AD698型LVDT信號調(diào)理電路的原理與應用

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)理系統(tǒng)。AD698與LVDT配合，能夠高精確和高再現(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。AD698具有所有必不可少的電路功能，只要增加幾個外接元源元件來確定激磁頻率和增益，就能把LVDT的次級輸出信號按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號。

1 AD698的特點

（1）AD698提供了用單片電路來調(diào)理LVDT信號的完整解決方案，它含有內(nèi)部晶振和參考電壓源，只需附加極少量的無源元件就可實現(xiàn)位置的機械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換，并且無需校準。其單極性或雙極性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。因為AD698的輸入電壓、輸出電壓及頻率適應范圍都很寬，其電路的優(yōu)化設計，使得它與任何類型的LVDT配合使用都能獲得理想效果。

（3）驅(qū)動LVDT的激磁信號頻率為20Hz～20kHz，它取決取于AD698的一個外接電容器。AD698的輸出電壓有效值達24V，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100mV。

（4）振蕩器的幅值隨溫度變化不會影響電路的整體性能。AD698采用比率譯碼方案，即通過計算次級電壓與初級電壓的比率來確定LVDT的位置和方向，無需整定。

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

（6）在簡單的機電伺服回路設計中，可以將AD698作為一個積分環(huán)節(jié)來處理。

2 AD698的工作原理

2．1 AD698與LVDT的連接

LVDT是一種機械-電子傳感器，其輸入是磁芯的機械移動，輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號。LVDT由一個初級線圈和二個次級線圈組成，初級線圈由外部參考正弦波信號源激勵，二個次級線圈反向串聯(lián)?；顒哟判镜囊苿涌筛淖兂跫壘€圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生二個幅值不同的交流電壓信號。串聯(lián)次級線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置升高，通過測量輸出電壓的相位可以判斷磁芯移動的方向。AD698與LVDT連接的功能框圖如圖1所示。

2．2 AD698的工作原理

AD698首先驅(qū)動LVDT，然后讀出LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個與磁芯位置成正比的直流電壓信號。AD698用一個正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器來驅(qū)動LVDT，并用二個同步解調(diào)級來對初級和次級電壓進行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動電壓的比率（A/B）。濾波級和放大器可按比較整輸出結(jié)果。

振蕩器中包含一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器產(chǎn)生一個三角波，并驅(qū)動正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個低失真的正弦波，正弦波的頻率和幅值由一個電阻器和一個電容器決定。輸出頻率在20Hz～20kHz可調(diào)，輸出有效幅值在2V～24V可調(diào)?？傊C波失真的典型值是50dB。

AD698通過同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)（次級線圈側(cè)）和一個固定的參考輸入B（初級線圈側(cè)或固定輸入）。早期解決方案的共同問題是驅(qū)動振蕩器幅值的任何漂移都會直接導致輸出增益的錯誤。AD698通過計算LVDT輸出與輸入激勵的比率消除了所有的偏移影響，從而避免了這些錯誤。AD698不同于AD598型的LVDT信號調(diào)理器，因為它實現(xiàn)了一個不同的電路傳遞函數(shù)，并且不要求LVDT次級線圈（A+B）是一個隨行程長度而定的常量。

AD698的輸入包括二個獨立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅(qū)動LVDT的激勵信號，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨引出來的。因為在LVDT處于零位的時候，A通道可能達到0V，所以A通道解調(diào)器通常由初級電壓（B通道）觸發(fā)。另外，可能還需要一個相位補償網(wǎng)絡給A通道增加一個相位超前或滯后量，比此來補償LVDT初級對次級的相位偏移。

一旦二次通道信號被解調(diào)和濾波后，再通過一個除法電路來計算比率A/B，除法器的輸出是一個矩波信號。當A/B等于1時，矩形波的占空比為100%。輸出放大器測量500μA的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個電壓值。當IREF=500μA時，其傳遞函數(shù)如下：

VOUT=IREF×A/B×R2

3 AD698的應用

AD698單電源供電時的外圍電路如圖2所示。外部無源元件的參數(shù)設置包括激勵信號的頻率和有效幅值、AD698輸入信號的頻率和比例因子（V/inch）。另外，還有一些可選擇的特性：零位偏移補償、濾波、信號綜合等，這些功能可以通過另外一些外圍元器件來實現(xiàn)。外圍元器件及其參考大小應適合任何符合AD698輸入/輸出標準的LVDT，下面就以最為常用的單電源供電方式為例，說明元器件選擇及其參數(shù)設置的主要步驟。

（1）選擇激勵信號頻率來決定C1

C1=35μFHz/fEXCITATION

(2)依據(jù)激勵信號VEXC的電壓幅值來決定R1

通常，當VEXC≥24V時，10Ω≤R1≤100Ω；12V≤VEXC≤24V時，0.1kΩ≤R1≤1kΩ；5V≤VEXC≤12V時，1kΩ≤R1≤10kΩ;當0V≤VEXC≤5V時，10kΩ≤R1≤100kΩ。

（3）C2、C3和C4是AD698位置側(cè)量系統(tǒng)所要求帶寬fSUBSYSTEM的函數(shù)，原則上，它們的電容值應該相等，即

C2=C3=C4=10-4FHz/fSUBSYSTEM

比如，系統(tǒng)要求帶寬為250Hz，則C2=C3=C4=10 -4FHz/250Hz=0.4μF

(4)R2用來設定AD698的增益和滿量程時的輸出范圍，計算R2需要以下相關(guān)參數(shù)：

a.LVDT的敏感度S，它的值可以在生產(chǎn)廠家目錄手冊中查到，單位是V/V/mile，其物理意義是每英寸的位移每伏特的輸入對應的電壓輸出伏特。

b.LVDT的磁芯從零位到滿量程的位移d。

在S和d確定后，R2的計算公式如下：

R2=VOUT/（S×d×500μA）

其中，VOUT是相對于參考信號（引腳21）的輸出。

（5）R3、R4可實現(xiàn)正、負輸出電壓補償調(diào)節(jié)。如果不需要補償調(diào)節(jié)，R3、R4應被開路。其阻值可由下述公式推算得出：

Vos=1.2V×R2×{[1/(R3+2kΩ)-1/(R4+2kΩ)]}

其中Vos是正或負輸出電壓補償值。

（6）R5+R6≤Vps/100μA

(7)R5上的壓降必須大于2+10kΩ[1.2V/(R4+2kΩ)+250μA+Vout/4R2]V,以此可推算出R5的阻值。再根據(jù)第

（6）條的限制選擇一個中間值。

（8）C5是旁路電容器，其值在0.1μF～1μF之間。