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

7.1.1.2 整个高分辨率信号路径的性能曲线图 (DFT)

在以下测试中，我们测试了整个高分辨率信号链，包括经 RC 滤波器连接的差分放大器 THS4531A 到双路 16 位 ADC ADS8354。在编码器差分输入引脚注入正弦测试信号，然后对 16 位数字数据进行分析。

在频域中进行分析，以评估信噪比 (SNR)、总谐波失真 (THD)、信纳比 (SINAD) 和有效位数 (ENOB) 等性能。本质上，所有这些参数都是基于快速傅里叶变换 (FFT) 分析，利用不同的方式来量化 ADC 的噪声和失真性能。在本节的结尾处简要介绍了 ADC 信噪测量的原理。

在测试中，使用了两种输入信号：

  • 1.8V 的超低噪声直流电源
  • 振幅为 0.6 VPP 时的 1kHz 正弦波代表正弦/余弦编码器的低输出

每次在 A+，A– 或 B+，B– 其中一组输入通道上施加输入信号时，另一通道则处于未连接状态。这样做的目的是测量和突出两个通道 A 和 B （或分别为正弦和余弦）的超低串扰电平。

为了确保最佳噪声性能，使用了直流输入（因为输入/源不会产生噪声）。采用 1kHz 正弦波测量两个并联通道的有效位数。

以 32kHz 的频率对通道 A 和 B 进行采样，并分别采集 8192 个连续 16 位样本。针对所采集的数据计算 DFT，以测量 SNR 和 THD。

结果如下图所示。

TIDA-00176 在 A 输入端施加 1.8V 直流时 16 位通道 A 输出的 DFT图 7-4 在 A 输入端施加 1.8V 直流时 16 位通道 A 输出的 DFT
TIDA-00176 在 B 输入端施加 1.8V 直流时 16 位通道 B 输出的 DFT图 7-5 在 B 输入端施加 1.8V 直流时 16 位通道 B 输出的 DFT

在前面的图中，所测量的噪底低于120dB，这意味着这是可实现的最佳性能。此外，还需注意的是，这些图均采用满量程输入范围，即最大振幅。0dB 对应于 ADS8354 最大可能输入，在此配置中，该值将为 2 VPP。

下图所示为整个高分辨率通道的 DFT，其中正弦输入电压振幅为 0.6VPP，频率为 1KHz。这约等于理论满标量程输入范围内的 –6dB 输入电平。

输入信号可施加到通道 A 或通道 B。另一通道保持开路状态，以便测量串扰。

TIDA-00176 在 A 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 A 输出的 DFT图 7-6 在 A 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 A 输出的 DFT
TIDA-00176 在 A 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 B 输出的 DFT图 7-7 在 A 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 B 输出的 DFT
TIDA-00176 在 B 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 B 输出的 DFT图 7-8 在 B 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 B 输出的 DFT
TIDA-00176 在 B 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 A 输出的 DFT图 7-9 在 B 输入端施加 600mVPP，1KHz 正弦波输入时，16 位通道 A 输出的 DFT

这些图均采用理论上的满量程输入范围。注意，1kHz 正弦信号的第一个和第二个谐波源于信号源本身（通常采用极其严格的陷波滤波器来隔离测试信号的频率；相关示例，另请参阅 SLAU515）。

另请注意，1kHz 信号存在轻微的扩频。这与 TIDA-00176 硬件无关，而是由于 F28069 软件实施中出现抖动，触发了 SPI 传输，从而启动了 ADS8354 转换（保持模式），引起相当于 12.5ns 的、一个 CPU 时钟周期的抖动。

从上图中还可知，两个正弦（信号 A+，A–）和余弦 (B+，B–) 模拟通道之间基本不存在串扰。频谱 (DFT) 为采样频率的一半（另一半频谱是前半部分高光复制品，因此图表中未显示）。Hann 函数 (http://en.wikipedia.org/wiki/Hann_function) 用于对数据进行窗口化，以获得频域中更干净的图。

然后可以计算本设计在满量程信号下的 THD、SNR 和 ENOB，并且列举在表 7-2中。

表 7-2 高分辨率信号路径（THS4531A 和 ADS8354）的典型性能
参数值（测量值）
SNR89.1dB
SINAD88.5dB
ENOB14.4 位
串扰–107 至 –109 dB