旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)在汽車(chē)和工業(yè)中的應(yīng)用

電路功能與優(yōu)勢(shì)

旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC)廣泛用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中，用來(lái)提供電機(jī)軸位置/速度反饋信息。

AD2S1210是一款完整的10位至16位分辨率RDC，片內(nèi)集成可編程正弦波振蕩器，為旋變器提供激勵(lì)。由于工作環(huán)境惡劣，AD2S1210(C級(jí)和D級(jí))的額定溫度范圍為−40°C至+125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。

圖1所示的高電流驅(qū)動(dòng)器放大AD2S1210的參考振蕩器輸出并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而優(yōu)化與旋變器的接口。該驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)使用雙通道、低噪聲、精密運(yùn)算放大器AD8662和分立互補(bǔ)發(fā)射極跟隨器輸出級(jí)的復(fù)合放大器。一個(gè)類(lèi)似的驅(qū)動(dòng)器級(jí)用于互補(bǔ)激勵(lì)輸出，從而提供一個(gè)全差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋變器初級(jí)繞組。AD8662提供8引腳窄體SOIC和8引腳MSOP兩種封裝，額定溫度范圍均為−40°C至+125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。

圖1. 用于AD2S1210 RDC參考信號(hào)輸出的高電流緩沖器(原理示意圖，未顯示去耦和所有連接)

RDC與旋轉(zhuǎn)傳感器配合使用，以便檢測(cè)電機(jī)軸的位置和轉(zhuǎn)速。在這種應(yīng)用中，旋變器利用正弦波參考信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)。初級(jí)繞組上的旋變器激勵(lì)參考信號(hào)被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正弦差分輸出信號(hào)：正弦和余弦。正弦和余弦信號(hào)的幅度取決于實(shí)際的旋變器位置、旋變器轉(zhuǎn)換比和激勵(lì)信號(hào)幅度。

RDC同步采樣兩個(gè)輸入信號(hào)，以便向數(shù)字引擎(即所謂Type II跟蹤環(huán)路)提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。Type II跟蹤環(huán)路負(fù)責(zé)計(jì)算位置和速度。典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2. AD2S1210 RDC典型應(yīng)用電路

由于旋變器的輸入信號(hào)要求，激勵(lì)緩沖器必須提供高達(dá)200 mA的單端電流。圖1所示的緩沖電路不僅提供電流驅(qū)動(dòng)能力，而且提供AD2S1210激勵(lì)輸出信號(hào)的增益。本電路筆記說(shuō)明性能要求及推薦的激勵(lì)緩沖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。典型旋變器的輸入電阻在100 Ω至200 Ω之間，初級(jí)線圈應(yīng)利用7 V rms的電壓驅(qū)動(dòng)。

該轉(zhuǎn)換器支持3.15 V p-p ±27%范圍的輸入信號(hào)。AD2S1210的額定頻率范圍為2 kHz至20 kHz。采用Type II跟蹤環(huán)路跟蹤輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。該器件的額定最大跟蹤速率為3,125 rps。在16位分辨率時(shí)，位置輸出的精度誤差最大值為±5.3弧分。

電路描述

AD2S1210采用5 V電源供電，輸出緩沖電路要求12 V電源，以便向旋變器提供所需的差分信號(hào)幅度。

圖1所示為AD2S1210、AD8662和相關(guān)電路的原理圖，其中包括一個(gè)推挽輸出級(jí)，它能夠向旋變器提供所需的電源。本電路的優(yōu)勢(shì)之一是當(dāng)不存在信號(hào)時(shí)，輸出晶體管只需要少量靜態(tài)電流。

AD2S1210的激勵(lì)輸出通常在EXC和EXC 輸出端提供3.6 V p-p正弦信號(hào)，這將產(chǎn)生一個(gè)7.2 V p-p差分信號(hào)。

汽車(chē)旋變器的典型轉(zhuǎn)換比為0.286。因此，如果將一個(gè)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2 V p-p。這種信號(hào)的幅度不足以滿(mǎn)足AD2S1210的輸入幅度要求。理想情況下，正弦和余弦輸入應(yīng)具有差分3.15 V p-p的幅度，因此緩沖器級(jí)應(yīng)提供約1.5的增益。

圖1所示激勵(lì)緩沖器的增益通過(guò)電阻R1和R2設(shè)置。在電路測(cè)試期間，R1和R2電阻的值分別為10 kΩ和15.4 kΩ，對(duì)應(yīng)的增益為1.54。

電阻R3和R4設(shè)置放大器的共模電壓VCM(2) = +3.75 V。激勵(lì)輸出的共模電壓VCM(1) = +2.5 V(中間電源電壓)。因此，緩沖器輸出共模電壓VCM(OUT)約為+5.7 V(+12 V電源的大約一半)。

2.2 kΩ電阻為推挽電路輸入端的二極管D1、D2提供偏置電流，并確立該側(cè)的靜態(tài)電流。D1和Q1上的電壓(VBE)應(yīng)保持一致，D2和T2上的電壓(VBE)應(yīng)保持一致。3.3 Ω電阻和4.7 Ω電阻上的電壓也應(yīng)保持一致。

選擇運(yùn)算放大器AD8662是為了滿(mǎn)足推挽輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)要求。旋變器和RDC轉(zhuǎn)換器往往用于惡劣環(huán)境中，因此一般需要能夠在擴(kuò)展溫度范圍(−40°C至+125°C)工作的器件。該運(yùn)放應(yīng)提供2 MHz以上的帶寬，輸入失調(diào)電壓應(yīng)小于1 mV。注意不得在0 V附近向信號(hào)引入失真，因?yàn)樵撌д婵赡軣o(wú)法被旋變器本身濾除。確保無(wú)失真的方法是設(shè)置輸出晶體管的偏置，使得過(guò)零時(shí)仍然有足夠的電流來(lái)維持線性。