AD2S80
系列分解器数字转换器的特点及应用
四川省英世模拟器件有限公司(610041) 吴星明
摘 要：介绍了AD2S80系列分解器数字转换器的主要特点、技术指标及使用方法，并以AD2S80A为例详细说明了外接元件的选择及有关参数的计算方法。
关键词：跟踪速率 高频滤波器 相敏检波器
1 概述
分解器(Resolver)又叫旋转变压器，它和自整角机(也叫同步器)都是角位移传感器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。分解器数字转换器(缩写为RDC)是一种特殊的模数转换器(ADC)，它采用比值跟踪的转换方式，专门用于将分解器的角位移信号转换成相应的
二进制数字信号，以便计算机系统能够进行相应的数字运算。它是计算机系统理想的专用
接口器件。
AD2S80系列RDC是美国模拟器件公司(Analog Devices Inc)生产的RDC产品中的一
部分。AD2S80系列包括AD2S80A，AD2S81A，AD2S82A，AD2S83等产品。以下介绍它们的主要特点和技术指标及使用方法。
2 AD2S80系列RDC的主要特点和技术指标
AD2S80系列RDC的共同特点：
·单片结构，具有尺寸小、性能稳定等优点。
·线路结构相同，芯片内含有输入缓冲器、分段开关、R2R梯形网络数模转换器
、可逆计数
器、相敏检波器、积分器、压控振荡器(VCO)、数据转换逻辑电路，输出数据锁存器及输出
缓冲器等，原理框图如图1所示。
图1 AD2S80系列的原理框图及外围器件基本接线图
·与外界的接线方法，外接器件参数计算方法及使用方法都完全相同。
·采用BiMOS工艺，兼有CMOS逻辑电路的优点及采用高精度的线性电路。因此，AD
2S80系列的RDC产品具有精度高、长期稳定性好、可靠性高等优点。
·都具有速度传感的输出电压，它与RDC的输入转角变化速率成正比，其线
性度为1%。
·由用户选择动态性能。通过外接电阻和电容的不同选择，可得到不同的带宽和
跟踪速率
及RDC转换器速度输出的比例值。这样，不同用户可以根据最佳的系统动态性能选用最佳的
外接元件值。
·除AD2S81A外，其余品种RDC由用户根据系统要求选择分辨率。
·具有很好的抗干扰性能，允许远距离传输信号。
[YM5HZ。=11〗
AD2S80系列RDC的不同点：
·基准信号频率不同。AD2S80A，AD2S82A，AD2S83基准信号频率是50Hz~20kHz，A
D2S81A，基准信号频率是400Hz~20kHz。
·输出信号的二进制数码形式不同。AD2S80A，AD2S81A，输出二进制码，
AD2S82A，AD2S83当 COMP 是低电平时，输出二进制补码信号。
·DATA LOAD控制端不同。AD2S80A，AD2S81A，AD2S82A高电平有效，而AD2S83低
电平有效。
AD2S80系列主要技术指标见表1。
表1 AD2S80系列RDC主要技术指标
型 号AD2S80AAD2S81AAD2S82A
AD2S83
分辨率(位)10，12，14，161210，12，14，1610，12，14，16
输入信号频率(Hz)50~20，000400~20，00050~20，00050~20，000
输入信号电压(典型值)20V20V20V20V
基准信号频率(Hz)50~20，000400~20，00050~20，00050~20，000
基准信号电压(V PK )10~8010~8010~8010~8
0
误 差
跟踪速率
H(分)±22+1LSB
A，J，S(分)±8+1LSB±30+1LSB±8+1LSB±8+1LSB
B，K，T(分)±4+1LSB±4+1LSB
L，U(分)±2+1LSB±2+1LSB
10位，rps最大1040最大1040最大1040
12位，rps最大260最大260最大260最大260
14位，rps最大65最大65最大65
16位，rps最大1625最大1625最大1625
速度信号线性度%FSD±1±1±1±1
反转误差%FSD±1最大±2最大±2±03%输出值
直流零位失调电压最大6mV最大6mV最大6mV典型值±3mV
数据稳定时间最大600ns最大600ns最大600ns最大490ns
数据总线16位8位16位16位
信号和基准谐波失真度最大10%最大10%最大10%最大10%
电源电压±12Vdc±10%±12Vdc±10%±12Vdc±10%±12Vdc±10%
封装形式40脚，陶瓷双列直插。44脚，陶瓷无引线芯片载体28脚，陶瓷双列直插
44脚，塑料引脚芯片载体44脚，塑料引脚芯片载体
ADI也生产混合集成RDC和SDC(SynchrotoDigital Converter)，如RDC174
2/1740，SDC1742/1740等，这是目前国内用得较多的几种型号。混合式RDC与SDC之间的唯一差别是输入变压器的结构形式不同。同步器的S1，S2和S3端连接SDC的S1、S2和S3
输入端，然后用一个微型Scott变压器将同步器的三相格式信号变换为旋转变压器的格式(SI
N和COS二个单相信号)，其后面的电路形式两者完全相同。早期生产的SDC1742/1740和RDC1742/1740组件内部的芯片数较多。自2S80系列芯片问世以来，SDC1742/1740或RDC1742/1740内部主要为2S80A芯片和微型变压器，并将一些辅助元器件封装在同一个管壳内，所以在使用时不需外接任何元器件，比较方便。ADI生产过模块式SDC/RDC，如RDC/SDC1700系列，它与单片式RDC相比，存在着工艺复杂，精度低，稳定性差，漂移大，体积大，可靠性差等缺点。因此，该类产品ADI已停产。但混合式SDC/RDC集成块与单片式RDC2S80系列同样在用户中广泛使用。在设计新产品时，应选用单片式的RDC产品。
3 AD2S80系列分解器数字转换器的应用
由于AD2S80系列RDC能够直接将物体旋转运动的转动角度转换成单调的二进制数字。因此
，它在国防、工业控制、科研生产等各个领域都得到了极其广泛的应用。例如，直流无刷电
机和交流电机的控制、过程控制、数字控制机械工具、机器人、坐标轴控制、导航控制、导
弹与火炮的伺服控制系统、仿真领域等。
下面以AD2S80A RDC为例，说明使用中的一些基本问题。
31 AD2S80A RDC的基本接法及参数计算
AD2S80A RDC外围电路的基本接法如图1所示。
[YM5HZ。=12〗
使用AD2S80A RDC时，+VS和-VS引脚分别接直流稳压电源的+12V和-12V电压，电源电压幅值偏差不大于10%，电源稳定度要求1%以上，电源的纹波电压不大于2mV。接线时，电源极性不要接错。+VL的输出电压范围是+5V~+VS。在RDC的+VS，-VS电源引脚旁，要求在+VS和-VS电源线和模拟地(ANALOG
GROUND)二者之间分别接去耦电容，去耦电容分别同一个陶瓷电容(典型值01μF)和一个钽电容(典型值10μF)并联而成。在VL引脚和数字地(DIGITAL
GROUND)之间也应连接去耦电容，该去耦电容同样地由01μF的陶瓷电容和10μF的钽电容并联组成。同一块印制板安装多个AD2S80系列RDC时，则应该在每个RDC的+VS，-VS，+VL引脚旁分别加去耦电容。SIN和COS引脚分别接分解器的SIN和COS信号的高端，而分解器的SIN和COS信号的低端分别接到信号地(SIGNAL
GND)引脚上，这样可以消除测量误差。DATA LOAD引脚是加载数据的控制端，当逻辑低时，16位可逆计数器DB1~DB 16 输入数据，逻辑高时，DB1~DB
16 输出数据。SC1和SC2是AD2S80A输出数据分辨率的控制端，SC1和SC2的电平逻辑与分辨率关系如表2所示。
表2 SC1，SC2逻辑关系与分辨率关系表
下面讨论图1的有关参数计算方法：
(1)在图1中，外接元件R1，C1和R2，C2组成一个高频滤波器，它的作用是消除任何
直流偏移及减少输入到片内相敏检波器的噪声值。
在R2=R3和C1=C3的条件下，R1和C2可以省略，但是实际应用中R2=R3，通
常取R1=R2，C1=C2，计算时，先确定R1和R2的值。
15kΩ≤R1=R2≤56kΩ
C1=C2=1/(2πR1f REF )(1)
式中f REF 基准信号频率
(2)在图1中R4是增益比例电阻，当R1和C2确定后，R4按下式计算：
R4=E DC /(3×100×10 -9 ) (Ω)(2)
式中100×10 -9 电流/LSB
当R1和C2不确定时，R4按下式计算：
R4=E DC /(100×10 -9 ) (Ω)(3)
式中E DC 每伏特直流误差的比例系数，分辨率不同时，E DC 不同，
10位分辨率时，E DC =160×10 -3 ;12位分辨率时，E DC =40
×10 -3 ;14位分辨率时，E DC =10×10 -3 ;16位分辨率时，E DC =
25×10 -3 。
(3)基准信号的交流耦合。
在基准信号频率不产生有效相移的前提下，选取R3和C3。具体方法如下：
选取 R3=100kΩ
C3＞1/(R3f REF ) (F)(4)
式中R3单位Ω，
C3单位F，
f REF 单位Hz
(4)最大跟踪速率的确定。
压控振荡器(VCO)的输入电阻R6决定了AD2S80系列RDC的最大跟踪速率。因此，在确定速度
输出8V电压的条件下，也就确定了在最大跟踪速率时的速度比例。
电阻R6按下式计算：
R6=632×10n/(T×n) (Ω)(5)
式中n每一转的位数。不同的分辨率时，n值不同。
10位分辨率，n=1，024；
12位分辨率，n=4,096；
14位分辨率，n=16,384；
16位分辨率，n=65,536
T每秒钟转数，T必须不超过最大跟踪速率，或者取基准频率的1/16。
(5)闭环带宽f BW 的选择。
在图1中，影响闭环带宽的因素是C4，C5和R5。
为了保证闭环带宽，要求基准频率与闭环带宽的比例不能超过下列数值：
10位分辨率，基准频率/闭环带宽比25∶1。
12位分辨率，基准频率/闭环带宽比4∶1。
14位分辨率，基准频率/闭环带宽比6∶1。
16位分辨率，基准频率/闭环带宽比75∶1。
一般情况下基准频率为400Hz，带宽取100Hz；基准频率为5kHz时，带宽取500~1000H
z。
电容器C4的选择：
C4=21/(R6f BW )(6)
式中R6单位Ω；
f BW 闭环带宽，单位Hz
电容器C5的选择：
C5=5C4(7)
电阻R5根据下列公式计算：
R5=4/(2πC5f BW ) (Ω)(8)
(6)压控振荡器(VCO)的相位补偿。
在压控振荡器中，外接元件R7和C6组成一个相位补偿电路，推荐值如下：
R7=68Ω， C6=470pF
(7)失调的调整。
在积分器中，失调和偏置电路都能引起RDC的位置失调，存在一个附加输出，它的典型值最
小是1分，最大是53分。在系统设计时，如果这种情况是允许的，那么电路中R8和R
9可以省略；如果不允许，电阻R8取47MΩ，电位器R9取1MΩ。
调试方法如下：将COS引脚与REFERENCE INPUT引脚短接，SIN引脚与SIGNAL GROUND引脚短接
，接通电源，并且加上基准信号源，然后调整电位器R9，使RDC的输出全为0。
32 AD2S80A RDC与分解器的连接方法
AD2S80A RDC与分解器的连接线路图如图2。
图2 AD2S80A RDC与分解器接线原理图
在图2的线路中，基准源的相位与来自分解器的激磁电压有关
。
假定，R1=R2=R C1=C3=C
基准频率 f REF =1/2πRC(9)
根据公式(9)就能得到图1中的高频滤波器的不同电阻值。由于R2电阻值的变化与输入的基
准源相位变化接近线性关系，相位变化可以达到10度以上，电阻R2每增加10%，就会使相
位滞后2度；反之，R2每减少10%，就会使相位超前2度，可以用公式表示如下：
超前相位=arctan (1/2πfRC)(10)
滞后相位=arctan (2πfRC)(11)
33 AD2S80系列RDC与同步器的连接
AD2S80系列RDC能够直接与分解器相连接，这时RDC通过4根导线从分解器输入SIN和CO
S二个信号。但是，许多应用环境是由同步器输出三相信号：
V S1S3 =KV REF sinθ
V S3S2 =KV REF sin(θ+120°)(12)
V S1S3 =KV REF sin(θ+240°)
式中K同步器的变化，
V REF 激磁电压。
同步器输出信号幅值要比分解器的输出信号SIN和COS幅值大得多。如果要使AD2S80系列RDC
能够接收同步器的信号，则必须将公式(12)中的三相信号V S1S3 、V S3
S2 和
V S2S1 变换成SIN和COS信号，Scott变压器和Scott固态变压器都具有这种功能
，也可以采用ADI公司生产的AD2S75同步器/分解器变压器隔离接口进行变换。
Scott变压器的变换：
Scott变压器的基本原理图如图3所示：
图3 Scott变压器原理图
同步器输出信号
V S1S3 =Vsinωtsinθ
V S3S2 =Vsinωtsin(θ+120°)
V S2S1 =Vsinωtsin(θ+240°)
式中V=KV REF
V1=Vsinωtsinθ
V2=Vsinωtcosθ(13)
在第一个变压器中设变比为1∶Rn
初级电压 V S1S3 =Vsinωtsinθ(14)
次级电压 V1=VRnsinωtsinθ(15)
令 V S1S3 =V1，则Vsinωtsinθ=VRnsinωtsinθ(16)
得出Rn=1
因此，第一个变压器的变比为1∶1。
设第二个变压器的变化为Rm
变压器次级电压：
V2=VRm［sinωtsin(θ+120°)+Nsinωtsinθ］(17)
其中N是第一个变压器的抽头比例。
式(17)可以简写成：
V2=VRmsinωt［sin(θ+120°)+Nsinωtsinθ］
[YM5HZ。=8〗
所以Vsinωtcosθ=VRmsinωt［sin(θ+120°)+Nsinωtsinθ］
消去Vsinωt得：
cosθ=［sin(θ+120°)+Ksinθ］Rm(18)
当θ=0°时，
1=Rmsin120°=Rmsin60°
Rm=2/3
当θ=90°时
0=Rm(sin210°+Nsin90°)
0=-sin30°+N
N=1/2
因此，第二个变压器的变比为1∶2/3，第一个变压器的抽头比例是1/2。
固态Scott变压器的变换：
固态Scott变压器的原理图如图4所示：
图4 固态Scott变压器原理图
设AD2S80系列RDC的输入信号电压为V REF ， Vsin， Vcos，
并且放大器A1，A2和A3的增益分别为G1，G2和G3。
从图4可以得出以下关系式：
从固态Scott变压器输入RDC的基准电压：
V REF =G1V REF sinωt(19)
RDC的V sin 端输入电压：
V sin =G2V S1S3 =G2KV REF sinωtsinθ(20)
RDC的V COS 端输入电压：
V COS =G3V S3S2 -G3V S2S1 =G3(V S3S2
-V S2S1 )(21)
V S3S2 -V S2S1 =KV REF sinωtsin(θ+120°)-KV R
EF sinωtsin(θ+240°)=KV REF sinωt［sin(θ+120°)-sin(θ+240°)］(2
2)
从三角和公式得出：
sin(θ+120°)-sin(θ+240°)=3cosθ(23)
将式(23)代入(22)后得出：
V S3S2 -V S2S1 =3KV REF sinωtcos
θ(24)
将式(24)的值代入(21)，与式(19)及(20)联立得：
V REF =V REF G1sinωt
Vsin=V REF KG2sinωtsinθ(25)
V COS =V REF KG33sinωtcosθ
式中K和V REF sinωt分别为同步器(自整角机)的变比与激磁电压，公式(23)为同
步器信号通过固态Scott变压器转换成分解器信号的变换关系，根据公式就能计算出固态
变压器各通道放大器同步器激磁电压不同时的增益G1，G2，G3。
由于AD2S80系列RDC的输入电压一般为V REF =2Vrms，Vsin=2Vrms，V COS =2Vrm
s，因此很容易确定固态变压器的增益与各通道的电阻值。
固态Scott变压器在实际使用中，由于电路存在分布电容及电阻误差等许多因素，所以
实际结果
与理论计算会出现误差。因此，在电路中增加了一个调整幅值的电位器。电路中要求采
用精密电阻，精度不低于1%，下面推荐几种信号电压时的电阻值，见表3。
[YM5HZ。=9〗
表3 同步器输出电压与固态变压器电阻值的关系
信号电压(Vrms)R1R2R3R4
2011kΩ127kΩ226kΩ113kΩ
11811kΩ127kΩ133kΩ665kΩ
2611kΩ127kΩ280kΩ140kΩ
9011kΩ127kΩ118MΩ590kΩ
VR1155×RV×RV×R/2
采用AD2S75与AD2S80系列RDC的连接如图5所示。
图5 AD2S75与AD2S80系列RDC的接线原理图
AD2S75是通用同步器分解器电压信号变换器，它不仅频带宽，精度高，而且隔离电压高达1000V，同步器与AD2S80系列RDC连接时，AD2S75是十分理想的器件。
4 使用AD2S80系列RDC应注意的几个问题
AD2S80系列RDC由于它的优越性能而得到了广泛的应用。在进行系统设计时，应注意以下几个问题。
(1)地线的连接。
AD2S80系列RDC有ANALOG GND与系统电源地要一点相接。SIGNAL GND与系统的信号地相连接后才能在线路板内与电源地一点相接。ANALOG
GND与DIGITAL GND必须在线路板外一点相连，这样就能最大限度地消除测量误差。
(2)去耦电容应靠近电源引脚。
(3)根据系统要求，设置合适的分辨率与频带宽度。
(4)电源要加保护电路，防止极性接错。
由于篇幅所限，本文仅将AD2S80系列的主要特点及应用作一个简单介绍，感兴趣的读者请
与北京市英赛尔器件集团及其所属分公司联。
参考文献
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