通用LVDT信號(hào)調(diào)理電路圖

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1所示電路是一款完整的無(wú)需調(diào)節(jié)線性可變差分變壓器 （LVDT）信號(hào)調(diào)理電路。該電路可精確測(cè)量線性位移（位置）。

　　LVDT是高度可靠的傳感器，因?yàn)槠浯判灸軌驘o(wú)摩擦滑動(dòng)，并且與管內(nèi)部無(wú)接觸。因此，LVDT適合用于飛行控制反饋系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)中的位置反饋、機(jī)床中的自動(dòng)測(cè)量以及其他各種注重長(zhǎng)期穩(wěn)定性的工業(yè)和科研機(jī)電應(yīng)用中。

　　本電路采用 AD698LVDT信號(hào)調(diào)理器，包含一個(gè)正弦波振蕩器和一個(gè)功率放大器，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)原邊LVDT的激勵(lì)信號(hào)。 AD698還可將副邊輸出轉(zhuǎn)換為直流電壓。 AD8615軌到軌放大器緩沖 AD698的輸出，并驅(qū)動(dòng)低功耗12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為82 dB，帶寬為250 Hz，非常適合精密工業(yè)位置和計(jì)量應(yīng)用。

　　采用±15 V電源供電時(shí)，系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路功耗僅為15 mA；采用+5 V電源供電時(shí)，功耗為3 mA。

　　本電路筆記討論LVDT基本操作理論和設(shè)計(jì)步驟，用于優(yōu)化圖1中帶寬給定的電路，包括噪聲分析和器件選型方面的考慮。

　　圖1. 通用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

　　工作原理

　　LVDT是絕對(duì)位移傳感器，可將線性位移或位置從機(jī)械參考點(diǎn)（或零點(diǎn)）轉(zhuǎn)換為包含相位（方向）和幅度（距離）信息的比例電信號(hào)。移動(dòng)部件（探頭或磁芯桿組件）與變壓器之間無(wú)需電氣接觸即可完成LVDT操作。它依賴電磁耦合。由于這個(gè)原因，再加上它不采用內(nèi)置電子電路即可工作， LVDT被廣泛用于某些環(huán)境下需要具備較長(zhǎng)使用壽命和較高可靠性的應(yīng)用，如軍事和航空航天應(yīng)用。

　　就本電路而言，采用Measurement SpecialTIes™，Inc.的E-100 經(jīng)濟(jì)型LVDT傳感器系列，與 AD698搭配使用。E系列在整個(gè)范圍內(nèi)的線性度為±0.5%，適合大多數(shù)應(yīng)用在適中的工作溫度環(huán)境下使用。

　　AD698是一款完整的LVDT信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)。它能夠以較高精度和可重復(fù)性將LVDT傳感器機(jī)械位置轉(zhuǎn)換為單極性直流電壓。所有電路功能均集成于片內(nèi)。只要增加幾個(gè)外部無(wú)源元件以設(shè)置頻率和增益， AD698就能將原始LVDT 副邊輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)比例直流信號(hào)。

　　AD698內(nèi)置一個(gè)低失真正弦波振蕩器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)LVDT原邊。正弦波頻率由單個(gè)電容決定，頻率范圍為20 Hz至20 kHz，幅度范圍為2 V RMS至24 V RMS。

　　LVDT副邊輸出由兩個(gè)正弦波組成，用來(lái)直接驅(qū)動(dòng) AD698。 AD698通過(guò)同步解調(diào)幅度調(diào)制輸入（次級(jí)，A）和固定輸入?yún)⒖茧妷海ǔ跫?jí)、次級(jí)求和或固定輸入，B）解碼 LVDT。之前解決方案的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)振蕩器幅度的任何漂移都直接導(dǎo)致輸出的增益誤差。 AD698計(jì)算 LVDT輸出與其輸入激勵(lì)的比值，抵消任何漂移的影響，從而消除了這些誤差。該器件與AD598 LVDT信號(hào)調(diào)理器不同，它具有不同的電路傳遞函數(shù)，且無(wú)需LVDT次級(jí)端求和（A + B）與沖程長(zhǎng)度保持一致。

　　AD698的框圖見(jiàn)圖2。輸入由兩個(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道組成。B通道監(jiān)控LVDT的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)。C2對(duì)全波整流輸出進(jìn)行過(guò)濾，然后將其發(fā)給運(yùn)算電路。除外部提供比較器引腳外，通道A性能完全相同。由于LVDT為空時(shí)A通道可能達(dá)到0 V輸出，因此通常使用初級(jí)端電壓（B通道）觸發(fā)A通道的解調(diào)器。此外，可能需要相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以便向A通道增加相位超前或滯后，補(bǔ)償LVDT初級(jí)端到次級(jí)端的相移。對(duì)于半橋電路而言，相移并不重要，且A通道電壓足以觸發(fā)解調(diào)器。

　　圖2. AD698框圖

　　兩個(gè)通道都完成解調(diào)及濾波后，使用一個(gè)配備了占空比乘法器的分壓電路計(jì)算A/B的比值。分壓器的輸出就是占空比。若A/B等于1，則占空比為100%。（若需要脈沖寬度調(diào)制輸出，可使用該信號(hào)）。占空比驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)制并過(guò)濾與占空比成正比的基準(zhǔn)電流。輸出放大器調(diào)節(jié)500 μA基準(zhǔn)電流，將其轉(zhuǎn)換為電壓。輸出傳遞函數(shù)為：

　　器件選擇

　　遵循 AD698數(shù)據(jù)手冊(cè)中的雙電源操作（±15 V）設(shè)計(jì)程序，將激勵(lì)頻率設(shè)為2.5 kHz、系統(tǒng)帶寬設(shè)為250 Hz、輸出電壓范圍設(shè)為0 V至5 V。

　　AD698內(nèi)部振蕩器通?？僧a(chǎn)生少量紋波，會(huì)傳遞到輸出端。使用無(wú)源低通濾波器降低該紋波至要求的水平。

　　選擇電容值以設(shè)置系統(tǒng)帶寬時(shí)，需要作出某些權(quán)衡。選擇較小的電容值將使系統(tǒng)具有較高的帶寬，但會(huì)增加輸出電壓紋波。該紋波可通過(guò)增加反饋電阻兩端的并聯(lián)電容值得以抑制（反饋電阻用于設(shè)置輸出電壓電平），但這樣做會(huì)增加相位滯后。

　　AD8615運(yùn)算放大器緩沖 AD698的輸出，而AD698可確保以低阻抗源驅(qū)動(dòng) AD7992ADC（高阻抗源會(huì)極大地降低ADC的交流性能）。

　　低通濾波器位于 AD698的輸出和 AD8615的輸入之間，起到兩個(gè)作用：

　　限制 AD8615的輸入電流。

　　過(guò)濾輸出電壓紋波。

　　AD8615的內(nèi)部保護(hù)電路使輸入端得以承受高于電源電壓的輸入電壓。這很重要，因?yàn)?AD698的輸出電壓能夠在±15 V 的電源下擺動(dòng)±11 V。只要輸入電流限制在5 mA以內(nèi)，輸入端便可施加更高的電壓。這主要是因?yàn)?AD8615 （1 pA）具有極低的輸入偏置電流，因此可使用更大的電阻。使用這些電阻會(huì)增加熱噪聲，導(dǎo)致放大器總輸出電壓噪聲增加。

　　AD8615是用于緩沖并驅(qū)動(dòng)12位SAR ADC AD7992輸入的理想放大器，因?yàn)樗哂休斎脒^(guò)壓保護(hù)，并且具備輸入端和輸出端軌到軌擺動(dòng)能力。

　　噪聲分析

　　若所有信號(hào)調(diào)理器件已選定，則必須確定轉(zhuǎn)換信號(hào)所需的分辨率。如同大多數(shù)的噪聲分析一樣，只需考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。噪聲源以RSS方式疊加；因此，只需考慮至少高于其它噪聲源三至四倍的任何單個(gè)噪聲源即可。

　　對(duì)于LVDT信號(hào)調(diào)理電路而言，輸出噪聲的主要來(lái)源是 AD698的輸出紋波。相比之下，其他噪聲源（ AD8615） 的電阻噪聲、輸入電壓噪聲和輸出電壓噪聲）要小得多。

　　當(dāng)電容值為0.39 μF且反饋電阻兩端的并聯(lián)電容為10 nF（如圖 3所示）時(shí)， AD698的輸出電壓紋波為0.4 mV rms。請(qǐng)注意，圖1中的簡(jiǎn)化原理圖并未顯示這些器件以及相關(guān)的引腳連接；但詳情可參見(jiàn) AD698數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　圖3. 輸出電壓紋波與濾波器電容的關(guān)系

　　能夠解析出來(lái)的最大rms數(shù)現(xiàn)在可通過(guò)將滿量程輸出除以總系統(tǒng)rms噪聲計(jì)算得到。

　　有效分辨率可通過(guò)以2為底數(shù)，對(duì)總rms數(shù)求對(duì)數(shù)而獲得。

　　從有效分辨率中減去2.7位，即可得到無(wú)噪聲碼分辨率：

　　無(wú)噪聲碼分辨率= 有效分辨率 − 2.7位

　　系統(tǒng)的總輸出動(dòng)態(tài)范圍可這樣計(jì)算：將滿量程輸出信號(hào)（5 V） 除以總輸出均方根噪聲（0.4 mV rms），然后轉(zhuǎn)化為dB，其結(jié)果約等于82 dB。

　　AD7992作為此應(yīng)用的良好備用器件，與3.4 MHz串行時(shí)鐘配合使用時(shí)，具有12位分辨率和每通道188 kSPS的采樣速率。

　　相位滯后/超前補(bǔ)償

　　AD698將返回信號(hào)與初級(jí)端參考振蕩器的輸入相乘，并通過(guò)解調(diào)產(chǎn)生輸出信號(hào)。少量的相移就會(huì)導(dǎo)致大量的線性誤差，對(duì)輸出而言就是欠沖。

　　相位超前網(wǎng)絡(luò)可補(bǔ)償E-100系列LVDT中初級(jí)到次級(jí)的−3°相移。圖4顯示了兩種不同的相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

　　圖4. 相位滯后/超前網(wǎng)絡(luò)

　　為合適的網(wǎng)絡(luò)選取元件值時(shí)，重要的是需注意RS 和R T 有效地構(gòu)成了一個(gè)電阻分壓器，在激勵(lì)信號(hào)達(dá)到 AD698的 ±ACOMP輸入之前降低其幅度。這表示R T 需比RS 大得多。滯后/超前電路還給激勵(lì)輸出增加負(fù)載，因此建議采用較大的電阻值。最終目標(biāo)是以較小的幅度下降，在 AD698ACOMP輸入端達(dá)到所需的相位滯后/超前。

　　根據(jù)下列等式可算出相位滯后/超前的量：

　　測(cè)試結(jié)果

　　使用連接J3的Measurement SpecialTIes，Inc. E-100經(jīng)濟(jì)型LVDT，并通過(guò)數(shù)字示波器監(jiān)控 EVAL-CN0301-SDPZ評(píng)估板上 AD698J6的輸出，則實(shí)際輸出紋波為6.6 mV p-p，如圖5所示。

　　圖5. 低通濾波器處理前的輸出電壓紋波

　　AD698輸出和 AD8615輸入之間的低通濾波器（3 kΩ、0.01 μF） −3 dB帶寬為5.3 kHz，并可將紋波降低至2 mV p-p。

　　由于低通濾波器位于 AD698輸出級(jí)和 AD8615輸入級(jí)之間，數(shù)據(jù)便可從 EVAL-CN0301-SDPZ評(píng)估板收集，如圖6所示。

　　圖6. CN-0301評(píng)估軟件屏幕截圖

　　AD698的紋波衰減至2 mV p-p，并且系統(tǒng)可獲得11位無(wú)噪聲代碼分辨率。

　　有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請(qǐng)參閱 http://www.analog.com/CN0301-DesignSupport。

　　飛行控制表面位置反饋中的應(yīng)用

　　在美國(guó)，無(wú)人駕駛飛行器（UAV），或稱無(wú)人駕駛飛機(jī)，正在國(guó)家安全方面扮演著越來(lái)越重要的角色。這些高科技、復(fù)雜的高空作業(yè)平臺(tái)受控于數(shù)英里外的人員，并且支持多任務(wù)。它們含有諸如空中偵察、作戰(zhàn)武器平臺(tái)、戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)區(qū)指揮和控制監(jiān)督或無(wú)人空中加油站等功能。

　　UAV上這種復(fù)雜的系統(tǒng)采用無(wú)數(shù)電子傳感器，用于精確控制和反饋。若要控制UAV的高度（俯仰、滾動(dòng)和偏航），則需使用執(zhí)行器對(duì)飛行控制表面施加作用力。這些執(zhí)行器能否對(duì)位置實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量對(duì)于保持正確的飛行路徑非常關(guān)鍵。

　　用于測(cè)量執(zhí)行器位置的傳感器需要滿足三個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)：精度高、可靠性高和重量輕。由Measurement SpecialTIes，Inc. 公司設(shè)計(jì)的LVDT可滿足全部三個(gè)屬性。

　　多LVDT同步工作

　　在許多應(yīng)用中，將大量LVDT近距離使用，如多計(jì)數(shù)測(cè)量。若這些LVDT以相似的載波頻率運(yùn)行，雜散磁耦合可能導(dǎo)致拍頻。產(chǎn)生的拍頻可能會(huì)影響這些條件下的測(cè)量精度。為避免這種情況，所有LVDT均同步工作。

　　EVAL-CN0301-SDPZ 評(píng)估板經(jīng)配置后（采用短路跳線連接跳線JP1和JP3，并且不連接JP4），可在兩個(gè)LVDT之間形成一個(gè)主振蕩器。 每個(gè)LVDT原邊均以其自身的功率放大器驅(qū)動(dòng)，以便在 AD698器件之間共享熱負(fù)載。

　　常見(jiàn)變化

　　選用的器件針對(duì)最大5 V的 AD698單極性輸出優(yōu)化；但也能用其它組合替換。

　　其它適用的單電源放大器包括 AD8565 和 AD8601。由于具有輸入過(guò)壓保護(hù)以及輸入端和輸出端的軌到軌擺動(dòng)能力，這些放大器是 AD8615合適的替代品。若需采用雙電源工作，則建議使用 ADA4638-1或 ADA4627-1。

　　AD7321是一款雙通道、雙極性輸入、12位ADC，支持高達(dá)±10 V的真正雙極性模擬輸入信號(hào)。若AD698輸出±10 V雙極性信號(hào)，則建議使用 AD7321。