通用LVDT信號調(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，因為其磁芯能夠無摩擦滑動，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AD698 LVDT信號調(diào)理器，包含一個正弦波振蕩器和一個功率放大器，用于產(chǎn)生驅(qū)動原邊LVDT的激勵信號。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)動低功耗12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。系統(tǒng)動態(tài)范圍為82 dB，帶寬為250 Hz，非常適合精密工業(yè)位置和計量應(yīng)用。

采用±15 V電源供電時，系統(tǒng)的信號調(diào)理電路功耗僅為15 mA；采用+5 V電源供電時，功耗為3 mA.

本電路筆記討論LVDT基本操作理論和設(shè)計步驟，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是絕對位移傳感器，可將線性位移或位置從機(jī)械參考點（或零點）轉(zhuǎn)換為包含相位（方向）和幅度（距離）信息的比例電信號。移動部件（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)換為一個比例直流信號。

AD698內(nèi)置一個低失真正弦波振蕩器，用來驅(qū)動LVDT原邊。正弦波頻率由單個電容決定，頻率范圍為20 Hz至20 kHz，幅度范圍為2 V RMS至24 V RMS.

LVDT副邊輸出由兩個正弦波組成，用來直接驅(qū)動AD698.AD698通過同步解調(diào)幅度調(diào)制輸入（次級，A）和固定輸入?yún)⒖茧妷海ǔ跫墶⒋渭壡蠛突蚬潭ㄝ斎?，B）解碼LVDT.之前解決方案的一個常見問題是驅(qū)動振蕩器幅度的任何漂移都直接導(dǎo)致輸出的增益誤差。AD698計算LVDT輸出與其輸入激勵的比值，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.輸入由兩個獨立的同步解調(diào)通道組成。B通道監(jiān)控LVDT的驅(qū)動激勵。C2對全波整流輸出進(jìn)行過濾，然后將其發(fā)給運算電路。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A通道可能達(dá)到0 V輸出，因此通常使用初級端電壓（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初級端到次級端的相移。對于半橋電路而言，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

兩個通道都完成解調(diào)及濾波后，使用一個配備了占空比乘法器的分壓電路計算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）。占空比驅(qū)動電路，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)500μA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)手冊中的雙電源操作（±15 V）設(shè)計程序，將激勵頻率設(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?？僧a(chǎn)生少量紋波，會傳遞到輸出端。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，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），但這樣做會增加相位滯后。

AD8615運算放大器緩沖AD698的輸出，而AD698可確保以低阻抗源驅(qū)動AD7992ADC（高阻抗源會極大地降低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，因為AD698的輸出電壓能夠在±15 V的電源下擺動±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。這主要是因為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12位SAR ADC AD7992輸入的理想放大器，因為它具有輸入過壓保護(hù)，并且具備輸入端和輸出端軌到軌擺動能力。

噪聲分析

若所有信號調(diào)理器件已選定，則必須確定轉(zhuǎn)換信號所需的分辨率。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噪聲源即可。