旋轉(zhuǎn)變壓器" title="旋轉(zhuǎn)變壓器">旋轉(zhuǎn)變壓器(resover)包含三個繞組,，即一個轉(zhuǎn)子繞組和兩個定子繞組" title="定子繞組">定子繞組。轉(zhuǎn)子繞組隨馬達旋轉(zhuǎn),，定子繞組位置固定且兩個定子互為90度角(如圖1所示),。這樣，繞組形成了一個具有角度依賴系數(shù)的變壓器,。

　　圖1：旋轉(zhuǎn)變壓器及其相關(guān)信號

　　將施加在轉(zhuǎn)子繞組上的正弦載波耦合至定子繞組,，對定子繞組輸出進行與轉(zhuǎn)子繞組角度相關(guān)的幅度調(diào)制。由于安裝位置的原因,，兩個定子繞組的調(diào)制輸出信號的相位差為90度,。

　　通過解調(diào)兩個信號可以獲得馬達的角度位置信息，首先要接收純正弦波及余弦波,，然后將其相除得到該角度的正切值,，最終通過“反正切”函數(shù)求出角度值。由于一般情況下要使用DSP進行算術(shù)處理,，因而需要將正弦及余弦波數(shù)字化,。目前市面上有幾種具備這些功能的專用產(chǎn)品，然而其價格昂貴,，對于大多數(shù)應(yīng)用而言需要尋求其他替代方案,。

　　目前有一種最為常用的方法是，檢測輸出信號中載波頻率的峰值來觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),。如果總是在這一時間點轉(zhuǎn)換調(diào)制信號,，則將消除載波頻率。由于更高分辨率的增量累加(Δ-∑)ADC總是在一段時間內(nèi)對信號進行積分采樣,，因此它將不僅僅轉(zhuǎn)換峰值電壓,，因而需要采用諸如TI ADS7861或ADS8361等逐次逼近ADC，分辨率也被限制在12~14位,。

　　這種方法還需要使用幾種電路模塊,，必須生成合適的正弦載波，必須在合適的時間點觸發(fā)轉(zhuǎn)換過程,，且ADC必須對信號進行同步轉(zhuǎn)換,。這樣不僅增加了成本,，且分辨率有限。

　　新概念的理論依據(jù)

　　新概念使用過采樣方法,，并將解調(diào)移至數(shù)字域內(nèi),，調(diào)制信號的過采樣采用雙通道Δ-∑調(diào)制器ADS1205，數(shù)字濾波器" title="數(shù)字濾波器">數(shù)字濾波器芯片AMC1210用于調(diào)制器輸出的解調(diào)和抽取(decimation),。

　　調(diào)制器僅產(chǎn)生位流,，這不同于ADC中的數(shù)字概念。為了輸出相當于模擬輸入電壓的數(shù)字信號,，必須使用數(shù)字濾波器來處理位流,。正弦濾波器是一種非常簡單、易于構(gòu)建且硬件需求最少的一種濾波器,。

　　那些頻率為調(diào)制器時鐘頻率除以過采樣率" title="過采樣率">過采樣率所得值的整數(shù)倍的信號將被抑制,，這些被抑制的頻率點稱為陷波(notch)。在此新概念中,，積分器的抽取率設(shè)定的原則是使載波頻率落入到某一陷波頻率,。但首先需要對信號進行解調(diào)，否則角度信息將與載波頻率一起被忽略,。該任務(wù)由AMC1210完成,。

　　AMC1210具有四個通道，每個通道均提供如圖2所示的濾波器結(jié)構(gòu),。

　　圖2：AMC1210的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)

　　AMC1210也可用于測量電流,。在本例中，我們將比較器濾波器(comparator filter)用于過電流保護,，能夠在低分辨率情況下實現(xiàn)快速響應(yīng)(如圖中藍色部分所示),。$部分在較低采樣率情況下能夠產(chǎn)生更高分辨率的輸出，這部分用于控制環(huán)路,。根據(jù)應(yīng)用的需要,，在這里可以使用正弦濾波器及積分器來優(yōu)化濾波器的結(jié)構(gòu),。此外,，該通路還可用于濾波及解調(diào)。

　　首先,，AMC1210中的正弦濾波器對調(diào)制器的位流進行濾波,，以將其轉(zhuǎn)換為中等分辨率、中等速率的數(shù)據(jù)字,。對ADS1205而言,，最高效的三階正弦濾波器的過采樣率(OSR)為128。過采樣率超過128時,，OSR每增加一倍,，信噪比僅增加3dB,。在解調(diào)過程后利用積分器可以達到同樣的效果，而且還能縮短濾波器的延遲時間,。

　　將OSR設(shè)為128時會產(chǎn)生一個14位的數(shù)字調(diào)制信號,，其數(shù)據(jù)速率為：

　　該等式中，fmod表示調(diào)制器的時鐘頻率,，該時鐘頻率在調(diào)制器中降為原來的一半,。在下例中，當時鐘信號頻率為32.768MHz時,，三階正弦濾波器的數(shù)據(jù)速率為128kHz,。

　　現(xiàn)在需要對信號進行解調(diào)(如圖3所示)。

　　圖3：AMC1210內(nèi)部的解調(diào)過程示例

　　這表示當未調(diào)制載波為正時,，14位數(shù)字信號須乘以+1,，若未調(diào)制載波為負則須乘以-1。我們需要考慮到載波信號通過旋轉(zhuǎn)變壓器,、線圈,、調(diào)制器以及正弦濾波器時產(chǎn)生的延時。因此,，AMC1210具有相移校驗功能,，能夠在相移90度內(nèi)正常工作。若相移超過此范圍,，則必須在寄存器中編程,。

　　最后，積分器OSR的設(shè)定原則是：載波頻率是整個濾波器傳輸函數(shù)陷波的整數(shù)倍,。在時域中,，這等同于在多個載波周期內(nèi)求積分。這樣就完全抑制了載波頻率,。在此例中,，如果積分器的OSR為16，則分辨率提高2位(0.5位/因數(shù)2),。然而輸出信號的幅度降低了3dB(-0.5位),，原因是積分器產(chǎn)生的是解調(diào)信號的平均電壓而非峰值電壓。

　　總結(jié)：AMC1210的輸出為數(shù)字正弦波或余弦波,，數(shù)據(jù)速率為8kHz,，噪聲性能為15.5位。該信號的幅度比輸入調(diào)制信號降低了3dB,。

　　角度檢測與控制環(huán)路同步

　　角度檢測與馬達控制環(huán)路的同步非常重要,，因此，數(shù)字濾波器的輸出數(shù)據(jù)速率與載波頻率都必須可調(diào),。

　　通過AMC1210內(nèi)置的寄存器映射可以設(shè)定濾波器結(jié)構(gòu),，正弦濾波器的階數(shù)(1階,、2階及3階)及過采樣率(1~256)都是可編程設(shè)定的。積分器可以運行在固定的過采樣率上,，也可以由外部采樣及保持信號觸發(fā),。

　　載波頻率也是以PWM格式的AMC1210產(chǎn)生。因此,，提供了高達1,024位的移位寄存器,，一個周期的載波正弦波可以存儲在該寄存器中，寄存器的PWM位流可由仿真Δ-∑調(diào)制器的小型C語言程序產(chǎn)生,。該調(diào)制器的輸入為要求的載波信號,；輸出端的位流為PWM信號，這個位流必須儲存在移位寄存器中,。

　　AMC1210將提取寄存器中的可編程數(shù)據(jù)位并將其輸出到環(huán)路中,，這樣就產(chǎn)生了連續(xù)的載波信號。例如,，當系統(tǒng)時鐘為30.016MHz,、控制環(huán)路運行于8kHz時，每個控制環(huán)路的時鐘周期為3,752個,?？梢允褂肁MC1210的內(nèi)置分頻器能夠降低系統(tǒng)時鐘。如果選擇降低4,，則會占用938比特的PWM寄存器,。

　　AMC1210擁有一個互補的PWM輸出(PWM_P及PWM_N)，其電流驅(qū)動能力最高可達100mA,。這樣就產(chǎn)生了全差分載波信號,，其電壓范圍高達+/-5V(5V單電源)，能夠直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器,。旋轉(zhuǎn)變壓器自身具有對PWM信號的低通濾波能力,，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦及余弦繞組可以直接產(chǎn)生幅度整齊的調(diào)制正弦波。因為載波信號的諧波也落在濾波器傳輸函數(shù)的陷波頻率上,，故諧波的影響并不嚴重,。

　　應(yīng)用驗證

　　圖4中的電路可用于對這種新概念進行驗證。

　　圖4：測試驗證電路

　　AMC1210的PWM輸出直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器,，ADS1205的參考引腳(REF)將正弦及余弦信號的電壓限制在正確范圍之內(nèi),。由于ADS1205參考輸出具有高阻抗特性,，不能提供足夠的驅(qū)動電流,，故需增加緩沖。旋轉(zhuǎn)變壓器另一側(cè)的輸出引腳的阻抗低,，因而可以直接驅(qū)動調(diào)制器的輸入端,。

　　將頻率轉(zhuǎn)換器用于驅(qū)動馬達,，會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)頻率不佳。50Hz的信號頻率表示馬達轉(zhuǎn)速為3,000RPM,?？梢钥闯霰尘霸肼暤陀?120dB，即有效位超過14位,。

　　本文小結(jié)

　　ADS1205與AMC1210的組合單價約為5美元(批量為1,000片),，而其它專用產(chǎn)品的最低單價為20美元左右，具有標準組件的解決方案單價約為7.50美元,。除具有價格優(yōu)勢之外,，Δ-∑架構(gòu)還可確保更出色的信噪比，這個方案的ENOB為15.5,，專用產(chǎn)品解決方案的ENOB為12,。其缺點是數(shù)字濾波器會產(chǎn)生固定的時間延遲，馬達控制器環(huán)路需要對此時延進行調(diào)整,。