基于AD2S83的角位置檢測系統(tǒng)及其在雷達(dá)伺服系統(tǒng)
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【摘 要】 對旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字變換器（RDC）集成電路AD2S83進(jìn)行了介紹，并簡述了它在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字變換器（RDC），AD2S83，雷達(dá)伺服系統(tǒng)
1 引 言
基于電磁感應(yīng)原理的旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）是一種精密微控制電機(jī)，在雷達(dá)天線角位置伺服系統(tǒng)中，完成軸角位移信息的檢測功能。由于它是模擬機(jī)電元件，所以，用于計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，就需要一定的接口電路，即旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字變換器（RDC），以實(shí)現(xiàn)模擬量信號到控制系統(tǒng)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，美國AD公司已將它發(fā)展成為一系列的單片集成電路，從而彌補(bǔ)了過去由分立元件搭成的RDC體積大、可靠性低的不足，給工程應(yīng)用帶來了極大的方便。由旋轉(zhuǎn)變壓器和AD2S83就可以構(gòu)成高精度的雷達(dá)天線角位置檢測系統(tǒng)，而且AD2S83輸出的模擬速度信號還可以作為速度反饋信號以構(gòu)成雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的速度回路。
2 旋轉(zhuǎn)變壓器
旋轉(zhuǎn)變壓器是按照電磁感應(yīng)原理而工作的元件，其定、轉(zhuǎn)子上都有繞組，彼此同心安排，互相耦合聯(lián)系，旋轉(zhuǎn)變壓器采用正交的兩相繞組，它主要用于角度位置伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的產(chǎn)生和檢測元件。若旋變的勵(lì)磁電壓為Uf＝Ufmsinω·t，則正交的A、B兩相繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢為
eA＝Emcosθsin（ωt＋α）（1）
eB＝Emsinθsin（ωt＋α）（2）
其中，θ為旋變的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，α為次級電動(dòng)勢與初級勵(lì)磁電壓之間的相位角。
3 AD2S83簡介
AD2S83是美國AD公司推出的以BIMOSⅡ工藝制造的，將先進(jìn)的CMOS邏輯電路與高精度雙極線性電路相結(jié)合的單片集成電路。它功耗低（300mW），其數(shù)字輸出分辨率可被用戶設(shè)置成10，12，14或16位，并具有速度輸出信號可供用戶作為速度回路的速度反饋信號使用，以取代測速發(fā)電機(jī)等測速元件，從而縮小了系統(tǒng)的體積。
AD2S83按圖1連接后，就構(gòu)成一個(gè)工作于Ⅱ型伺服環(huán)的跟蹤式RDC，其數(shù)字輸出能以選取的最大跟蹤速率自動(dòng)跟蹤軸角輸入，沒有靜態(tài)誤差。由于它在把旋轉(zhuǎn)變壓器信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)時(shí)，采用比率式跟蹤方法，輸出數(shù)字角僅與SIN和COS輸入信號的比值有關(guān)，而與它們的絕對值大小無關(guān)，因此，AD2S83對輸入信號的幅值和頻率變化不敏感，不必使用穩(wěn)定、精確的振蕩器來產(chǎn)生參考信號，而仍能保證精確度。轉(zhuǎn)換環(huán)路中相敏檢測器的存在保證了對參考信號中的正交分量有很高的抑制能力。另外，它抑制噪聲、諧波的能力強(qiáng)。AD2S83最突出的優(yōu)點(diǎn)就在于它可由用戶選擇相應(yīng)的參數(shù)來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。
4 速度輸出與角位置檢測電路的設(shè)計(jì)
速度輸出與位置檢測電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，就是要正確地選擇AD2S83的外圍元件。下面就介紹AD2S83外圍元件的選擇。應(yīng)注意選用最接近理想值的元件，并工作于允許的溫度范圍內(nèi)。選用誤差等級為5％的元件并不會(huì)降低變換器的性能。參見圖1。
4．1 高頻濾波器元件R1、R2、C1、C2的選擇
高頻濾波器的作用是消除直流偏置和減少進(jìn)入到AD2S83信號中的噪聲，因?yàn)樗鼈冇绊懴嗝魴z測器的輸出。在有來自開關(guān)電源和無刷電機(jī)的噪聲時(shí)，其作用尤其重要。元件參數(shù)的選擇如下：
當(dāng)取R2＝R3，C1＝C3時(shí)，R1、C2可以省略。
注意：由于該高頻濾波器對輸入到相敏檢測器的信號有3倍的衰減，因此，它會(huì)影響環(huán)路的增益。
4．2 增益比例電阻R4的選擇
若R1，C2滿足（3）式和（4）式，則
其中，100×10－9＝電流／LSB；
EDC＝160×10－3 10位分辨率；
＝40×10－3 12位分辨率；
＝10×10－3 14位分辨率；
＝2．5×10－3 16位分辨率。
4．3 R3，C3的選擇
合適的R3、C3使信號在參考頻率上沒有明顯的相位移，兩元件為：
VCO的輸入電阻R6用來設(shè)置變換器的最大跟蹤速率。若在最大跟蹤速率時(shí)，速度輸出為8V，則R6為：
4．5 閉環(huán)帶寬的選擇
選擇閉環(huán)帶寬（fBW）時(shí)，必須保證參考頻率與閉環(huán)帶寬的比率不超過表1所示的指標(biāo)。
C6，C7，R7取以下的值：C6＝390pF，C7＝150pF，R7＝3．3kΩ。
4．7 偏置調(diào)整
積分器輸入端的漂移與偏置電流會(huì)引起變換器輸出端額外的位置漂移，如果能忽略漂移，則可省略R8，R9，否則應(yīng)取R8＝4．7MΩ，R9＝1MΩ（電位器）。為了減小零點(diǎn)漂移，首先選擇好AD2S83的外圍元件，并斷開AD2S83與旋轉(zhuǎn)變壓器的連接，然后連接COS與REFERENCEINPUT兩個(gè)引腳，SIN與SIGNALGROUND兩個(gè)引腳，加上電源與參考信號后，調(diào)節(jié)電位器R9，使輸出為全“0”。
AD2S83的輸出分辨率可以通過SC1，SC2兩個(gè)管腳的邏輯狀態(tài)被用戶設(shè)置為10，12，14，16位，具體見表2。
雷達(dá)伺服系統(tǒng)必須滿足一定的精度要求，同時(shí)要確保其具有高的可靠性，而在某些雷達(dá)中還要求其體積小、重量輕?；跓o刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83集成電路的優(yōu)點(diǎn)，選用高可靠性的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與AD2S83 RDC構(gòu)成這些雷達(dá)的角位置檢測系統(tǒng)，并以AD2S83的模擬速度輸出信號來作為速度反饋信號構(gòu)成雷達(dá)伺服系統(tǒng)的速度回路是設(shè)計(jì)這些雷達(dá)伺服系統(tǒng)時(shí)較好的選擇。系統(tǒng)框圖見圖2。
根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，按照上述計(jì)算方法選定AD2S83的外圍元件后，即可設(shè)計(jì)出速度反饋與位置檢測電路。在具體實(shí)現(xiàn)該電路時(shí)應(yīng)注意＋Vs，－Vs與ANALOG GROUND之間，＋VL與DIGITAL GROUND之間要分別并聯(lián)100μF（陶瓷）和10μF（膽）的去耦電容，它們應(yīng)盡量靠近AD2S83變換器放置，而且每個(gè)變換器都應(yīng)有自己單獨(dú)的去耦電容。旋變的兩個(gè)信號地應(yīng)連到變換器的SIGNAL GROUND管腳，以減少正、余弦信號間的耦合，另外，旋變的正、余弦信號以及參考信號最好分別使用雙絞屏蔽線。
下面介紹計(jì)算機(jī)對AD2S83 RDC的操作，在此之前先對AD2S83變換器的控制信號加以簡單的說明：
?。疘NHIBIT輸入：／INHIBIT信號只禁止可逆計(jì)數(shù)器向輸出鎖存器傳送數(shù)據(jù)，并不打斷跟蹤環(huán)的工作，釋放該信號將自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)BUSY，并刷新輸出鎖存器。
?。疎NABLE輸入：／ENABLE信號決定了輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài)，高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)管腳保持在高阻狀態(tài)。低電平時(shí)，允許輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)傳送到輸出管腳上。對／ENABLE的操作不會(huì)影響變換器的工作。
BYTESELECT輸入：無論該信號的狀態(tài)如何當(dāng)／ENABLE為低電平時(shí)，低位字節(jié)就將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB9－DB16上。當(dāng)BYTESELECT為高電平時(shí)，高8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB1－DB8上；當(dāng)BYTESELECT為低電平時(shí)，低8位字節(jié)將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出線DB1－DB8上，它們同時(shí)也出現(xiàn)在DB9－DB16上。
計(jì)算機(jī)對AD2S83讀取數(shù)據(jù)的過程：首先對AD2S83施加／INHIBIT信號，阻止鎖存器的刷新，當(dāng)／INHIBIT被置為低電平并延遲600ns后數(shù)據(jù)有效，把／ENABLE信號置為低電平后，即可讀取數(shù)據(jù)。讀完數(shù)據(jù)后，應(yīng)立即釋放／INHIBIT信號，把它置為高電平，以使輸出鎖存器能被刷新。
6 結(jié)束語
本文介紹了AD2S83 RDC集成電路的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了由該集成電路和旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中速度反饋與角位置檢測系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、操作靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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