用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中位置和角度感測(cè)的光學(xué)或磁性傳感器通常提供用于轉(zhuǎn)換的正弦和余弦信號(hào)。正弦和余弦之間的 90° 相移允許確定 360° 輸入周期內(nèi)的位置或角度，以及旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)方向。對(duì)于微米或亞弧分范圍內(nèi)的分辨率，需要對(duì)正弦和余弦信號(hào)進(jìn)行精確插值。這種正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換(SDC)可以通過(guò)多種方式執(zhí)行，無(wú)論是硬件還是軟件。對(duì)于高精度結(jié)果，信號(hào)調(diào)理和S/D轉(zhuǎn)換的質(zhì)量至關(guān)重要。下面對(duì)幾種SDC(插值)方法進(jìn)行分析和比較，并討論了精度結(jié)果。 具有 S/D 轉(zhuǎn)換功能的傳感器信號(hào)路徑

　　電子位置和角度測(cè)量中的傳感器采用光學(xué)、磁性、電感或電容原理。帶有 LED 光源和碼盤的光學(xué)傳感器非常常見，使用偶極磁鐵或多極輪的磁性 GMR/AMR/霍爾傳感器也很常見 [1]。如圖1所示，這些傳感器通常直接提供正弦和余弦信號(hào)。由于傳感器輸出并不總是提供完美的正弦/余弦信號(hào)，因此必須在插值前對(duì)傳感器輸出進(jìn)行調(diào)理，以獲得高精度結(jié)果。這種調(diào)節(jié)的目標(biāo)是盡可能提供幅度相等、零偏移和精確 90° 相移的正弦/余弦波?？删幊淘鲆娣糯笃?PGA)和/或查找表通常用于提供所需的幅度平衡(增益校正)、失調(diào)補(bǔ)償和相位校正。

　　通常，Z傳感器定義位置/角度測(cè)量的零位置，并使用可調(diào)比較器對(duì)其脈沖輸出進(jìn)行采樣。如果沒有可用的Z傳感器，插值器也可以定義零點(diǎn)位置[2]。在這種情況下，零位置可以設(shè)置在 360° 輸入正弦/余弦周期內(nèi)的任何位置，以在用戶定義的位置或角度生成 Z 輸出。

　　插值器實(shí)現(xiàn) S/D 轉(zhuǎn)換，并通過(guò)多個(gè)輸出接口之一輸出其結(jié)果。該數(shù)字輸出可由本地微控制器直接讀取或通過(guò)線路驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換的典型方法 插值器負(fù)責(zé)非線性A/D轉(zhuǎn)換，將正弦/余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置或角度步長(zhǎng)(見圖2)。然后，這些步驟以正交方波信號(hào)(包括方向信息)增量輸出，或作為表示360°輸入周期內(nèi)絕對(duì)角度的數(shù)據(jù)字輸出。

　　通常用于正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換的非線性函數(shù)是反角正切，它直接從條件正弦和余弦信號(hào)計(jì)算輸出角度(見圖2)。許多不同的 A/D 轉(zhuǎn)換方法可用于實(shí)現(xiàn)反正切函數(shù)，具體取決于應(yīng)用要求：

　　閃光轉(zhuǎn)換，使用許多單獨(dú)的比較器幾乎立即執(zhí)行轉(zhuǎn)換。矢量跟蹤轉(zhuǎn)換，使用單個(gè)比較器遞增或遞減數(shù)字計(jì)數(shù)器以跟蹤輸入角度。

　　SAR 轉(zhuǎn)換，類似于矢量跟蹤轉(zhuǎn)換，但對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并保持，直到計(jì)數(shù)器穩(wěn)定。

　　DSP 轉(zhuǎn)換，分別數(shù)字化正弦和余弦信號(hào)，并使用 CORDIC 或其他數(shù)值算法計(jì)算數(shù)字信號(hào)處理器中的反正切函數(shù)。

　　現(xiàn)代插值器通常采用矢量跟蹤或DSP轉(zhuǎn)換方法。 轉(zhuǎn)換器功能比較

　　不用說(shuō)，應(yīng)用程序要求決定了哪種類型的轉(zhuǎn)換是最好的。對(duì)于采樣轉(zhuǎn)換器(閃存和SAR)，所需的建立時(shí)間決定了最大采樣速率(見表1)，這在某些應(yīng)用中可能是一個(gè)限制。矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器通過(guò)使用高計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率和快速模擬電路提供快速采樣和低延遲，但需要手動(dòng)校準(zhǔn)輸入信號(hào)調(diào)理才能獲得最佳性能。線性A/D轉(zhuǎn)換器和DSP轉(zhuǎn)換提供高分辨率，并允許復(fù)雜的自動(dòng)校準(zhǔn)、數(shù)字濾波和分?jǐn)?shù)插值功能，這是其他轉(zhuǎn)換器無(wú)法在軟件中實(shí)現(xiàn)的。然而，與任何DSP一樣，需要較低的采樣速率才能留出時(shí)間進(jìn)行信號(hào)處理。

　　除了分辨率，還必須考慮精度。對(duì)于矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器，精度不僅取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量，還取決于信號(hào)調(diào)理電路的分辨率。每個(gè)在信號(hào)路徑中提供校正措施(失調(diào)、增益或相位校正)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器都需要芯片空間，從而影響電路設(shè)計(jì)人員的成本和優(yōu)化任務(wù)。因此，可以找到矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器，由于更高分辨率的信號(hào)調(diào)理，其分辨率較低，但精度更高。另一方面，DSP插值器為所有計(jì)算提供高分辨率，僅受處理器的數(shù)字字大小和可用計(jì)算時(shí)間的限制。DSP解決方案的精度完全取決于A/D轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量。然而，在實(shí)踐中， 在大多數(shù)應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)的精度通常受到傳感器信號(hào)質(zhì)量的限制。以安全為導(dǎo)向的編碼器系統(tǒng)需要額外的功能，例如信號(hào)和溫度監(jiān)控的特殊診斷、存儲(chǔ)器檢查和錯(cuò)誤模擬。對(duì)于控制器通信，可以使用單個(gè)并行接口以及各種串行接口。BiSS接口提供的可配置位置數(shù)據(jù)輸出可以通過(guò)生命周期計(jì)數(shù)和擴(kuò)展的16位CRC [3]進(jìn)行增強(qiáng)。 提供單個(gè)并行接口以及各種串行接口。BiSS接口提供的可配置位置數(shù)據(jù)輸出可以通過(guò)生命周期計(jì)數(shù)和擴(kuò)展的16位CRC [3]進(jìn)行增強(qiáng)。 提供單個(gè)并行接口以及各種串行接口。BiSS接口提供的可配置位置數(shù)據(jù)輸出可以通過(guò)生命周期計(jì)數(shù)和擴(kuò)展的16位CRC [3]進(jìn)行增強(qiáng)。

　　矢量跟蹤轉(zhuǎn)換詳細(xì)信息

　　矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器有一個(gè)主比較器，用于控制計(jì)數(shù)器的遞增和遞減(見圖3)。數(shù)字計(jì)數(shù)器值(角度phi)饋送D/A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與數(shù)字角度正切成比例的模擬信號(hào)。該切線信號(hào)乘以余弦輸入信號(hào)，產(chǎn)生合成的正弦信號(hào)。將合成的正弦波與驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器的正弦輸入信號(hào)進(jìn)行比較。

　　當(dāng)合成的正弦等于正弦輸入信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)建立，計(jì)數(shù)器值等于傳感器的正弦/余弦輸入指示的角度(phi)。計(jì)數(shù)器一步一步地跟蹤每個(gè)輸入變化——或者更確切地說(shuō)是一點(diǎn)一點(diǎn)地——因此不可能進(jìn)行位置或角度跳躍。這種類型的轉(zhuǎn)換器僅通過(guò)輸入變化激活，因此幾乎無(wú)時(shí)鐘運(yùn)行，因此輸入到輸出延遲時(shí)間相對(duì)較短。

　　由于只需要一個(gè)比較器，因此可以設(shè)計(jì)為精度。矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)特點(diǎn)是，任何電路失調(diào)都會(huì)以相同的方式影響所有開關(guān)點(diǎn)，與遲滯相當(dāng)。因此，跟蹤轉(zhuǎn)換器增量輸出信號(hào)中的抖動(dòng)幾乎完全由輸入信號(hào)的質(zhì)量決定，直到達(dá)到最大跟蹤速率。

　　由于其低延遲，這種類型的轉(zhuǎn)換器通常是需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、快速移動(dòng)和極短建立時(shí)間的線性位置測(cè)量系統(tǒng)的首選。還可以跟蹤高輸入頻率，例如使用 iC-NQC(高達(dá) 250 kHz)，從而實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。DSP 轉(zhuǎn)換詳細(xì)信息

　　DSP 正弦/余弦數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)高精度、高分辨率線性 A/D 轉(zhuǎn)換器直接對(duì)來(lái)自位置或角度傳感器的正弦和余弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。然后對(duì)數(shù)字化的傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并在DSP中計(jì)算輸出角度(見圖4)。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)字信號(hào)處理：可以自動(dòng)測(cè)量和校正信號(hào)誤差，以進(jìn)行初始校準(zhǔn)(例如，使用按鈕輸入)和在操作期間補(bǔ)償傳感器漂移和老化。這些特性使DSP轉(zhuǎn)換器易于使用，同時(shí)仍提供高分辨率和出色的精度。

　　先進(jìn)的數(shù)字濾波可實(shí)現(xiàn)超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的位置/角度分辨率。合成的增量輸出信號(hào)具有完美的50%占空比，并且在低失真?zhèn)鞲衅鬏斎胂聨缀鯚o(wú)抖動(dòng)。但是，由于DSP是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，因此輸入和輸出之間存在幾微秒的固定時(shí)間延遲(延遲)，這在高增益控制系統(tǒng)中可能需要考慮。在大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于涉及負(fù)載慣性，這種延遲幾乎沒有影響。但是，以恒定速度運(yùn)行時(shí)延遲引起的位置/角度滯后可能是一個(gè)問(wèn)題。在這種情況下，DSP中的復(fù)雜信號(hào)處理算法可以將滯后減少6倍。

　　DSP插補(bǔ)器是模塊化工業(yè)編碼器和高分辨率線性長(zhǎng)度計(jì)以及自動(dòng)糾錯(cuò)和濾波功能特別有用的極端環(huán)境應(yīng)用的首選。數(shù)字信號(hào)調(diào)理

　　在DSP插值器的模擬信號(hào)路徑中，可編程增益放大器(PGA)僅對(duì)增益(通常為3 dB/步)和失調(diào)(通常為100 mV/步)進(jìn)行粗略調(diào)整，以使輸入信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換的有利范圍(見圖5)。

　　失調(diào)、增益匹配和相位校正的微調(diào)使用DSP的全16位分辨率以數(shù)字方式應(yīng)用。這為信號(hào)調(diào)理提供了極小的步長(zhǎng)(例如，0.056°/步用于iC-TW8的相位校正)。復(fù)雜的漂移監(jiān)控算法可檢測(cè)與出廠校準(zhǔn)設(shè)置的偏差，并可配置為激活警報(bào)，以對(duì)即將發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。

　　總結(jié)

　　如上例所示，正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換方法的選擇會(huì)對(duì)應(yīng)用性能產(chǎn)生很大影響。在確定控制環(huán)路的性能時(shí)，必須考慮轉(zhuǎn)換速度、分辨率、精度和延遲。然而，插值位置/角度輸出的精度通常不取決于SDC轉(zhuǎn)換器的分辨率，而是取決于信號(hào)調(diào)理電路或算法的分辨率、模擬信號(hào)路徑的穩(wěn)定性以及傳感器信號(hào)的質(zhì)量。文獻(xiàn)

　　[1] 絕對(duì)編碼器設(shè)計(jì)：磁性還是光學(xué)? 白皮書

　　[2 ] 林大衛(wèi)博士， 速度采集變得簡(jiǎn)單，EDN，2008 年 9 月

　　[3] 開源 BiSS： 雙向同步串行接口

　　^48 貝恩德·施羅爾斯和迪普爾斯。馬爾科·赫普， 通過(guò)片上系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)快速光學(xué)距離檢測(cè)， EDN， 九月 29， 2012