通用LVDT信號調理電路

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款完整的無需調節(jié)線性可變差分變壓器 (LVDT)信號調理電路。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)和科研機電應用中。

本電路采用 AD698LVDT信號調理器，包含一個正弦波振蕩 器和一個功率放大器，用于產生驅動原邊LVDT的激勵信 號。 AD698還可將副邊輸出轉換為直流電壓。AD8615軌到 軌放大器緩沖 AD698的輸出，并驅動低功耗12位逐次逼近型 模數(shù)轉換器(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)位置和計量應用。

采用±15 V電源供電時，系統(tǒng)的信號調理電路功耗僅為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械參 考點(或零點)轉換為包含相位(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 高可靠性的應用，如軍事和航空航天應用。

就本電路而言，采用Measurement Specialties™，Inc.的E-100 經濟型LVDT傳感器系列，與 AD698搭配使用。E系列在整 個范圍內的線性度為±0.5%，適合大多數(shù)應用在適中的工 作溫度環(huán)境下使用。

AD698是一款完整的LVDT信號調理子系統(tǒng)。它能夠以較 高精度和可重復性將LVDT傳感器機械位置轉換為單極性 直流電壓。所有電路功能均集成于片內。只要增加幾個外 部無源元件以設置頻率和增益， AD698就能將原始LVDT 副邊輸出轉換為一個比例直流信號。

AD698內置一個低失真正弦波振蕩器，用來驅動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，用來直接驅動 AD698。 AD698通過同步解調幅度調制輸入(次級，A)和固 定輸入?yún)⒖茧妷?初級、次級求和或固定輸入，B)解碼 LVDT。之前解決方案的一個常見問題是驅動振蕩器幅度 的任何漂移都直接導致輸出的增益誤差。 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通道組 成。B通道監(jiān)控LVDT的驅動激勵。C2對全波整流輸出進行 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 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 解調器。此外，可能需要相位補償網(wǎng)絡，以便向A通道增 加相位超前或滯后，補償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)解調器。

圖2. AD698框圖

兩個通道都完成解調及濾波后，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 制輸出，可使用該信號)。占空比驅動電路，調制并過濾與 占空比成正比的基準電流。輸出放大器調節(jié)500 μA基準電 流，將其轉換為電壓。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)設計程序，將 激勵頻率設為2.5 kHz、系統(tǒng)帶寬設為250 Hz、輸出電壓范 圍設為0 V至5 V。

AD698內部振蕩器通?？僧a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。

選擇電容值以設置系統(tǒng)帶寬時，需要作出某些權衡。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的內部保護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，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，導致放大器總輸出電壓噪聲增加。

AD8615是用于緩沖并驅動12位SAR ADC AD7992輸入的理 想放大器，因為它具有輸入過壓保護，并且具備輸入端和 輸出端軌到軌擺動能力。

噪聲分析

若所有信號調理器件已選定，則必須確定轉換信號所需的 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。

對于LVDT信號調理電路而言，輸出噪聲的主要來源是 AD698的輸出紋波。相比之下，其他噪聲源( AD8615) 的電 阻噪聲、輸入電壓噪聲和輸出電壓噪聲)要小得多。

當電容值為0.39 μF且反饋電阻兩端的并聯(lián)電容為10 nF(如圖 3所示)時， AD698的輸出電壓紋波為0.4 mV rms。請注意， 圖1中的簡化原理圖并未顯示這些器件以及相關的引腳連 接;但詳情可參見 AD698數(shù)據(jù)手冊。

AD7992作為此應用的良好備用器件，與3.4 MHz串行時鐘配 合使用時，具有12位分辨率和每通道188 kSPS的采樣速率。

相位滯后/超前補償

AD698將返回信號與初級端參考振蕩器的輸入相乘，并通 過解調產生輸出信號。少量的相移就會導致大量的線性誤 差，對輸出而言就是欠沖。

相位超前網(wǎng)絡可補償E-100系列LVDT中初級到次級的−3°相 移。圖4顯示了兩種不同的相位補償網(wǎng)絡。

為合適的網(wǎng)絡選取元件值時，重要的是需注意RS 和R T 有效 地構成了一個電阻分壓器，在激勵信號達到 AD698的 ±ACOMP輸入之前降低其幅度。這表示R T 需比RS 大得多。 滯后/超前電路還給激勵輸出增加負載，因此建議采用較大 的電阻值。最終目標是以較小的幅度下降，在 AD698ACOMP輸入端達到所需的相位滯后/超前。

根據(jù)下列等式可算出相位滯后/超前的量：

測試結果

使用連接J3的Measurement Specialties，Inc. E-100經濟型LVDT， 并通過數(shù)字示波器監(jiān)控 EVAL-CN0301-SDPZ評估板上 AD698J6的輸出，則實際輸出紋波為6.6 mV p-p，如圖5所示。

AD698輸出和 AD8615輸入之間的低通濾波器(3 kΩ、0.01 μF) −3 dB帶寬為5.3 kHz，并可將紋波降低至2 mV p-p。

由于低通濾波器位于 AD698輸出級和 AD8615輸入級之間，數(shù)據(jù)便可從 EVAL-CN0301-SDPZ評估板收集，如圖6所示。

AD698的紋波衰減至2 mV p-p，并且系統(tǒng)可獲得11位無噪聲 代碼分辨率。

有關本電路筆記的完整設計支持包，請參閱 http://www.analog.com/CN0301-DesignSupport。

飛行控制表面位置反饋中的應用

在美國，無人駕駛飛行器(UAV)，或稱無人駕駛飛機，正 在國家安全方面扮演著越來越重要的角色。這些高科技、 復雜的高空作業(yè)平臺受控于數(shù)英里外的人員，并且支持多 任務。它們含有諸如空中偵察、作戰(zhàn)武器平臺、戰(zhàn)場戰(zhàn)區(qū) 指揮和控制監(jiān)督或無人空中加油站等功能。

UAV上這種復雜的系統(tǒng)采用無數(shù)電子傳感器，用于精確控制 和反饋。若要控制UAV的高度(俯仰、滾動和偏航)，則需 使用執(zhí)行器對飛行控制表面施加作用力。這些執(zhí)行器能否 對位置實現(xiàn)精確測量對于保持正確的飛行路徑非常關鍵。

用于測量執(zhí)行器位置的傳感器需要滿足三個基本標準：精 度高、可靠性高和重量輕。由Measurement Specialties，Inc. 公司設計的LVDT可滿足全部三個屬性。

多LVDT同步工作

在許多應用中，將大量LVDT近距離使用，如多計數(shù)測 量。若這些LVDT以相似的載波頻率運行，雜散磁耦合可 能導致拍頻。產生的拍頻可能會影響這些條件下的測量精 度。為避免這種情況，所有LVDT均同步工作。

EVAL-CN0301-SDPZ 評估板經配置后(采用短路跳線連接跳 線JP1和JP3，并且不連接JP4)，可在兩個LVDT之間形成一 個主振蕩器。 每個LVDT原邊均以其自身的功率放大器驅 動，以便在 AD698器件之間共享熱負載。

常見變化

選用的器件針對最大5 V的 AD698單極性輸出優(yōu)化;但也能 用其它組合替換。

其它適用的單電源放大器包括 AD8565 和 AD8601。由于具 有輸入過壓保護以及輸入端和輸出端的軌到軌擺動能力， 這些放大器是 AD8615合適的替代品。若需采用雙電源工 作，則建議使用 ADA4638-1或 ADA4627-1。

AD7321是一款雙通道、雙極性輸入、12位ADC，支持高 達±10 V的真正雙極性模擬輸入信號。若AD698輸出±10 V雙 極性信號，則建議使用 AD7321。

電路評估與測試

本電路使用 EVAL-CN0301-SDPZ電路板和 EVAL-SDP-CB1ZSDP-B系統(tǒng)演示平臺控制器板。這兩片板具有120引腳的對 接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。EVAL-CN0301-SDPZ包含待評估電路; EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)與CN-0301評估軟件一起使用，可從 EVAL-CN0301-SDPZ獲 取數(shù)據(jù)。

設備要求

需要以下設備：

帶USB端口的Windows® XP(32位)、Windows Vista®或 Windows® 7 PC

EVAL-CN0301-SDPZ電路板

EVAL-SDP-CB1ZSDP-B轉接板

CN-0301評估軟件

EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流電源或同等6 V/1 A臺式電源

• Measurement Specialties，Inc.，E-100經濟型LVDT (EVALCFTL-LVDT)

開始使用

將CN-0301評估軟件放進PC的光盤驅動器，加載評估軟 件。打開我的電腦，找到包含評估軟件的驅動器。

功能框圖

電路框圖見圖1，完整的電路原理圖見EVAL-CN0301- SDPZ-PADSSchematic.pdf文件。PDF文件位于CN-0301設 計支持包中。

設置

將 EVAL-CN0301-SDPZ上的120引腳連接器連接 EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)上的CONA連接器。使用尼龍五金配件， 通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電 情況下，將一個6 V電源連接到電路板上的+6 V和GND引腳。 如果有6 V壁式電源適配器，可將其連接到板上的管式連接 器，代替6 V電源。將 EVAL-SDP-CB1Z附帶的USB電纜連接 到PC上的USB端口。此時請勿將該USB電纜連接到 EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。

測試

為連接到 EVAL-CN0301-SDPZ的6 V電源(或壁式電源適配器) 通電。啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到 EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，EVAL-SDP-CB1Z就可用來發(fā)送、接 收、采集來自 EVAL-CN0301-SDPZ的并行數(shù)據(jù)。

圖8顯示 EVAL-CN0301-SDPZ連接 EVAL-SDP-CB1Z的照片。有關 EVAL-SDP-CB1Z的信息，請參閱 UG-277用戶指南。

有關測試設置、校準以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的 詳細信息，請參閱CN-0301軟件用戶指南。

針對原型開發(fā)的連接

EVAL-CN0301-SDPZ針對 EVAL-SDP-CB1Z; 而設計;但任意 微處理器均可與 AD7992的I2C雙線式串行接口實現(xiàn)連接。 為使另一個控制器能與 EVAL-CN0301-SDPZ一同使用，第 三方必須開發(fā)相應的軟件。

目前已有一些轉接板能實現(xiàn)與Altera或Xilinx現(xiàn)場可編程門 陣列(FPGAs)的接口。利用Nios驅動器，Altera的BeMicro SDK板能配合BeMicro SDK/SDP轉接板一同使用。任何集 成FMC連接器的Xilinx評估板均可與FMC-SDP轉接板一同 使用。

EVAL-CN0301-SDPZ 還兼容Digilent、Imod接口規(guī)格。

系統(tǒng)照片如圖8所示。