CN0276 高性能、10位至16位旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器

CN0276 CN-0276電路可用于各種類型的旋轉(zhuǎn)變壓器。為獲得最佳性能，設(shè)計(jì)人員應(yīng)適當(dāng)調(diào)整無源器件。使電路適應(yīng)不同旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原則是： ? 確保每個放大器輸出保持在允許的電壓范圍內(nèi)。 確保沒有元器件發(fā)生過壓情況。例如，若旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓對于ADG1611 開關(guān)而言過高，可以在電路的輸入端串聯(lián)一個電阻，如圖8所示。 確?？?a target='_blank' class='arckwlink_none'>信號鏈相移保持在如下范圍內(nèi)：n× 180° ? 44° ≤ φ ≤ n× 180° + 44°，其中n為整數(shù)。 ? 在某些應(yīng)用中，可加入一個電容并與旋轉(zhuǎn)變壓器的初級繞組并聯(lián)連接，并選擇適當(dāng)?shù)闹?，使其以工作頻率與旋轉(zhuǎn)變壓器電感產(chǎn)生諧振。這會使負(fù)載表現(xiàn)為阻性。例如，電路中使用的旋轉(zhuǎn)變壓器在10 kHz下的電抗為100Ω，相當(dāng)于1.6 mH電感。與初級端并聯(lián)的160 nF電容使負(fù)載大約為70 ，這是阻抗的真實(shí)部分。 ? 然而，在較高的頻率下(但仍然在運(yùn)算放大器的帶寬范圍內(nèi))，運(yùn)算放大器可能會因?yàn)槿菪载?fù)載而振蕩。本應(yīng)用中，必須仔細(xì)補(bǔ)償運(yùn)算放大器，從而使其在整個帶寬內(nèi)保持穩(wěn)定。 本電路使用 EVAL-CN0276-SDPZ 電路板和?EVAL-SDP-CB1Z SDP-B 系統(tǒng)演示平臺控制器板。這兩片板具有120 引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。 CN-0276 Evaluation Software to exchange the data from the EVAL-CN0276-SDPZ包含待評估電路；EVAL-SDP-CB1Z(SDP-B)與CN-0276評估軟件一起使用，可交換來自EVAL-CN0276-SDPZ的數(shù)據(jù) ? 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備 帶USB端口的Windows? 7(或更新)PC EVAL-CN0276-SDPZ電路板 EVAL-SDP-CB1ZSDP-B控制器板 CN-0276評估軟件 6 V/1 A臺式電源 12 V/1 A臺式電源 Tamagawa TS2620N21E11旋轉(zhuǎn)變壓器 開始使用 將CN-0276評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件的驅(qū)動器。有關(guān)軟件操作的詳情請參見 CN0276軟件用戶指南。 ? 功能框圖 圖19顯示測試設(shè)置的功能框圖。 圖19. 測試設(shè)置功能框圖 設(shè)置 將EVAL-CN0276-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到 EVAL-CN0276-SDPZ控制器板(SDP-B)上的CON A連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下，將一個6 V或12 V 電源連接到電路板上的VCC和GND引腳。SDP-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。此時請勿將該 USB電纜連接到SDP-B板上的微型USB連接器。將旋轉(zhuǎn)變壓器TS2620N21E11連接至EVAL-CN0276-SDPZ 電路板的J3。 ? 測試 為連接到EVAL-CN0276-SDPZ的6 V或12 V電源通電。啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。 ? 一旦USB通信建立，EVAL-SDP-CB1Z就可用來發(fā)送、接收、采集來自EVAL-CN0276-SDPZ的并行數(shù)據(jù)。圖20為使用該電路測量位置和速度時的軟件輸出顯示屏幕截圖。 ? 圖20為使用該電路測量位置和速度時的軟件輸出顯示屏幕截圖。 ? 圖21顯示EVAL-CN0276-SDPZ評估板的照片 ? 有關(guān)測試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請參閱CN-0276軟件用戶指南： 圖20. 軟件輸出窗口屏幕截圖 圖21. EVAL-CN0276-SDPZPCB照片 針對原型開發(fā)的連接 EVAL-CN0276-SDPZ評估板設(shè)計(jì)用于EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板，但任何微處理器都可實(shí)現(xiàn)與 AD2S1210 (the user should set SOE 端口的對接(用戶應(yīng)將SOE引腳設(shè)為低電平，激活SPI接口)。為使另一個控制器能與EVAL-CN0276-SDPZ評估板一同使用，第三方必須開發(fā)相應(yīng)的軟件。 ? 目前已有一些轉(zhuǎn)接板能實(shí)現(xiàn)與Altera或Xilinx現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs)的接口。利用Nios驅(qū)動器，Altera的BeMicro SDK板能配合BeMicro SDK/SDP轉(zhuǎn)接板一同使用。任何集成FMC連接器的Xilinx評估板均可與FMC-SDP轉(zhuǎn)接板一同使用。 信號鏈設(shè)計(jì)時需仔細(xì)，不僅要考慮幅度和頻率，還需注意相移和穩(wěn)定性。此外，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組的電抗具有阻性分量和感性分量。 AD2S1210 RDC激勵信號頻率范圍為2 kHz至20 kHz，以250 Hz增量進(jìn)行設(shè)置。大部分旋轉(zhuǎn)變壓器的額定激勵頻率固定，典型值為10 kHz左右。不同的旋轉(zhuǎn)變壓器具有不同的相移，信號鏈設(shè)計(jì)中必須予以考慮。 激勵信號施加于旋變轉(zhuǎn)子繞組，后者其實(shí)是一個非理想電感，典型電阻性分量為50 Ω至200 Ω，電抗性分量為0 Ω至200 Ω。例如，圖1所示電路中的Tamagawa TS2620N21E11旋轉(zhuǎn)變壓器阻抗在10 kHz時為70Ω + j100Ω。 典型激勵電壓可高達(dá)20 V p-p (7.1 V rms)，因此必須考慮旋變驅(qū)動器的最大電流和最大功耗。本電路選用AD8397 ，因?yàn)樵撈骷哂袑掚娫捶秶?24 V)、高輸出電流(采用±12 V電源時，輸入32 Ω負(fù)載的峰值電流為310 mA)、軌到軌輸出電壓和低熱阻封裝(8引腳SOIC EP封裝的θJA= 47.2°C/W)。 AD2S1210的激勵輸出信號來自內(nèi)部DAC，該DAC會產(chǎn)生一定的量化噪聲和失真。由于這個原因，雙通道運(yùn)算放大器AD8692 配置為三階有源巴特沃茲濾波器，以便減少驅(qū)動信號噪聲。類似地，SIN和COS接收器電路使用兩個四通道運(yùn)算放大器AD8694作為有源噪聲濾波器。 信號鏈設(shè)計(jì) 信號鏈設(shè)計(jì)中必須考慮這些因素： AD2S1210激勵信號輸出范圍：3.2 V(最小值)、3.6 V(典型值)、4.0 V(最大值) AD8692 輸出電壓范圍：0.29 V至4.6 V，+5 V電源供電時 AD8397 輸出電壓范圍：0.18 V至5.87 V，+6 V電源供電時 AD8397 輸出電壓范圍：0.35 V至11.7 V，+12 V電源供電時 旋轉(zhuǎn)變壓器(TS2620N21E11)變壓比:0.5 旋轉(zhuǎn)變壓器(TS2620N21E11)相移：0° AD8694 輸出電壓范圍：0.37 V至4.6 V，+5 V電源供電時 AD2S1210輸入差分峰峰值信號范圍(SIN、COS)：2.3 V(最小值)3.15 V(典型值)、4.0 V(最大值) 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出SIN、COS負(fù)載應(yīng)當(dāng)相等 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出負(fù)載應(yīng)當(dāng)至少等于旋轉(zhuǎn)變壓器輸出阻抗的20倍 總信號鏈相移范圍：n × 180° ? 44° ≤ φ ≤ n × 180° + 44°，n為整數(shù) 旋轉(zhuǎn)變壓器激勵濾波器和驅(qū)動器電路 AD2S1210激勵信號濾波器和功率放大器電路如圖2所示。必須密切關(guān)注信號鏈路上每一部分的增益和信號電平，避免AD8397輸出驅(qū)動器在AD2S1210的4.0 V p-p最大激勵(EXE)下達(dá)到飽和。注意，由于以差分方式驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器，對應(yīng)真正EXE輸出和互補(bǔ)EXE輸出分別有兩個相同的通道，如圖2所示。 ? ? ? 圖2. 激勵驅(qū)動器和濾波器電路(未顯示所有連接和去耦) AD8692濾波器電路的直流增益為?1。對于高性能模式(S1關(guān)閉)，AD8397驅(qū)動器級的增益設(shè)為2.5(若使用實(shí)際可用電阻則為2.49)，從而使用12 V電源供電時，4.0 V p-p EXE輸入產(chǎn)生10 V p-p輸出。這將允許AD8397的輸出相對于每條供電軌可以有1 V裕量。對于低功耗模式(S1開啟)，增益設(shè)為1.28，從而使用6 V電源供電時，4.0 V p-p EXE輸入產(chǎn)生5.12 V p-p輸出。 ADG1612典型導(dǎo)通電阻小于1 ，適用于增益開關(guān)。但是，由于開關(guān)的關(guān)斷電容典型值為72 pF，不應(yīng)直接將其與運(yùn)算放大器的輸入相連。注意，在電路中，R6接地，電容關(guān)斷時對性能的影響極小。 AD8692配置為多反饋(MFB)三階巴特沃茲低通濾波器，相移范圍為180° ± 15°。設(shè)計(jì)步驟見線性電路設(shè)計(jì)手冊(第8章)。為該濾波器選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算放大器很重要。一般而言，運(yùn)算放大器的增益帶寬積應(yīng)當(dāng)至少比有源濾波器的–3dB截止頻率大20倍。在這種情況下，截止頻率為88 kHz，AD8692的增益帶寬積為10 MHz，即截止頻率的113倍。由于AD8692是一款CMOS運(yùn)算放大器，其輸入偏置電流極低，并且不會對濾波器的直流特性產(chǎn)生很大影響。輸入電容為7.5 pF，可使濾波器設(shè)計(jì)中所選電容的截止頻率影響降至最低 濾波器的?3dB截止頻率為88 kHz，10 kHz時的相移為?13°，10 kHz的直流增益為1。 AD8397功率放大器增益可配置為1.28(低增益模式)或2.49(高增益模式)。低增益模式下，10 kHz時的相移等于?1.9°，而高增益模式下的相移等于?5.2°。 AD8692三階低通濾波器傳遞函數(shù)如圖3所示。 ? ? ? 圖3. AD8692三階低通濾波器響應(yīng) 該濾波器可極為有效地降低驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵信號所產(chǎn)生的噪聲。圖4顯示的是10 kHz EXE信號，直接在AD2S1210的輸出端進(jìn)行測量。圖5顯示C3處測得的信號(輸入至AD8397)以及濾波器過濾噪聲的有效性。? ? ? ? 圖4. AD2S1210EXC引腳測得的信號 ? ? ? 圖5. C3上測得的信號(輸入至AD8397驅(qū)動器) 圖6和圖7分別顯示低功耗模式下和高性能模式下，在旋轉(zhuǎn)變壓器某個輸入端測量的AD8397輸出。注意，這些信號在旋轉(zhuǎn)變壓器輸入的一側(cè)測得，而施加于旋轉(zhuǎn)變壓器的實(shí)際差分信號具有雙倍的幅度。 ? ? ? 圖6. 使用低功耗模式時，旋轉(zhuǎn)變壓器輸入端的信號 ? ? ? 圖7. 使用高性能模式時，旋轉(zhuǎn)變壓器輸入端的信號 旋轉(zhuǎn)變壓器SIN/COS接收器電路和濾波器 圖8顯示接收器電路，包括三階巴特沃茲濾波器和可編程增益級。驅(qū)動器電路處于高性能模式時(VCC = 12 V) ，S1開啟，總增益為0.35。驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入為18 V p-p(差分)，而由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)換比為0.5，因此 SIN/COS輸出為9 V p-p差分。9 V p-p差分等于4.5 V p-p單端，當(dāng)其乘以0.35增益系數(shù)時，可得1.58 V p-p(3.16 V p-p差分)，適用于AD2S1210SIN/COS輸入的最佳輸入電壓。類似地，在低功耗模式下，S1關(guān)斷，總增益為 0.7，同樣為AD2S1210的SIN/COS輸入提供最佳輸入信號電平。? ? ? ? 圖8. 旋轉(zhuǎn)變壓器接收器電路(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) 除了提供增益調(diào)節(jié)，接收器電路還擁有截止頻率為63 kHz、10 kHz時相移為?18.6°的三階巴特沃茲濾波器特性。 低增益模式和高增益模式下濾波器的頻率響應(yīng)分別如圖9和圖10所示。 ? ? ? 圖9. 旋轉(zhuǎn)變壓器接收器電路，低增益?zhèn)鬟f函數(shù) ? ? ? 圖10. 旋轉(zhuǎn)變壓器接收器電路，高增益?zhèn)鬟f函數(shù)? ? AD2S1210SIN/COS輸入端的電壓如圖11所示(1.64 V p-p，3.28 V p-p差分) ? ? ? 圖11. AD2S1210的正弦和余弦輸入信號 圖12顯示AD2S1210EXC引腳(通道1，黃色)到SIN輸入引腳(通道2，藍(lán)色)之間的總相移約為40°，低于44° 的最大設(shè)計(jì)值。? ? ? ? 圖12. AD2S1210EXC和SIN引腳之間的相移 自動模式檢測電路 ? 圖13所示復(fù)位電路采用 ADM6328微處理器復(fù)位電路，可根據(jù)VCC電壓值確定驅(qū)動器和接收器的增益。閾值電壓設(shè)為如果VCC高于11.5 V，那么電路將切換到高性能模式。如果VCC低于11.5 V，那么電路切換到低功耗模式。 由于ADM6328功耗僅1 A，該器件可使用高阻抗R1/R3電阻分壓器輸出作為其電源，而不會產(chǎn)生很大的壓降。 ? ? ? 圖13. VCC檢測電路 ADM6328 具有開漏輸出，電阻R2用作上拉電阻。這樣可以確保輸出擺幅與VCC輸入無關(guān)。ADM6328電源電壓由下式確定 ? ? 電路使用ADM6328-22，該器件典型閾值電壓為2.2 V，最大值為2.25 V。最大VCC閾值電壓為11.5 V，因此： ? ? R1和R3分別選用1.6 Ω k 和390Ω ，比值為4.102。 ? 旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動器功率放大器功耗 由于旋轉(zhuǎn)變壓器具有相對較低的阻抗和較大的VCC電壓，了解AD8397驅(qū)動放大器的功耗非常重要，以確保滿足最大功耗規(guī)格要求。AD8397安全工作的最大功耗受限于結(jié)溫的升高。 塑封器件的最大安全結(jié)溫由塑料的相變溫度決定，約為150°C。即便只是暫時超過此限值，由于封裝對芯片作用的應(yīng)力改變，參數(shù)性能也可能會發(fā)生變化。 結(jié)溫的上升可根據(jù)環(huán)境溫度(TA)、封裝熱阻(θJA)和放大器功耗(PAMP)算出： ? ? 本電路使用AD8397ARDZ，該器件采用帶裸露焊盤(EP)的8引腳SOIC封裝，θJA= 47.2°C/W。 放大器功耗PAMP計(jì)算如下：從電源提供的功耗PSUPPLY中減去負(fù)載功耗PLOAD 旋變器轉(zhuǎn)子繞組的等效負(fù)載阻抗等于： ? 可以首先計(jì)算來自電源的平均電流，從而算出電源提供的功耗。注意，這些計(jì)算忽略了運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流，只考慮激勵電流產(chǎn)生的電流。這些計(jì)算的等效電路如圖14所示。 ? ? ? 圖14. 計(jì)算電源電流的等效電路? ? 使用Tamagawa TS2620N21E11旋轉(zhuǎn)變壓器時，10 kHz下的阻抗為70 +j100 。在高性能狀態(tài)下(VCC = 12 V、 A = 10 V)，使用上述推導(dǎo)等式，可算得AD8397功耗為390 mW。 AD8397(EP封裝)的結(jié)至環(huán)境熱阻θJA為47.2°C/W，因此上升至環(huán)境溫度以上的結(jié)溫為47.2°C/W × 0.39W = 18.4°。 電源 整個電路采用+6 V或+12 V外部VCC供電，具體取決于工作模式。電路的5 V電源來自5 V、500 mA低壓差調(diào)節(jié)器(LDO) ADP7104-5 。3.3 V ADP7104-3.3用于提供3.3 V電源。詳細(xì)電源電路參見CN0276設(shè)計(jì)支持包中的完整原理圖 PCB設(shè)計(jì)和布局考慮 不良布局會導(dǎo)致性能不佳，哪怕與RDC電路有關(guān)的頻率較低。例如，雖然旋轉(zhuǎn)變壓器采用10 kHz激勵信號工作，.AD2S1210的工作時鐘為8.192 MHz；因此，進(jìn)行布局、接地和去耦時，必須將其看作高速器件。教程MT-031 和 教程MT-101 詳細(xì)討論了這些話題 針對CN-0276提供設(shè)計(jì)支持包，包含完整的原理圖、PA D和Gerber布局文件，以及物料清單。設(shè)計(jì)支持包位于： http://www.analog.com/CN0276-DesignSupport。 系統(tǒng)性能結(jié)果 測量電路整體系統(tǒng)噪聲的一種好辦法是固定旋轉(zhuǎn)變壓器位置，并生成輸出代碼直方圖。應(yīng)在禁用遲滯功能的情況下執(zhí)行該測試。下圖顯示AD2S1210輸出的碼直方圖(10/12/14/16位角度精度模式)。各種情況下均使用全16位RDC產(chǎn)生直方圖，電路處于高性能模式下(VCC = +12 V)。 直方圖顯示，驅(qū)動器和接收器電路上集成低通濾波器的AD2S1210可在所有模式下獲得高角度分辨率 ? ? ? 圖15. 輸出碼直方圖，10,000樣本，遲滯禁用，10位角度精度模式，16位ADC分辨率 ? ? ? 圖16. 輸出碼直方圖，10,000樣本，遲滯禁用，12位角度精度模式，16位ADC分辨率 ? ? ? 圖17. 輸出碼直方圖，10,000樣本，遲滯禁用，14位角度精度模式，16位ADC分辨率 ? ? ? 圖18. 輸出碼直方圖，10,000樣本，遲滯禁用，16位角度精度模式，16位ADC分辨率 CN0276 高性能、10位至16位旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器 圖1所示電路是一款完整的高性能旋變數(shù)字(RDC)電路，該電路可在汽車、航空電子和關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用等要求寬溫度范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定性應(yīng)用的場合精確測量角度位置和速度。 ? ? ? 圖1. 高性能旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換(RDC)電路原理示意圖：未顯示所有元件、連接和去耦 該電路具有創(chuàng)新的旋變轉(zhuǎn)子驅(qū)動器，提供兩種工作模式：高性能和低功耗。在高性能模式下，系統(tǒng)采用 12 V單電源供電，能夠?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器提供6.4 V rms (18 V p-p)的驅(qū)動信號。在低功耗狀態(tài)下，系統(tǒng)采用 6 V單電源供電，能夠?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器提供3.2 V rms (9.2 V p-p)的驅(qū)動信號，且系統(tǒng)功耗小于100 mA。驅(qū)動器和接收器均提供有源濾波，可最大程度減少量化噪聲的影響。 10位模式下，RDC的最大跟蹤速率為3125 rps(分辨率= 21 弧分)；16位模式下為156.25 rps(分辨率= 19.8弧秒)。 CN0276 圖1所示電路是一款完整的高性能旋變數(shù)字(RDC)電路，該電路可在汽車、航空電子和關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用等要求寬溫度范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定性應(yīng)用的場合精確測量角度位置和速度。