關(guān)于集成同步解調(diào)功能的低功耗LVDT信號(hào)調(diào)理器

　　本文將介紹集成同步解調(diào)功能的低功耗LVDT信號(hào)調(diào)理器

　　連接/參考器件

　　ADA2200

　　同步解調(diào)器和可配置模擬濾波器

　　AD7192

　　內(nèi)置PGA的4.8 kHz、超低噪聲、24位Σ-Δ型ADC

　　ADG794

　　低壓、300 MHz、四通道2：1多路復(fù)用模擬高清電視音頻/視頻開(kāi)關(guān)

　　ADP151

　　超低噪聲、200 mA CMOS線性調(diào)節(jié)器

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1所示電路是一款完整的線性可變差分變壓器(LVDT)信號(hào)調(diào)理電路，可精確測(cè)量距離機(jī)械參考點(diǎn)的線性位置或線性位移。模擬域中的同步解調(diào)用于提取位置信息并抑制外部噪聲。24位、Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可數(shù)字化位置輸出信息，以實(shí)現(xiàn)高精度。

　　LVDT在活動(dòng)核心和線圈組件之間采用電磁耦合。這種非接觸式(因而是無(wú)摩擦的)工作方式是它們廣泛用于航空航天、過(guò)程控制、機(jī)器人、核、化學(xué)工廠、液壓、動(dòng)力渦輪以及其他惡劣工作環(huán)境和要求具備長(zhǎng)工作壽命與高可靠性應(yīng)用的主要原因。

　　包括LVDT激勵(lì)信號(hào)在內(nèi)的整個(gè)電路功耗僅為10 mW.電路激勵(lì)頻率和輸出數(shù)據(jù)速率均為SPI可編程。該系統(tǒng)允許在可編程帶寬和動(dòng)態(tài)范圍之間進(jìn)行權(quán)衡取舍，支持1 kHz以上的帶寬，且在20 Hz帶寬時(shí)具有100 dB動(dòng)態(tài)范圍，是精密工業(yè)位置和計(jì)量應(yīng)用的理想之選。

　　圖1. LVDT信號(hào)調(diào)理電路(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

　　電路描述

　　ADA2200同步解調(diào)器可在信號(hào)解調(diào)至與LVDT核心位移成比例的低頻輸出電壓之前對(duì)LVDT次級(jí)信號(hào)進(jìn)行濾波，從而提取位置信息。ADA2200驅(qū)動(dòng)AD7192 24位Σ-Δ型ADC，后者對(duì)輸出進(jìn)行數(shù)字化和濾波處理。ADA2200產(chǎn)生同步LVDT激勵(lì)信號(hào)，而ADG794開(kāi)關(guān)將CMOS電平激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為精密3.3 V方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)繞組。

　　LVDT是絕對(duì)位移傳感器，可將線性位移轉(zhuǎn)換為比例電信號(hào)。LVDT是特殊的繞線變壓器，具有活動(dòng)核心，其位置與待測(cè)位置貼合。激勵(lì)信號(hào)施加于初級(jí)繞組。隨著核心的移動(dòng)，次級(jí)繞組上的電壓成比例發(fā)生變化;根據(jù)該電壓即可計(jì)算位置。

　　LVDT的類型有很多，此外提取位置信息的方法也各不相同。圖1中的電路采用4線模式LVDT.將兩個(gè)LVDT的次級(jí)輸出相連使其電壓相反，從而執(zhí)行減法。當(dāng)LVDT核心位于零點(diǎn)位置時(shí)，這兩個(gè)次級(jí)端上的電壓相等，兩個(gè)繞組上的電壓差為零。隨著核心從零點(diǎn)位置開(kāi)始移動(dòng)，次級(jí)繞組上的電壓差也隨之增加。LVDT輸出電壓相位根據(jù)方向而改變。

　　該電路的主時(shí)鐘由AD7192 ADC產(chǎn)生。ADA2200接受主時(shí)鐘并產(chǎn)生其內(nèi)部所有時(shí)鐘，包括用作LVDT激勵(lì)信號(hào)的參考時(shí)鐘。ADA2200上的時(shí)鐘分頻器配置為產(chǎn)生4.8 kHz激勵(lì)信號(hào)。ADG794將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為精密±3.3 V方波信號(hào)，該+3.3V來(lái)自于ADC電源電壓。3.3 V電源也用作ADC基準(zhǔn)電壓;因此，激勵(lì)信號(hào)與ADC基準(zhǔn)電壓之間的比例關(guān)系可以改善電路的噪聲性能和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的3.3 V電源由ADP151低壓差調(diào)節(jié)器提供;后者由5 V電源驅(qū)動(dòng)。

　　LVDT次級(jí)繞組和ADA2200輸入之間的耦合電路用來(lái)限制信號(hào)帶寬，并調(diào)節(jié)RCLK和ADA2200輸入之間的相對(duì)相位。該電路配置為具有最大正交(相位= 90°)響應(yīng)以及最小同相(相位= 0°)響應(yīng)。這使得可以僅通過(guò)測(cè)量正交輸出就能確定位置，進(jìn)而使ADA2200輸出電壓對(duì)電路中相位的變化不甚敏感。LVDT的溫度變化導(dǎo)致有效串聯(lián)電阻和電感發(fā)生改變，是相位變化的主要來(lái)源。

　　ADA2200輸出端的抗混疊濾波器保持ADC所支持的信號(hào)帶寬。AD7192內(nèi)部數(shù)字濾波器的輸出帶寬約等于0.27乘以輸出數(shù)據(jù)速率。為了將輸出帶寬保持在4.8 kHz最大輸出數(shù)據(jù)速率，輸出抗混疊濾波器的-3 dB轉(zhuǎn)折頻率可以設(shè)為2 kHz左右。對(duì)于要求較低輸出數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)，可相應(yīng)降低抗混疊濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。

　　集成式同步解調(diào)器

　　ADA2200集成式同步解調(diào)器組成電路核心。它采用獨(dú)特的電荷共享技術(shù)來(lái)執(zhí)行模擬域內(nèi)的離散式時(shí)間信號(hào)處理。ADA2200具有全差分信號(hào)路徑。它由高阻抗輸入緩沖器后接一個(gè)固定低通濾波器(FIR抽取濾波器)、一個(gè)可編程IIR濾波器、一個(gè)解調(diào)器和一個(gè)差分輸出緩沖器組成。它的輸入和輸出共模電壓等于1.65 V(3.3 V電源電壓的1/2)。

　　ADA2200接受來(lái)自AD7192 ADC的4.92 MHz時(shí)鐘信號(hào)，然后產(chǎn)生其內(nèi)部所有時(shí)鐘，以及用作LVDT激勵(lì)信號(hào)的4.8 kHz參考時(shí)鐘。ADA2200集成可配置時(shí)鐘分頻器，可編程支持很多不同的激勵(lì)頻率。

　　CMOS開(kāi)關(guān)

　　選擇ADG794 CMOS開(kāi)關(guān)是因?yàn)樗哂械蛯?dǎo)通電阻、快速開(kāi)關(guān)時(shí)間、先開(kāi)后合式開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及低成本等特點(diǎn)。

　　ADG794將ADA2200的低壓CMOS電平RCLK輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗差分輸出方波源，然后驅(qū)動(dòng)LVDT.為使開(kāi)關(guān)留有裕量以便驅(qū)動(dòng)正3.3 V信號(hào)，ADG794 VDD輸入采用5 V電源供電。

　　LVDT

　　圖1中的電路只需略作改動(dòng)即可支持各種LVDT.Measurement Specialties， Inc. E-100 LVDT采用四線式模式，以便演示電路的主要特點(diǎn)。E-100沖程范圍為±2.54 mm，沖程端輸出靈敏度為240 mV/V，滿量程范圍最大線性度誤差為±0.5%，工作頻率范圍為100 Hz至10 kHz.完整詳情請(qǐng)參見(jiàn)E-Series LVDT數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　ADA2200輸入耦合網(wǎng)絡(luò)

　　可調(diào)諧ADA2200輸入耦合網(wǎng)絡(luò)以支持不同的LVDT.LVDT次級(jí)繞組電感和分流電容(C4)組成振蕩電路。R4和R33電阻降低了振蕩電路的Q值，使該電路不易受LVDT繞組電感和電阻的變化影響，但功耗有所上升。R34/C24和R35/C25組成的RC濾波器對(duì)可降低信號(hào)帶寬，同時(shí)提供調(diào)節(jié)電路相對(duì)相位所需的額外自由度。ADA2200內(nèi)部相位敏感檢測(cè)器(PSD)的最大輸出發(fā)生在0°或180°相對(duì)相移處。

　　對(duì)于采用4.8 kHz方波激勵(lì)信號(hào)的E-100 LVDT而言，采用下列元件值可獲得最大輸出條件下的最優(yōu)相位：

　　●R4 = R33 = 2.2 kΩ

　　●R34 = R35 = 1 kΩ

　　●C24 = C25 = 3300 pF

　　●C4 = 0.01μF

　　如需調(diào)諧該電路，則可通過(guò)放置LVDT核心以產(chǎn)生接近滿量程輸出信號(hào)的方式測(cè)量相位;然后，測(cè)量同相(I)和正交(Q)輸出信號(hào)。采用這些測(cè)量結(jié)果便可計(jì)算相對(duì)相位：