用于位置測量的PSoC微控制器與LVDT

　　將一個(gè)LVDT(線(xiàn)性可變差分變壓器)連接到微控制器是有挑戰性的工作，因為LVDT需要交流輸入激勵和交流輸出的測量，以確定其可移動(dòng)核的位置(參考文獻1)。多數微控制器都缺乏專(zhuān)用交流信號生成與處理能力，因此需要外部電路產(chǎn)生任意諧波、波幅與穩定頻率的正弦波信號。LVDT輸出信號的波幅與相位轉換成與微控制器內部ADC兼容的形式，一般需要添加外部電路。

　　與傳統微控制器相比，Cypress半導體公司的PSoC微控制器含有用戶(hù)可配置的邏輯和模擬模塊，簡(jiǎn)化交流信號的生成與測量。PSoC器件具有無(wú)需連續CPU的干預就能生成模擬信號的獨特功能。PSoC靈活的模擬與數字模塊可以驅動(dòng)一支LVDT，并無(wú)需外部電路就可以測量其輸出。圖1顯示的是LVDT接口的完整電路，圖2顯示的是PSoC微控制器的內部電路框圖。

圖1 LVDT接口的完整電路

圖2 PSoC微控制器的內部電路框圖

　　PSoC采用多對用戶(hù)可配置的開(kāi)關(guān)電容器模塊，實(shí)現帶通和低通濾波器。通過(guò)生成方波，并通過(guò)建立在首個(gè)開(kāi)關(guān)電容器模塊中的穩壓器，加在PSoC開(kāi)關(guān)電容濾波器上，從而創(chuàng )建

　　為從PSoC開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器產(chǎn)生最高保真度的正弦波，要使用盡可能高的過(guò)采樣速率，因數約為33，即每個(gè)正弦波周期33階。合成的正弦波足夠平滑到足以驅動(dòng)能衰減殘余更高諧波的LVDT。用可編程增益放大器調整PSoC的內部電壓基準，可以在濾波前對方波幅度作粗略的控制。為補償波形直流偏置電壓，放大器對2.6V內部模擬地基準進(jìn)行緩沖，并驅動(dòng)用作LVDT模擬地回路的輸出管腳。

　　LVDT輸出由幅度可變的正弦波電壓組成，其相對于正弦波激勵電壓的相位角要經(jīng)受一個(gè)相當大的可變移位，有時(shí)相移會(huì )超過(guò)180。LVDT的信號驅動(dòng)PSoC的可編程增益放大器，其輸出送至開(kāi)關(guān)電容低通濾波器，跟隨一個(gè)用于同步整流的穩壓器。整流后的信號驅動(dòng)一輸出管腳，以及PSoC的開(kāi)關(guān)電容ADC。

　　將LVDT輸出加在同步穩壓器上，跟隨一個(gè)低通濾波器，產(chǎn)生直流電壓送至ADC或直接驅動(dòng)模擬反饋控制系統。在PSoC微控制器中，連接到ADC的低通開(kāi)關(guān)電容濾波器需要相同的采樣時(shí)鐘驅動(dòng)這兩個(gè)電路，導致PsoC的11位Δ-S ADC的轉換速率大約是低通濾波器角頻率的一半。同步穩壓產(chǎn)生兩倍激勵頻率紋波頻率，因此更容易被低通濾波器去除。將、重新設計低通濾波器的角頻率為激勵頻率的三分之一，就可以在等于或低于1 LSB（最低有效位）標準差下，使LVDT輸出的測量達到11位分辨率。

　　用配置為計數器鏈的邏輯電路塊將PsoC的24MHz內部系統時(shí)鐘分頻，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電容器模擬電路模塊所需的數字時(shí)鐘信號。在加電或復位后，PSoC的CPU配置所有可配置的模擬和數字電路模塊，并開(kāi)始運行。從那以后，硬件便能夠激勵LVDT，并無(wú)需CPU參與的情況下，以每秒500次采樣速率測量其輸出。當PSoC CPU運行在12MHz時(shí)，處理ADC內部動(dòng)作和中斷只消耗CPU不到3%的資源。

　　大量PSoC資源仍可用于計算LVDT位置，以及在LCD模塊上以文本形式顯示結果。四個(gè)模擬電路模塊、五個(gè)邏輯電路模塊和很多I/O管腳都可用于支持更高要求的應用。圖3顯示了可用于附加功能的可配置模塊。

圖3 可用于附加功能的可配置模塊

　　參考文獻：

　　1、"Linear variable differential transformer，" Wikipedia