AD698在DGC-6PG/A差動電感式位移傳感器中的應用

LVDT(Linear Variable Differential Transformer，線性可調(diào)差接變壓器)是由霍德利(G.B.Hoadley)于1940年獲得的專利。他的原理，當鐵磁性磁心受到與用于檢測的移動部分相連的非鐵磁桿拖曳沿他的內(nèi)部移動時，初級繞組與2個次級繞之間的互感將發(fā)生變化。當初級繞組由交流電壓供電時，鐵磁性磁心的位置的變化就會引起同名端反相串聯(lián)的2個次級繞組之間感應的電壓之差的變化。這樣通過檢測電壓差就可以確定非鐵磁桿的移動量。因此，LVDT就可以直接用于位移的測量，也可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、比重、張力和厚度等。同時，這個電壓差的檢測也成為急需解決的問題。傳統(tǒng)的方法采用差動整流電路和相敏檢波電路，這2種測量方法都是用分立電子元件搭成的，電路比較復雜，不易調(diào)試。AD698線性位移差分變壓器信號調(diào)理芯片彌補了這方面的缺陷，電路集成度高并且輸出增益可調(diào)。

本文簡要介紹AD698的工作原理，主要研究了他在差動電感式位移傳感器中應用電路，并給出測量結(jié)果，并對結(jié)果中出現(xiàn)的紋波噪聲進行了詳細的分析，提出減小紋波的改進措施，最終達到了理想的效果。在與位移相關的機械量的測量及紋波的處理方面具有很好的應用價值。

1 AD698的特點及原理

AD698是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器(LVDT)信號調(diào)理芯片。他與LVDT配合使用，能夠高精度、高再現(xiàn)性地將LVDT的機械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。實現(xiàn)此功能的電路都集成在芯片中，只要增加幾個外接無源元件來確定激勵頻率和增益，就能把LVDT的次級輸出信號按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號。

1.1 AD698的特點

(1)AD698提供用單片電路來調(diào)理LVDT信號的完整解決方案，其直流電壓輸出正比于LVDT的位移變化；

(2)AD698能夠適用于多個不同類型的LVDT，如半橋式LVDT、同名端反相串聯(lián)4線輸出式LVDT等；

(3)AD698能夠產(chǎn)生的激勵信號頻率為20～20 kHz，這個頻率取決于他的外接電容器。其輸出電壓有效值可達24 V，能夠直接驅(qū)動LVDT的初級激磁線圈，LVDT的次級輸出電壓有效值可以低于100 mV；

(4)AD698采用比值譯碼方案，溫度變化不會影響電路的整體性能；

(5)一個AD698可以串聯(lián)或并聯(lián)驅(qū)動多個LVDT，激勵輸出具有熱保護功能。

1.2 AD698的工作原理

AD698用1個正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器驅(qū)動LVDT，并用2個同步解調(diào)器對初級和次級電壓進行解調(diào)，再通過一個除法電路來計算比率A／B，其后的濾波器和放大器可按比例調(diào)整輸出結(jié)果。輸出放大器測量500μA的參考電流并把他轉(zhuǎn)化成一個電壓值，從而得到一個與LVDT磁芯位置成正比的直流電壓信號，其功能框圖如圖1所示。當參考電流為500μA時，其輸出的傳遞函數(shù)為：

2 DGC-6PG／A差動電感式位移傳感器的測量原理

DGC-6PG／A差動電感式位移傳感器由中原量儀生產(chǎn)的一款旁向式的位移測量頭。他的激勵頻率在10 kHz左右，激勵電壓的有效值為2 V，靈敏度為70 mV／V／mm，總行程為1.5 mm。他產(chǎn)生的電信號輸出與鐵芯的位移成正比。他在不銹鋼殼內(nèi)布置1個初級線圈，并在其左右各布置1個次級線圈，呈對稱分布。鐵芯在線圈組內(nèi)穿梭，當通過外部交流電源給初級線圈通電后，兩個反相連接的次初級線圈中將產(chǎn)生極性相反的電壓。因此，兩個電壓之差即為LVDT的凈輸出值，當鐵芯位于中間或零位，凈輸出為零。當鐵芯離開零位，鐵芯所趨向的次級線圈的電壓相應增加。同時，另一側(cè)線圈的感應電壓相應降低。芯的運動產(chǎn)生隨位移變化而變化的線性壓差輸出值。當鐵芯從零位的一側(cè)移至另一側(cè)時，輸出電壓的相位將出現(xiàn)180°突變；當初級繞組由恒定電壓供電時，其等效電路如圖2所示。

如果次級繞組的總電阻用R2表示，由圖2利用網(wǎng)孔分析法可得方程組：

由方程組(2)得：

 
在中心位置處，M2=M1，由方程組(2)，正如實際分析的那樣，e0=0 V。對于其他的磁心位置，L1，L2，L2'，M3和M2-M1有如下近似變化：隨著磁心偏離x0，L1和M3緩慢變化；M2-M1在x0的兩側(cè)呈現(xiàn)快速線性變化[M2-M1=kx(x-x0)]，而L2+L2'幾乎恒定不變。

輸出電壓與磁心位置的關系取決于負載電阻RL。如果沒有與次級繞組相連的負載，則輸出電壓將減小到下列值：

 3 測量電路

AD698在DGC-6PG／A差動電感式位移傳感器中的應用電路圖如圖3所示。電路采用±15 V雙電源供電。R1，C1用來調(diào)整輸出激勵信號的幅值和頻率。幅值可以在0～24 V之間調(diào)節(jié)，頻率可以在20～20 kHz之間調(diào)節(jié)。R2用來調(diào)整輸出增益的；R3用來調(diào)整正負偏置的。C2，C3，C4是AD698的濾波電容，他們的值相等；C7是輸出濾波電容。電路中將OFF1和OFF2用跳線端子引出，并且將輸出增益用的固定電阻換成電位器，在以后的應用中可以方便地改變正負偏置及輸出增益。因此，需要改變輸出范圍時，無需重新做PCB板。電路中各元件的參數(shù)值是經(jīng)過理論計算和反復的試驗，調(diào)整得到。

4 測量結(jié)果與噪聲分析

利用上述電路進行測試，第一次進行設計原理圖時，根據(jù)AD698的數(shù)據(jù)手冊，沒有用到R4，C6和L1。采用±15 V開關電源供電，RIGOL DS1102C型雙通道100 MHz數(shù)字示波器進行測量。結(jié)果如4所示：

由測量結(jié)果可以看出，輸出中有136 mV的紋波。這對于微位移的測量來說，會產(chǎn)生很大的誤差。查找紋波的來源，首先，測量傳感器的激勵信號和他的輸出信號，發(fā)現(xiàn)正弦信號中也存在疊加噪聲，如圖5所示。由此看來，紋波是來源于激勵信號，那么激勵信號的噪聲又是從何處來的?初步估計是電源的問題。對±15 V電源進行測量，結(jié)果如圖6(a)，(b)所示。開關電源自身的紋波噪聲在1％左右，測量結(jié)果與實際相符。由此可以得出輸出紋波是由開關電源引起的。綜合考慮成本和解決方案的復雜性，要減小圖4所示的紋波，只能從濾波方面著手解決。 

在信號輸出端增加R4，C6，L1，R4，C6構(gòu)成低通濾波器，L1對高頻交流信號起到了抑制作用。最終輸出結(jié)果如圖7所示，由圖7可見，輸出中的紋波噪聲已被濾除，在以后的信號采集以及處理中，會達到很好的效果。

5 結(jié) 語

采用集成芯片AD698處理差動電感式位移傳感器的輸出信號，可以減小系統(tǒng)的復雜度，并且激勵信號的頻率和幅值可調(diào)，輸出增益和偏置可調(diào)。通過對電路的改進，極大地減小了輸出紋波噪聲，對下一步使用AD轉(zhuǎn)換進行數(shù)據(jù)采集的工作，提供了極大的便利