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AD2S80A分解器数字转换器的特点与应用
四川省英世模拟器件有限公司 (610041) 吴星明
摘要：
本文介绍了AD2S80A的主要特点、性能指标及其使用方法，详细探讨了外接元件的选择
及有关参数的计算方法，该方法同样适用于AD2S81A，AD2S82A及AD2S83等同类器件的计算。关键词：跟踪速率 高频滤波器 相敏检波器
一、概述
在自动控制系统中，经常利用分解器(也叫旋转变压器)和自整角机(也叫同步器)来测量旋转
物体的转轴角度与角速度。美国ADI公司生产的AD2S8X系列分解器数字转换器(简称RDC)可
将分解器的转角转换成单调的与转角成比例的数字量，它实质上是一种特殊的模数转换器(A
DC)。AD2S80A属于AD2S8X系列中的一种产品，它是一种单片式、分辨率可变RDC。在制造过程中它采用BiMOS工艺，使用双极性高精度线性电路，因此具有精度高、性能稳定及可靠性高等特点。芯片内含有输入缓冲器、分段开关、R2R梯形网络数模转换器、相敏检波器、积分器、电压控制振荡器(VCO)及数据转换逻辑电路等，其功能框图如图1所示。
图1 AD2S80A功能框图
AD2S80A从分解器输入转角信号后，采用比例跟踪转换方式，以单调的并行自然二进制数字码形式输出，从而保证了很高的抗干扰能力与转换精度，同时也允许分解器的信号进行远距离传送。AD2S80A还可输出速度信号，它与输入的转角变化速率成比例。因此，在进行系统设计时，可以采用速度负反馈，以改善系统的动态性能。
AD2S80A有两种封装形式：40引脚陶瓷双列直插封装(见图2)和44引线陶瓷芯片载体封装。
二、主要性能指标及其特点
图2 40引脚陶瓷双列直插封装
AD2S80A的主要性能指标：
·分辨率：10，12，14或16位
·输入信号频率：50～2000Hz
·输入信号：最大8.0V
·输入阻抗：最小1MΩ
·基准频率：50～20,000Hz
·基准电压：1.0~8.0VP
·角度精度：A、J、S等级：±8分+1LSB
B、K、T等级：±4分+1LSB
L、U等级：±2分+1LSB
·速度信号线性度：满量程的1%
·重复误差：满量程的±1%
·跟踪速率：当分辨率选10，12，14和16位时，分别为1040，260，65和16.25 rps(
转/秒)
·模拟输入电压(sin,cos)：2Vrms
·基准输入电压：1.0~8.0V P
·工作电源电压：±Vs=±12V，VL=+5V
AD2S80A的主要特点：
·采用单片结构，减小外形尺寸，增加可靠性。
·用户选择分辨率。通过引脚SC1，SC2的不同电平设置，可选择10，12，14或16位分辨率。
·用户选择动态特性。通过外接电阻器和电容器的选择，可确定与系统匹配的带宽、最大
跟踪速率及速度比例因子。
·具有速度输出功能。可提供与输入转角速度成正比的模拟信号，其线
性度达1%。可取代许多应用场合中的速度传感器，为伺服控制系统提供速度反馈信号。
·低功耗。典型功耗仅300mW。
三、典型连接方法及外接元件的选择
由于AD2S80A能够直接将物体的旋转运动转轴角转换成单调的二进制数字。因此，它在国防
、工业控制及科研等各个领域中都得到了广泛的应用。例如直流无刷电机和
交流电机的控制、过程控制、数字控制的机械工具、机器人、坐标轴控制、导航系统、导弹
与火炮
的伺服控制系统等。下面介绍AD2S80A的典型连接方法及有关参数的计算方法。
(一) AD2S80A的基本连接方法
AD2S80A外围电路基本接法如图3所示。其中
图3 AD2S80A与外围器件基本接线图
+Vs引脚接+12V电源，-Vs引脚接-12V电源，直流稳压电源幅值偏差不大于±5%。接线时，要反复检查，不要接错。一旦接反，马上损坏器件。数字电源VL可以取+5V到
+Vs之间的某个电压值。在靠近+Vs和-Vs电源引脚分别与ANALOG GROUND之间连接去耦电容。去耦电容由一个0.1μF陶瓷电容和一个10μF的钽电容并联而成。当一块印制线路板上安装多个AD2S80A时，必须在每个RDC的+Vs，-Vs，VL引脚分别接去耦电容。
SIN和COS引脚分别接分解器的sin和cos信号的高端，而其低端分别接到SIG
GND(信号地)引脚上，这样可以减小测量误差。DATA LOAD引脚为数据加载的控制端，当为低电平时，16位加减计数器输入DB1~DB 16
数据；当为高电平时，输出DB1~DB 16 数据。SC1和SC2是AD2S80A输出数据的分辨率控制端，它们与分辨率之间的关系如表1所示：
表1 SC1、SC2与分辨率的关系
SC1SC2分辨
率(位)
0010
0112
1014
1116
(二) AD2S80A外接元件的选择及计算方法
1高频滤波器参数R1，R2，C1，C2
在图3中，外接元件R1、R2、C1、C2构成高频滤波器，用来消除任何直流失调或减小输入端出现的噪声，这种噪声要进入相敏检波器影响输出结果。
在R2=R3和C1=C3的条件下，R1和C2可以忽略。如果噪声来自开关电源和无刷电动机驱动电路，那么通常取R1=R2，C1=C2，且按下式计算：15kΩ≤R1=R2≤56kΩ
C1=C2=1/2πR1f
REF (1)式中f REF ——基准频率。这种滤波器使输入信号衰减1/3之后进入相敏检波器。
2增益比例电阻R4
在图3中，R4是一个增益比例电阻。当R1，C2确定后，R4按下式计算：
R4=E DC /(100×10 -9 ×3) Ω(2)
当R1、C2不确定时：
R4=E DC /(100×10 -9 ) Ω (3)
式中100×10 -9 ——电流/LSB；E DC ——每伏特直流误差的比例系数，分辨率不同时，E DC 不同。当分辨率取10，12，14和16位时，E
DC 分别为160×10 -3 ，40×10 -3 ，10×10 -3 和2.5×10 -3 。
3基准输入交流耦合参数R3，C3
适当选取R3和C3，应该使基准频率f REF 不产生明显相移为准则，具体方法如下：
选取R 3 =100 kΩ
C3>1/R3f REF (4)
4最大跟踪速率参数R6
电压控制振荡器(VCO)的输入电阻R6决定了AD2S80A的最大跟踪速率。因此，按最大跟踪速率确定速度比例因子。一般速度输出取8V。
当最大跟踪速率确定之后，R6按下式计算：
R6=6.32×10 10 /(T×n) Ω (5)
式中T——每秒钟转数。一定要注意，T不允许超过最大跟踪速率或基准频率的1/16；n——
每一转的位数。不同分辨率，n值不同。当分辨率取10，12，14和16位时，n分别为1024，
4096，16384和65536。
5闭环带宽参数C4，C5，R5
在图3中，影响闭环带宽f BW 的因素是C4，C5和R5。f BW 要求f REF 与f BW 的比例不能超过下列指标：
分辨率基准频率/带宽
102.5∶1
124∶1
146∶1
167.5∶1
典型值的取法：当f REF =400Hz时，f BW 取100Hz;当f REF =5kHz时，f BW 取500～1000Hz。电容器C4按下式选择：
C4=21/(R6f BW ) F (6)
电容器C5按下式选择：
C5=5×C4 F (7)
电阻器R5按下式选择：
R5=4/(2πC5f BW ) Ω (8)
6电压控制振荡器的相位补偿参数C6,R7在电压控制振荡器中，外接元件C6和R7构成相位补偿电路。厂家推荐C6=470pF,R7=68Ω。
7失调调整参数R8，R9
积分器输入端的失调电压和偏置电流都能引起输出端附加位置失调，典型值为1分，最大值为5.3分。如果允许这种偏差，电路中R8和R9可以省略。如果不容许，则R8选取4~7MΩ的电阻器，R9选取1MΩ的电位器。调整方法如下：
将COS和SIN引脚分别与REFERENCE INPUT和SIGNAL GROUND引脚短接，加直流电源及基准电源，然后调整电位器R9，使数字输出全为0。应当指出的是，上述有关参数的计算方法同样适用于AD2S81A，AD2S82A及AD2S83。
(三) AD2S80A与分解器的连接方法
AD2S80A与分解器的具体接线图如图4所示。
图4 AD2S80A与分解器接线图
基准信号的相位与来自分解器的输入信号有关。当相位需要调整的情况下，通过调整高频滤
波器的阻值R2很容易实现。假定R1=R2=R3且C1=C2=C，f REF =1/2πRC，由于R2阻值的变化，与输入信号有关的基准信号相位将以近似线性方式变化，相移高达10度。电阻R
2 每增加10%，就会使相位滞后2度；反之，R 2 减少10%，使相位超前2度。
超前相位=arctan (1/2πfRc)
滞后相位=arctan (2πfRc)。
(四) AD2S80A与自整角机的连接方法
与分解器不同，自整角机输出三相信号，分别为：
V S3S1 =KV REF sinθ
V S2S3 =KV REF sin(θ＋１２０°)
V S1S3 =KV REF sin(θ＋240°) (9)
另外自整角机输出电压要比分解器高得多，超出了AD2S80A的模拟信号输入范围。因此要使A
D2S80A能够接收自整角机的信号，必须将(9)式中的三相信号转换成sin和cos信号，并且信号幅值也必须符合要求。Scoott变压器及固态的Scoott
T型变换器都能将(9)式的三相信号转换成相应的sin和cos信号，并能满足AD2S80A的要求。也可以直接采用ADI生产的AD2S75通用自整角机分解器变换器隔离接口，这是一种十分可靠、简捷的方法。
由于篇幅所限，本文仅对AD2S80A的使用进行简单介绍，有关AD2S80A的详细使用情况请
与英赛尔器件集团联系。
参考文献
1.Analog Devices Inc.,Disgnin Reference
Manual, 1994
2.Analog Devices Inc.,Data Converter Reference
Manual Vol 1 1992
3.Analog Devices Inc.,Universal Synchro/Resolver Tranformer Isolated Interface
A
D2S75 Application Note
4.Analog Devices Inc.,Using the Series ResolrertoDigital Converters
with Syn
chros Sloidstate ScoottT Circuit, Application Note
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