基于AD2S83的角位移测量模块设计

　　引言

　　旋转变压器是一种精密微特电机, 可以将角位移的位置信息转换成模拟量电信号,广泛应用于航空、航天、雷达和地炮火控等军事装备中,也可用于机器人系统、机械工具、纺织、印刷等民用领域。在传统应用中,通常使用开环式转换器对模拟信号进行转换, 采用这种检测方法使得整个系统的分辨率绝对精度很低,无法满足高精度的应用场合。因此,本文提出一种基于二阶伺服原理的数字转换电路, 即利用 Analog Devices 公司生产的AD2S83 芯片实现对角位移信号的高精度检测。与传统方法相比,该设计具有体积小、精度高、抗干扰能力强等优点。

　　1 提取位置信息

　　这一工作由旋转变压器完成, 旋转变压器的工作特性是当原边外加单相交流电压激磁时, 其副边输出电压将与转子的转角位置严格保持某种函数关系。按照这种函数关系的不同进行分类,一般可以分为正余弦旋变和线性旋变两种,顾名思义,前者输出相位相差 90°的正余弦交流电压信号, 而后者输出的是与角位移成线性函数关系的直流电压信号。该设计使用了正余弦旋转变压器,它采用无刷设计,使得转子和定子分离,从而大大提高了系统的稳定性及使用寿命。下面结合图1 介绍正余弦旋转变压器的工作原理 (其中连轴器的作用是使被测体的转轴与旋转变压器的转轴同心)。

　　假如在旋转变压器的定子绕组上加入励磁电压

　　2 RDC 解算单元AD2S83

　　AD2S83 是AD 公司推出的以 BIMOS Ⅱ工艺制造的,将CMOS 逻辑电路与高精度双极性电路相结合的单片集成 RDC(旋转变压器- 数字转换器)转换芯片,它具有以下特点:

　　(1)能够提供10 位、12 位、14 位和16 位四种分辨率,可以由用户灵活配置;

　　(2)采用比率跟踪转换方式,使之具有较强的抗干扰能力和较高的转换精度;

　　(3)可以通过外围阻容元件的选择改变 AD2S83 的动态性能;

　　(4)具有很高的跟踪速率,10 位连接方式时最大跟踪速率可达 1040rps;

　　(5)采用三态输出引脚输出并行的二进制码,易于与单片机或 DSP 等控制芯片接口。

　　2.1 AD2S83 的功能结构

　　旋转变压器只能输出模拟信号,要实现与 DSP 的接口,必须经过 AD2S83 这一特殊的模/数转换器。AD2S83 是专用的跟踪式旋转变压器- 数字转换器,它与旋变一起,在 DSP 等 MCU 的控制下, 可以输出最高为 16 位的数字位置信号。如果我们将AD2S83 按照图2 的方式进行连接,就可以构成一个二阶随动伺服电路。

　　2.2 AD2S83 的工作原理

　　设当前AD2S83 计数器的数字角为Φ角,经过DAC 数字正余弦乘法器后,可以得到角位移信号的调制输出