高性能旋變數(shù)字轉換器AD2S1210的特點及應用分析

連接/參考器件
AD2S1210
分辨率可變、10位至16位旋變數(shù)字轉換器，內置參考振蕩器
AD8397
雙通道、軌到軌、高輸出電流放大器
評估和設計支持
AD2S1210評估板（EVAL-AD2S1210SDZ）
系統(tǒng)演示平臺SDP-B（EVAL-SDP-CB1Z）
設計和集成文件
原理圖、布局文件、物料清單
電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是一款高性能旋變數(shù)字轉換器（RDC）電路，可在汽車、航空電子和關鍵工業(yè)等要求寬溫度范圍內具有高穩(wěn)定性的應用中精確測量角度位置和速度。高電流驅動器AD8397可將310mA電流驅動到32Ω負載，從而無需分立式推挽緩沖器解決方案。
RDC常被用于汽車和工業(yè)市場，用來提供電機軸位置和/或速度反饋信息。
高性能旋變數(shù)字轉換器AD2S1210的特點及應用分析
高性能旋變數(shù)字轉換器AD2S1210的特點及應用分析
圖1.采用AD8397的高電流緩沖器支持AD2S1210RDC激勵信號輸出（原理示意圖，未顯示去耦和所有連接）
電路描述
AD2S1210是一款完整的10位至16位分辨率跟蹤RDC，片內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所示的高電流驅動器采用雙通道運算放大器AD8397，用來放大AD2S1210參考振蕩器激勵輸出并進行電平轉換，從而優(yōu)化與旋變器的接口。另外一路互補激勵驅動電路與圖1類似，從而提供一個全差分信號來驅動旋變器初級繞組。AD8397是一款低失真、高輸出電流和寬輸出動態(tài)范圍放大器，非常適合與旋變器一同使用。AD8397能將310mA電流驅動到32Ω負載，以便為旋變器提供所需的功率，而無需使用傳統(tǒng)的分立式推挽輸出級。傳統(tǒng)推挽電路需要額外的元件，與之相比，本文提供的方案可簡化驅動器電路，而且功耗更低。AD8397采用8引腳窄體SOIC封裝，額定溫度范圍為-40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。
RDC利用正弦信號來確定受正弦波參考信號激勵的旋變器的角度位置和/或速度。初級繞組上的旋變器激勵參考信號被轉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TypeII跟蹤環(huán)路）提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。TypeII跟蹤環(huán)路負責計算位置和速度。典型應用電路如圖2所示。
由于旋變器的輸入信號要求，激勵緩沖器必須提供高達200mA的單端電流。圖1所示的緩沖電路不僅提供電流驅動能力，而且還提供AD2S1210激勵輸出信號的增益。
典型旋變器的輸入電阻在100Ω至200Ω之間，初級線圈必須利用7Vrms的電壓激勵。
AD2S1210的額定頻率范圍為2kHz至20kHz。該轉換器支持3.15Vp-p±27%范圍的輸入信號。采用TypeII跟蹤環(huán)路跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入信息轉換為輸入角度和速度所對應的數(shù)字。該器件的額定最大跟蹤速率為3125rps。
在16位分辨率時，位置輸出的精度誤差最大值為±5.3弧分。
AD2S1210采用5V電源供電，用作輸出緩沖電路的AD8397要求12V電源，以便向旋變器提供所需的差分信號幅度。
圖1顯示了AD2S1210和配置為差分驅動器的AD8397的原理圖。AD8397一個極具吸引力的特性是，驅動高負載時，其輸出能夠提供高線性輸出電流。例如，驅動32Ω負載時，輸出電流最高可達310mA，同時保持-80dBc的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。由于其高輸出電流，AD8397能夠為旋變器提供所需的功率，而無需使用分立式推挽電路。
高性能旋變數(shù)字轉換器AD2S1210的特點及應用分析
高性能旋變數(shù)字轉換器AD2S1210的特點及應用分析
圖2.AD2S1210RDC典型應用電路

圖3.分立式推挽驅動器電路
對于100Ω至200Ω輸入電阻，驅動旋變器所需的電流為200mA。圖3所示的分立方案提供一個推挽輸出級，這不僅會增加驅動器電路的成本，而且即使沒有信號存在時，也會產(chǎn)生少量靜態(tài)功耗。
圖1中的緩沖級可降低功耗并減少元件數(shù)，同時實現(xiàn)像推挽電路一樣的驅動能力。
AD2S1210的激勵輸出通常在EXC和EXC輸出端提供3.6Vp-p正弦信號，由此產(chǎn)生一個7.2Vp-p差分信號。
汽車旋變器的典型變換比為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2Vp-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，正弦和余弦輸入具有差分3.15Vp-p的幅度，因此AD8397必須提供約1.5倍的增益。
圖1所示激勵緩沖器的增益通過電阻R1和R2設置。在電路測試期間，R1和R2電阻的值分別為10kΩ和15.4kΩ，對應的增益為1.54。
EVAL-AD2S1210SDZ評估板上有跳線選項，可將R2更改為8.66kΩ，此時提供的增益為0.866。對于轉換比為0.5的旋變器，這種增益設置為正弦和余弦輸入提供3.12Vp-p差分幅度信號。
電阻R3和R4將放大器的共模電壓設置為VCM（2）=3.75V。激勵輸出的共模電壓為VCM（1）=2.5V（中間電源電壓），相當于緩沖器輸出共模電壓約為VCM（OUT）=5.7V（12V電源的大約一半）。
由于所選的拓撲結構可以采用單電源供電，因此針對緩沖器選擇的運算放大器也必須能夠采用單供電軌供電。AD8397采用12V單電源供電，提供軌到軌輸出，因而是理想的選擇。
測量
EVAL-AD2S1210SDZ評估板提供了跳線選項，支持使用圖1所示的集成驅動器或圖3所示的分立驅動器。
圖4顯示了分立式推挽電路和采用AD8397的集成緩沖器的信號質量。使用Rohde&SchwarzRTO1024（快速傅里葉變換FFT）分析輸出信號，并測量基波和諧波功率。激勵頻率設置為10kHz。
增益設置為1.54時，AD8397在兩種配置中均提供5.54Vp-p的輸出信號?；üβ始s為18dBm，驅動RTO1024的50Ω典型輸入阻抗。
然后，根據(jù)信號的基頻和諧波功率值計算信納比（SINAD）和總諧波失真（THD）。對于推挽電路，SINAD=50.9615dB，THD=25.66%；對于AD8397緩沖器，SINAD=54.8dB，THD=25.51%。這一計算使得兩種配置可以相互比較。

圖4.推挽和AD8397輸出信號對比
下一步要證明：即使輸出端存在高電流，AD8397電路也能傳送激勵信號。圖5所示的測試電路通過加重輸出負載確定AD8397電路性能。

圖5.AD8397的帶載測試電路
AD8397在驅動32Ω負載時可以輸出高達310mA的低失真輸出電流。旋變器輸入電阻通常在100Ω至200Ω范圍內。
圖6顯示了吸收AD8397輸出端310mA電流時的激勵信號。輸出仍能維持其信號強度，因而能夠驅動典型旋變器。

圖6.吸收AD8397輸出端310mA電流
如果連接到旋變器，AD8397提供的激勵信號可以在AD2S1210輸入范圍要求內產(chǎn)生正弦和余弦信號。
建議
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輸出上存在的任何噪聲。選擇此濾波器的截止頻率時，應確保濾波器所引起的載波相移不超過AD2S1210的鎖相范圍。注意，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。
在電路驗證過程中，旋變器的輸出直接連接到AD2S1210輸入。用戶應用中經(jīng)常會使用額外調整電阻和/或無源RC濾波器。在AD2S1210之前可以使用額外無源元件，但不要超過產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的AD2S1210最大鎖相范圍。外部無源元件可能會導致通道間幅度不匹配誤差，這會直接轉化為位置誤差。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。
根據(jù)應用和傳感器的具體要求，可以更改AD2S1210和AD8397周圍的元件值。例如，通過改變電阻值，用戶可以調整偏置電壓、幅度和緩沖電路輸出端的最大驅動能力。
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公司的其他RDC一起使用，例如AD2S1200和AD2S1205。要改變輸出幅度、驅動能力和失調電壓，應適當調整無源元件。
電路評估與測試
可使用EVAL-AD2S1210SDZ評估板來評估和測試AD2S1210及CN-0317電路。CN-0317設計支持包提供了詳細原理圖、布局布線以及物料清單。
EVAL-AD2S1210SDZ用戶指南完整說明了如何使用評估板的硬件和軟件。
設備要求
需要以下設備：
●帶USB端口的Windows7（或更新版）PC
●EVAL-AD2S1210SDZ評估板
●EVAL-SDP-CB1ZSDP-B控制板
●EVAL-AD2S1210SDZ評估軟件
●9V壁式直流電源（隨同EVAL-AD2S1210SDZ評估板提供）
●旋變器（例如TamagawaTS2620N21E11）
開始使用
設置電路評估的步驟如下：
1.安裝評估軟件光盤中的評估軟件。安裝軟件時，確保EVAL-SDP-CB1Z板與PC的USB斷開連接。安裝之后，PC可能需要重啟。
2.確保按照EVAL-AD2S1210SDZ用戶指南的表2所示配置各種鏈路選項。
3.按照圖7所示將SDP板連接到評估板。
4.將套件包含的9V電源適配器連接到評估板上的接頭J702。
5.通過USB電纜將SDP板連接到PC。
6.從程序菜單中的AnalogDevices子文件夾下運行評估軟件。
7.將旋變器的EXC、EXC、SIN、SIN、COS和COS線連接到接頭J5和接頭J6，如圖7所示。

圖7.測試設置功能框圖
測試
一旦USB通信建立，EVAL-SDP-CB1Z就可用來發(fā)送、接收、采集來自EVAL-AD2S1210SDZ的并行數(shù)據(jù)。
圖8為使用該電路測量位置和速度時評估軟件采集選項卡的輸出顯示。
圖9為EVAL-AD2S1210SDZ評估板與EVAL-SDP-CB1Z板相連的照片。
有關測試設置、校準以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的完整詳細信息，請參閱EVAL-AD2S1210SDZ評估板用戶指南。

圖8.評估軟件輸出顯示——采集選項卡中的位置和速度數(shù)據(jù)

圖9.EVAL-AD2S1210SDZ評估板與EVAL-SDP-CB1ZSDP板相連的照片