用于位置測量的PSoC微控制器與LVDT

廉價的復合信號處理器消除了外部模擬電路。

將一個LVDT(線性可變差分變壓器)連接到微控制器是有挑戰(zhàn)性的工作，因為LVDT需要交流輸入激勵和交流輸出的測量，以確定其可移動核的位置(參考文獻1)。多數微控制器都缺乏專用交流信號生成與處理能力，因此需要外部電路產生任意諧波、波幅與穩(wěn)定頻率的正弦波信號。LVDT輸出信號的波幅與相位轉換成與微控制器內部ADC兼容的形式，一般需要添加外部電路。

與傳統微控制器相比，Cypress半導體公司的PSoC微控制器含有用戶可配置的邏輯和模擬模塊，簡化交流信號的生成與測量。PSoC器件具有無需連續(xù)CPU的干預就能生成模擬信號的獨特功能。PSoC靈活的模擬與數字模塊可以驅動一支LVDT，并無需外部電路就可以測量其輸出。圖1顯示的是LVDT接口的完整電路，圖2顯示的是PSoC微控制器的內部電路框圖。

圖1 LVDT接口的完整電路

圖2 PSoC微控制器的內部電路框圖

PSoC采用多對用戶可配置的開關電容器模塊，實現帶通和低通濾波器。通過生成方波，并通過建立在首個開關電容器模塊中的穩(wěn)壓器，加在PSoC開關電容濾波器上，從而創(chuàng)建

高質量正弦波。通過一個中心位于方波基頻的窄帶帶通濾波器，方波可以去除絕大多數諧波。

為從PSoC開關電容帶通濾波器產生最高保真度的正弦波，要使用盡可能高的過采樣速率，因數約為33，即每個正弦波周期33階。合成的正弦波足夠平滑到足以驅動能衰減殘余更高諧波的LVDT。用可編程增益放大器調整PSoC的內部電壓基準，可以在濾波前對方波幅度作粗略的控制。為補償波形直流偏置電壓，放大器對2.6V內部模擬地基準進行緩沖，并驅動用作LVDT模擬地回路的輸出管腳。

LVDT輸出由幅度可變的正弦波電壓組成，其相對于正弦波激勵電壓的相位角要經受一個相當大的可變移位，有時相移會超過180。LVDT的信號驅動PSoC的可編程增益放大器，其輸出送至開關電容低通濾波器，跟隨一個用于同步整流的穩(wěn)壓器。整流后的信號驅動一輸出管腳，以及PSoC的開關電容ADC。

將LVDT輸出加在同步穩(wěn)壓器上，跟隨一個低通濾波器，產生直流電壓送至ADC或直接驅動模擬反饋控制系統。在PSoC微控制器中，連接到ADC的低通開關電容濾波器需要相同的采樣時鐘驅動這兩個電路，導致PsoC的11位Δ-S ADC的轉換速率大約是低通濾波器角頻率的一半。同步穩(wěn)壓產生兩倍激勵頻率紋波頻率，因此更容易被低通濾波器去除。將、重新設計低通濾波器的角頻率為激勵頻率的三分之一，就可以在等于或低于1 LSB(最低有效位)標準差下，使LVDT輸出的測量達到11位分辨率。

用配置為計數器鏈的邏輯電路塊將PsoC的24MHz內部系統時鐘分頻，產生開關電容器模擬電路模塊所需的數字時鐘信號。在加電或復位后，PSoC的CPU配置所有可配置的模擬和數字電路模塊，并開始運行。從那以后，硬件便能夠激勵LVDT，并無需CPU參與的情況下，以每秒500次采樣速率測量其輸出。當PSoC CPU運行在12MHz時，處理ADC內部動作和中斷只消耗CPU不到3%的資源。

大量PSoC資源仍可用于計算LVDT位置，以及在LCD模塊上以文本形式顯示結果。四個模擬電路模塊、五個邏輯電路模塊和很多I/O管腳都可用于支持更高要求的應用。圖3顯示了可用于附加功能的可配置模塊。

圖3 可用于附加功能的可配置模塊