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

1.1 设计概述

德州仪器 (TI) 的这一设计符合工业温度要求和 EMC 标准，该设计下的接口适用于具有 1 VPP 差分模拟输出信号、频率高达 500kHz 且采用 5V 电源电压的正弦/余弦增量式位置编码器。这一 TI 设计的主要组成模块包括双路径模拟信号链、高速比较器模块、电源管理模块、正弦/余弦编码器接口，以及用于数字信号处理和高分辨率位置计算的主机微控制器接口。图 1-1 中所示为简化的系统方框图，其中 TI 硬件设计用浅绿色框表示。

为便于对此设计指南进行评估，我们为 TMS320F28069M InstaSPIN™-MOTION LaunchPad 提供了示例固件。TMS320F28069M 可为两条模拟信号路径计算高分辨率角度位置。一条路径通过 SPI 利用外部 16 位双 ADC。另一条路径则使用 F28069M 嵌入式双路 S/H 12 位 ADC。角度计算的分辨率最高可达 28 位，并通过 USB 虚拟串口输出以便进行评估。

TIDA-00176 采用 Piccolo F28069M LaunchPad 的 TIDA-00176 简化系统方框图图 1-1 采用 Piccolo F28069M LaunchPad 的 TIDA-00176 简化系统方框图

模拟信号链提供具有 EMC 保护功能的 120Ω 终端。差分1 VPP 正弦和余弦输入信号将分别进行放大和电平转换。该设计提供了双信号路径选项，板载了一个高速、高分辨率的双路 16 位同步采样 ADC，支持 SPI 接口，同时还具有双路模拟单端输出，输出偏置电压为 1.65V，可与如 C2000™ Piccolo 实时微控制器系列这类嵌入式双路 S/H ADC 的微控制器连接。

比较器块具有速度快，传播延迟低，迟滞可调的特点，可提高防噪性能。比较器块可将模拟信号 A，B 及标记 R 转换为具有 3.3V TTL 电平的数字信号，可连接至正交编码器脉冲模块，如 C2000 Piccolo MCU 上的 QEP 模块。

板载的宽输入范围 24V 电源为模拟信号链提供必要的电压，同时为正弦/余弦编码器提供 5.25V 的电源电压。

正弦/余弦编码器可连接至 15 引脚屏蔽 Sub-D 连接器或 8 引脚插头。与主机处理器连接的接口可提供模拟单端信号 A 和 B，这两个信号的电压在 0 到 3.3V 之间变化，并且带有 1.65V 的偏置电压；同时，该接口还会提供用于串行外设接口 (SPI) 的数字信号；以及 A、B 和 R 这几个数字信号，它们的输入输出 (I/O) 电压为 3.3V。数字输出信号 A、B 和 R 通常称为 ABZ 信号。

该设计按照 IEC 61800-3 标准中针对可调速电力驱动系统的电磁兼容性 (EMC) 抗扰度要求以及特定测试方法，依据 IEC61000-4-2、4-4 和 4-5 标准，进行了 ESD、EFT 和浪涌方面的测试。