用于运动控制系统中位置和角度感测的光学或磁性传感器通常提供用于转换的正弦和余弦信号。正弦和余弦之间的 90° 相移允许确定 360° 输入周期内的位置或角度，以及旋转或移动方向。对于微米或亚弧分范围内的分辨率，需要对正弦和余弦信号进行精确插值。这种正弦/余弦到数字转换(SDC)可以通过多种方式执行，无论是硬件还是软件。对于高精度结果，信号调理和S/D转换的质量至关重要。下面对几种SDC(插值)方法进行分析和比较，并讨论了精度结果。 具有 S/D 转换功能的传感器信号路径

　　电子位置和角度测量中的传感器采用光学、磁性、电感或电容原理。带有 LED 光源和码盘的光学传感器非常常见，使用偶极磁铁或多极轮的磁性 GMR/AMR/霍尔传感器也很常见 [1]。如图1所示，这些传感器通常直接提供正弦和余弦信号。由于传感器输出并不总是提供完美的正弦/余弦信号，因此必须在插值前对传感器输出进行调理，以获得高精度结果。这种调节的目标是尽可能提供幅度相等、零偏移和精确 90° 相移的正弦/余弦波。可编程增益放大器(PGA)和/或查找表通常用于提供所需的幅度平衡(增益校正)、失调补偿和相位校正。

　　通常，Z传感器定义位置/角度测量的零位置，并使用可调比较器对其脉冲输出进行采样。如果没有可用的Z传感器，插值器也可以定义零点位置[2]。在这种情况下，零位置可以设置在 360° 输入正弦/余弦周期内的任何位置，以在用户定义的位置或角度生成 Z 输出。

　　插值器实现 S/D 转换，并通过多个输出接口之一输出其结果。该数字输出可由本地微控制器直接读取或通过线路驱动器传输到远程控制系统。 正弦/余弦到数字转换的典型方法 插值器负责非线性A/D转换，将正弦/余弦信号转换为位置或角度步长(见图2)。然后，这些步骤以正交方波信号(包括方向信息)增量输出，或作为表示360°输入周期内绝对角度的数据字输出。

　　通常用于正弦/余弦到数字转换的非线性函数是反角正切，它直接从条件正弦和余弦信号计算输出角度(见图2)。许多不同的 A/D 转换方法可用于实现反正切函数，具体取决于应用要求：

　　闪光转换，使用许多单独的比较器几乎立即执行转换。矢量跟踪转换，使用单个比较器递增或递减数字计数器以跟踪输入角度。

　　SAR 转换，类似于矢量跟踪转换，但对输入信号进行采样并保持，直到计数器稳定。

　　DSP 转换，分别数字化正弦和余弦信号，并使用 CORDIC 或其他数值算法计算数字信号处理器中的反正切函数。

　　现代插值器通常采用矢量跟踪或DSP转换方法。 转换器功能比较

　　不用说，应用程序要求决定了哪种类型的转换是最好的。对于采样转换器(闪存和SAR)，所需的建立时间决定了最大采样速率(见表1)，这在某些应用中可能是一个限制。矢量跟踪转换器通过使用高计数器时钟频率和快速模拟电路提供快速采样和低延迟，但需要手动校准输入信号调理才能获得最佳性能。线性A/D转换器和DSP转换提供高分辨率，并允许复杂的自动校准、数字滤波和分数插值功能，这是其他转换器无法在软件中实现的。然而，与任何DSP一样，需要较低的采样速率才能留出时间进行信号处理。

　　除了分辨率，还必须考虑精度。对于矢量跟踪转换器，精度不仅取决于模数转换器的质量，还取决于信号调理电路的分辨率。每个在信号路径中提供校正措施(失调、增益或相位校正)的数模转换器都需要芯片空间，从而影响电路设计人员的成本和优化任务。因此，可以找到矢量跟踪转换器，由于更高分辨率的信号调理，其分辨率较低，但精度更高。另一方面，DSP插值器为所有计算提供高分辨率，仅受处理器的数字字大小和可用计算时间的限制。DSP解决方案的精度完全取决于A/D转换器的质量。然而，在实践中， 在大多数应用中，可实现的精度通常受到传感器信号质量的限制。以安全为导向的编码器系统需要额外的功能，例如信号和温度监控的特殊诊断、存储器检查和错误模拟。对于控制器通信，可以使用单个并行接口以及各种串行接口。BiSS接口提供的可配置位置数据输出可以通过生命周期计数和扩展的16位CRC [3]进行增强。 提供单个并行接口以及各种串行接口。BiSS接口提供的可配置位置数据输出可以通过生命周期计数和扩展的16位CRC [3]进行增强。 提供单个并行接口以及各种串行接口。BiSS接口提供的可配置位置数据输出可以通过生命周期计数和扩展的16位CRC [3]进行增强。

　　矢量跟踪转换详细信息

　　矢量跟踪转换器有一个主比较器，用于控制计数器的递增和递减(见图3)。数字计数器值(角度phi)馈送D/A转换器，该转换器产生与数字角度正切成比例的模拟信号。该切线信号乘以余弦输入信号，产生合成的正弦信号。将合成的正弦波与驱动计数器的正弦输入信号进行比较。

　　当合成的正弦等于正弦输入信号时，系统建立，计数器值等于传感器的正弦/余弦输入指示的角度(phi)。计数器一步一步地跟踪每个输入变化——或者更确切地说是一点一点地——因此不可能进行位置或角度跳跃。这种类型的转换器仅通过输入变化激活，因此几乎无时钟运行，因此输入到输出延迟时间相对较短。

　　由于只需要一个比较器，因此可以设计为精度。矢量跟踪转换器的另一个特点是，任何电路失调都会以相同的方式影响所有开关点，与迟滞相当。因此，跟踪转换器增量输出信号中的抖动几乎完全由输入信号的质量决定，直到达到最大跟踪速率。

　　由于其低延迟，这种类型的转换器通常是需要高动态响应、快速移动和极短建立时间的线性位置测量系统的首选。还可以跟踪高输入频率，例如使用 iC-NQC(高达 250 kHz)，从而实现高速运行。DSP 转换详细信息

　　DSP 正弦/余弦数字转换器使用两个高精度、高分辨率线性 A/D 转换器直接对来自位置或角度传感器的正弦和余弦信号进行数字化处理。然后对数字化的传感器信号进行调理，并在DSP中计算输出角度(见图4)。这种方法的优势在于数字信号处理：可以自动测量和校正信号误差，以进行初始校准(例如，使用按钮输入)和在操作期间补偿传感器漂移和老化。这些特性使DSP转换器易于使用，同时仍提供高分辨率和出色的精度。

　　先进的数字滤波可实现超过A/D转换器分辨率的位置/角度分辨率。合成的增量输出信号具有完美的50%占空比，并且在低失真传感器输入下几乎无抖动。但是，由于DSP是采样数据系统，因此输入和输出之间存在几微秒的固定时间延迟(延迟)，这在高增益控制系统中可能需要考虑。在大多数工业控制系统中，由于涉及负载惯性，这种延迟几乎没有影响。但是，以恒定速度运行时延迟引起的位置/角度滞后可能是一个问题。在这种情况下，DSP中的复杂信号处理算法可以将滞后减少6倍。

　　DSP插补器是模块化工业编码器和高分辨率线性长度计以及自动纠错和滤波功能特别有用的极端环境应用的首选。数字信号调理

　　在DSP插值器的模拟信号路径中，可编程增益放大器(PGA)仅对增益(通常为3 dB/步)和失调(通常为100 mV/步)进行粗略调整，以使输入信号进入A/D转换的有利范围(见图5)。

　　失调、增益匹配和相位校正的微调使用DSP的全16位分辨率以数字方式应用。这为信号调理提供了极小的步长(例如，0.056°/步用于iC-TW8的相位校正)。复杂的漂移监控算法可检测与出厂校准设置的偏差，并可配置为激活警报，以对即将发生的故障进行预警。

　　总结

　　如上例所示，正弦/余弦到数字转换方法的选择会对应用性能产生很大影响。在确定控制环路的性能时，必须考虑转换速度、分辨率、精度和延迟。然而，插值位置/角度输出的精度通常不取决于SDC转换器的分辨率，而是取决于信号调理电路或算法的分辨率、模拟信号路径的稳定性以及传感器信号的质量。文献

　　[1] 绝对编码器设计：磁性还是光学? 白皮书

　　[2 ] 林大卫博士， 速度采集变得简单，EDN，2008 年 9 月

　　[3] 开源 BiSS： 双向同步串行接口

　　^48 贝恩德·施罗尔斯和迪普尔斯。马尔科·赫普， 通过片上系统集成实现快速光学距离检测， EDN， 九月 29， 2012