2.2.4　变换元件

在机电伺服控制系统中实现模拟信号和数字信号间转换的元件称为变换元件。常用的变换元件有模/数转换器（A/D转换器）、数/模转换器（D/A转换器）及旋转变压器数字转换器（RDC）。下面将一一进行介绍。

1. A/D转换器

模/数转换（A/D）是把连续变化的模拟电压量转换为数字量，送给计算机或数据处理器运算的过程。伺服系统中常需将检测到的连续变化的模拟量如温度、电流、电压等转换成离散的数字量，输入计算机中。目前，主要有三种广泛应用的A/D转换器：V/F变换式、双积分式、逐次逼近式。

A/D转换的工作流程主要包括取样、保持、量化及编码4个过程。在取样阶段，以一定的取样频率对连续的模拟信号量进行提取，使其转换为离散信号量。由于每次取样后需要将模拟信号转换为数字信号，这段时间内必须把模拟信号通过保持电路进行信号保持，以在后续过程提供稳定的量化编码值。在模拟量和数字量的转换量化过程中，还必须按照特定的近似方法，将取样-保持电路的输出电压归化到相应的离散电平上。量化后，将电平数值以编码形式（如二进制等）得到可以用计算机处理的代码，即得到A/D转换器输出的数字量。

在使用A/D转换器时可直接采用各公司的A/D转换芯片，如AD、TI等公司均有成熟的A/D转换芯片。影响A/D转换芯片性能的主要因素有转换位数、转换速度、参考电压、非线性误差等。转换位数决定了A/D转换芯片的分辨率，常见的A/D转换位数为8位、10位、12位、14位、16位等。转换速度表示模拟信号转换为数字信号的速率，转换速度可为100Hz至数十兆赫兹。转换速度和分辨率是相互制约的关系，转换速度每提高1倍，分辨率大约损失1位。

因此，在选择A/D转换芯片时，应尽量在满足转换速度要求的前提下选择位数较高的A/D转换芯片，同时设计稳定可靠的参考电压源电路，以提高A/D的转换精度。

2. D/A转换器

数/模转换（D/A）是将计算机或微控制器处理好的数字量转换为模拟电压量的过程。D/A转换器输出的模拟电压量输入功率驱动模块，可实现对伺服电动机的控制。D/A转换器按照转换方式可分为并行D/A转换器和串行D/A转换器两种。

D/A转换器输入的数字量是由二进制代码按数位组合起来表示的，任何一个n位的二进制数，均可用表达式data=d020+d121+d222+…+dn-12n-1来表示。其中di=0或1（i=0,1,…,n-1），20,21,…,2n-1分别为对应数位的权。在D/A转换中，要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。

同样，在使用D/A转换器时可直接采用各公司的D/A转换芯片，如AD、TI等公司均有成熟的D/A转换芯片。影响D/A转换性能的主要因素有转换位数、转换时间、参考电压、非线性误差等。常见的D/A转换位数为8位、10位、12位、14位、16位等。转换时间为输入二进制数变化量是满量程时，D/A转换器的输出达到离终值离1/2LSB（最低有效位）时所需要的时间，转换时间为几微秒。

因此，在选择D/A转换芯片时，应尽量在满足转换时间要求的前提下选择位数较高的D/A芯片，同时设计稳定可靠的参考电压源电路，以提高D/A的转换精度。

3. RDC

旋转变压器作为一种模拟型反馈元件，须实现旋转变压器输入、输出的模拟信号和控制器产生的数字信号之间的相互转换，这就需要一类A/D转换器或者D/A转换器，旋转变压器数字转换器（RDC）就是这类特殊的A/D和D/A转换器。RDC将旋转变压器输出的正、余弦模拟信号转换为角度数字量，同时还为旋转变压器提供正弦波模拟励磁信号。

一些国外知名的半导体公司已经将RDC发展为了单片集成电路，比如日本多摩川公司的AU6802、AU6803，美国AD公司的AD2S1205、AD2S1210等。这里以RDC芯片AD2S1205为例，介绍RDC的工作原理。AD2S1205内部结构框图如图2-14所示。EXC和EXC-两个引脚提供正弦励磁信号给旋转变压器的励磁绕组，通过配置FS1和FS2可设定正弦励磁信号的频率，承载转子位置信息的旋变正、余弦输出信号，经过相应处理后送入AD2S1205的Sin/SinLO和Cos/CosLO输入端，分别经A/D转换后，送入Type Ⅱ跟踪环。AD2S1205采用TypeⅡ闭环跟踪原理，能连续跟踪位置数据，Type Ⅱ跟踪环由乘法器、相敏解调器、积分器、滤波器等组成。为了跟踪角度θ，转换器会产生输出角φ，然后将θ和φ进行比较，两者的差值即为误差。当两者相等时，误差信号为0，此时转换器产生的输出角φ即为旋转角θ。

两路旋变模拟输出信号经过A/D转换后送入Type Ⅱ跟踪环中的乘法器，此时解码芯片内部产生的输出角φ也送入乘法器，分别经过乘法运算，可得

式中，E0为输出峰值电压；ω为励磁信号频率；Es和Ec为经过乘法运算后的两路信号。

由于sinωt信号由内部励磁产生，根据内部合成参考量解调式（2-6）中两式之差，当θ-φ很小时，其值近似于E0(θ-φ)，记为转子角度与数字输出角度的误差Er，可写为

通过相敏解调器、积分器、补偿滤波器的作用，实现闭环控制，从而使误差Er归0。此时有θ=φ，据此即可解码获得电动机的转子位置。

影响RDC转换性能的主要因素有转换位数、参考电压、线性误差、跟踪速度等。常见的RDC转换位数为10位、12位、14位、16位，高精度应用场合也有19位、20位的RDC。跟踪速度与转换位数有关，位数越高，跟踪速度越低，跟踪速度一般为几十至几千转/分。在选择RDC转换器时，应在满足跟踪速度的前提下尽量选择位数较高的RDC，以提高RDC的转换精度。目前，RDC在电动汽车、雷达伺服系统、数控机床等领域得到了广泛应用。