通用LVDT信號(hào)調(diào)理電路

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款完整的無需調(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摩擦滑 動(dòng)，并且與管內(nèi)部無接觸。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)測量 以及其他各種注重長期穩(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 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，用來直接驅(qū)動(dòng) AD698。 AD698通過同步解調(diào)幅度調(diào)制輸入(次級(jí)，A)和固 定輸入?yún)⒖茧妷?初級(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)常見問題是驅(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)，且無需LVDT次級(jí)端求 和(A + B)與沖程長度保持一致。

AD698的框圖見圖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)部振蕩器通常可產(chǎn)生少量紋波，會(huì)傳遞到輸出 端。使用無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^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 AD698數(shù)據(jù)手冊(cè)。

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)。

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：

測試結(jié)果

使用連接J3的Measurement Specialties，Inc. E-100經(jīng)濟(jì)型LVDT， 并通過數(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。

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。

AD698的紋波衰減至2 mV p-p，并且系統(tǒng)可獲得11位無噪聲 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，無人駕駛飛行器(UAV)，或稱無人駕駛飛機(jī)，正 在國家安全方面扮演著越來越重要的角色。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)場戰(zhàn)區(qū) 指揮和控制監(jiān)督或無人空中加油站等功能。

UAV上這種復(fù)雜的系統(tǒng)采用無數(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)精確測量對(duì)于保持正確的飛行路徑非常關(guān)鍵。

用于測量執(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 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。

電路評(píng)估與測試

本電路使用 EVAL-CN0301-SDPZ電路板和 EVAL-SDP-CB1ZSDP-B系統(tǒng)演示平臺(tái)控制器板。這兩片板具有120引腳的對(duì) 接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。EVAL-CN0301-SDPZ包含待評(píng)估電路; EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)與CN-0301評(píng)估軟件一起使用，可從 EVAL-CN0301-SDPZ獲 取數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

帶USB端口的Windows® XP(32位)、Windows Vista®或 Windows® 7 PC

EVAL-CN0301-SDPZ電路板

EVAL-SDP-CB1ZSDP-B轉(zhuǎn)接板

CN-0301評(píng)估軟件

EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流電源或同等6 V/1 A臺(tái)式電源

• Measurement Specialties，Inc.，E-100經(jīng)濟(jì)型LVDT (EVALCFTL-LVDT)

開始使用

將CN-0301評(píng)估軟件放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟 件。打開我的電腦，找到包含評(píng)估軟件的驅(qū)動(dòng)器。

功能框圖

電路框圖見圖1，完整的電路原理圖見EVAL-CN0301- SDPZ-PADSSchematic.pdf文件。PDF文件位于CN-0301設(shè) 計(jì)支持包中。

設(shè)置

將 EVAL-CN0301-SDPZ上的120引腳連接器連接 EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)上的CONA連接器。使用尼龍五金配件， 通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電 情況下，將一個(gè)6 V電源連接到電路板上的+6 V和GND引腳。 如果有6 V壁式電源適配器，可將其連接到板上的管式連接 器，代替6 V電源。將 EVAL-SDP-CB1Z附帶的USB電纜連接 到PC上的USB端口。此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到 EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。

測試

為連接到 EVAL-CN0301-SDPZ的6 V電源(或壁式電源適配器) 通電。啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過USB電纜將PC連接到 EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，EVAL-SDP-CB1Z就可用來發(fā)送、接 收、采集來自 EVAL-CN0301-SDPZ的并行數(shù)據(jù)。

圖8顯示 EVAL-CN0301-SDPZ連接 EVAL-SDP-CB1Z的照片。有關(guān) EVAL-SDP-CB1Z的信息，請(qǐng)參閱 UG-277用戶指南。

有關(guān)測試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評(píng)估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的 詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN-0301軟件用戶指南。

針對(duì)原型開發(fā)的連接

EVAL-CN0301-SDPZ針對(duì) EVAL-SDP-CB1Z; 而設(shè)計(jì);但任意 微處理器均可與 AD7992的I2C雙線式串行接口實(shí)現(xiàn)連接。 為使另一個(gè)控制器能與 EVAL-CN0301-SDPZ一同使用，第 三方必須開發(fā)相應(yīng)的軟件。

目前已有一些轉(zhuǎn)接板能實(shí)現(xiàn)與Altera或Xilinx現(xiàn)場可編程門 陣列(FPGAs)的接口。利用Nios驅(qū)動(dòng)器，Altera的BeMicro SDK板能配合BeMicro SDK/SDP轉(zhuǎn)接板一同使用。任何集 成FMC連接器的Xilinx評(píng)估板均可與FMC-SDP轉(zhuǎn)接板一同 使用。

EVAL-CN0301-SDPZ 還兼容Digilent、Imod接口規(guī)格。

系統(tǒng)照片如圖8所示。