用AD2S82A實(shí)現(xiàn)雷達(dá)方位角的數(shù)字變換

老式雷達(dá)對(duì)目標(biāo)方位的測(cè)量，一般是通過(guò)安裝在雷達(dá)滅線軸上的機(jī)電傳感器(如旋轉(zhuǎn)變壓器和同步機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)這樣的傳感器將天線當(dāng)前的方位角度值傳送到雷達(dá)的平面位置顯示器，由偏轉(zhuǎn)線圈與天線的隨動(dòng)系統(tǒng)在平面位置顯示器上顯示出方位掃描線，給雷達(dá)操作員指示目標(biāo)的方位角。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展．這種顯示方式已不適合時(shí)代發(fā)展的要求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的錄取、綜合、相關(guān)及顯示，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，需要將天線的方位角變換為數(shù)字信號(hào)，而ADI公司生產(chǎn)的單片旋轉(zhuǎn)角數(shù)字變換器AD2S82A正是一種可將旋轉(zhuǎn)變壓器格式的信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度數(shù)字信號(hào)的專用芯片。配合一些外圍電路及單片機(jī)，可靈活方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方位角的數(shù)字變換。

1 AD2S82A的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
AD2S82A是由美國(guó)ADI公司專為旋轉(zhuǎn)變壓器格式的旋轉(zhuǎn)角信號(hào)而生產(chǎn)的一種旋轉(zhuǎn)角／數(shù)字信號(hào)變換器，其封裝形式為44腳PLCC，旋轉(zhuǎn)角的數(shù)字輸出分辨率為10、12、14、16位可選，除了旋轉(zhuǎn)角的數(shù)字輸出外，它還輸出模擬速度量VEL、DC誤差信號(hào)及壓控振蕩(VCO)模擬控制信號(hào)。

1.1 功能結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
AD2S82A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由比率乘法器、相敏檢調(diào)器、壓控振蕩器(VCO)及輸出數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成。其中A1、A2作為輸 信號(hào)的緩沖器，與段選擇電路、16位加減計(jì)數(shù)器、R-2R DAC及誤差信號(hào)緩沖器A3構(gòu)成比率乘法器，作為AD2S82A的輸入電路，主要負(fù)責(zé)將從旋轉(zhuǎn)變壓器輸入的角度信號(hào)θ與16位加減計(jì)數(shù)器中的數(shù)字角φ作比較，并產(chǎn)生一個(gè)與兩個(gè)角度差相關(guān)聯(lián)的模擬電壓信號(hào)(AC ERROR)。該信號(hào)表示為A1 Sin(θ-φ)sinωt。Al為比率乘法器的增益系數(shù)，ω=2fREF。相敏檢調(diào)器的作用是把AC ERROR信號(hào)中所含旋轉(zhuǎn)變壓器輸入的角度θ與16位加減計(jì)數(shù)器中的數(shù)字角θ的角度差信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，并以直流模擬電壓信號(hào)輸出。壓控振蕩器(VCO)是一個(gè)控制16位加減計(jì)數(shù)器的電路，根據(jù)其輸入信號(hào)電壓的大小，控制16位加減計(jì)數(shù)器是進(jìn)行加計(jì)數(shù)還是進(jìn)行減計(jì)數(shù)。輸出數(shù)據(jù)鎖存器用于保存變換器的輸出數(shù)據(jù)，便于計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備讀取。

AD2S82A具有尺寸小，功耗低(300 mW)，靈活性好的特點(diǎn)，用戶通過(guò)2個(gè)引腳CSl和CS2可選擇10、1 2、14、16位分辨率。芯片采用了速率跟蹤轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不間斷的相位數(shù)據(jù)輸出，除無(wú)變換延時(shí)外，轉(zhuǎn)換處理與信號(hào)幅度的絕對(duì)值關(guān)聯(lián)不大。它還具有良好的噪聲抑制并容許參考信號(hào)及輸入信號(hào)存在一定的諧波失真；通過(guò)選擇外部電阻及電容的數(shù)值，用戶可以決定帶寬、最大跟蹤速率以及轉(zhuǎn)換器的速度量程．以適應(yīng)不同的系統(tǒng)要求；所需的外圍器件為價(jià)格較低廉的電容和電阻，而且它們的取值通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可得到；具有速度控制信號(hào)的模擬量輸出，其線性度可達(dá)l％，在許多應(yīng)用場(chǎng)臺(tái)中，這個(gè)信號(hào)可作為速度傳感器信號(hào)，為閉環(huán)馬達(dá)控制提供穩(wěn)定的速度反饋。

1.2 引腳說(shuō)明
AD2S82A的引腳按功能分為直流供電引腳、模擬信號(hào)輸入腳、控制信號(hào)輸入腳、狀態(tài)信號(hào)輸出腳、數(shù)字信號(hào)輸出腳、模擬速度量及VC0控制輸出腳。

1.2.1 直流供電引腳
直流供電引腳包括+VL、+Vs、一Vs、數(shù)字地及模擬地。+Vs、-Vs為片內(nèi)模擬電路的工作電壓，分別接+12V和一12V。VL為片內(nèi)數(shù)字電路的工作電壓，其電壓可接+5V DC至+Vs。模擬地與數(shù)字地必須在外部連接。

1.2.2 模擬信號(hào)輸入腳
模擬信號(hào)輸入腳包括用于連接到旋轉(zhuǎn)變壓器的SIN信號(hào)、COS信號(hào)、參考信號(hào)和信號(hào)地。信號(hào)地在芯片內(nèi)部已與模擬地相連。為了減小信號(hào)之間互相耦合的影響，SIN信號(hào)、COS信號(hào)和參考信號(hào)應(yīng)分別采用雙絞線連接，它們的信號(hào)地線匯接到芯片的信號(hào)地引腳上。3個(gè)輸入信號(hào)的電壓幅度(有效值)要求為2 V，允許有10％的波動(dòng)范固。如果信號(hào)電壓的波動(dòng)超過(guò)10％，則將導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)的精度降低。信號(hào)允許的諧波失真率為10％。

1.2.3 控制信號(hào)輸入腳
控制信號(hào)輸入腳包括INHIBIT、ENABLE、BYTESELECT以及SCl和SC2。通過(guò)設(shè)置SCl和SC2的邏輯狀態(tài)，用戶可以自行選擇變換器輸出數(shù)據(jù)的分辨率(10、12、14和16位)。需要注意的是，分辨率的改變，會(huì)影響到外部元件R4和R6的選擇(見(jiàn)第3部分，外圍元件的連接及選擇)。通常INHIBIT腳與計(jì)算機(jī)的CS信號(hào)相連接。將該信號(hào)置為低電平，用于把加減計(jì)數(shù)器的數(shù)值打入到鎖存器中，600ns后可從鎖存器中讀出有效數(shù)據(jù)，1NHIBIT變高將會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)BUSY脈沖信號(hào)，以刷新輸出數(shù)據(jù)。ENABLE腳通常與計(jì)算機(jī)的RD信號(hào)相連接。當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，數(shù)字輸出引腳全部為高阻狀態(tài)；當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)，將鎖存器中的數(shù)據(jù)置到數(shù)據(jù)輸出引腳。該信號(hào)的操作不會(huì)影響變換器的工作。BYTESELECT引腳用于數(shù)據(jù)輸出的字節(jié)選擇，當(dāng)用戶使用8位寬度的數(shù)據(jù)總線時(shí)，只需將變換器的高8位連接到數(shù)據(jù)總線上；在ENABLE為低的情況下，當(dāng)BYTE SELECT為高電平時(shí)，變換器將高8位數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線；當(dāng)BYTE SELECT為低電平時(shí)，變換器將低8位數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線。如果用戶使用16位寬度的數(shù)據(jù)總線，將變換器的數(shù)據(jù)輸出全量與數(shù)據(jù)總線相連接，并將BYTE SELECT腳置為高電平或懸空。注意：當(dāng)變換器的分辨率被選擇為非16位時(shí)，無(wú)用的數(shù)據(jù)位將被強(qiáng)置為低電平。BYTE SELECT信號(hào)的操作同樣不影響變換器的工作。

1.2.4 狀態(tài)信號(hào)輸出腳
器件的狀態(tài)信號(hào)輸出腳包括BUSY(忙)、DIR(正／反轉(zhuǎn))及RIPPLE(過(guò)零)信號(hào)。BUSY引腳為計(jì)算機(jī)查詢變換器的工作狀態(tài)提供了方便，當(dāng)輸入到變換器的SIN和C0S信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，BUSY腳輸出一連串TTL電平脈沖。當(dāng)BUSY為高電平時(shí)，表示變換器內(nèi)部的二階電子伺服環(huán)路正在工作，加減計(jì)數(shù)器正在發(fā)生變化，數(shù)字輸出端的數(shù)據(jù)不能直接輸出；反之，可從數(shù)字輸出端直接讀取數(shù)據(jù)。DIR引腳的輸出表示旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，DIR狀態(tài)的變化超前于相應(yīng)的BUSY、輸出數(shù)據(jù)及：RIPPLE信號(hào)的變化，在兩個(gè)連續(xù)LSB變化周期之間可能發(fā)生多次DIR的變化。RIPPLE引腳在變換器輸出產(chǎn)生進(jìn)位(比如由全l變?yōu)槿玂或相反)時(shí)，即輸入完成1周旋轉(zhuǎn)或1個(gè)節(jié)距時(shí)，輸出1個(gè)正跳變脈沖，脈沖寬度大于300 ns。

1.2.5 模擬速度量VEL及DO誤差信號(hào)輸出腳
變換器產(chǎn)生一個(gè)表示輸入角變化率的直流模擬輸出信號(hào)VEL，在許多場(chǎng)合中，可用于替代傳統(tǒng)的測(cè)速傳感器信號(hào)。DC誤差信號(hào)由相敏檢波器產(chǎn)生，表示輸入角與輸出的數(shù)字角度之間的誤差量，也是一個(gè)直流模擬電壓信號(hào)。其電壓值與輸入和輸出角之差成正比。

1.2.6 數(shù)字輸出腳
旋轉(zhuǎn)變壓器的角位移量經(jīng)過(guò)變換后，以二進(jìn)制碼的形式并行輸出。根據(jù)用戶對(duì)分辨率及精度的不同要求，變換器有10、12、14及16位數(shù)字輸出可供選擇。

1．3 數(shù)據(jù)傳輸
從變換器讀取旋轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)遵循以下步驟：檢測(cè)BUSY信號(hào)，若BUSY為“1”，則數(shù)據(jù)無(wú)效，反之?dāng)?shù)據(jù)有效；給INHIBIT腳加低電平；等待600ns后，給ENABLE腳加低電平，行有效數(shù)據(jù)的讀取。其信號(hào)關(guān)系如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
利用AD2S82A豐富的片內(nèi)資源及其靈活的外圍電路設(shè)置，可設(shè)計(jì)出適用于不同雷達(dá)、不同用戶需求的雷達(dá)方位角數(shù)字變換器，硬件電路構(gòu)成如圖3所示。該硬件電路系統(tǒng)由輸入信號(hào)緩沖電路、AD2S82A及其外圍電路、電源模塊及讀取和向上位機(jī)傳送方位角數(shù)據(jù)的微處理器幾部分構(gòu)成。其中電源模塊為微處理器及AD2S82A提供+5V數(shù)字電源，為AD2S82A及輸入信號(hào)緩沖電路提供士12V電源。

圖4為一種適用于具有旋轉(zhuǎn)變壓器的雷達(dá)方位角數(shù)字變換器的電原理圖。與天線隨動(dòng)的旋轉(zhuǎn)變壓器使用400 Hz、115V交流激磁電壓，輸出最大90 V的sin和cos旋轉(zhuǎn)角信號(hào)。數(shù)據(jù)分辨率采用12位，由8位單片機(jī)AT89C205l讀取變換后的數(shù)據(jù)，并向上位機(jī)傳送。AD2S82A的外圍器件根據(jù)要求，按第3部分的方法選取并連接。經(jīng)計(jì)算，在圖5中它們的取值為：

系統(tǒng)的工作過(guò)程：從與雷達(dá)天線同步的旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)的115V、400 Hz激磁信號(hào)輸入到由R1、R2、R2、R4及運(yùn)放A1組成的衰減緩沖電路后。產(chǎn)生AD2S82A所需的2V(有效值)參考信號(hào)。同樣，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的sin和cos信號(hào)也經(jīng)過(guò)相似的衰減緩沖電路，產(chǎn)生AD2S82A所需的2V(有效值)sin及cos信號(hào)。它們被連接到AD2S82A相應(yīng)的輸入端，經(jīng)AD2S82A變換后，在其數(shù)據(jù)輸出端產(chǎn)生與雷達(dá)天線方位角對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。由單片機(jī)讀取方位角的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換處理，最后向上位機(jī)傳送雷達(dá)天線的方位角度值。衰減緩沖電路中電阻值的選取，耍根據(jù)不同型號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器選取不同的數(shù)值。每個(gè)運(yùn)放輸入端的齊納二極管，是為了保護(hù)運(yùn)放不被高壓擊毀。對(duì)于使用同步機(jī)的其他型號(hào)雷達(dá)，衰減緩沖電路應(yīng)設(shè)計(jì)成斯考特電路或采用斯考特輸入變壓器。關(guān)于斯考特電路這里不作討論。

3 外圍元件的連接及選擇
為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角的數(shù)字變換，AD2S82A還需要一些外圍輔助電路。這些電路的工作特性除了能夠影響變換電路的整體動(dòng)態(tài)特性外，甚至還能影響到電路的變換精度。因此，外圍元件的選擇顯得格外重要。AD2S82A的外圍電路連接如圖5所示。

①Rl、C1、R2、C2構(gòu)成HF濾波器。其作用是去除直流偏移并減小輸入信號(hào)中噪聲信號(hào)對(duì)相敏解調(diào)及輸出數(shù)據(jù)的影響。它們的選擇可根據(jù)如下公式計(jì)算：

fREF為參考信號(hào)的頻率，單位為Hz。
②R4為DC誤差信號(hào)的增益調(diào)整電阻。在選擇好Rl和C2之后，R4應(yīng)根據(jù)如下公式計(jì)算：

③R6是決定變換器電路最大跟蹤速度的電阻。根據(jù)用戶對(duì)最大跟蹤速度的要求，由下式計(jì)算R6的值(注意，最大跟蹤速度為每秒T轉(zhuǎn)，不能大于參考信號(hào)頻率的1／16)：

④C4、C5和R5構(gòu)成閉環(huán)帶寬(fBW)選擇電路。對(duì)于400 Hz的參考信號(hào)，典型的帶寬取值為100 Hz；對(duì)于5000 Hz的參考信號(hào)，典型的帶寬取值為500～1000 Hz。要求該電路能確保參考信號(hào)的頻率與帶寬之比大于下列數(shù)值的要求：

式中：R6的單位為Ω，fBW的單位為Hz。
⑤R3和C3構(gòu)成參考信號(hào)的交流耦合電路。為R3和C3選擇適當(dāng)?shù)闹?，可使參考信?hào)無(wú)相位偏移。這里R3=100kΩ。

⑥C6和R7構(gòu)成VC0的相位補(bǔ)償電路。它們的取值為：
C6=470pF，R7=68Ω
⑦R8和R9組成偏置調(diào)整電路，保證其所接輸入端的直流電平為OV。它們的取值為：
R8=4.7 MΩ，R9為lMΩ的多圈電位器。

4 軟件設(shè)計(jì)
電路中單片機(jī)89C2051的主要功能是讀取AD2S82A產(chǎn)生的方位角二進(jìn)制數(shù)字并經(jīng)串口向上位機(jī)傳送。其程序的主要模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)及串口初始化、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)上報(bào)。注意：在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)讀取程序時(shí)，由于采用了8位寬度的數(shù)據(jù)總線，所以在讀取方位角數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)分兩次讀取，第一次讀取高位，第二次讀取低位數(shù)據(jù)。圖6為單片機(jī)程序流程。讀取方位數(shù)據(jù)的程序?yàn)椋?/P>

結(jié)語(yǔ)
具有高集成度的AD2S82A，體積小，靈活性強(qiáng)，大大方便了旋轉(zhuǎn)角的數(shù)字變換。用它設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)角數(shù)字變換電路，電路簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換精度高，工作穩(wěn)定可靠，適用性強(qiáng)。另外，由于它還有模擬量信號(hào)的輸出，還可應(yīng)用于交流馬達(dá)控制、過(guò)程控制和機(jī)器人等領(lǐng)域。