基于A(yíng)D2S82A的天線(xiàn)方位角的數字變換電路設計

隨著(zhù)現代計算機與數字技術(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)現對雷達探測目標的錄取、綜合、相關(guān)及顯示，為了實(shí)現設備的小型化，需要將天線(xiàn)的方位角變換為數字信號，而ADI公司生產(chǎn)的單片旋轉角數字變換器AD2S82A正是一種可將旋轉變壓器格式的信號轉換為角度數字信號的專(zhuān)用芯片。配合一些外圍電路及單片機，可靈活方便地實(shí)現對天線(xiàn)方位角的數字變換。 　　

1 AD2S82A的結構及特點(diǎn)
　　
AD2S82A是由美國ADI公司專(zhuān)為旋轉變壓器格式的旋轉角信號而生產(chǎn)的一種旋轉角／數字信號變換器，其封裝形式為44腳PLCC，旋轉角的數字輸出分辨率為10、12、14、16位可選，除了旋轉角的數字輸出外，它還輸出模擬速度量VEL、DC誤差信號及壓控振蕩(VCO)模擬控制信號。
　　
1.1 功能結構及特點(diǎn)
　　
AD2S82A的內部結構如圖1所示，主要由比率乘法器、相敏檢調器、壓控振蕩器(VCO)及輸出數據鎖存器構成。其中A1、A2作為輸 信號的緩沖器，與段選擇電路、16位加減計數器、R-2R DAC及誤差信號緩沖器A3構成比率乘法器，作為AD2S82A的輸入電路，主要負責將從旋轉變壓器輸入的角度信號θ與16位加減計數器中的數字角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(AC ERROR)。該信號表示為A1 Sin(θ-φ)sinωt。

　　
Al為比率乘法器的增益系數，ω=2fREF。相敏檢調器的作用是把AC ERROR信號中所含旋轉變壓器輸入的角度θ與16位加減計數器中的數字角θ的角度差信號檢測出來(lái)，并以直流模擬電壓信號輸出。壓控振蕩器(VCO)是一個(gè)控制16位加減計數器的電路，根據其輸入信號電壓的大小，控制16位加減計數器是進(jìn)行加計數還是進(jìn)行減計數。輸出數據鎖存器用于保存變換器的輸出數據，便于計算機或其他設備讀取。
　　
AD2S82A具有尺寸小，功耗低(300 mW)，靈活性好的特點(diǎn)，用戶(hù)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換技術(shù)實(shí)現了連續不間斷的相位數據輸出，除無(wú)變換延時(shí)外，轉換處理與信號幅度的絕對值關(guān)聯(lián)不大。
　　
它還具有良好的噪聲抑制并容許參考信號及輸入信號存在一定的諧波失真；通過(guò)選擇外部電阻及電容的數值，用戶(hù)可以決定帶寬、最大跟蹤速率以及轉換器的速度量程．以適應不同的系統要求；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)單的計算就可得到；具有速度控制信號的模擬量輸出，其線(xiàn)性度可達l％，在許多應用場(chǎng)臺中，這個(gè)信號可作為速度傳感器信號，為閉環(huán)馬達控制提供穩定的速度反饋。
　　
1.2 引腳說(shuō)明
　　
AD2S82A的引腳按功能分為直流供電引腳、模擬信號輸入腳、控制信號輸入腳、狀態(tài)信號輸出腳、數字信號輸出腳、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、數字地及模擬地。+Vs、-Vs為片內模擬電路的工作電壓，分別接+12V和一12V。VL為片內數字電路的工作電壓，其電壓可接+5V DC至+Vs。模擬地與數字地必須在外部連接。
　　
1.2.2 模擬信號輸入腳
　　
模擬信號輸入腳包括用于連接到旋轉變壓器的SIN信號、COS信號、參考信號和信號地。信號地在芯片內部已與模擬地相連。為了減小信號之間互相耦合的影響，SIN信號、COS信號和參考信號應分別采用雙絞線(xiàn)連接，它們的信號地線(xiàn)匯接到芯片的信號地引腳上。3個(gè)輸入信號的電壓幅度(有效值)要求為2 V，允許有10％的波動(dòng)范固。如果信號電壓的波動(dòng)超過(guò)10％，則將導致輸出數據的精度降低。信號允許的諧波失真率為10％。
　　
1.2.3 控制信號輸入腳
　　
控制信號輸入腳包括INHIBIT、ENABLE、BYTESELECT以及SCl和SC2。通過(guò)設置SCl和SC2的邏輯狀態(tài)，用戶(hù)可以自行選擇變換器輸出數據的分辨率(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腳與計算機的CS信號相連接。將該信號置為低電平，用于把加減計數器的數值打入到鎖存器中，600ns后可從鎖存器中讀出有效數據，1NHIBIT變高將會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)BUSY脈沖信號，以刷新輸出數據。ENABLE腳通常與計算機的RD信號相連接。當該信號為高電平時(shí)，數字輸出引腳全部為高阻狀態(tài)；當該信號為低電平時(shí)，將鎖存器中的數據置到數據輸出引腳。該信號的操作不會(huì )影響變換器的工作。BYTESELECT引腳用于數據輸出的字節選擇，當用戶(hù)使用8位寬度的數據總線(xiàn)時(shí)，只需將變換器的高8位連接到數據總線(xiàn)上；在ENABLE為低的情況下，當BYTE SELECT為高電平時(shí)，變換器將高8位數據輸出到數據總線(xiàn)；當BYTE SELECT為低電平時(shí)，變換器將低8位數據輸出到數據總線(xiàn)。如果用戶(hù)使用16位寬度的數據總線(xiàn)，將變換器的數據輸出全量與數據總線(xiàn)相連接，并將BYTE SELECT腳置為高電平或懸空。注意：當變換器的分辨率被選擇為非16位時(shí)，無(wú)用的數據位將被強置為低電平。BYTE SELECT信號的操作同樣不影響變換器的工作。

1.2.4 狀態(tài)信號輸出腳
　　
器件的狀態(tài)信號輸出腳包括BUSY(忙)、DIR(正／反轉)及RIPPLE(過(guò)零)信號。BUSY引腳為計算機查詢(xún)變換器的工作狀態(tài)提供了方便，當輸入到變換器的SIN和C0S信號發(fā)生變化時(shí)，BUSY腳輸出一連串TTL電平脈沖。當BUSY為高電平時(shí)，表示變換器內部的二階電子伺服環(huán)路正在工作，加減計數器正在發(fā)生變化，數字輸出端的數據不能直接輸出；反之，可從數字輸出端直接讀取數據。DIR引腳的輸出表示旋轉變壓器的轉動(dòng)方向，DIR狀態(tài)的變化超前于相應的BUSY、輸出數據及：RIPPLE信號的變化，在兩個(gè)連續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周旋轉或1個(gè)節距時(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VEL，在許多場(chǎng)合中，可用于替代傳統的測速傳感器信號。DC誤差信號由相敏檢波器產(chǎn)生，表示輸入角與輸出的數字角度之間的誤差量，也是一個(gè)直流模擬電壓信號。其電壓值與輸入和輸出角之差成正比。
　　
1.2.6 數字輸出腳
　　
旋轉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。根據用戶(hù)對分辨率及精度的不同要求，變換器有10、12、14及16位數字輸出可供選擇。
　　
1．3 數據傳輸
　　
從變換器讀取旋轉角數據時(shí)，應遵循以下步驟：檢測BUSY信號，若BUSY為“1”，則數據無(wú)效，反之數據有效；給INHIBIT腳加低電平；等待600ns后，給ENABLE腳加低電平，行有效數據的讀取。其信號關(guān)系如圖2所示。

　　
2 硬件電路設計
　　
利用AD2S82A豐富的片內資源及其靈活的外圍電路設置，可設計出適用于不同雷達、不同用戶(hù)需求的雷達方位角數字變換器，硬件電路構成如圖3所示。該硬件電路系統由輸入信號緩沖電路、AD2S82A及其外圍電路、電源模塊及讀取和向上位機傳送方位角數據的微處理器幾部分構成。其中電源模塊為微處理器及AD2S82A提供+5V數字電源，為AD2S82A及輸入信號緩沖電路提供士12V電源。

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