ADI 發表於 2013-11-25 11:58:41
電路功能與優勢
圖1所示電路是一款完整的無需調節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，並且與管內部無接觸。因此，LVDT適合用於飛行控制反饋系統、伺服系統中的位置反饋、工具機中的自動測量以及其他各種注重長期穩定性的工業和科研機電應用中。
本電路採用 AD698LVDT信號調理器，包含一個正弦波振蕩器和一個功率放大器，用於產生驅動原邊LVDT的激勵信號。 AD698還可將副邊輸出轉換為直流電壓。 AD8615軌到軌放大器緩衝 AD698的輸出，並驅動低功耗12位逐次逼近型模數轉換器（ADC）。系統動態範圍為82 dB，帶寬為250 Hz，非常適合精密工業位置和計量應用。
採用±15 V電源供電時，系統的信號調理電路功耗僅為15 mA；採用+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，用於優化圖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（探頭或磁芯杆組件）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。由於這個原因，再加上它不採用內置電子電路即可工作， LVDT被廣泛用於某些環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，採用Measurement Specialties™，Inc.的E-100 經濟型LVDT傳感器系列，與 AD698搭配使用。E系列在整個範圍內的線性度為±0.5%，適合大多數應用在適中的工作溫度環境下使用。
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複性將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於片內。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，頻率範圍為20 Hz至20 kHz，幅度範圍為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製輸入（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，且無需LVDT次級端求和（A + B）與衝程長度保持一致。
AD698的框圖見圖2。輸入由兩個獨立的同步解調通道組成。B通道監控LVDT的驅動激勵。C2對全波整流輸出進行過濾，然後將其發給運算電路。除外部提供比較器引腳外，通道A性能完全相同。由於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A通道的解調器。此外，可能需要相位補償網絡，以便向A通道增加相位超前或滯後，補償LVDT初級端到次級端的相移。對於半橋電路而言，相移並不重要，且A通道電壓足以觸發解調器。
圖2. AD698框圖
兩個通道都完成解調及濾波後，使用一個配備了佔空比乘法器的分壓電路計算A/B的比值。分壓器的輸出就是佔空比。若A/B等於1，則佔空比為100%。（若需要脈衝寬度調製輸出，可使用該信號）。佔空比驅動電路，調製並過濾與佔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、輸出電壓範圍設為0 V至5 V。
AD698內部振蕩器通常可產生少量紋波，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帶寬時，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，但會增加輸出電壓紋波。該紋波可通過增加反饋電阻兩端的並聯電容值得以抑制（反饋電阻用於設置輸出電壓電平），但這樣做會增加相位滯後。
AD8615運算放大器緩衝 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）。
低通濾波器位於 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於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是用於緩衝並驅動12位SAR ADC AD7992輸入的理想放大器，因為它具有輸入過壓保護，並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解析度。如同大多數的噪聲分析一樣，只需考慮幾個關鍵參數。噪聲源以RSS方式疊加；因此，只需考慮至少高於其它噪聲源三至四倍的任何單個噪聲源即可。
對於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且反饋電阻兩端的並聯電容為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中的簡化原理圖並未顯示這些器件以及相關的引腳連接；但詳情可參見 AD698數據手冊。
圖3. 輸出電壓紋波與濾波器電容的關係
能夠解析出來的最大rms數現在可通過將滿量程輸出除以總系統rms噪聲計算得到。
有效解析度可通過以2為底數，對總rms數求對數而獲得。
從有效解析度中減去2.7位，即可得到無噪聲碼解析度：
無噪聲碼解析度= 有效解析度 − 2.7位
系統的總輸出動態範圍可這樣計算：將滿量程輸出信號（5 V） 除以總輸出均方根噪聲（0.4 mV rms），然後轉化為dB，其結果約等於82 dB。
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位解析度和每通道188 kSPS的採樣速率。
相位滯後/超前補償
AD698將返回信號與初級端參考振蕩器的輸入相乘，並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，對輸出而言就是欠衝。
相位超前網絡可補償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絡。
圖4. 相位滯後/超前網絡
為合適的網絡選取元件值時，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。滯後/超前電路還給激勵輸出增加負載，因此建議採用較大的電阻值。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後/超前。
根據下列等式可算出相位滯後/超前的量：
測試結果
使用連接J3的Measurement Specialties，Inc. E-100經濟型LVDT，並通過數字示波器監控 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。
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，並可將紋波降低至2 mV p-p。
由於低通濾波器位於 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評估軟體屏幕截圖
AD698的紋波衰減至2 mV p-p，並且系統可獲得11位無噪聲代碼解析度。
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、複雜的高空作業平臺受控於數英裡外的人員，並且支持多任務。它們含有諸如空中偵察、作戰武器平臺、戰場戰區指揮和控制監督或無人空中加油站等功能。
UAV上這種複雜的系統採用無數電子傳感器，用於精確控制和反饋。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現精確測量對於保持正確的飛行路徑非常關鍵。
用於測量執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 評估板經配置後（採用短路跳線連接跳線JP1和JP3，並且不連接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。由於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。若需採用雙電源工作，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。
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