磁編碼器用于感測機械運動并生成與該運動相對應的數字信號，以測量典型電機系統的速度和位置。為了完成這兩項任務，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據輸出的ADC。MAX11192/MAX11195/MAX11198專為電機監測和控制應用而設計。這些ADC采用微型2mm×3mm封裝，具有一流的采樣速率和分辨率。集成的基準電壓源和基準電壓緩沖器可幫助設計人員最大限度地減小電路板空間、元件數量和系統成本。為了充分體現該器件的優勢和最佳性能，必須為不同類型的應用正確選擇輸入驅動放大器。本應用筆記概述了如何使用典型電機系統測量速度和位置，并討論了ADC所需的性能以及用于優化電機監測和控制的合適驅動放大器。

概述

圖1顯示了電機監測和控制系統的典型框圖。電機驅動控制器根據磁編碼器中ADC提供的數據監控電機的狀態。根據這些數據，電機驅動控制器生成調節電機所需的命令。磁編碼器中的霍爾傳感器用于根據電機旋轉軸產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轉換為速度和位置信息。該反饋數據使電機驅動控制器能夠處理信息并提供命令以準確控制系統。

圖1.電機監測和控制典型框圖。

圖2顯示了帶有內置磁編碼器的SEW MOVITRAC。

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位置，并生成模擬信號以響應該運動。霍爾傳感器只能檢測一個方向的磁場強度。因此，為了捕獲旋轉電機中的位置變化，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）被饋送到驅動放大器的輸入端，然后是ADC，為微控制器生成相應的數字信號。然后使用三角函數將這兩個獲得的X（余弦）和Y（正弦）信號轉換為角度，如下所示。

tan? = Y/X
Or ? = arctan(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需要合適的驅動放大器，如MAX44242、MAX44263或MAX4432，以產生精確的數據。

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境中。此外，它們還需要準確捕獲電機的高速和快速變化的旋轉位置。因此，需要能夠以每秒兆采樣數（Msps）量級的高速率對數據進行采樣的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理，MAX44263或MAX44242/MAX4432等高速低噪聲放大器分別用于驅動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專門設計用于提供這三個基本特性，使其成為電機監測和控制應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-設計用于平衡差分信號。輸入信號的范圍為 0V 至 VREF。因此，差分輸入間隔 [VDIFF = （AIN+） - （AIN-）] 的范圍從 –VREF 到 +VREF，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。基準電壓范圍為比基準電源 AVDD 低 250mV 至 2.5V。該基準電壓范圍保證了內部基準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，可以實現電平轉換和相位轉換，以實現指定的輸入電壓范圍。有關詳細信息，請參閱驅動放大器的不同配置部分。

驅動放大器

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

此外，為了充分利用ADC出色的動態性能，驅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動器放大器失真限制整體系統動態性能。表1列出了MAX11192/MAX11195/MAX11198 ADC的一些潛在ADC驅動放大器。

MAX11198 ADC動態性能，具有各種驅動放大器

MAX11198的動態性能由各種驅動放大器評估。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 （ENOB） 的結果。

表3總結了不同驅動放大器的SNR結果。

表4顯示了不同驅動放大器時的THD性能。

圖5總結了MAX11198 ENOB在10kHz下采用不同的驅動放大器。

圖5.MAX11198 ENOB與不同驅動放大器的采樣速率的關系

圖6所示為MAX11198的動態性能，MAX4432驅動放大器由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，具有最佳的動態性能。

圖6.MAX11198采用MAX4432驅動放大器，動態性能在在= 1kHz，采樣率 = 100ksps，V裁判= 4.096V。

圖7所示為MAX1 ADC捕獲的模擬輸入端的11198kHz正弦和余弦波形。

圖7.MAX1評估板捕獲的11198kHz正弦和余弦波形

結論

MAX2/MAX11192/MAX11195 ADC采用雙路差分和同步ADC，具有11198Msps的高采樣速率和精確的內部基準電壓，針對電機監測和控制應用中的精密磁編碼器進行了優化。差分輸入可降低電機噪聲，這些ADC的集成基準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用的完美功能。根據實驗室的實驗數據，MAX4432具有低電壓噪聲密度和寬頻率帶寬，是MAX11198的最佳驅動放大器。MAX44242是具有11195位分辨率ADC的MAX14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