电磁耦合式位移传感器的直接数字解调电路设计

2014-08-29杨睿程雪

现代电子技术 2014年15期

关键词：轴角

杨睿+程雪

摘要：针对电磁耦合式位移传感器轴角位置的测量，采用了由旋转变压器AD2S80A构成的测角系统，介绍了其工作原理、硬件构成及相关参数的选择。研究了系统与DSP的接口设计，并提出了利用锁存器解决在读取AD2S80A时出现的延时问题，从而提高了伺服控制系统的实时性。

关键词： AD2S80A；旋转变压器；轴角?数字转换芯片； DSP接口

中图分类号： TN911.7?34； TP383.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0098?03

Design of direct digital demodulation circuit for electromagnetic

coupling displacement sensor

YANG Rui， CHENG Xue

（Northwestern Polytechnical University， Xian 710129， China）

Abstract： An angle measuring system based on resolver AD2S80A was used for measurement of shaft angle position of electromagnetic coupling displacement sensor. The system working principles， hardware composition and correlative parameter are introduced. The design of interface between the system and DSP is researched. The latch is used to eliminate the time delay occuring when DSP reads AD2S80A data. Therefore， the real?time performance of the servo control system was improved.

Keywords： AD2S80A； resolver； shaft angle?digital conversion chip； DSP interface

0 引言

旋转变压器是一种常用的角位置传感器。相比测得相对位置的角位置光电编码器，旋转变压器除可测得绝对位置外，还有使用可靠，使用温度范围大，耐潮湿，抗冲击，抗辐射，无需维护，便宜，能在恶劣的环境下工作等优势。另一常用角位置传感器环形电位计，其精度易受温度变化、磨耗及滑动器和可变电阻器之间污垢的影响。相比之下，旋转变压器有精度高，寿命长，耐油污，抗冲击等优点。由于具备以上特点，旋转变压器被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、航空航天等领域的角度、位置检测系统中。

然而旋转变压器的输出信号需进行数/模转换等处理后，才能送入DSP中进行控制。为解决其解码复杂这一情况，美国模拟器件公司（Analog Devices Inc.）早就为其设计了专用的集成电路以简化其设计。但值得注意的是在DSP直接读取AD2S80A的输出数据时，需等待600 ns左右才能获得稳定有效的数据，这显然不利于系统控制的实时性。

本文所设计的接口电路，正是为了解决DSP读取AD2S80A的延时问题，以满足实时系统控制的要求。

1 旋转变压器的工作原理

旋转变压器是基于电磁感应原理的自整角机类位置传感器[1]。如图1所示，其转子和定子上分别装有互成90电角度的两个绕组。当励磁绕组以[VR=EPsin（2πft）]励磁时，转子绕组便产生大小与定转子绕组轴线之间夹角的正、余弦函数关系的感应电势。且[V正=E sin（2πft）sinφ，][V余=E sin（2πft）cosφ。]式中[φ]即为转子所转过的角度。所产生的正余弦信号还需送入RDC中进行解算才能被送入DSP中进行控制。

图1 旋转变压器的原理图

2 AD2S80A的解算原理

AD2S80A的作用是使用旋转变压器格式输入信号（[V正]和[V余]）解算出角度[θ，]并转换为所需要的数据类型输出。第一步，正余弦比率乘法器将[V正]和[V余]分别与AD2S80A解算得到的角度[θ]的正余弦信号相乘，如下式：

[V′正=Esin（2πft）sinφsinθ] （1）

[V′余=E sin（2πft）sinφcosθ] （2）

再将式（1）、式（2）的结果送入差分放大器中相减，可得如式（3）的一个函数关系：

[Ve=KEcos（θ-φ）sin（2πft）] （3）

将[Ve]送入带通滤波器，再经相敏调节，可得到误差信号如式（4）所示：

[V′e=KEcos（θ-φ）] （4）

式中：[K]是综合放大倍数。[V′e]经过积分环节送入至电压控制振荡器（VCO），VCO将产生与输入控制信号幅值成比例关系的脉冲序列。该脉冲序列再被送至计数器进行增或减计数，而计数的方向取决于输入电流的极性。当闭环系统稳定后， [V′e] 的输出为零，此时计数器中的数字角度[θ]即为旋转变压器当前的转角[φ，]转换成数字量后才是RDC的最终输出[2]。

3 AD2S80A的外围电路设计

AD2S80A是一款单芯片、10/12/14/16位旋转变压器数字转换器，提供40引脚DIP或44引脚LCC陶瓷封装。用户可通过SC1和SC2输入的逻辑状态将数字输出分辨率设为10，12，14，16位，分别对应着62 400 r/min，15 600 r/min，3 900 r/min，975 r/min的最大跟踪速率。用户通过设置不同的外围电阻和电容将得到不同的动态特性如带宽、最大跟踪速度等。本文选用16 b的分辨率。RDC的连接图如图2所示，外围电路具体计算方法参考AD2S80A的数据手册[3?4]。

因为AD2S80A内无激励电路（美国模拟器件公司的另一芯片AD2S1200中则集成了可编程正弦振荡器），所以需要外部的信号发生器提供正弦波激励。将频率为15 kHz，幅值为5 V的正弦信号作为参考频率，旋转变压器的正、余弦信号与RDC的SIN、SIN GND 和COS、COS GND引脚相连。AD2S80A的内部原理图及外部连接电路如图2所示。外围元件参数的选择应尽可能接近其理想数值，并运行在可工作的温度范围之内[5?6]。

（1）高频滤波器[R1，][R2，][C1，][C2]

这组高频滤波器的功能是来除掉所有的直流偏置和降低输入信号的噪声；元件的参数计算如下：

[15 kΩ≤R1=R2≤56 kΩ，C1=C2=1（2πR1fREF）]

式中[fREF]为参考频率。

图2 AD2S20A的连接图

（2）外接元件[R4]为增益规模电阻，其值与分辨率位数有关

[R4=EDC（3×100×109）]

当分辨率为10，12，14，16时，对应的[EDC]分别为160×10-3，40×10-3，10×10-3，2.5×10-3。

（3）外接元件[R3，C3]

确定参考输入的交流耦合参数，对它的设置应以参考频率[fREF]不发生明显相位偏移为标准：

[R3=]100 kΩ，[C3>1（R3?fREF）]

（4） [C4，][C5，][R5]确定闭环带宽

[C4=21（R6?f2BW），][C5=5?C4，R5=4（2πfBW?C5）]

式中：[fBW]为闭环带宽，当[fREF]为400 Hz时，[fBW]可能为100 Hz；当[fREF]为5 kHz时，[fBW]可能为500 Hz～1 kHz。

（5） [R6]影响系统的最大跟踪速率[T]

[R6=（6.32×1010）（T?n）]

式中：[n]为每转一圈的位数，当分辨率为10，12，14，16时，[n]分别为1 024，4 096，16 384，65 536。

（6） [C6，][R7]为VCO的相位补偿，应取固定值，通常为[C6=]470 pF，[R7=]68 Ω。

（7） [R8，][R9]组成了偏压调节电路。通常情况下[R8=]4.7 MΩ，[R9=]1 MΩ。

4 AD2S80A与单片机的接口电路设计

AD2S80A的16个数据输出口是通过ENABLE和INHIBIT信号进行锁存与使能控制。为了后续讨论方便，首先对其主要的控制信号做简要说明。

（1） BUSY信号。它决定了输出信号是否稳定有效。转换器的输入发生改变时，BUSY输出端将会是一系列的TTL脉冲。每变化一个LSB值，且AD2S80A的计数器增减时，就发出一个BUSY脉冲。BUSY引脚直接与计算机相连。为高电平时，数据不稳定；当为低电平时，数据有效可读。

（2） INHIBIT信号。INHIBIT的作用是禁止数据从计数器到输出锁存器的传送，但不会影响跟踪功能的实现。该信号线与单片机的片选信号相连，单片机读取完毕后，将立即释放INHIBIT，AD2S80A则自动生成一个BUSY脉冲以刷新输出数据。

（3） ENABLE信号。它决定输出数据的状态。该信号线与单片机的RD信号相连。为高电平时，输出数据将处于高阻态；为低电平时，锁存器中的数据将被送入输出口，且这一操作过程不会干扰转换环节。

而AD2S80A更新数据和单片机读取数据的具体过程是：当转换器处于跟踪转换状态（即输入发生变化）时，AD2S80A的BUSY信号将输出TTL脉冲信号。单片机检测到BUSY变为低电平时，立即将INHIBIT置低，禁止数据更新，此时转换结束。单片机通过Byte Select和ENABLE信号分别读取数据的高低位字节。读完后，单片机将立即释放INHIBIT信号，并自动生成一个BUSY脉冲，以刷新输出数据。这个过程的读取时序如图3（a）所示。

图3 AD2S80A的时序

如上所述，AD2S80A的INHIBIT逻辑输入可禁止数据从16位加减计数器传到输出锁存器。而INHIBIT置低后，数据总线上的数据并不是立即稳定有效，还需等待600 ns。对于指令周期只有几十纳秒的DSP来说，等待时间过长。为了避免如上所述的延时问题，可采取的方案有两种：

（1）利用软件实现精确的延时，即执行一定量的空指令，但这无疑浪费了许多机器周期；

（2）通过外围硬件电路实现，即在单片机外围加三态锁存器，使锁存器自动锁存AD2S80A每次输出的数据，以满足DSP的实时控制要求。

本设计采用后者。需要利用DSP中的定时器给锁存器一个脉冲，锁存器自动锁存AD2S80A的输出数据。完成锁存后再给DSP一个脉冲，告知锁存完毕。这样做的好处是控制的快慢可由定时器来控制，提高了数据的读取速率[7?8]。

AD2S80A输出数据为16位的并行数据，需采用2片三态锁存器74HC595来锁存数据，分别对应数据总线低8位和高8位。74HC595为宽电压供电，能支持逻辑3.3 V和5 V电平，这里用3.3 V供电，可完成AD2S80A总线5 V电平到DSP总线3.3 V电平的转换。将INHIBIT接高电平，ENABLE接低电平，AD2S80A的输出不断刷新。由图3（b）可知，数据更新时，BUSY信号为高电平，当数据有效时，为低电平。将BUSY信号通过一个非门SN54HC00A送入74HC595的CLK，即可使74HC595在数据有效时锁存AD2S80A的数据。

DSP不需要读取数据时，INHIBIT置为高，每一个BUSY下降沿将触发一个脉冲，更新的数据会锁存到锁存器中；DSP需要读取数据时，将INHIBIT置为低，阻止了锁存器中内容的变化，即可读取数据，不需要等待，读完再将INHIBIT置高即可，提高了控制系统的实时性。

为了增加总线的驱动能力，保证DSP可正常对锁存器的数据进行读取，还需要在DSP数据总线和角位置解算系统之间加上2片SN54H245 进行总线隔离。通过以上接口设计，即可得到转子的最新角位置数据[9?10]。系统接口原理图如图4所示。

5 结论

本文介绍的旋转变压器的信号调理电路，避免了AD2S80A因等待INHIBIT等信号而造成的读取延迟问题。这样的接口电路简单方便且成本低廉，有效提高了读取数据的速率，同时也使系统达到了实时控制的要求。

参考文献

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