基于AD2S82A的天线方位角的数字变换电路设计

随着现代计算机与数字技术的发展．这种显示方式已不适合时代发展的要求。为了实现对雷达探测目标的录取、综合、相关及显示，为了实现设备的小型化，需要将天线的方位角变换为数字信号，而ADI公司生产的单片旋转角数字变换器AD2S82A正是一种可将旋转变压器格式的信号转换为角度数字信号的专用芯片。配合一些外围电路及单片机，可灵活方便地实现对天线方位角的数字变换。 　　

1 AD2S82A的结构及特点
　　
AD2S82A是由美国ADI公司专为旋转变压器格式的旋转角信号而生产的一种旋转角／数字信号变换器，其封装形式为44脚PLCC，旋转角的数字输出分辨率为10、12、14、16位可选，除了旋转角的数字输出外，它还输出模拟速度量VEL、DC误差信号及压控振荡(VCO)模拟控制信号。
　　
1.1 功能结构及特点
　　
AD2S82A的内部结构如图1所示，主要由比率乘法器、相敏检调器、压控振荡器(VCO)及输出数据锁存器构成。其中A1、A2作为输 信号的缓冲器，与段选择电路、16位加减计数器、R-2R DAC及误差信号缓冲器A3构成比率乘法器，作为AD2S82A的输入电路，主要负责将从旋转变压器输入的角度信号θ与16位加减计数器中的数字角φ作比较，并产生一个与两个角度差相关联的模拟电压信号(AC ERROR)。该信号表示为A1 Sin(θ-φ)sinωt。



 

　　
Al为比率乘法器的增益系数，ω=2fREF。相敏检调器的作用是把AC ERROR信号中所含旋转变压器输入的角度θ与16位加减计数器中的数字角θ的角度差信号检测出来，并以直流模拟电压信号输出。压控振荡器(VCO)是一个控制16位加减计数器的电路，根据其输入信号电压的大小，控制16位加减计数器是进行加计数还是进行减计数。输出数据锁存器用于保存变换器的输出数据，便于计算机或其他设备读取。
　　
AD2S82A具有尺寸小，功耗低(300 mW)，灵活性好的特点，用户通过2个引脚CSl和CS2可选择10、1 2、14、16位分辨率。芯片采用了速率跟踪转换技术实现了连续不间断的相位数据输出，除无变换延时外，转换处理与信号幅度的绝对值关联不大。
　　
它还具有良好的噪声抑制并容许参考信号及输入信号存在一定的谐波失真；通过选择外部电阻及电容的数值，用户可以决定带宽、最大跟踪速率以及转换器的速度量程．以适应不同的系统要求；所需的外围器件为价格较低廉的电容和电阻，而且它们的取值通过简单的计算就可得到；具有速度控制信号的模拟量输出，其线性度可达l％，在许多应用场台中，这个信号可作为速度传感器信号，为闭环马达控制提供稳定的速度反馈。
　　
1.2 引脚说明
　　
AD2S82A的引脚按功能分为直流供电引脚、模拟信号输入脚、控制信号输入脚、状态信号输出脚、数字信号输出脚、模拟速度量及VC0控制输出脚。
　　
1.2.1 直流供电引脚
　　
直流供电引脚包括+VL、+Vs、一Vs、数字地及模拟地。+Vs、-Vs为片内模拟电路的工作电压，分别接+12V和一12V。VL为片内数字电路的工作电压，其电压可接+5V DC至+Vs。模拟地与数字地必须在外部连接。
　　
1.2.2 模拟信号输入脚
　　
模拟信号输入脚包括用于连接到旋转变压器的SIN信号、COS信号、参考信号和信号地。信号地在芯片内部已与模拟地相连。为了减小信号之间互相耦合的影响，SIN信号、COS信号和参考信号应分别采用双绞线连接，它们的信号地线汇接到芯片的信号地引脚上。3个输入信号的电压幅度(有效值)要求为2 V，允许有10％的波动范固。如果信号电压的波动超过10％，则将导致输出数据的精度降低。信号允许的谐波失真率为10％。
　　
1.2.3 控制信号输入脚
　　
控制信号输入脚包括INHIBIT、ENABLE、BYTESELECT以及SCl和SC2。通过设置SCl和SC2的逻辑状态，用户可以自行选择变换器输出数据的分辨率(10、12、14和16位)。需要注意的是，分辨率的改变，会影响到外部元件R4和R6的选择(见第3部分，外围元件的连接及选择)。通常INHIBIT脚与计算机的CS信号相连接。将该信号置为低电平，用于把加减计数器的数值打入到锁存器中，600ns后可从锁存器中读出有效数据，1NHIBIT变高将会自动产生一个BUSY脉冲信号，以刷新输出数据。ENABLE脚通常与计算机的RD信号相连接。当该信号为高电平时，数字输出引脚全部为高阻状态；当该信号为低电平时，将锁存器中的数据置到数据输出引脚。该信号的操作不会影响变换器的工作。BYTESELECT引脚用于数据输出的字节选择，当用户使用8位宽度的数据总线时，只需将变换器的高8位连接到数据总线上；在ENABLE为低的情况下，当BYTE SELECT为高电平时，变换器将高8位数据输出到数据总线；当BYTE SELECT为低电平时，变换器将低8位数据输出到数据总线。如果用户使用16位宽度的数据总线，将变换器的数据输出全量与数据总线相连接，并将BYTE SELECT脚置为高电平或悬空。注意：当变换器的分辨率被选择为非16位时，无用的数据位将被强置为低电平。BYTE SELECT信号的操作同样不影响变换器的工作。

1.2.4 状态信号输出脚
　　
器件的状态信号输出脚包括BUSY(忙)、DIR(正／反转)及RIPPLE(过零)信号。BUSY引脚为计算机查询变换器的工作状态提供了方便，当输入到变换器的SIN和C0S信号发生变化时，BUSY脚输出一连串TTL电平脉冲。当BUSY为高电平时，表示变换器内部的二阶电子伺服环路正在工作，加减计数器正在发生变化，数字输出端的数据不能直接输出；反之，可从数字输出端直接读取数据。DIR引脚的输出表示旋转变压器的转动方向，DIR状态的变化超前于相应的BUSY、输出数据及：RIPPLE信号的变化，在两个连续LSB变化周期之间可能发生多次DIR的变化。RIPPLE引脚在变换器输出产生进位(比如由全l变为全O或相反)时，即输入完成1周旋转或1个节距时，输出1个正跳变脉冲，脉冲宽度大于300 ns。
　　
1.2.5 模拟速度量VEL及DO误差信号输出脚
　　
变换器产生一个表示输入角变化率的直流模拟输出信号VEL，在许多场合中，可用于替代传统的测速传感器信号。DC误差信号由相敏检波器产生，表示输入角与输出的数字角度之间的误差量，也是一个直流模拟电压信号。其电压值与输入和输出角之差成正比。
　　
1.2.6 数字输出脚
　　
旋转变压器的角位移量经过变换后，以二进制码的形式并行输出。根据用户对分辨率及精度的不同要求，变换器有10、12、14及16位数字输出可供选择。
　　
1．3 数据传输
　　
从变换器读取旋转角数据时，应遵循以下步骤：检测BUSY信号，若BUSY为“1”，则数据无效，反之数据有效；给INHIBIT脚加低电平；等待600ns后，给ENABLE脚加低电平，行有效数据的读取。其信号关系如图2所示。


 

　　
2 硬件电路设计
　　
利用AD2S82A丰富的片内资源及其灵活的外围电路设置，可设计出适用于不同雷达、不同用户需求的雷达方位角数字变换器，硬件电路构成如图3所示。该硬件电路系统由输入信号缓冲电路、AD2S82A及其外围电路、电源模块及读取和向上位机传送方位角数据的微处理器几部分构成。其中电源模块为微处理器及AD2S82A提供+5V数字电源，为AD2S82A及输入信号缓冲电路提供士12V电源。



 

　　
图4为一种适用于具有旋转变压器的雷达方位角数字变换器的电原理图。与天线随动的旋转变压器使用400 Hz、115V交流激磁电压，输出最大90 V的sin和cos旋转角信号。数据分辨率采用12位，由8位单片机AT89C205l读取变换后的数据，并向上位机传送。AD2S82A的外围器件根据要求，按第3部分的方法选取并连接。经计算，在图5中它们的取值为：


 

　　
系统的工作过程：从与雷达天线同步的旋转变压器来的115V、400 Hz激磁信号输入到由R1、R2、R2、R4及运放A1组成的衰减缓冲电路后。产生AD2S82A所需的2V(有效值)参考信号。同样，旋转变压器输出的sin和cos信号也经过相似的衰减缓冲电路，产生AD2S82A所需的2V(有效值)sin及cos信号。它们被连接到AD2S82A相应的输入端，经AD2S82A变换后，在其数据输出端产生与雷达天线方位角对应的二进制数字信号。
　　
由单片机读取方位角的二进制数字信号，并进行相应的转换处理，最后向上位机传送雷达天线的方位角度值。衰减缓冲电路中电阻值的选取，耍根据不同型号的旋转变压器选取不同的数值。每个运放输入端的齐纳二极管，是为了保护运放不被高压击毁。对于使用同步机的其他型号雷达，衰减缓冲电路应设计成斯考特电路或采用斯考特输入变压器。关于斯考特电路这里不作讨论。
　　
3 外围元件的连接及选择
　　
为了实现旋转角的数字变换，AD2S82A还需要一些外围辅助电路。这些电路的工作特性除了能够影响变换电路的整体动态特性外，甚至还能影响到电路的变换精度。因此，外围元件的选择显得格外重要。AD2S82A的外围电路连接如图5所示。


 

　　
①Rl、C1、R2、C2构成HF滤波器。其作用是去除直流偏移并减小输入信号中噪声信号对相敏解调及输出数据的影响。它们的选择可根据如下公式计算：

　　fREF为参考信号的频率，单位为Hz。
　　②R4为DC误差信号的增益调整电阻。在选择好Rl和C2之后，R4应根据如下公式计算：

③R6是决定变换器电路最大跟踪速度的电阻。根据用户对最大跟踪速度的要求，由下式计算R6的值(注意，最大跟踪速度为每秒T转，不能大于参考信号频率的1／16)：

 

 

　　④C4、C5和R5构成闭环带宽(fBW)选择电路。对于400 Hz的参考信号，典型的带宽取值为100 Hz；对于5000 Hz的参考信号，典型的带宽取值为500～1000 Hz。要求该电路能确保参考信号的频率与带宽之比大于下列数值的要求：

 

　式中：R6的单位为Ω，fBW的单位为Hz。
　　⑤R3和C3构成参考信号的交流耦合电路。为R3和C3选择适当的值，可使参考信号无相位偏移。这里R3=100kΩ。


 

       ⑥C6和R7构成VC0的相位补偿电路。它们的取值为：
　　C6=470pF，R7=68Ω
　　⑦R8和R9组成偏置调整电路，保证其所接输入端的直流电平为OV。它们的取值为：
　　R8=4.7 MΩ，R9为lMΩ的多圈电位器。


 

　　
4 软件设计
　　
电路中单片机89C2051的主要功能是读取AD2S82A产生的方位角二进制数字并经串口向上位机传送。其程序的主要模块包括：单片机及串口初始化、数据读取、数据转换及数据上报。注意：在设计数据读取程序时，由于采用了8位宽度的数据总线，所以在读取方位角数据时，应分两次读取，第一次读取高位，第二次读取低位数据。图6为单片机程序流程。读取方位数据的程序为： 

　　
结语
　　
有高集成度的AD2S82A，体积小，灵活性强，大大方便了旋转角的数字变换。用它设计的旋转角数字变换电路，电路简单，转换精度高，工作稳定可靠，适用性强。另外，由于它还有模拟量信号的输出，还可应用于交流马达控制、过程控制和机器人等领域。