基于AD976的自整角机/旋转变压器平台设计

张 亮，周凤星，丁 磊

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉430081）

在现今工业控制和军事应用中，如火控系统、天线跟踪、伺服控制等方面，经常要求对设备的角度信息进行采集、显示和调整[1]，本自整角机旋转变压器检测台正是基于此种要求实现的。

本设计采用自整角机、旋转变压器/直流电源转换器（SAC）将设备的角度信号 （0°～360°）转换为电压信号，经AD976模数转换及单片机C8051的控制后可实现数据存储storage、波形回显waveform display及波形打印等功能。

1 系统框图

系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System diagram

2 自整角机/旋转变压器-直流电压转换器

2.1 SAC简介

自整角机/旋转变压器－直流电源转换器（SAC）等效于一个自整角机/旋转变压器－数字转换器加上一个精密的数字－模拟转换器[2]。它的输入信号是自整角机或旋转变压器的转变电压。输出信号正比于自整角机或旋转变压器的转子转角。可应用于图形记录器、X－Y绘图仪、图像记录仪等记录仪器测量和记录自整角机或旋转变压器信息，可广泛应用于火控系统，天线跟踪，伺服控制和位置控制回路等方面。

2.2 工作原理

转换器工作原理如图2所示。

图2 转换器原理框图Fig.2 Commutator principle block diagram

如果转换器是自整角机－数字转换器，则自整角机的三线输出应连接到转换器的S1，S2和S3引脚。有下列等式：

这里，θ是自整角机轴角。

如果转换器是旋转变压器－数字化转换器，则旋转变压器四线输出应连接模块上的S1，S2，S3和S4引脚，则有下面公式：

±15 V、+5 V电源应分别接在相应引脚上。电源对地公共端接 GND脚，±15 V 与 GND 之间以及“－15 V”与“GND”之间应并联容值 0.1 μF和 6.8 μF的两个电容。 S4脚只对旋转变压器/直流电压转换器才有效。

“VEL脚”和“GND”脚之间输出的模拟电压正比于输入角速度。输入数字（角度）增大时，输出负电压；输入数字（角度）减少时，输出正电压。不同型号的SAC转换器相应与各自的最大角速度时的额定输出电压都是±10 V。

表示数字角度的模拟输出电压都由“OUT”和“GND”脚输出。对应于±180°的输出电压为±10 V，最大输出电流5 mA。在输入信号为同步机形式的信号时，只要把原来的“S1”脚接线和“S3”脚接线对换一下即可。

SAC转换器的输入端可以串接标定电阻。当自整角机转换器的信号电压超过额定参考电压时，需要分别与S1、S2、S3脚串接电阻。信号电压每高1 V（与额定信号电压相比）阻值增加1.11 kΩ ；同样，在参考电压高于额定参考电压时，在R脚串入一电阻，参考电压每升高1 V，电阻增加2.2 kΩ。

对于旋转电压数字转换器来说，应在S1和S2脚分别串入标定电阻。与额定电压相比，信号每增加1 V，阻值增加2.22 kΩ；参考电压高于额定值时。每增加1 V。阻值增加2.2 kΩ。

信号输入端串接的电阻与计算值相比，其绝对误差输出精度影响较小，但应尽量一致。一般来说，阻值相对误差为1%时，会引起附加转换17角分；阻值相对误差为0.1%时，引起的附加转换减小1.7角分。参考电压输入端串接的电阻R，其阻值绝对误差精度影响较小。

3 AD976模块

3.1 AD976简介

在计算机控制系统和各类由微处理器（或单片机）构成的智能仪器中，外部输入的模拟信号都必须经AD转换器的采样、量化后，才能被微处理器所接受。与8位和12位的AD转换器（ADC）相比，16位ADC在精度要求较高的场合显然更胜一筹。数据采集的精度及速度，很大程度上取决于AD转换芯片。为了配合单片机实现100 kHz以下的高速数据采集，通过多方比较选用了AD976芯片[3]。

AD976是一个+5 V单电源供电的高速、低功耗16位逐次逼近式AD转换器，转换速度为100 kSPS，功耗为100 mW。AD976的集成性好，内部包含2.5 V参考电压源、高速并行接口和时钟。出厂前芯片的所有线性误差都得到了补偿，并且诸SNR（信噪比）和THD（总谐波失真）等的交流参数及失调、增益和线性度都得到全面测试。

3.2 AD976的主要特点

AD976的主要特点为：1）带有高速并行接口；2）采样速率可达100 kSPS；3）功耗低，采用单5 V电源供电，最大功耗为100 mW；4）精度高，具有16位分辨率，其最大积分非线性误差仅为LsB/2，并可做到16位不失调；5）可选内部或外部的 2.5 V 参考电源；6）±10 V 量程。

3.3 AD976的转换控制和时序

1）AD976/AD976A是具有 100 kSPs/200 kSPs高通过率的并行输出ADC；2）需+5 V单电源供电，且具有100 mW的低功耗；3）片上集成有ADC、参考电源和时钟；4）采用开关电容/电荷重分布结构，其内部的自动校正逻辑可以校正内部的非线性，从而使其性能总体上得到了优化。

3.4 AD976/AD976A的管脚及功能

AD976/AD976A管脚如图3所示。

图3 AD976管脚示意图Fig.3 Pin configuration

1号脚（VIN）为模拟信号输入端，模拟信号输入范围为－10～+10 V，一般需在与15 V模拟信号源之间接一个200 Ω的电阻。2号脚（AGN）为模拟地，作为REF的地参考点；3号脚（REF）为输入／输出参考端，此端连接内部+2.5 V参考电源。4号脚（CAP）为缓冲输出参考端，与AGND2之间需连接一个 2.2 μF 电容；5 号脚 （AGND2）为模拟地，6 至 13 号脚（D15－D8）为数字输出高 8 位，14 号脚（DGND）为数字地，15至22号脚（D7－D0）为数字输出低8位。23号脚（BYTE）为位选择端，BYTE 为 0时，D15－D8自引脚 6－13输出，D7－D0自引脚 15－22输出；BYTE为 1时，D15－D8自引脚 15－22输出，D7 DO自引脚6－13输出。24号脚（R/C）为读数／转换控制端，R/C端信号的负跳变在CS为低电平时，模数转换器内部采样保持器为保持状态，并开始进行转换；R/C端信号的上跳沿CS为低电平时，转换结果数据可被读出。25号脚CS为片选端，R/C为低时，CS的下降沿将触发模数转换；R/C为高时，CS的下降沿将使转换数据输出；而CS为高时，数据的输出将被禁止。26号脚（BUSY）为指示端，模数转换开始后，此端持续为低直到转换过程结束，并将输出数据锁存在输出寄存器中，所以BUSY端的上升沿可用来作为外部数据锁存器的CLK信号。BUSY信号同时可作为单片机中断信号，CS为低，R/C为高时，通知单片机读数据结果。27号脚VANA为模拟电压输出端，额定值为+5 V；28号脚VDIG为数字电压输出端，额定值为+5 V。

4 单片机C8051

4.1 单片机外围电路

本设计采用双单片机系统，一个单片机负责数字信号的接受，另一单片机负责按键的输入及液显的输出。

图4为负责数字信号接收的单片机外围电路。D1～D8外接AD转换器，是数字信号的接入口；T1～T16为两个单片机对应相连口，起到数据传输和共享的作用；T17～T24外接锁存器，用于数字信号控制（DSC）模块[4]。

图5为负责相关功能按键输出与液显输出控制的单片机外围电路[5]。K1～K24为相关功能按键口，其中P2.7为LED负极接口，外接10 kΩ电阻和NPN三极管与LED负极相接；LED正极串联电阻后接+5 V电压。

图4 数字信号接收功能单片机外围电路Fig.4 Peripheral circuit of single chip for digital signal inception

图5 按键、液显功能单片机外围Fig.5 Peripheral circuit of single chip for buttons and LED

4.2 AD976及双CPU外围电路

图6为一个典型的AD976A与51单片机的接口电路[6]，单片机的 P2.7与 WR（写信号）相或后产生 R/C 信号；P2.7与RD（读信号）相或后再与R/C相与得到CS；BYTE直接与单片机的 P2.0 相接；BUSY 信号接到 P1.0；AD976A 的 D0～D7接到单片机的 P0.0～P0.7。 当 P2.7 变为低电平时，无论读、写信号中哪一个都有效（低电平有效）。或门输出都为低，从而CS信号有效。当单片机对外写时，W 变为低，R/C产生一个下降沿，开始一次转换，然后R/C又变为高电平。单片机检测P1.0口变为高时，说明一次转换结束，数据可用。当P2.0（即BYTE）为低时，单片机数据总线上为低8位数据，反之则为高8位。

4.3 AD976驱动程序

图6 外围电路Fig.6 The peripheral circuit

5 结束语

文中从硬件设计角度出发，采用两片单片机配合AD976实现了对数据的测频、采集以及上位机的控制等功能，确保了数据采集的实时性和准确性[7]。另外，CPU通过频率分段自动选择实时采样和等效采样，保证了AD976的最大信号采集频率[8]。AD976为16位模数转换器，不仅分辨率高、转换速度快[9]，而且可以很方便地与不同位数的微处理器接口，电路简单，应用灵活，因而具有很广泛的应用前景。

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