MAX11192/5/8 ADC在電機監(jiān)測和控制中的應(yīng)用

磁編碼器用于感測機械運動并生成與該運動相對應(yīng)的數(shù)字信號，以測量典型電機系統(tǒng)的速度和位置。為了完成這兩項任務(wù)，需要一個具有兩個同時采樣、平衡差分輸入和每個通道單獨數(shù)據(jù)輸出的ADC。MAX11192/MAX11195/MAX11198專為電機監(jiān)測和控制應(yīng)用而設(shè)計。這些ADC采用微型2mm×3mm封裝，具有一流的采樣速率和分辨率。集成的基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電壓緩沖器可幫助設(shè)計人員最大限度地減小電路板空間、元件數(shù)量和系統(tǒng)成本。為了充分體現(xiàn)該器件的優(yōu)勢和最佳性能，必須為不同類型的應(yīng)用正確選擇輸入驅(qū)動放大器。本應(yīng)用筆記概述了如何使用典型電機系統(tǒng)測量速度和位置，并討論了ADC所需的性能以及用于優(yōu)化電機監(jiān)測和控制的合適驅(qū)動放大器。

概述

圖1顯示了電機監(jiān)測和控制系統(tǒng)的典型框圖。電機驅(qū)動控制器根據(jù)磁編碼器中ADC提供的數(shù)據(jù)監(jiān)控電機的狀態(tài)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，電機驅(qū)動控制器生成調(diào)節(jié)電機所需的命令。磁編碼器中的霍爾傳感器用于根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的磁場變化來感測位置信息。然后，來自霍爾傳感器輸出的模擬信號由ADC轉(zhuǎn)換為速度和位置信息。該反饋數(shù)據(jù)使電機驅(qū)動控制器能夠處理信息并提供命令以準(zhǔn)確控制系統(tǒng)。

圖1.電機監(jiān)測和控制典型框圖。

速度和位置測量

圖3所示為典型的磁編碼器框圖。磁性編碼器是電機的集成部件，它包含一個霍爾傳感器來感測速度和旋轉(zhuǎn)位置，并生成模擬信號以響應(yīng)該運動?；魻杺鞲衅髦荒?a target="_blank">檢測一個方向的磁場強度。因此，為了捕獲旋轉(zhuǎn)電機中的位置變化，需要兩個霍爾傳感器來檢測 X 軸和 Y 軸。這兩個霍爾傳感器檢測位于編碼器上的磁體的角度位置，并提供兩個正交的模擬輸出電壓值。這兩個正交模擬輸出（正弦和余弦）被饋送到驅(qū)動放大器的輸入端，然后是ADC，為微控制器生成相應(yīng)的數(shù)字信號。然后使用三角函數(shù)將這兩個獲得的X（余弦）和Y（正弦）信號轉(zhuǎn)換為角度，如下所示。

鞣？= Y/X
或 ？= 反弧（Y/X）

這種磁性編碼器需要快速、精確的ADC，如MAX11192/MAX11195/MAX11198系列2Msps采樣速率，以便能夠捕捉電機的快速運動。此外，ADC需要合適的驅(qū)動放大器，如MAX44242、MAX44263或MAX4432，以產(chǎn)生精確的數(shù)據(jù)。

圖3.典型磁編碼器框圖。

使用MAX11192/MAX11195/MAX11198進行精密編碼器速度和位置測量

電機中的磁編碼器暴露在非常嘈雜的環(huán)境中。此外，它們還需要準(zhǔn)確捕獲電機的高速和快速變化的旋轉(zhuǎn)位置。因此，需要能夠以每秒兆采樣數(shù)（Msps）量級的高速率對數(shù)據(jù)進行采樣的ADC。這些ADC需要以下特性才能獲得最佳性能：

精密測量：為了精確測量電機在kHz范圍和位置的高速，需要至少12位分辨率或更高，采樣速率至少為最大信號頻率10倍的ADC，例如MAX11192/MAX11195/MAX11198 12位/14位/16位、2Msps ADC。此外，為了提供最佳的輸入信號調(diào)理，MAX44263或MAX44242/MAX4432等高速低噪聲放大器分別用于驅(qū)動MAX11192 12位ADC和MAX11195/8 14位/16位ADC。

差分測量：為了最大限度地降低噪聲電機環(huán)境中的共模噪聲，需要具有平衡和差分輸入信號的ADC。

雙通道和同步采樣：為了精確測量編碼器的位置，需要具有雙通道輸出和同步采樣的ADC來捕獲來自霍爾傳感器的正弦和余弦信號。

MAX11192/MAX11195/MAX11198 SAR ADC專門設(shè)計用于提供這三個基本特性，使其成為電機監(jiān)測和控制應(yīng)用中磁編碼器的理想器件。

模擬輸入

MAX11192/MAX11195/MAX11198的模擬輸入AIN+和AIN-設(shè)計用于平衡差分信號。輸入信號范圍為 0V 至 V裁判.因此，差分輸入間隔[V差異= （AIN+） - （AIN-）] 范圍從 –V裁判至 +V裁判，滿量程范圍為 FSR = 2 × VREF。圖4給出了MAX11192/MAX11195/MAX11198模擬輸入信號電壓范圍。

圖4.MAX11192/MAX11195/MAX11198模擬輸入信號電壓范圍為V裁判+ 250mV = VAVDD= 5.25V。

差分模擬輸入必須相對于共模信號V居中裁判/2，容差為±100mV?；鶞?zhǔn)電壓范圍為比基準(zhǔn)電源 AVDD 低 250mV 至 2.5V。該基準(zhǔn)電壓范圍保證了內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器有足夠的裕量。對于不需要單極性差分配置的輸入信號，可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和相位轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)指定的輸入電壓范圍。有關(guān)詳細信息，請參閱驅(qū)動放大器的不同配置部分。

驅(qū)動放大器

ADC驅(qū)動放大器的目標(biāo)帶寬應(yīng)具有足夠低的6nV/vHz或更低的噪聲密度，因為驅(qū)動放大器噪聲會顯著影響信噪比（SNR）。

此外，為了充分利用ADC出色的動態(tài)性能，驅(qū)動放大器的總諧波失真（THD）性能必須與MAX11192/MAX11195/MAX11198相同或更好。這可以防止信號路徑中的驅(qū)動器放大器失真限制整體系統(tǒng)動態(tài)性能。表1列出了MAX11192/MAX11195/MAX11198 ADC的一些潛在ADC驅(qū)動放大器。

MAX11198 ADC動態(tài)性能，具有各種驅(qū)動放大器

MAX11198的動態(tài)性能由各種驅(qū)動放大器評估。條件為 AVDD = 5V、OVDD = 3.3V 和 V裁判= 2.5V，除非另有說明。

表 2 顯示了有效位數(shù) （ENOB） 的結(jié)果。

表3總結(jié)了不同驅(qū)動放大器的SNR結(jié)果。

表4顯示了不同驅(qū)動放大器時的THD性能。

圖5總結(jié)了MAX11198 ENOB在10kHz下采用不同的驅(qū)動放大器。

圖5.MAX11198 ENOB與不同驅(qū)動放大器的采樣速率的關(guān)系

圖6所示為MAX11198的動態(tài)性能，MAX4432驅(qū)動放大器由MAX11198評估板（EV kit）軟件圖形用戶界面（GUI）捕獲，頻率為1kHz/100ksps。

MAX4432具有最低的2.8nV/vHz噪聲密度和180MHz的寬帶寬，具有最佳的動態(tài)性能。

圖6.MAX11198采用MAX4432驅(qū)動放大器，動態(tài)性能在在= 1kHz，采樣率 = 100ksps，V裁判= 4.096V。

圖7所示為MAX11198 ADC捕獲的模擬輸入端的1kHz正弦和余弦波形。

圖7.MAX11198評估板捕獲的1kHz正弦和余弦波形

結(jié)論

MAX11192/MAX11195/MAX11198 ADC采用雙路差分和同步ADC，具有2Msps的高采樣速率和精確的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，針對電機監(jiān)測和控制應(yīng)用中的精密磁編碼器進行了優(yōu)化。差分輸入可降低電機噪聲，這些ADC的集成基準(zhǔn)電壓源可降低成本和電路板尺寸。2Msps的高采樣率是電機要求的高速應(yīng)用的完美功能。根據(jù)實驗室的實驗數(shù)據(jù)，MAX4432具有低電壓噪聲密度和寬頻率帶寬，是MAX11198的最佳驅(qū)動放大器。MAX44242是具有14位分辨率ADC的MAX11195的絕佳選擇，MAX44263是與12位MAX11192 ADC配對的理想選擇。

審核編輯：郭婷