旋轉(zhuǎn)變壓器軸角θ，誤差在轉(zhuǎn)換器的額定精度范圍內(nèi)。

四、輸出格式

（一）絕對(duì)位置輸出 - 串行接口

絕對(duì)角度位置通過三線接口（DATA、CS和SCLK）以串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式輸出。當(dāng)CS為高電平時(shí)，DATA輸出處于高阻態(tài)；當(dāng)CS為低電平時(shí)，DATA輸出使能，當(dāng)前角度信息從計(jì)數(shù)器傳輸?shù)酱薪涌?。通過向SCLK引腳施加外部時(shí)鐘，以2MHz的最大數(shù)據(jù)速率讀取數(shù)據(jù)，12個(gè)時(shí)鐘沿可提取完整的12位數(shù)據(jù)。

（二）增量式編碼器輸出

AD2S90模擬1024線編碼器，輸出A、B和NM信號(hào)。A、B信號(hào)用于表示角度旋轉(zhuǎn)方向，B領(lǐng)先A表示角度增加（順時(shí)針方向）；DIR輸出指示旋轉(zhuǎn)方向，高電平表示角度增加。NM信號(hào)為北標(biāo)記脈沖，在絕對(duì)角度位置通過零時(shí)生成，支持90°、180°和360°三種標(biāo)準(zhǔn)寬度，可通過NMC引腳控制。

五、應(yīng)用領(lǐng)域

（一）工業(yè)電機(jī)控制

在工業(yè)電機(jī)控制中，AD2S90可精確測量電機(jī)軸的角度位置和速度，為電機(jī)的閉環(huán)控制提供準(zhǔn)確的反饋信息，實(shí)現(xiàn)精確的速度和位置控制。

（二）伺服電機(jī)控制

伺服系統(tǒng)對(duì)位置和速度的精度要求極高，AD2S90的高精度和快速響應(yīng)特性使其成為伺服電機(jī)控制的理想選擇，能夠有效提高伺服系統(tǒng)的性能。

（三）工業(yè)測量

在工業(yè)測量領(lǐng)域，AD2S90可用于精確測量旋轉(zhuǎn)物體的角度和位置，如機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制。

（四）汽車運(yùn)動(dòng)傳感與控制

在汽車領(lǐng)域，AD2S90可用于測量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等部件的旋轉(zhuǎn)角度和速度，為汽車的電子控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的信息。

六、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）電源連接

AD2S90使用±5V dc ± 5%的電源，正電源VDD連接到引腳13和14，負(fù)電源VSS連接到引腳12。電源極性不能接反，否則會(huì)損壞器件。

（二）信號(hào)連接

旋轉(zhuǎn)變壓器的SIN和COS輸出分別連接到AD2S90的SIN和COS引腳，SIN LO和COS LO連接到AD2S90的SINLO和COSLO引腳。REF輸入通常來自旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)激勵(lì)，相位偏移相對(duì)于SIN和COS輸入最大為±10°。所有模擬輸入建議使用單獨(dú)的屏蔽雙絞線，屏蔽層連接到轉(zhuǎn)換器的AGND引腳。

（三）北標(biāo)記寬度選擇

通過NMC引腳（引腳15）控制北標(biāo)記脈沖寬度，施加VDD、0V或VSS可選擇90°、180°和360°三種標(biāo)準(zhǔn)寬度。若未連接，NM脈沖默認(rèn)寬度為90°。

（四）ESD防護(hù)

AD2S90具有輸入保護(hù)電路，但仍需采取適當(dāng)?shù)腅SD防護(hù)措施，以避免功能損壞或性能下降。具體的ESD防護(hù)措施可參考Analog Devices的ESD預(yù)防手冊(cè)。

七、與DSP的接口設(shè)計(jì)

AD2S90的串行輸出非常適合與DSP配置的微處理器接口。不同的DSP芯片與AD2S90的接口方式有所不同，例如：

（一）ADSP - 2105接口

使用ADSP - 2105的片上串行端口，選擇交替幀接收模式，內(nèi)部幀（內(nèi)部反轉(zhuǎn)）和內(nèi)部串行時(shí)鐘生成（外部反轉(zhuǎn)）選項(xiàng)。ADSP - 2105提供CS和串行時(shí)鐘，時(shí)鐘反轉(zhuǎn)以防止時(shí)序錯(cuò)誤。

（二）TMS32020接口

接口配置為交替內(nèi)部幀、外部時(shí)鐘（外部反轉(zhuǎn)）模式。16位數(shù)據(jù)從AD2S90時(shí)鐘輸入到TMS32020的數(shù)據(jù)接收寄存器，處理器需要執(zhí)行三次右移以獲取12位有效數(shù)據(jù)。

（三）DSP56000接口

DSP56000配置為正常模式同步操作，帶門控時(shí)鐘，SCLK和SC1作為輸出。SC1應(yīng)用于CS，SCLK反轉(zhuǎn)以確保有效數(shù)據(jù)在一個(gè)前導(dǎo)位后時(shí)鐘輸入。

（四）NEC7720接口

NEC7720期望數(shù)據(jù)在其SCLK輸出的上升沿，無需反相器。SIEN用于選擇AD2S90并幀化數(shù)據(jù)，處理器需要執(zhí)行四次右移以獲取12位有效數(shù)據(jù)。

八、總結(jié)

AD2S90作為一款高性能的旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有高集成度、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種工業(yè)和汽車應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要注意電源連接、信號(hào)連接、ESD防護(hù)等要點(diǎn)，并根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的接口方式。通過合理的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，AD2S90能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供準(zhǔn)確的角度測量和位置反饋，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。你在使用AD2S90的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。