旋變數字轉換器(RDC)在汽車和工業中的應用

電路功能與優勢

旋變數字轉換器(RDC)廣泛用于汽車和工業應用中，用來提供電機軸位置/速度反饋信息。

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

圖1所示的高電流驅動器放大AD2S1210的參考振蕩器輸出并進行電平轉換，從而優化與旋變器的接口。該驅動器是一個使用雙通道、低噪聲、精密運算放大器AD8662和分立互補發射極跟隨器輸出級的復合放大器。一個類似的驅動器級用于互補激勵輸出，從而提供一個全差分信號來驅動旋變器初級繞組。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的擴展工業溫度范圍。

圖1. 用于AD2S1210 RDC參考信號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與旋轉傳感器配合使用，以便檢測電機軸的位置和轉速。在這種應用中，旋變器利用正弦波參考信號進行激勵。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，以便向數字引擎(即所謂Type II跟蹤環路)提供數字化數據。Type II跟蹤環路負責計算位置和速度。典型應用電路如圖2所示。

圖2. AD2S1210 RDC典型應用電路

由于旋變器的輸入信號要求，激勵緩沖器必須提供高達200 mA的單端電流。圖1所示的緩沖電路不僅提供電流驅動能力，而且提供AD2S1210激勵輸出信號的增益。本電路筆記說明性能要求及推薦的激勵緩沖拓撲結構。典型旋變器的輸入電阻在100 Ω至200 Ω之間，初級線圈應利用7 V rms的電壓驅動。

該轉換器支持3.15 V p-p ±27%范圍的輸入信號。AD2S1210的額定頻率范圍為2 kHz至20 kHz。采用Type II跟蹤環路跟蹤輸入信號，并將正弦和余弦輸入端的信息轉換為輸入角度和速度所對應的數字量。該器件的額定最大跟蹤速率為3,125 rps。在16位分辨率時，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幅度。

圖1所示為AD2S1210、AD8662和相關電路的原理圖，其中包括一個推挽輸出級，它能夠向旋變器提供所需的電源。本電路的優勢之一是當不存在信號時，輸出晶體管只需要少量靜態電流。

AD2S1210的激勵輸出通常在EXC和EXC 輸出端提供3.6 V p-p正弦信號，這將產生一個7.2 V p-p差分信號。

汽車旋變器的典型轉換比為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2 V p-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，正弦和余弦輸入應具有差分3.15 V p-p的幅度，因此緩沖器級應提供約1.5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10 kΩ和15.4 kΩ，對應的增益為1.54。

電阻R3和R4設置放大器的共模電壓VCM(2) = +3.75 V。激勵輸出的共模電壓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，并確立該側的靜態電流。D1和Q1上的電壓(VBE)應保持一致，D2和T2上的電壓(VBE)應保持一致。3.3 Ω電阻和4.7 Ω電阻上的電壓也應保持一致。

選擇運算放大器AD8662是為了滿足推挽輸出級的驅動要求。旋變器和RDC轉換器往往用于惡劣環境中，因此一般需要能夠在擴展溫度范圍(−40°C至+125°C)工作的器件。該運放應提供2 MHz以上的帶寬，輸入失調電壓應小于1 mV。注意不得在0 V附近向信號引入失真，因為該失真可能無法被旋變器本身濾除。確保無失真的方法是設置輸出晶體管的偏置，使得過零時仍然有足夠的電流來維持線性。