用于運動控制系統(tǒng)中位置和角度感測的光學(xué)或磁性傳感器通常提供用于轉(zhuǎn)換的正弦和余弦信號。正弦和余弦之間的 90° 相移允許確定 360° 輸入周期內(nèi)的位置或角度，以及旋轉(zhuǎn)或移動方向。對于微米或亞弧分范圍內(nèi)的分辨率，需要對正弦和余弦信號進(jìn)行精確插值。這種正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換(SDC)可以通過多種方式執(zhí)行，無論是硬件還是軟件。對于高精度結(jié)果，信號調(diào)理和S/D轉(zhuǎn)換的質(zhì)量至關(guān)重要。下面對幾種SDC(插值)方法進(jìn)行分析和比較，并討論了精度結(jié)果。 具有 S/D 轉(zhuǎn)換功能的傳感器信號路徑

　　電子位置和角度測量中的傳感器采用光學(xué)、磁性、電感或電容原理。帶有 LED 光源和碼盤的光學(xué)傳感器非常常見，使用偶極磁鐵或多極輪的磁性 GMR/AMR/霍爾傳感器也很常見 [1]。如圖1所示，這些傳感器通常直接提供正弦和余弦信號。由于傳感器輸出并不總是提供完美的正弦/余弦信號，因此必須在插值前對傳感器輸出進(jìn)行調(diào)理，以獲得高精度結(jié)果。這種調(diào)節(jié)的目標(biāo)是盡可能提供幅度相等、零偏移和精確 90° 相移的正弦/余弦波?？删幊淘鲆娣糯笃?PGA)和/或查找表通常用于提供所需的幅度平衡(增益校正)、失調(diào)補償和相位校正。

　　通常，Z傳感器定義位置/角度測量的零位置，并使用可調(diào)比較器對其脈沖輸出進(jìn)行采樣。如果沒有可用的Z傳感器，插值器也可以定義零點位置[2]。在這種情況下，零位置可以設(shè)置在 360° 輸入正弦/余弦周期內(nèi)的任何位置，以在用戶定義的位置或角度生成 Z 輸出。

　　插值器實現(xiàn) S/D 轉(zhuǎn)換，并通過多個輸出接口之一輸出其結(jié)果。該數(shù)字輸出可由本地微控制器直接讀取或通過線路驅(qū)動器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換的典型方法 插值器負(fù)責(zé)非線性A/D轉(zhuǎn)換，將正弦/余弦信號轉(zhuǎn)換為位置或角度步長(見圖2)。然后，這些步驟以正交方波信號(包括方向信息)增量輸出，或作為表示360°輸入周期內(nèi)絕對角度的數(shù)據(jù)字輸出。

　　通常用于正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換的非線性函數(shù)是反角正切，它直接從條件正弦和余弦信號計算輸出角度(見圖2)。許多不同的 A/D 轉(zhuǎn)換方法可用于實現(xiàn)反正切函數(shù)，具體取決于應(yīng)用要求：

　　閃光轉(zhuǎn)換，使用許多單獨的比較器幾乎立即執(zhí)行轉(zhuǎn)換。矢量跟蹤轉(zhuǎn)換，使用單個比較器遞增或遞減數(shù)字計數(shù)器以跟蹤輸入角度。

　　SAR 轉(zhuǎn)換，類似于矢量跟蹤轉(zhuǎn)換，但對輸入信號進(jìn)行采樣并保持，直到計數(shù)器穩(wěn)定。

　　DSP 轉(zhuǎn)換，分別數(shù)字化正弦和余弦信號，并使用 CORDIC 或其他數(shù)值算法計算數(shù)字信號處理器中的反正切函數(shù)。

　　現(xiàn)代插值器通常采用矢量跟蹤或DSP轉(zhuǎn)換方法。 轉(zhuǎn)換器功能比較

　　不用說，應(yīng)用程序要求決定了哪種類型的轉(zhuǎn)換是最好的。對于采樣轉(zhuǎn)換器(閃存和SAR)，所需的建立時間決定了最大采樣速率(見表1)，這在某些應(yīng)用中可能是一個限制。矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器通過使用高計數(shù)器時鐘頻率和快速模擬電路提供快速采樣和低延遲，但需要手動校準(zhǔn)輸入信號調(diào)理才能獲得最佳性能。線性A/D轉(zhuǎn)換器和DSP轉(zhuǎn)換提供高分辨率，并允許復(fù)雜的自動校準(zhǔn)、數(shù)字濾波和分?jǐn)?shù)插值功能，這是其他轉(zhuǎn)換器無法在軟件中實現(xiàn)的。然而，與任何DSP一樣，需要較低的采樣速率才能留出時間進(jìn)行信號處理。

　　除了分辨率，還必須考慮精度。對于矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器，精度不僅取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量，還取決于信號調(diào)理電路的分辨率。每個在信號路徑中提供校正措施(失調(diào)、增益或相位校正)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器都需要芯片空間，從而影響電路設(shè)計人員的成本和優(yōu)化任務(wù)。因此，可以找到矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器，由于更高分辨率的信號調(diào)理，其分辨率較低，但精度更高。另一方面，DSP插值器為所有計算提供高分辨率，僅受處理器的數(shù)字字大小和可用計算時間的限制。DSP解決方案的精度完全取決于A/D轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量。然而，在實踐中， 在大多數(shù)應(yīng)用中，可實現(xiàn)的精度通常受到傳感器信號質(zhì)量的限制。以安全為導(dǎo)向的編碼器系統(tǒng)需要額外的功能，例如信號和溫度監(jiān)控的特殊診斷、存儲器檢查和錯誤模擬。對于控制器通信，可以使用單個并行接口以及各種串行接口。BiSS接口提供的可配置位置數(shù)據(jù)輸出可以通過生命周期計數(shù)和擴展的16位CRC [3]進(jìn)行增強。 提供單個并行接口以及各種串行接口。BiSS接口提供的可配置位置數(shù)據(jù)輸出可以通過生命周期計數(shù)和擴展的16位CRC [3]進(jìn)行增強。 提供單個并行接口以及各種串行接口。BiSS接口提供的可配置位置數(shù)據(jù)輸出可以通過生命周期計數(shù)和擴展的16位CRC [3]進(jìn)行增強。

　　矢量跟蹤轉(zhuǎn)換詳細(xì)信息

　　矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器有一個主比較器，用于控制計數(shù)器的遞增和遞減(見圖3)。數(shù)字計數(shù)器值(角度phi)饋送D/A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生與數(shù)字角度正切成比例的模擬信號。該切線信號乘以余弦輸入信號，產(chǎn)生合成的正弦信號。將合成的正弦波與驅(qū)動計數(shù)器的正弦輸入信號進(jìn)行比較。

　　當(dāng)合成的正弦等于正弦輸入信號時，系統(tǒng)建立，計數(shù)器值等于傳感器的正弦/余弦輸入指示的角度(phi)。計數(shù)器一步一步地跟蹤每個輸入變化——或者更確切地說是一點一點地——因此不可能進(jìn)行位置或角度跳躍。這種類型的轉(zhuǎn)換器僅通過輸入變化激活，因此幾乎無時鐘運行，因此輸入到輸出延遲時間相對較短。

　　由于只需要一個比較器，因此可以設(shè)計為精度。矢量跟蹤轉(zhuǎn)換器的另一個特點是，任何電路失調(diào)都會以相同的方式影響所有開關(guān)點，與遲滯相當(dāng)。因此，跟蹤轉(zhuǎn)換器增量輸出信號中的抖動幾乎完全由輸入信號的質(zhì)量決定，直到達(dá)到最大跟蹤速率。

　　由于其低延遲，這種類型的轉(zhuǎn)換器通常是需要高動態(tài)響應(yīng)、快速移動和極短建立時間的線性位置測量系統(tǒng)的首選。還可以跟蹤高輸入頻率，例如使用 iC-NQC(高達(dá) 250 kHz)，從而實現(xiàn)高速運行。DSP 轉(zhuǎn)換詳細(xì)信息

　　DSP 正弦/余弦數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用兩個高精度、高分辨率線性 A/D 轉(zhuǎn)換器直接對來自位置或角度傳感器的正弦和余弦信號進(jìn)行數(shù)字化處理。然后對數(shù)字化的傳感器信號進(jìn)行調(diào)理，并在DSP中計算輸出角度(見圖4)。這種方法的優(yōu)勢在于數(shù)字信號處理：可以自動測量和校正信號誤差，以進(jìn)行初始校準(zhǔn)(例如，使用按鈕輸入)和在操作期間補償傳感器漂移和老化。這些特性使DSP轉(zhuǎn)換器易于使用，同時仍提供高分辨率和出色的精度。

　　先進(jìn)的數(shù)字濾波可實現(xiàn)超過A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的位置/角度分辨率。合成的增量輸出信號具有完美的50%占空比，并且在低失真?zhèn)鞲衅鬏斎胂聨缀鯚o抖動。但是，由于DSP是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，因此輸入和輸出之間存在幾微秒的固定時間延遲(延遲)，這在高增益控制系統(tǒng)中可能需要考慮。在大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中，由于涉及負(fù)載慣性，這種延遲幾乎沒有影響。但是，以恒定速度運行時延遲引起的位置/角度滯后可能是一個問題。在這種情況下，DSP中的復(fù)雜信號處理算法可以將滯后減少6倍。

　　DSP插補器是模塊化工業(yè)編碼器和高分辨率線性長度計以及自動糾錯和濾波功能特別有用的極端環(huán)境應(yīng)用的首選。數(shù)字信號調(diào)理

　　在DSP插值器的模擬信號路徑中，可編程增益放大器(PGA)僅對增益(通常為3 dB/步)和失調(diào)(通常為100 mV/步)進(jìn)行粗略調(diào)整，以使輸入信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換的有利范圍(見圖5)。

　　失調(diào)、增益匹配和相位校正的微調(diào)使用DSP的全16位分辨率以數(shù)字方式應(yīng)用。這為信號調(diào)理提供了極小的步長(例如，0.056°/步用于iC-TW8的相位校正)。復(fù)雜的漂移監(jiān)控算法可檢測與出廠校準(zhǔn)設(shè)置的偏差，并可配置為激活警報，以對即將發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。

　　總結(jié)

　　如上例所示，正弦/余弦到數(shù)字轉(zhuǎn)換方法的選擇會對應(yīng)用性能產(chǎn)生很大影響。在確定控制環(huán)路的性能時，必須考慮轉(zhuǎn)換速度、分辨率、精度和延遲。然而，插值位置/角度輸出的精度通常不取決于SDC轉(zhuǎn)換器的分辨率，而是取決于信號調(diào)理電路或算法的分辨率、模擬信號路徑的穩(wěn)定性以及傳感器信號的質(zhì)量。文獻(xiàn)

　　[1] 絕對編碼器設(shè)計：磁性還是光學(xué)? 白皮書

　　[2 ] 林大衛(wèi)博士， 速度采集變得簡單，EDN，2008 年 9 月

　　[3] 開源 BiSS： 雙向同步串行接口

　　^48 貝恩德·施羅爾斯和迪普爾斯。馬爾科·赫普， 通過片上系統(tǒng)集成實現(xiàn)快速光學(xué)距離檢測， EDN， 九月 29， 2012