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高精度-正弦/余弦插值余弦插值细分法

高精度-正弦/余弦插值细分法


现有的驱动控制器需求装备有高分辨率的磁电或光电定位传感器以实现速度掌握大概定位的功用。所利用的传感器需求专门装备集成电路,用于传感器旌旗灯号的调理以及正弦/余弦旌旗灯号向数字信号的转换。

此份白皮书形貌了“细分器”;在正弦/余弦旌旗灯号向数字信号转换(S/D转换)的办法以及相干手艺应战,其一样也会商了与传感器相干的测量误差以及对其抵偿步伐,并展现了最新的芯片解决方案以及如何对其停止挑选。

目次:

1.  正弦/余弦旌旗灯号向数字信号的转换办法..........2

1.1 快闪型(Flash) 转换器.......................2

1.2 矢量跟随转换器.............................3

1.3 采样连结型的SAR转换器......................4

1.4 连续采样A/D转换器..........................4

1.5 插值细分组件比照...........................5

2.  带有示例的测量误差.........................6

2.1  旌旗灯号调理的观点............................9

3.   总结......................................13

4.   参考文献..................................13 




白皮书


  1. 正弦13558.com<13558.comstrong>余弦旌旗灯号向数字信号的转换办法

高精度的磁力大概光电传感器[1]能够将角度信息大概长度信息以90度角的情势停止编码并转换为正弦大概余弦旌旗灯号。此中利用细分器停止非线性的A/D转换,其用于将正弦/余弦旌旗灯号转换为转角阶跃(拜见图1),其能够用增量旌旗灯号也被称为正交旌旗灯号停止展现,也能够用绝对数值字段停止展现该字段所表达的正弦旌旗灯号的相位角。

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1:经由过程”细分器“的角度转换


非线性转换函数凡是利用反正切函数,如许相位角PHI能够间接从正弦和余弦电压中得到。

多种A/D转换观点可应用于:

  • 快闪型转换器,比方iC-NV,利用了多个自力的比力器;

  • 矢量跟随转换器,比方iC-NQC以及iC-MQF,其仅装备了几个比力器,用于对控制器在向上大概向下的方向上停止初度旌旗灯号收罗,然后对所输入的角度停止跟随;

  • SAR转换器,比方在iC-MR中说起的,在基本原理上与矢量跟随转换器类似,但会连结输入旌旗灯号直至得到响应的计数值;

  • 利用线性A/D转换器(比方:在iC-TW8中利用的)也能够停止角度计较,此中该A/D转换器能够别离将正弦和余弦旌旗灯号停止数字化处置.

  完整集成了磁电和光电感到的单芯片编码器,比方iC-MU大概iC-LNB,利用矢量跟随转换器来及时供给位置数据[1,2]。


1.1 快闪型(Flash) 转换器

图2展现了一种带有多个自力比力器的快闪型转换器,在差别正切函数阈值时停止切换。最少一个比力器用于定义一名角解析度,也意味着对其装备的硬件要求十分高,以是需求利用很大的芯片面积–除非抛却精细电路。因而,这类情势适用于较低分辨率同时精度要求也其实不是出格高的计划。

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2:快闪型转换器

快闪型转换器有许多长处:其比力器能够并行事情而且险些同时完成旌旗灯号转换。因为在成立不变的历程中会构成转换毛刺,因而利用了边缘间隔掌握的专利技术用于成立平衡。

当持续边缘到来时,假如其距离过近会推延,则会发生一个可计数的输出旌旗灯号-电路起到滤波器的感化,并且未受滋扰的输入旌旗灯号在经由过程时其实不会发生提早,也就是说该滤波器的感化不会发生任何提早结果。

快闪型转换不需要停止采样。因而,因为发生的正交旌旗灯号不会和任何时钟旌旗灯号同步,所以此旌旗灯号带有“模仿的”颤动特性–这类特性关于速度掌握十分合用。典范应用于光电或磁性机电编码器。


1.2 矢量跟随转换器

矢量跟随转换手艺次要应用于停止更高的剖析(拜见图3)。其装备有一个低级比力器,该比力器用于掌握计数器向上或向下计数。数字计数器将数值输入一个D/A转换器并天生模仿正切旌旗灯号。该正切旌旗灯号同余弦旌旗灯号混淆,并天生一个正弦旌旗灯号-然后将正弦旌旗灯号停止比照。

3:矢量跟随转换

 

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当体系不变后,计数器包罗相位角而且逐渐长大概说逐比特位的记载每个输入旌旗灯号的变革。这个历程中不会发生阶跃。矢量跟随转换器的优势是该体系的功用与时钟无关,体系仅在输入发作变革时才会被触发,如许能够收缩体系的延迟时间。

因为该体系仅需求一个比力器,因而其设想能够做到愈加精细。潜伏的电路中的偏移偏差会以一样的方法对所有切换点发生不异影响–可同迟滞征象比力–因而该体系在精度方面也具有必然优势。跟随转换器输出递增旌旗灯号时会发生响应的模仿颤动。当到达可调的最高跟随速度的限定时,时钟同步影响才会显现出来,比方在输出旌旗灯号时发作毛病。

基于及时以及高解析度的特性,该范例转换器被作为线性位置丈量体系的首选。


1.3 采样连结型的SAR转换器

关于不需要输出递增旌旗灯号的绝对丈量体系来讲,图4所展现的采样转换器是一种适宜的挑选。SAR(逐次迫近) 转换器的事情道理同矢量跟随转换器道理类似,差别的是逐次迫近寄存器能够更快获得附近的相位角,由于其步长能够更大且事情时不需要逐比特位停止跟随。

4:采样连结型的SAR

当遭到内部数据恳求触发时,体系经由过程采样连结电路对输入旌旗灯号停止解冻。在该体系中,模仿旌旗灯号的不变工夫次要决议了转换的速率和精度。

此范例的转换器凡是应用于机电控制系统以及逆变器等关于角度旌旗灯号有较高解析度要求的体系中,其能够对模仿编码旌旗灯号大概位置编码旌旗灯号停止处置。

1. 连续采样A/D转换器

典范的办法:iC-TW8利用连续运转线性A/D转换器(图5)然后对相位角停止计较。该体系的优势在于数字信号处置:旌旗灯号偏差既能够经由过程一次性按动按钮停止初始化校准后消弭,也能够连续的经由过程主动传感器漂移抵偿停止校订。

5:采样A/D转换器

旌旗灯号滤波的利用使得解析度超越实践可用A/D转换器解析度成为能够。分解发生的增量输出旌旗灯号的完善占空比为50%而且几乎没有颤动。可是,在体系掌握时也需求思索对因为旌旗灯号处置所招致的几微秒的恒定延迟时间。

该转换器次要应用于高解析度的线性测长仪以及受益于供给主动旌旗灯号校订的扭转式编码器体系。

1.5插值细分组件比照

 

不必赘言,利用什么品种的转换器由其使用范畴决议:挑选跟随转换器iC-NQC以及iC-MQF的缘故原由是由于其具有及时的特性,最小延迟时间不超过250 ns,这凡是经由过程模仿途径运转工夫决议。

关于采样转换器iC-MR和iC-TW8来讲,丈量数值时的不变工夫(拜见表1)至关重要,其决议了能够实现的采样率。iC-MR能够在2微秒内利用13bit对角度位置停止剖析,而持续运转转换器iC-TW8需求24微秒并采样6个样本用于更新位置数据。另一方面,假如速度是恒定的,iC-TW8能够经由过程可调的数字滤波器将现有的提早期低落到4微秒内。和扭转变压器的处置一样一般,但是输出位置信息能在相称短的时间内追逐输入角度。

1:转换特性

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除剖析度外,一样需求思索精度,转换器的精度不只同A/D转换器的处理器质量相干,同时也与旌旗灯号调理的范畴值相干。每一个针对旌旗灯号途径停止改正的D/A转换器都需求预留芯片面积,响应的也会招致本钱的增长-因而关于电路设计者来讲需求停止优化设想。表2中器件比力显现iC-MQF转换器的解析度与iC-NQC的解析度比拟要更低。不外,因为具有更精细的分开旌旗灯号调理,因而其精度更高。

安全导向的编码器体系需求一些附加功用:iC-MR器件具有特别的诊断功用,比方:旌旗灯号和温度监控,内存查抄以及毛病模仿。关于控制器通信,一个并行接口以及多个串行接口都可用。经由过程设置BiSS C上的位置数据输出,能够增长安全计数数据及扩大至16位CRC校验。

2:操纵特性


2.      带有示例的测量误差

如有必要,需求对图6中示例唆使的在磁环扫描历程中利用磁阻传感器招致的测量误差停止思索。

 

6:带有偏差源的使用实例

 

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潜伏的偏差源能够是:

  • 不精确的磁化丈量目的

  • 磁阻传感器偏移大概幅度招致的旌旗灯号偏差

  • 不精确的传感器位置对齐招致的正弦/余弦相位偏差

  • 毛病调理或调理不敷招致的旌旗灯号偏差

  •  不精确转换招致的测量误差

假如没有响应的抵消步伐,会发生毛病的插值细分成果,因而增量输出旌旗灯号较着颤动较强。一方面机器角度变动招致的输出颤动是能够承受的,可是另一方面因为丈量系统误差招致的颤动是无法承受的-使人遗憾的是,无法对这二者停止辨别大概婚配。

因而,关于潜伏偏差源的准确熟悉是非常重要的。角度计较公式表白了我们需求对哪些旌旗灯号偏差停止思索:

公式:经由过程反正切函数的角度计较

 

与其相干的偏差源有:偏移电压,与幻想相位差之间的偏向,正弦与余弦幅度之间的偏向,能够的谐波波形扭曲。因而,我们需求知道这些旌旗灯号偏差能否需求停止”调理“大概该偏差能够被无视。

 

三个实例预算对调理精度的要求:

  • 磁性,同轴,1CPR:0.1度(12位)精度:

       要求旌旗灯号偏差<>< p="">

  • 磁性,离轴(32对磁极),64CPR:0.1度(12位)精度:

       要求旌旗灯号偏差<>< span="">

  • 光电,离轴,2048CPR:20秒(16位)精度:

       要求旌旗灯号偏差<>< span="">

 

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实例1:假如希冀机器角度精度为0.1o(12位/每转)同轴霍尔传感器体系,每转供给一个正弦周期旌旗灯号,那么能够揣度出每一个旌旗灯号偏差必需低于0.2%。

虽然野生手动调理十分费时且关于现有的丈量装备也是一个很大的应战,可是仍旧能够实现精度调理。调理东西拜见:http://www.ichaus.de/tools

合适的器件:iC-NQC,iC-TW8,iC-MR

 

实例13558.com:利用磁阻传感器采样磁环时,可低落对插值细分深度和技术上旌旗灯号精度的要求。尽管如此,愈加准确的调理仍旧需求依赖于丈量目的磁化的准确水平。

输入频次跟着极数的增长而增长-因为插值细分倍数的削减,因而其关于矢量跟随转换器来讲也其实不是成绩。

合适的器件:iC-TW2,iC-MQ,iC-NQC,iC-TW8。

 

实例3:关于光电编码器体系,比方2048正弦周期每转,该当停止更准确的剖析,其关于旌旗灯号调理的要求仿佛其实不是出格高。可是,凡是光栅偏差普通已到达最大许可测量误差,如许分外的旌旗灯号调理偏差就无法承受了(拜见表3)。因而,因为较高的输入频次,关于细分电路的要求变得相称高。采样组件比方iC-MR是必须的。

3:与校准相干的角度偏差

 

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2.1 旌旗灯号调理的观点

 

为得到较好的细分成果,传感器旌旗灯号需求停止调理[3]。器件iC-MQF及iC-MR应用于模仿前端(AFE,拜见图7)用于旌旗灯号调理,其经由过程多个D/A转换器停止调理。与之相对,iC-TW8利用本身调理数字信号校准。

 

用于旌旗灯号调理的模仿前端(13558.com

7:用于旌旗灯号调理的模仿前端

精细仪表放大器供给了一个粗拙的放大旌旗灯号用于旌旗灯号顺应,同时经由过程精密调节器均衡旌旗灯号差别。进一步经由过程D/A转换器在前端停止偏移校订,其能够按照旌旗灯号跟随校订。前端能够丈量旌旗灯号中的DC部门或传感器供电作为参考旌旗灯号。另外,电流控制器能够供给一个不变的条件,比方经由过程为磁阻传感器供电或为光学系统中的LED供电。此处的优势在于,假如在室温下停止调理,校准精度不会随温度的变革而变革。

 

枢纽特性:

  • 集成的电流/电压转换器以及电压分配器

  • 已校订偏移的仪表放大器

  • 自力的可粗调或微调的放大因子

  • 经由过程跟随偏移参考停止传感器漂移抵偿

  • 经由过程调理传感器供电实现旌旗灯号不变(总计值大概李萨如图)


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数字信号校订

 

在模仿途径中,iC-TW8仅具有集约大和粗偏移调节器,以便使输入旌旗灯号处于A/D转换器的最好工作范围中。(拜见图8)

8:带有A/D转换器的PGA 前端以及数字信号校订器

响应的,仅有数字旌旗灯号停止校订计较。能够经由过程一个精细的漂移监控器对出厂校准停止评价偏向,用于设置警报。角度位置经由过程CORDIC算法(坐标扭转数字计算法)停止计较。

 

枢纽特性:

  •  可调的集约大因子(6 到45dB,3dB每步)

  • 可调的模仿偏移校订(100mV每步)

  • 数字偏移以及偏移漂移校订(244uV每步)

  • 对幅度差的数字抵偿(0.02%每步)

  •  数字相位校订(0.056o每步)


观点优势

两个观点都展现的优势:电源接通后,当体系处于截至形态时,模仿旌旗灯号途径已校订不变,由于传感器供电在校定时已调到最好旌旗灯号形态。在旌旗灯号途径上没有分外的延迟时间,因而能够很快地得到细分成果。关于初始化出厂校准,能够需求装备主动的丈量装备。

数字校订操纵现有的运动,要末经由过程最后界说的最适宜的静态顺应,要末在使用中对其静态漂移停止持久不竭的抵偿。校准的测试装备不是必需的,且能够经由过程主动方法或按动按钮停止现场从头校准。这有利于由客户自行安装的模块化体系。

表4显现关于实现的抵偿功用的器件比照

白皮书

 

器件特性概览

 

iC-NQC 13位旌旗灯号调理插值细分芯片

  • 及时增量输出

  •  BiSS绝对接口具有周期计较

  •  BiSS从机BP1,SSI   


iC-MQF 可编程带RS422驱动的12位正弦/余弦插值细分芯片

  •  及时十进制增量

  •  RS422毛病保险

  • 传感器供电掌握


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iC-MR 带控制器接口的13位采样连结正弦/余弦插值细分器

 

  •  BiSS或嵌入式

  • 单圈和多圈处置

  • 安全监控特性

 

枢纽特性:

  • 快速采样连结细分:2us,

  • 精细旌旗灯号调理,

  • 源掌握输出(ACO),1Vpp线驱动输出,

  • 并行8位单片机接口,

  • 串行接口(BiSS/SSI,SPI),

  • I2C,12位A/D转换器(温度感到)

  • 安全特性


iC-TW8 带有主动校准16位正弦/余弦插值细分器

  •  本身校准单次/不竭

  •  完善增量旌旗灯号

 

枢纽特性:

  • 250ksps,16位,

  • 恒定延迟时间(24&us),

  • 提早规复到4μs(伺服环路),

  • 二进制/十进制0.25倍至16384倍,

  • 后置AB分配器[1/1到1/32],

  • 输入频次125kHz,A/B/Z 8MHz,

  • 最小边缘间隔tMTD 31ns,

  • 主动偏移,放大,相位,

  • 按钮校准,经由过程LUT停止扭曲抵偿,

  • 旌旗灯号质量监测,利用引脚设置,

  • I2C,SPI,3.3V(15mA),5V

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3.   总结

利用差别方法对S/D转换器停止了展现,专门为插值细分,在挑选最优解决方案时应思索多个主要原则。本章的表格[4]包罗最新芯片解决方案,也能够在线下载。

4.参考文献

[1] EncoderTechnologiesinComparison:Magneticvs.Optical,Elektronik10/2012

[2] 18Bitrelativencoder-IC,ElektronikIndustrie03/2012

[3] EasyConditioningandSafeTransferofSensorSignals,Elektronik Industrie4/2010

[4] ProductSelector Interpolator IC

 

关于iC-Haus

iC-Haus GmbH是一家行业抢先自力的德国制造商,为尺度集成电路(ASSP)和定制ASIC半导体供给解决方案的全球代表。30多年来,公司不断致力于在产业,汽车,医疗使用的公用集成电路的设想,消费和贩卖。

iC-Haus在CMOS手艺,双极手艺以及BCD手艺方面的单位数据库专门用于设想实现传感器,激光/光学以及驱动器ASIC。集成电路组装在尺度的塑料封装内,或利用iC-Haus板上芯片手艺制造完好的微体系,多芯片模块,和连同传感器的optoBGA / QFN。


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上传工夫:2016-02-22