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

2 设计特性

如节 1中所述，此 TI 设计符合工业温度范围要求和 EMC 标准，该设计下的接口适用具有 1VPP 差分模拟输出信号 A、B 和索引标记信号 R、输入频率高达 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。

为便于对此 TI 设计进行评估，我们为 TMS320F28069M InstaSPIN-MOTION LaunchPad 提供了示例固件。TMS320F28069M 利用 SPI 接口连接的外部 16 位 ADC 以及内部双通道 S/H 12 位 ADC 的模拟通道，为两条信号路径计算高分辨率角度位置，并通过 USB 虚拟 COM 端口输出分辨率最高可达 28 位的角度位置数据。

TIDA-00176 特性概述

  • 宽输入电压范围：具有反极性保护的 24V（17 到 36V）可为模拟信号链提供必要的电压，并为正弦/余弦编码器提供 5.25V 电压。
  • 编码器接口：适用于 5V 正弦/余弦编码器的 Sub-D 15 或 8 引脚插头接口，具有差分输出信号 A、B 和标记 R，电压范围为 0.3V 到 1.2 VPP，偏移量为 2.5V±1V，输入带宽高达 500kHz。
  • 双路模拟信号处理：双路选项，包含板载高速高分辨率双路 16 位同步采样 ADC，支持 SPI 接口，以及具备双路模拟输出，偏置电压为 1.65V，可连接外部双通道 S/H ADC。具有 160mV 可调迟滞特性的高速、低传播延迟比较器，可实现更好的防噪性能，可将模拟信号 A，B 和
    R 转换为 3.3V TTL 信号（通常称为 ABZ 信号）。
  • 可实现高分辨率插值角度位置计算，分辨率最高可达 28 位，经测试，电缆长度测试可达 70 米。
  • EMC 抗扰度：该设计按照 IEC 61800-3 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。
  • 可连接主机处理器，具有用于 MCU QEP 和 SPI 的 3.3V 数字接口信号输出，以及提供可选的单端模拟输出，输出电压范围为 0 至 3.3V，可用于 MCU 嵌入式双通道 S/H ADC。
  • 评估固件：适用于 Piccolo F28069M MCU 的示例固件可在 16kHz 频率下进行高分辨率双角位置计算。用户界面通过 USB 虚拟 COM 端口输出，方便进行性能评估。