通用LVDT信號調理電路圖

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是一款完整的無(wú)需調節線(xiàn)性可變差分變壓器 （LVDT）信號調理電路。該電路可精確測量線(xiàn)性位移（位置）。

　　LVDT是高度可靠的傳感器，因為其磁芯能夠無(wú)摩擦滑動(dòng)，并且與管內部無(wú)接觸。因此，LVDT適合用于飛行控制反饋系統、伺服系統中的位置反饋、機床中的自動(dòng)測量以及其他各種注重長(cháng)期穩定性的工業(yè)和科研機電應用中。

　　本電路采用 AD698LVDT信號調理器，包含一個(gè)正弦波振蕩器和一個(gè)功率放大器，用于產(chǎn)生驅動(dòng)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(dòng)低功耗12位逐次逼近型模數轉換器（ADC）。系統動(dòng)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(shí)，系統的信號調理電路功耗僅為15 mA；采用+5 V電源供電時(shí)，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(xiàn)性位移或位置從機械參考點(diǎn)（或零點(diǎn)）轉換為包含相位（方向）和幅度（距離）信息的比例電信號。移動(dòng)部件（探頭或磁芯桿組件）與變壓器之間無(wú)需電氣接觸即可完成LVDT操作。它依賴(lài)電磁耦合。由于這個(gè)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(cháng)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(jīng)濟型LVDT傳感器系列，與 AD698搭配使用。E系列在整個(gè)范圍內的線(xiàn)性度為±0.5%，適合大多數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。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(gè)外部無(wú)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(gè)比例直流信號。

　　AD698內置一個(gè)低失真正弦波振蕩器，用來(lái)驅動(dòng)LVDT原邊。正弦波頻率由單個(gè)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(gè)正弦波組成，用來(lái)直接驅動(dòng) AD698。 AD698通過(guò)同步解調幅度調制輸入（次級，A）和固定輸入參考電壓（初級、次級求和或固定輸入，B）解碼 LVDT。之前解決方案的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是驅動(dòng)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，且無(wú)需LVDT次級端求和（A + B）與沖程長(cháng)度保持一致。

　　AD698的框圖見(jiàn)圖2。輸入由兩個(gè)獨立的同步解調通道組成。B通道監控LVDT的驅動(dòng)激勵。C2對全波整流輸出進(jìn)行過(guò)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(shí)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(luò )，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(gè)通道都完成解調及濾波后，使用一個(gè)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(dòng)電路，調制并過(guò)濾與占空比成正比的基準電流。輸出放大器調節500 μA基準電流，將其轉換為電壓。輸出傳遞函數為：

　　器件選擇

　　遵循 AD698數據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(chǎn)生少量紋波，會(huì )傳遞到輸出端。使用無(wú)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帶寬時(shí)，需要作出某些權衡。選擇較小的電容值將使系統具有較高的帶寬，但會(huì )增加輸出電壓紋波。該紋波可通過(guò)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(huì )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(dòng) AD7992ADC（高阻抗源會(huì )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(gè)作用：

　　限制 AD8615的輸入電流。

　　過(guò)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(dòng)±11 V。只要輸入電流限制在5 mA以?xún)?，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(huì )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(dòng)12位SAR ADC AD7992輸入的理想放大器，因為它具有輸入過(guò)壓保護，并且具備輸入端和輸出端軌到軌擺動(dòng)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。如同大多數的噪聲分析一樣，只需考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數。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(gè)噪聲源即可。

　　對于LVDT信號調理電路而言，輸出噪聲的主要來(lái)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(shí)， AD698的輸出電壓紋波為0.4 mV rms。請注意，圖1中的簡(jiǎn)化原理圖并未顯示這些器件以及相關(guān)的引腳連接；但詳情可參見(jiàn) AD698數據手冊。

　　圖3. 輸出電壓紋波與濾波器電容的關(guān)系

　　能夠解析出來(lái)的最大rms數現在可通過(guò)將滿(mǎn)量程輸出除以總系統rms噪聲計算得到。

　　有效分辨率可通過(guò)以2為底數，對總rms數求對數而獲得。

　　從有效分辨率中減去2.7位，即可得到無(wú)噪聲碼分辨率：

　　無(wú)噪聲碼分辨率= 有效分辨率 − 2.7位

　　系統的總輸出動(dòng)態(tài)范圍可這樣計算：將滿(mǎn)量程輸出信號（5 V） 除以總輸出均方根噪聲（0.4 mV rms），然后轉化為dB，其結果約等于82 dB。

　　AD7992作為此應用的良好備用器件，與3.4 MHz串行時(shí)鐘配合使用時(shí)，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(guò)解調產(chǎn)生輸出信號。少量的相移就會(huì )導致大量的線(xiàn)性誤差，對輸出而言就是欠沖。

　　相位超前網(wǎng)絡(luò )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(luò )。

　　圖4. 相位滯后/超前網(wǎng)絡(luò )

　　為合適的網(wǎng)絡(luò )選取元件值時(shí)，重要的是需注意RS 和R T 有效地構成了一個(gè)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(jīng)濟型LVDT，并通過(guò)數字示波器監控 EVAL-CN0301-SDPZ評估板上 AD698J6的輸出，則實(shí)際輸出紋波為6.6 mV p-p，如圖5所示。

　　圖5. 低通濾波器處理前的輸出電壓紋波

　　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，數據便可從 EVAL-CN0301-SDPZ評估板收集，如圖6所示。

　　圖6. CN-0301評估軟件屏幕截圖

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

　　有關(guān)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(wú)人駕駛飛行器（UAV），或稱(chēng)無(wú)人駕駛飛機，正在國家安全方面扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。這些高科技、復雜的高空作業(yè)平臺受控于數英里外的人員，并且支持多任務(wù)。它們含有諸如空中偵察、作戰武器平臺、戰場(chǎng)戰區指揮和控制監督或無(wú)人空中加油站等功能。

　　UAV上這種復雜的系統采用無(wú)數電子傳感器，用于精確控制和反饋。若要控制UAV的高度（俯仰、滾動(dòng)和偏航），則需使用執行器對飛行控制表面施加作用力。這些執行器能否對位置實(shí)現精確測量對于保持正確的飛行路徑非常關(guān)鍵。

　　用于測量執行器位置的傳感器需要滿(mǎn)足三個(gè)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(mǎn)足全部三個(gè)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(chǎn)生的拍頻可能會(huì )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(jīng)配置后（采用短路跳線(xiàn)連接跳線(xiàn)JP1和JP3，并且不連接JP4），可在兩個(gè)LVDT之間形成一個(gè)主振蕩器。 每個(gè)LVDT原邊均以其自身的功率放大器驅動(dòng)，以便在 AD698器件之間共享熱負載。

　　常見(jiàn)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(guò)壓保護以及輸入端和輸出端的軌到軌擺動(dòng)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。