AD2S90串行数据输出的12bitRDC单片集成电路

AD2S90是一种分辨率为12bit的跟踪型旋转变压器/数字转换器。它不必像AD2S80A系列那样由用户设置外围元件就可工作。它使用±5V±5%双直流电源。它是按ANALOGDEVICES公司的LC²MOS工艺制作的单片集成电路、采用20引脚方形PLCC封装。这是一种将高精度双极型线性电路和低功耗CMOS逻辑电路相结合的混合技术工艺。

AD2S90接收从旋转变压器来的信号(SIN、COS和REF输入)它们的幅值为2V(有效值)士10%,频率范围为3～20kHz,采用Ⅱ型伺服环的跟踪型转换原理，将输入模拟角度信号转换成数字型轴角信号。由内部设置，本转换器带宽为1kHz.最高跟踪速度为375r/s。

输出轴角数字信息有两种方式，这是AD2S90的特点。一个是绝对串行二进制输出(12bit);另一个是模仿增量式编码器输出：A、B和NM信号、等效于一个1024线增量式编码器。标志信号NM有三种脉宽可选。

此外，还有一个模拟速度信号输出和一个表示转轴转向的方向信号(DIR)输出。

推荐工作条件：

功率电源直流电压(VTn,Vss)

输入模拟电压有效值(SIN,COS,REF)输入模拟电压失真度

输入信号与基准信号间相移工作温度范围(工业级)

±5V±5%2V±10%

10%士10°(max)—40~+85℃

AD2S90原理框图见图8-20,引脚功能说明见表8-10。

表8-10AD2S90引脚功能说明

1.工作原理和功能说明AD2S90工作原理与前述一般跟踪型RDC相同。从图8-20框图可见，只增加了串行口电路和译码逻辑电路。

与一般的RDC不同，AD2S90输出数字角信号不是多线的并行二进制数码，而是采用串行口，只有三根接口线：DATA、CS和SCLK。当CS高电平时，DATA输出口呈高阻态。直至CS变为低电平时，DATA口被使能，内部计数器的角度信息传输到串行口。在SCLK端施加外来时钟，将数据读出。此时钟允许最高速率为2MHz。为了保证完整地提取数据，必须在CS变为低电平后至少600ns才施加SCLK脉冲。以后，相对于每一个SCLK脉冲的后沿依次提取12bit的数据。第12个SCLK后沿以后，至少过100ns方允许CS恢复高电平。如果用户要继续提取数据，CS至少还要过250ns后方可再变为低电平。这样，如果对12bit数据用2MHzSCLK提取，每次所需时间约为600+(12×500)+250+100μs=6.95μs也就是说，最高数据读取速度是144KB/s。在图8-21给出一个串行读取周期定时图。在表8-11列出图8-21中所示时间规定。

表8-11串行读取定时的说明

在AD2S90内的译码电路产生模仿1024线的增量编码器信号A、B和NM:即旋转变压器每转一转，将有1024个A和B脉冲输出，和一个标志信号NM输出。NM是绝对轴角位置通过零位时产生的，可利用NMC脚接入不同电平(+Vpp、0、-Vss)得到NM的不同高电平宽度(分别为90°、180°、360°)。这里的度数是相对于A信号一个周期为360°而言的。波形图见图8-22。

在AD2S90中，每一个LSB增量对应一个CLKOUT,即VCO的一个输出时钟。最高VCO时钟频率为1.536MHz。A和B信号是由最低位LSB和次低位产生、相当于CLKOUT的四分频信号，所以，其最高频率为1.536MHz/4=384kHz对应于轴角的转速为

作为对比，真正的增量式光学编码器最高信号频率只是20kHz(采用光电二极管)到125kHz(采用激光的)。一台1024线的激光编码器最高允许轴转速只有7300r/min。

模拟测速直流电压VEL的最大输出为±2.5V.正或负值表示正转和反转。每伏电压相当于转速150r/s、即9000r/min。对应的测速斜率为0.11mV/(r/min)。

AD2S90有固定的加速度因数KA=72.8×10⁶s-²。当系统加速度为100r/s²时，转换器引起的轴角滞后误差为

2.应用示例

(1)用AD2S90构成数字旋转变压器：AD2S90成本低，可提供三线串行轴角信息和三线模仿增量式编码器信号的特别功能，还可提供测速模拟信号VEL和方向信号DIR等功能。它采用方型小封装，使它有可能直接安装在电机内部。美国生产自整角机类产品的著名厂家LittonClifton公司将AD2S90与一台11号机座无刷旋转变压器组装为一个整体，成为DRBB-11型数字旋转变压器。它比原来的电机只加长了0.8in(约20mm):图8-23表示了它的内部电路框图。它还包含一片AD712双运算放大电路，其中一个运算放大器接成文氏振荡桥产生基准电压信号，另一个运算放大器作缓冲放大器，供旋转变压器激励。

此种数字旋转变压器适用于那些对成本更敏感的应用，如计算机外设、家用电器等。它也可用于汽车，用来测量车轮的转速。与常规的编码器相比，它更加结实牢靠，有较高精度和分辨率，可提供信号隔离和对无线电干扰信号有较高的共模抑制能力，并具有对电压变化以及恶劣的温度和湿度变化、冲击振荡耐受能力较强等优点。

像LM628、LM629那样的先进运动控制大规模集成电路，需要用增量式编码器作位置传感元件，在这样的系统里，改用AD2S90构成的数字旋转变压器是合适的，参见第13章的LM628/LM629运动控制处理器。

(2)与DSP接口：AD2S90可提供串行轴角数据，特别适合DSP(数字信号处理器)的接口要求。目前，DSP在运动控制的应用日益增多。

图8-24表示最常见的TMS32020数字信号处理器与AD2S90主要接口情况。TMS32020的数据接收寄存器(DRR)由SCLK时钟作用接收从AD2S90的DATA来的串行数据。但DRR是16位的，为了获得12个有效位，DSP必须执行三次右移，第1位无效，最后3位将是零。当16位都接收后，TMS32020产生一个内部中断信号从DRR读取数据。

其他的DSP,如ADSP-2101、2102、2105、2111,DSP56000,NEC7720,可仿照上例与AD2S90接口。

(3)绝对轴角数据串行-并行转换：将AD2S90串行轴角数据转换为并行数据的方法有许多，定时数字脉冲信号可以用微处理器或硬件电路产生。图8-25展示使用硬件电路的例子。图8-26则是一个完整的电路图。我们使用两个74HC595作为移位寄存器、一个74LS169计数器/分频器、一个74121单稳态电路和一个延时电路。选择正确的输入时钟脉冲频率(SCLK),产生装入脉冲(LOADPULSE)、片选脉冲(CS)。

假如取SCLK频率为653kHz(占空比为79%),则12bit并行数据读出速率为54416B/s。

(4)远距离多路轴角信息传输；当CS为高电平时，AD2S90的DATA口维持高阻态。这就使用户有可能将多个旋转变压器的AD2S90轴角信息连接到共用的总线上远距离传输。图8-27表示四台旋转变压器和它们的AD2S90共用SCLK、DATA数据线和两条地址线的例子。四个旋转变压器用一个振荡器激励。地址线信号用一个74HC139组成的2-4译码器得到四个AD2S90的片选信号CS,、CS₂、CS₃、CS,利用发送器和接收器，在远方可得到四组轴角数据。