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AN-1158旋转编码器到模拟转换器

内容
参考文献
2.介绍
3.解码增量旋转编码器
4.与GreenPak实现
5.方向检测
6.利用资源
7.示例实现
结论

参考

对于相关的文件和软件，请访问：

https://www.dialog-semicondoduments.c亚博电竞菠菜om/products/greenpak.

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yabo国际娱乐对话框半导体提供完整的应用程序库注意[4]，其中包含了设计示例以及对话框IC中的功能和块的说明。

  1. GreenPak Designer软件，软件下载和用户指南，对话框半导体yabo国际娱乐
  2. AN-1158旋转编码器为模拟转换器.GP，GreenPak设计文件，对话半导体yabo国际娱乐
  3. GreenPak开发工具，GreenPak开发工具网页，对话框半导体yabo国际娱乐
  4. GreenPak应用笔记，GreenPak应用笔记网页，对话框半导体yabo国际娱乐
  5. SLG46140数据表，对话框半导体yabo国际娱乐

介绍

在过去，通过使用转换速度直接转换为直流电压的转速表来完成DC电动机速度感测。模拟PID控制器采用此电压并将其与参考电压进行比较以产生命令信号以加速或减速DC电机。但是，最近，用于速度反馈的方法采用光学编码器，其产生脉冲而不是模拟电压。

由此，使用微控制器代替模拟PID控制器。微控制器接收到输入脉冲，将它们转换为数字反馈信号，将它们与数字参考进行比较，并将其馈送成为一种数字控制算法以创建电机速度命令。所有这些都增加了额外的硬件，需要软件进行电机速度控制。所示的GreenPak实现是脉冲到电压转换器，可以节省这种硬件和软件成本，并且仍然可以与具有编码器反馈的直流电机一起使用模拟PID。

图1.旋转编码器输出信号

解码增量旋转编码器

旋转编码器的输出是两个脉冲信号的形式，它们是90°的相位，称为正交输出。每秒的脉冲数与电动机的速度成正比。

解码这些信号以产生计数脉冲或计数脉冲。为了在软件中解码，A＆B输出由软件计数器读取，每秒计数与每秒转数成比例。这些信号还用于检测旋转方向。

这需要一个附加控制器，该控制器接收这两个脉冲信号并处理它们以提取速度和方向信息。

相反，通过接收两个脉冲信号并产生与电动机速度成正比的模拟信号，GreenPak IC将作为该控制器作为该控制器。

图2. GreenPak实现的框图

它还将输出两个数字方向信号，其中一个是在逆时针方向时的方向顺时针方向时的高。这被描绘为图2中的框图。

这些速度和方向信号可以由模拟电路使用以控制电动机的速度。因此，GreenPak消除了单独的控制器及其软件的必要性。另外，电路尺寸和功率要求也降低。

与GreenPak实现

这里的基本思想是计算有限和预定义持续时间的输入脉冲，并产生与计数值成比例的DC电压。

需要举行计数值，直到采用下一个样本，就像样本并保持用于模数转换器一样。CNT3 / DLY3 / FSM1用于计数传入脉冲。脉冲A将用于速度测量，脉冲B仅用于方向检测。

脉冲A连接到SLG46140V的引脚2，其用作数字输入。但是，它不能直接连接到CNT3 / DLY3 / FSM1的时钟输入，因为它只允许来自振荡器块的时钟源。要解决此问题，引脚2内部连接到EXT。振荡器块（OSC）的CLK0输入，然后是EXT。CLK0 OSC块（标记为脉冲）的CLK0输出连接到CNT3 / DLY3 / FSM1的时钟输入，如图3所示。

图3.脉冲A连接到EXT CLK 0

CNT3 / DLY3 / FSM1的输入连接到VDD，因此引脚2的低到高转换导致CNT3 / DLY3 / FSM1的计数量增加一个。CNT3 / DLY3 / FSM1是8位计数器，因此其值无法达到255个。它需要在输入（复位）输入时复位或刷新脉冲，以将其重新初始化为零。

CNT3 / DLY3 / FSM1的8位输出需要连接到DAC0的输入。CNT3 / DLY3 / FSM1的输出直接无法连接到DAC0的输入，但它可以连接到数字比较器DCMP1的输入;以这种方式，无论连接到DCMP1的输入都将连接到DAC0的输入。

因此，DCMP1也用于这种设计，但不在主动使用中。

要将DAC0输出到外部引脚，首先需要将其绑定到VREF。为此实现此目的，启用VREF并将IT源选择器切换到DAC0输出。然后选择引脚3作为“模拟输入/输出”。在此选择之后，引脚3自动绑定到VREF。这样，DAC0的输出通过VREF连接到引脚3。

DAC0的输出范围为0.00伏，对应于0的0个输入值（IN）至约1伏对应于255个输入值（IN）。

图4.脉冲A连接到EXT CLK 0

在这种设计中考虑最重要的是计数时间。必须仔细选择计数时间，以仅允许足够的脉冲数到达255.如果允许在计数达到255之后允许更多脉冲，则它将没有效果，因为计数不会增加255次;它将保持在255（最大状态）。

图5.引脚3，DAC0和VREF设置
图6. DCMP0 / PWM0作为样品和保持

例如，如果输入脉冲具有5000Hz的最大频率，这意味着每个脉冲长度为0.2ms，则输入脉冲需要51ms，从0到255取计数，因此应设定为大约51ms的计数时间。在这种情况下，1V的最大输出电压将对应于5000Hz。如果计数时间设置为小于51ms，则会增加输入脉冲的范围，因为它将无法使用5000Hz脉冲最大255。这将导致缩放变化;例如，如果我们将计数时间设置为40ms，则5000Hz信号只会计入200，导致输出引脚3中的0.78V。使用40ms，6375Hz将是输入脉冲的最大频率，这将对应于1V输出。随着计数时间范围的降低/传入脉冲频率的比例而增加，而分辨率会降低。此计算列于表1中，以实现简便的实现指南。

表1.计数时间的参考值

最大频率

时间段（MSEC）

时间

达到

255（M秒）

4000.

0.250

0.250 * 255 = 63.75

5000

0.200

0.200 * 255 = 51.00

6000.

0.167

0.167 * 255 = 42.50

需要考虑的下一个重要事项是采样率或刷新率。在这种设计中，使用预定频率采样（允许计数）来对脉冲进行采样（允许计数）。

此频率的时间段必须大于上一步中选择的计数时间。DCMP 0 / PWM 0在CNT 2 / DLY 2 / FSM 0的帮助下产生此频率0.CNT 2 / DLY 2 / FSM 0以计数器模式使用，并且使用RS OSC / 4时钟时钟，具有计数器复位数据等于249。它计入40ms中的249到0（250个值）。CNT 2 / DLY 2 / FSM 0的8位输出连接到DCMP 0 / PWM 0的内部，其用于PWM模式。DCMP 0 / PWM 0的+通过寄存器-0设置为值125.以这种方式，DCMP 0 / PWM 0产生具有40ms时间段的脉冲系，开/关时间20ms。这20毫秒按时基本上计数时间，20毫秒关闭时间是保持时间。可以通过寄存器0值更改计数/保持时间。

DCMP 0 / PWM 0的输出（OUT +）连接到CNT3 / DLY 3 / FSM1的输入中的复位。OUT +通过逆变器2-L0反转，并连接到CNT3 / DLY 3 / FSM1的保持输入每40msOUT +的低到高转换+导致复位CNT3 / DLY 3 / FSM 1.然后允许20ms（计数时间）计数随着传入脉冲而增加，因为保持输入保持低电平。20毫秒OUT +变得低至20ms后，保持输入高，计数在此时间段内保持。

方向检测

方向检测以这种简单的方式实现。

图7.方向检测电路

脉冲A从引脚2连接到DFF0的D输入，而脉冲B连接到DFF0的时钟（CK）输入。

当电机顺时针旋转时，脉冲A将是前导脉冲B.脉冲B（CK输入）的上升沿将在脉冲A（D输入）高时，DFF0的输出Q将保持高。当电动机逆时针旋转时，脉冲B将是前导脉冲A.脉冲B（CK输入）的上升沿将在脉冲A（D输入）低时，DFF0的输出Q将保持低。Q连接到销10和逆变器L1。倒置Q连接到引脚11。

当方向是顺时针方向并且当方向逆时针方向时，销10将很高。销10和引脚11都被配置为数字输出。

资源利用

表2显示了本设计中使用的资源：

表2.利用资源

S＃

资源

功能
1。

PIN 2.

脉冲一个输入
2。

销3.

速度 - 模拟电压输出
3.

销4.

脉冲B输入
4.

销10.

时钟明智的指示
5。

销11.

计数器时钟明智的指示
6。

CNT 2 / DLY2 / FSM0

循环击倒
7。

CNT 3 / DLY3 / FSM1

输入脉冲计数器
8。

DCMP 0 / PWM 0

计数脉冲发生器
9。

DCMP 1 / PWM 1

促进使用DAC0
10。

DAC0.

产生与速度成比例的模拟电压
11.

vref.

便于使用引脚3作为模拟输出
12.

LUT0.

生成保持信号
13。

LUT4.

用作D触发器在方向检测中

示例实现

使用Pittman DC电机14202系列完成此应用笔记的示例实现。它具有每个旋转1000计数的E30增量光学编码器。图8显示了该实现的编码器和开发套件之间的连接。

图8.光学编码器和开发套件之间的连接

该设计不限于解码电机编码器。它可以用于需要脉冲到电压转换的任何应用。唯一需要考虑的事情将是频率的规模和计数时间和保持时间的调整。因此，刷新率也会发生变化。脉冲信号通过外部时钟输入连接，需要考虑某些频率限制。

这也可用于流量调节系统。涡轮机型流动传感器产生与流量成比例的脉冲。在流量控制应用中，使用与VFD（可变频率驱动器）连接的泵来调节流量。VFD的频率基于流量反馈电压而变化。基于该GreenPak实现的电路将从流量传感器取出输入，并向VFD提供反馈以调节流量。

使用一些额外的硬件，可用于测量AC信号的频率。为此，每个零交叉将转换为脉冲信号，然后将计数过零交叉以确定AC信号的频率。请参阅App Note AN-1124：“交流相控制灯调光器”如何将零交叉转换为脉冲。

其他一些应用包括：风速亚博国际官网平台网址计用于测量风速，用于测量距离行程和钻井机器深度仪表的测量仪。

GreenPak设备中的模拟输出限制为1伏，因此某些应用可能需要放大。亚博国际官网平台网址这可以使用opamps来实现。

结论

此应用笔记演示如何利用最小外部元件来实现简单的脉冲到电压转换器。仅使用SLG46140V的少数内部块，使大部分块可用于构建周围的其他电路。这是混合信号IC的理想示例，因为在本申请中使用模拟和数字块。