經(jīng)典案例分享：告訴你低成本、低功耗的同步解調(diào)器設計沒那么難

　　LVDT設計示例

　　圖4顯示的是一個同步解調(diào)電路，該電路可從線性可變位移變壓器(LVDT，一種特殊的繞線變壓器，具有活動內(nèi)核，貼在待測位置)提取位置信息。激勵信號施加于初級端。次級端電壓隨內(nèi)核位置成比例變化。

　　LVDT的類型有很多，此外提取位置信息的方法也各不相同。該電路采用4線模式LVDT.將兩個LVDT的次級輸出相連使其電壓相反，從而執(zhí)行減法。當LVDT內(nèi)核位于零點位置時，次級端上的電壓相等，繞組上的電壓差為零。隨著內(nèi)核從零點位置開始移動，次級繞組上的電壓差也隨之增加。LVDT輸出電壓符號根據(jù)方向而改變。本例選擇的LVDT測量±2.5 mm滿量程內(nèi)核位移。電壓傳遞函數(shù)為0.25，意味著當內(nèi)核偏離中心2.5 mm時，施加于初級端的每伏特電壓的差分輸出等于250 mV.

　　圖4.簡化LVDT位置檢測電路

　　集成式同步解調(diào)器

　　ADA2200集成式同步解調(diào)器采用獨特的電荷共享技術來執(zhí)行模擬域內(nèi)的分立式時間信號處理。該器件的信號路徑由輸入緩沖器、FIR抽取濾波器(進行抗混疊濾波)、可編程IIR濾波器、相敏檢波器以及差分輸出緩沖器組成。其時鐘生成功能可將激勵信號與系統(tǒng)時鐘同步。通過SPI兼容接口可配置可編程特性。

　　圖5. ADA2200同步解調(diào)器

　　24位Σ-Δ型ADC AD7192生成的4.92 MHz時鐘用作主機時鐘。ADA2200生成濾波器和PSD時鐘所需的一切內(nèi)部信號，此外還在RCLK引腳上生成激勵信號。該器件將主機時鐘進行1024分頻，以便生成4.8 kHz信號，控制CMOS開關。CMOS開關將低噪聲3.3 V源轉(zhuǎn)換為LVDT的方波激勵信號。用于激勵源的3.3 V電源還用作ADC基準電壓源，因此電壓源中的一切漂移都不會降低測量精度。在滿量程位移處，LVDT輸出1.6 V峰峰值輸出電壓。

　　抗混疊濾波

　　LVDT輸出和ADA2200輸入之間的RC網(wǎng)絡為LVDT輸出信號提供低通濾波，同時產(chǎn)生使解調(diào)器輸出信號最大所需的相對相移。如前所述，圖2b顯示了最大PSD輸出發(fā)生在相對相移為0°或180°處。ADA2200具有90°相位控制，因而還可以使用±90°相對相位失調(diào)。

　　解調(diào)頻率奇數(shù)倍的信號能量將出現(xiàn)在輸出濾波器的通帶內(nèi)。FIR抽取濾波器實現(xiàn)抗混疊濾波，能為這些頻率提供至少50 dB衰減。

　　如有需要，IIR濾波器可提供額外的濾波或增益。由于IIR濾波器在相敏檢波器前面，其相位響應將會影響PSD信號輸出帶寬。設計濾波器響應時，必須考慮這一點。

　　輸出濾波器

　　應選擇輸出濾波器的通帶，使其匹配待測參數(shù)的帶寬，但限制系統(tǒng)的寬帶噪聲。輸出低通濾波器必須還要能夠抑制PSD偶數(shù)倍產(chǎn)生的輸出雜散。

　　該電路使用Σ-Δ型ADC AD7192內(nèi)置的LPF.它可以通過編程實現(xiàn)sinc3或sinc4響應，并且傳遞函數(shù)在輸出數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)處為零。

　　將ADC的輸出數(shù)據(jù)速率設為解調(diào)頻率可以抑制PSD輸出雜散。ADC的可編程輸出數(shù)據(jù)速率用作可選帶寬輸出濾波器?？捎玫妮敵鰯?shù)據(jù)速率(fDATA)為4.8 kHz/n，其中1≤n≤1023.因此，ADC對每個輸出數(shù)據(jù)數(shù)值的n個解調(diào)時鐘周期內(nèi)求解調(diào)器輸出的平均值。由于主機時鐘和ADC時鐘同步，ADC輸出濾波器傳遞函數(shù)的零點將直接落在調(diào)制頻率的每一個諧波上，并且抑制任意n值的所有輸出雜散。

　　圖6顯示了歸一化為ADC輸出數(shù)據(jù)速率的sinc3傳輸函數(shù)。

　　可編程輸出數(shù)據(jù)速率具有噪聲和帶寬/建立時間之間的直觀權衡取舍關系。輸出濾波器噪聲帶寬為0.3×fDATA、3 dB頻率為0.272×fDATA，建立時間為3/fDATA.

　　在最高4.8 kHz輸出數(shù)據(jù)速率下，ADC數(shù)字濾波器具有1.3 kHz左右的3 dB帶寬。在不超過此頻率的范圍內(nèi)，解調(diào)器和ADC之間的RC濾波器相對平坦，最大程度降低了ADC的帶寬要求。在最大數(shù)據(jù)速率較低的系統(tǒng)中，RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率可以按比例降低。

　　噪聲性能

　　該電路的輸出噪聲是ADC輸出數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。表1顯示數(shù)字化數(shù)據(jù)相對于ADC采樣速率的有效位數(shù)，假設滿量程輸出電壓為2.5 V.噪聲性能與LVDT內(nèi)核位置無關。

　　表1.噪聲性能與帶寬的關系

　　如果ADA2200輸出噪聲與頻率無關，則預計有效位數(shù)將在輸出數(shù)據(jù)速率每4×下降時增加一位。ENOB在較低輸出數(shù)據(jù)速率下不會上升太多，這是由于ADA2200輸出驅(qū)動器的1/f噪聲所導致的;該噪聲在較低的輸出數(shù)據(jù)速率下成為噪底的主要成分。

　　線性度

　　首先在±2.0 mm內(nèi)核位移處執(zhí)行一次兩點校準即可測量線性度結(jié)果。由這些測量結(jié)果可確定斜率和失調(diào)，從而實現(xiàn)最佳直線擬合。然后，在±2.5 mm滿量程范圍內(nèi)測量內(nèi)核位移。從直線數(shù)據(jù)中減去測量數(shù)據(jù)即可確定線性度誤差。

　　圖7.位置線性度誤差與LVDT內(nèi)核位移的關系