ZHCU108B June   2015  – March 2025

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1 系统说明
    1. 1.1 设计概述
    2. 1.2 模拟正弦/余弦增量编码器
      1. 1.2.1 正弦/余弦编码器输出信号
      2. 1.2.2 正弦/余弦编码器电气参数示例
    3. 1.3 通过正弦/余弦编码器计算高分辨率位置的方法
      1. 1.3.1 理论方法
        1. 1.3.1.1 概述
        2. 1.3.1.2 粗略分辨率角度计算
        3. 1.3.1.3 精确分辨率角度计算
        4. 1.3.1.4 插值高分辨率角度计算
        5. 1.3.1.5 非理想同步条件下的实际实施情况
        6. 1.3.1.6 分辨率、精度和速度注意事项
    4. 1.4 正弦/余弦编码器参数对模拟电路规范的影响
      1. 1.4.1 相位插值的模拟信号链设计注意事项
      2. 1.4.2 增量计数的比较器功能系统设计
  8. 2 设计特性
    1. 2.1 正弦/余弦编码器接口
    2. 2.2 主机处理器接口
    3. 2.3 评估固件
    4. 2.4 电源管理
    5. 2.5 EMC 抗扰度
  9. 3 方框图
  10. 4 电路设计和元件选型
    1. 4.1 模拟信号链
      1. 4.1.1 带有 16 位双路采样 ADC 的高分辨率信号路径
        1. 4.1.1.1 元件选型
        2. 4.1.1.2 输入信号端接与保护
        3. 4.1.1.3 差分放大器 THS4531A 和 16 位 ADC ADS8354
      2. 4.1.2 面向嵌入式 ADC 的 MCU 的单端输出模拟信号路径
      3. 4.1.3 数字信号 A、B 和 R 的比较器子系统
        1. 4.1.3.1 具有迟滞功能的同相比较器
    2. 4.2 电源管理
      1. 4.2.1 24V 输入转换为 6V 中间电压轨
      2. 4.2.2 编码器电源
      3. 4.2.3 信号链电源 5V 和 3.3V
    3. 4.3 主机处理器接口
      1. 4.3.1 信号描述
      2. 4.3.2 采用具有串行输出的 16 位双路 ADC ADS8354 的高分辨率路径
        1. 4.3.2.1 ADS8354 输入满标量程输出数据格式
        2. 4.3.2.2 ADS8354 串行接口
        3. 4.3.2.3 ADS8354 转换数据读取
        4. 4.3.2.4 ADS8354 寄存器配置
    4. 4.4 编码器连接器
    5. 4.5 设计升级
  11. 5 软件设计
    1. 5.1 概述
    2. 5.2 C2000 Piccolo 固件
    3. 5.3 用户界面
  12. 6 入门
    1. 6.1 TIDA-00176 PCB 概览
    2. 6.2 连接器和跳线设置
      1. 6.2.1 连接器和跳线概述
      2. 6.2.2 默认跳线配置
    3. 6.3 设计评估
      1. 6.3.1 先决条件
      2. 6.3.2 硬件设置
      3. 6.3.3 软件设置
      4. 6.3.4 用户界面
  13. 7 测试结果
    1. 7.1 模拟性能测试
      1. 7.1.1 高分辨率信号路径
        1. 7.1.1.1 编码器连接器至 ADS8354 输入端的模拟路径波德图
        2. 7.1.1.2 整个高分辨率信号路径的性能曲线图 (DFT)
        3. 7.1.1.3 ADC 交流性能定义的背景信息
      2. 7.1.2 差分转单端模拟信号路径
      3. 7.1.3 带数字输出信号 ATTL、BTTL 和 RTTL 的比较器子系统
    2. 7.2 电源测试
      1. 7.2.1 24V DC/DC 输入电源
        1. 7.2.1.1 负载-线路调整
        2. 7.2.1.2 输出电压纹波
        3. 7.2.1.3 开关节点和开关频率
        4. 7.2.1.4 效率
        5. 7.2.1.5 波特图
        6. 7.2.1.6 热像图
      2. 7.2.2 编码器电源输出电压
      3. 7.2.3 5V 和 3.3V 负载点
    3. 7.3 系统性能
      1. 7.3.1 正弦/余弦编码器输出信号仿真
        1. 7.3.1.1 一个周期（增量相位）测试
        2. 7.3.1.2 最大速度时机械旋转一周的测试
    4. 7.4 正弦/余弦编码器系统测试
      1. 7.4.1 零索引标记 R
      2. 7.4.2 功能性系统测试
    5. 7.5 EMC 测试结果
      1. 7.5.1 测试设置
      2. 7.5.2 IEC-61000-4-2 ESD 测试结果
      3. 7.5.3 IEC-61000-4-4 EFT 测试结果
      4. 7.5.4 IEC-61000-4-5 浪涌测试结果
  14. 8 设计文件
    1. 8.1 原理图
    2. 8.2 物料清单
    3. 8.3 PCB 布局指南
      1. 8.3.1 PCB 层图
    4. 8.4 Altium 工程
    5. 8.5 Gerber 文件
    6. 8.6 软件文件
  15. 9 参考资料
  16. 10作者简介
    1.     致谢
  17. 11修订历史记录

4.1.2 面向嵌入式 ADC 的 MCU 的单端输出模拟信号路径

并行模拟信号路径不应影响高分辨率路径，尤其是差分放大器。因此，差分信号 A+、A -、B + 和 B - 在输入终端端接电阻并完成保护处理后被引出，然后使用失调电压极低、失调电压漂移极小的单位增益放大器进行缓冲。接下来的放大器应将差分信号转换为单端信号。最小带宽至少应为 500kHz，理想情况下应高到能够支持输出信号高于
500kHz 的增量编码器。通向比较器的信号路径的相位延迟应与高分辨率路径相似，以最大限度减小模拟信号相移。

电源电压应为 5V 单电源。

为匹配高分辨率通道，两个运算放大器漂移的总和应至少达到相当于 12 位的精度，从而与高分辨率通道的模拟性能完美匹配。选择 OPA2365 执行输入缓冲及差分到单端转换，原因如下：

  • 工作电压范围为 2.2V 至 5.5V，可利用 5V 电源轨
  • 轨到轨 I/O
  • 失调电压和失调电压漂移极低：200µV（最大值）和 1µV/K（典型值）
  • 电压噪声和电流噪声低：4.5nV/SQRT(Hz) 和 0.004pA/SQRT(Hz)
  • 出色的 THD+N：0.0004%
  • 高共模抑制，CMRR：100dB（最小值）
  • 压摆率：25V/μs
  • 快速稳定：300ns 内达到 0.01%，可驱动外部 ADC

另一个选择是成本更低的替代产品 OPA2322，其偏移电压为 2mV，会使交流和直流性能略微下降。

模拟输出电压范围应为 0 至 3.3V，共模电压 1.65V。在最大输入电压为 1.8VPP 的情况下，采用 节 4.1.1 中所述相同标准，并考虑到 3.3V FSR 留 10% 的余量，计算得出增益为 1.66。

图 4-6 中展示了通道 A 的模拟信号链，通道 B 与之相同。

TIDA-00176 信号 A（正弦）的差分输入转单端输出模拟信号路径，信号 B（余弦）未展示图 4-6 信号 A（正弦）的差分输入转单端输出模拟信号路径，信号 B（余弦）未展示

差分信号 A_P 和 A_N 通过一个 220Ω 的电阻器连接到 OPA2365（U8A 和 U8B）的同相输入端。OPA2365（U8A 和 U8B）被配置为单位增益缓冲器，以避免对信号源造成负载影响并引入失真。在过压或欠压情况下，220Ω 串联电阻器可限制流入 OPA2365 同相输入端的电流。每个缓冲器的输出都采用一个小型可调 RC 滤波器，例如上图中的 R46 和 C53，其 -3dB 截止频率约为 5MHz，用于降低高频噪声。

后面的 OPA2365 (U10A) 配置为差分转单端放大器及电平转换器。其采用低漂移电压基准 REF2033，增益设置为 1.66，输出共模电压为 1.65V。可调 5.6 pF 反馈电容器与反馈电阻器并联，用于滤除 HF 噪声(f-3dB ~ 3.5 MHz)，非常适合 THS4531A 带宽。具体请参阅节 4.5。

由于 OPA2365 采用 5V 电源，放大器输出借助一个串联 10Ω 限流电阻器 (R48) 钳位至 3.3V (D17)。这是为了保护后续的比较器 (TLV3202/1) 和外部 ADC（通常为 3.3V I/O）。

增加抗混叠去耦合 RC 网络(R41/C48)，用于驱动外部 ADC。滤波器经过优化，可与 C2000 Piccolo MCU 系列中嵌入式的 12 位双通道 S/H ADC 配合使用。对于其他 ADC，必须相应地调整滤波器。

1.65V 偏置电压采用 100n 电容器 (C57) 进行去耦。此外，添加了 LP RC 滤波器以减少越来越多的 HF 噪声组件，尤其是开关 TPS54040A 可能产生的噪声组件。