測(cè)量位置的PSoC微控制器與LVDT

　　將一個(gè)LVDT（線性可變差分變壓器）連接到一個(gè)微控制器是有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)橐粋€(gè)LVDT需要交流輸入的激勵(lì)和對(duì)交流輸出的測(cè)量，以確定其可動(dòng)核的位置（參考文獻(xiàn)1）。多數(shù)微控制器都缺乏專用的交流信號(hào)生成與處理能力，因此需要外部電路來(lái)產(chǎn)生無(wú)諧波、波幅與頻率穩(wěn)定的正弦波信號(hào)。要將LVDT的輸出信號(hào)波幅與相位轉(zhuǎn)換成與微控制器內(nèi)部ADC兼容的格式，一般需要添加外部電路。

　　與一般微控制器相比，Cypress半導(dǎo)體公司的PSoC微控制器含有用戶可配置的邏輯和模擬電路塊，簡(jiǎn)化了交流信號(hào)的生成與測(cè)量工作。PSoC器件有獨(dú)特的功能，即無(wú)需 CPU的連續(xù)干預(yù)就能生成模擬信號(hào)。PSoC靈活的模擬與數(shù)字塊可以驅(qū)動(dòng)一支LVDT，并無(wú)需外部電路就可以測(cè)量其輸出。圖1是LVDT接口的完整電路，圖2是PSoC微控制器的內(nèi)部電路框圖。

　　PSoC采用一對(duì)用戶可配置的開關(guān)電容器塊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶通濾波器和低通濾波器。你可以通過(guò)生成一個(gè)方波，并通過(guò)建立在第一個(gè)開關(guān)電容器塊中的調(diào)制器，將其加在PSoC開關(guān)電容濾波器上，從而創(chuàng)建高質(zhì)量的正弦波。使方波通過(guò)一個(gè)中心位于方波基頻的窄帶帶通濾波器，可以去除大多數(shù)諧波。

　　為使PSoC開關(guān)電容帶通濾波器產(chǎn)生最高保真度的正弦波，要用盡可能高的過(guò)采樣速率，因數(shù)約為33，即每個(gè)正弦波周期33步。得到的正弦波平滑得足以驅(qū)動(dòng)能衰減所有殘余高階諧波的LVDT。采用一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳂?biāo)定PSoC的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，就可以在方波濾波前對(duì)其波幅作粗略的控制。為了補(bǔ)償波形的直流偏移電壓，放大器對(duì)2.6V內(nèi)部模擬接地基準(zhǔn)進(jìn)行緩沖，并驅(qū)動(dòng)用作LVDT模擬地回路的輸出腳。

　　LVDT輸出包括一個(gè)幅度可變的正弦波電壓，其相對(duì)于正弦波激勵(lì)電壓的相位角要經(jīng)受一個(gè)相當(dāng)大的可變移位，有時(shí)相移要超過(guò)180。。LVDT的一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)PSoC的一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?，其輸出送至一個(gè)開關(guān)電容低通濾波器，并跟隨一個(gè)用于同步整流的調(diào)制器。整流后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)輸出腳，以及一個(gè)PSoC的開關(guān)電容ADC。

　　將LVDT輸出加在同步整流器上，后跟隨一個(gè)低通濾波器，這樣產(chǎn)生一個(gè)直流電壓，它可以送至ADC或直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)模擬反饋控制系統(tǒng)。在PSoC微控制器中，連接到ADC的低通開關(guān)電容濾波器需要相同的采樣時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電路，因此，PSoC 11位Δ-S ADC的轉(zhuǎn)換速率大約是低通濾波器角頻率的一半。同步整流產(chǎn)生的紋波頻率是激勵(lì)頻率的兩倍，因此更容易用低通濾波器去除。將低通濾波器的角頻率重新確定為激勵(lì)頻率的三分之一，就可以在等于或低于1 LSB（最低有效位）標(biāo)準(zhǔn)偏差下，使LVDT輸出的測(cè)量達(dá)到11位分辨率。

　　用作為計(jì)數(shù)器鏈配置的邏輯電路塊將 PSoC 24 MHz 內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，就得到開關(guān)電容器模擬電路塊需要的所有數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)。在加電或復(fù)位之后，PSoC的CPU配置所有可配置的模擬與數(shù)字電路塊，并開始運(yùn)行。以后硬件便能夠激勵(lì)LVDT并以每秒500次采樣速率測(cè)量其輸出，無(wú)需CPU的進(jìn)一步干預(yù)。當(dāng) PSoC CPU運(yùn)行在12 MHz時(shí)，處理ADC內(nèi)部活動(dòng)以及中斷只消耗不到3%的CPU資源。

　　對(duì)于計(jì)算LVDT位置以及在LCD模塊上以文本形式顯示結(jié)果時(shí)有大量PSoC資源可用。有四個(gè)模擬電路塊、五個(gè)邏輯電路塊和很多I/O腳都可以用于支持更高要求的應(yīng)用。圖3顯示了附加功能可以使用的配置塊。

參考文獻(xiàn)
1."Linear variable differential transformer," Wikipedia.