ZHCAFC5 May   2025 ADS9327

 

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简介

精密运动系统需要高分辨率的位置反馈以确保精确控制。这在诸如伺服驱动器、工业自动化、机器人技术和 CNC 加工等应用中尤其重要。为了满足这些需求，此类行业中的编码器通常会生成 1VPP 差分正弦和余弦信号。这些输出可提供更高的抗噪性并允许更精确的插值，最终有助于提高系统精度和可靠性。

本应用简报介绍了一种信号链实现方案，此方案可通过 1VPP 正弦或余弦输入实现 16 位插值。

正弦或余弦编码器信号

编码器广泛用于运动控制系统，用于跟踪旋转或线性位置和速度。虽然 TTL 和 HTL 数字输出格式很常见，但编码器提供的分辨率有限。相比之下，模拟正弦/余弦编码器通过具有 90° 相移的连续波形提供高分辨率反馈。这些信号是差分信号，以直流失调电压为中心，并标准化为 1VPP。

为了在电机速度提高时保持精度，模拟前端和 ADC 必须提供足够的带宽并支持同步差分采样。

适用于测量 1VPP 正弦和余弦信号的电路 图 1 适用于测量 1VPP 正弦和余弦信号的电路

信号链 1VPP 增量信号

本应用手册介绍了一种紧凑的高性能 2 通道信号链，用于将来自模拟编码器的 1VPP 差分正弦和余弦信号数字化。此设计利用了 THS4552（双路全差动放大器）和 ADS9327（双路 16 位 5MSPS SAR ADC，采用节省空间的 3.5mm × 3.5mm QFN 封装）。

两个器件都支持全差分信号传输，因此可在电气噪声较大的电机环境中实现高共模抑制和稳健性能。THS4552 通过向 ADC 提供增益、电平转换和低失真驱动来调节差分编码器信号。ADS9327 同时捕获正弦和余弦输入，同时实现出色的通道匹配。

通过在放大器和 ADC 中集成双通道，该电路减少了组件数量和 PCB 尺寸，因此该电路非常适合空间受限，需要高达 16 位插值精度来提供电机位置反馈的应用。

电路设计

模拟前端 (AFE) 旨在放大和过滤 1 Vpp 差分正弦/余弦编码器信号，以通过具有 ±4.096V 差分输入范围的同步采样 SAR ADC (ADS9327) 进行数字化。

增益配置

为了在不引入输入削波风险的情况下更大限度地提高 ADC 分辨率，选择了 6.8V/V 的增益来应对整个范围内高达 20% 的输入信号（例如，最大 1.2VPP），确保即使在最坏的情况下，信号也保持在 ADC 的输入限制范围内。这种权衡为振幅漂移、过驱和增益校准误差提供了余量。

方程式 1. V A D C p e a k = ( 1 . 2 V 2 ) × 6 . 8 = 4 . 096 V
方程式 2. G a i n ( V / V ) = R f R g = 1 . 2 k Ω 180 Ω ≅ 6 . 8 V / V

带宽和滤波

放大器的闭环带宽由反馈 RC 网络定义，该网络还实现一阶有源低通滤波。此配置可衰减高频噪声并保持放大器稳定性，尤其是在存在容性负载和输出滤波级的情况下。

选择反馈值是为了实现约 500kHz 的 -3dB 带宽，从而针对典型编码器信号频率在噪声抑制、相位响应和稳定性能之间提供平衡的权衡。

方程式 3. f - 3 d B = 1 2 π R f C f =   1 2 π × 1 . 2 k Ω × 180 p F ≈ 700 k H z

这种增益和带宽平衡可提供足够的动态范围和低失真，从而实现精确的编码器信号捕获。

输出滤波

小型串联电阻器与差分或共模输出电容器的组合在放大器输出端构成一个无源低通滤波器。这些组件可衰减高频噪声，而不会显著影响信号带宽。主要带宽控制保留在放大器的反馈路径中。

测试结果

为了评估模拟前端的性能，我们在代表性条件下测量了增益、带宽和信号完整性等关键特性。此设计应用 1VPP 差分输入信号来模拟典型的正弦/余弦编码器输出，然后在一系列频率范围内捕获并分析输出响应。结果验证该设计满足指定的带宽和增益目标，同时保持专为高分辨率编码器应用设计的一致性能。

表 1 模拟信号链测试结果
fin SNR THD
2kHz 91.72dB -113.02dB
5kHz 91.72dB -112.14dB
10kHz 91.87dB -112.37dB
20kHz 91.62dB -112.27dB
50kHz 90.79dB -111.62dB
表 2 直流偏移直方图结果
标准偏差 SNR
0.568812 95.2096dB
fin = 2kHz 时的 FFT图 2 fin = 2kHz 时的 FFT
短路输入直流偏移直方图图 3 短路输入直流偏移直方图

结语

此模拟前端设计展示了一种在精密运动控制系统中连接正弦/余弦编码器的实用有效方法。通过平衡增益、带宽和滤波，电路实现了可靠的信号采集，同时保持精度和稳定性。此设计支持 1VPP 差分信号和经过精心调谐的 500kHz 带宽，非常适合在宽速度范围内运行的高分辨率编码器应用。此实施方案符合实际系统需求，并为集成到双通道 ADC 架构提供了坚实的基础。

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