原创 AD698型LVDT信号调理电路的原理与应用

    关键词：线位移差动变压器 信号调理 传感器

    AD698是美国Analog Devices公司生产的单片式线性位移差分变压器（LVDT）信号调理系统。AD698与LVDT配合，能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。AD698具有所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接元源元件来确定激磁频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。

    1 AD698的特点

    （1）AD698提供了用单片电路来调理LVDT信号的完整解决方案，它含有内部晶振和参考电压源，只需附加极少量的无源元件就可实现位置的机械变量到直流电压的转换，并且无需校准。其单极性或双极性直流电压输出正比于LVDT的位移变化。

    （2）AD698能够适用于多个不同类型的LVDT。因为AD698的输入电压、输出电压及频率适应范围都很宽，其电路的优化设计，使得它与任何类型的LVDT配合使用都能获得理想效果。

    （3）驱动LVDT的激磁信号频率为20Hz～20kHz，它取决取于AD698的一个外接电容器。AD698的输出电压有效值达24V，能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈，LVDT的次级输出电压有效值可以低于100mV。

    （4）振荡器的幅值随温度变化不会影响电路的整体性能。AD698采用比率译码方案，即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定LVDT的位置和方向，无需整定。

    （5）只要电源不过载，一个AD698可以串联或并联驱动多个LVDT。其激励输出具有热保护功能。

    （6）在简单的机电伺服回路设计中，可以将AD698作为一个积分环节来处理。

    2 AD698的工作原理

    2．1 AD698与LVDT的连接

    LVDT是一种机械-电子传感器，其输入是磁芯的机械移动，输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号。LVDT由一个初级线圈和二个次级线圈组成，初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，二个次级线圈反向串联。活动磁芯的移动可改变初级线圈之间的耦合磁通，从而产生二个幅值不同的交流电压信号。串联次级线圈的输出电压随着磁芯移离中心位置升高，通过测量输出电压的相位可以判断磁芯移动的方向。AD698与LVDT连接的功能框图如图1所示。

    2．2 AD698的工作原理

    AD698首先驱动LVDT，然后读出LVDT的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。AD698用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT，并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码，***决定了输出电压与输入驱动电压的比率（A/B）。滤波级和放大器可按比较整输出结果。

    振荡器中包含一个多谐振荡器，该多谐振荡器产生一个三角波，并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波，正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。输出频率在20Hz～20kHz可调，输出有效幅值在2V～24V可调。总谐波失真的典型值是50dB。

    AD698通过同步解调输入幅值A（次级线圈侧）和一个固定的参考输入B（初级线圈侧或固定输入）。早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。AD698通过计算LVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响，从而避免了这些错误。AD698不同于AD598型的LVDT信号调理器，因为它实现了一个不同的电路传递函数，并且不要求LVDT次级线圈（A+B）是一个随行程长度而定的常量。

    AD698的输入包括二个独立的同步解调通道A和B。B通道用来监测驱动LVDT的激励信号，A通道的作用与之相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。因为在LVDT处于零位的时候，A通道可能达到0V，所以A通道解调器通常由初级电压（B通道）触发。另外，可能还需要一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，比此来补偿LVDT初级对次级的相位偏移。

    一旦二次通道信号被解调和滤波后，再通过一个除法电路来计算比率A/B，除法器的输出是一个矩波信号。当A/B等于1时，矩形波的占空比为100%。输出放大器测量500μA的参考电流并把它转化成一个电压值。当IREF=500μA时，其传递函数如下：

    VOUT=IREF×A/B×R2

    3 AD698的应用

    AD698单电源供电时的外围电路如图2所示。外部无源元件的参数设置包括激励信号的频率和有效幅值、AD698输入信号的频率和比例因子（V/inch）。另外，还有一些可选择的特性：零位偏移补偿、滤波、信号综合等，这些功能可以通过另外一些外围元器件来实现。外围元器件及其参考大小应适合任何符合AD698输入/输出标准的LVDT，下面就以最为常用的单电源供电方式为例，说明元器件选择及其参数设置的主要步骤。

    （1）选择激励信号频率来决定C1

    C1=35μFHz/fEXCITATION

    (2)依据激励信号VEXC的电压幅值来决定R1

    通常，当VEXC≥24V时，10Ω≤R1≤100Ω；12V≤VEXC≤24V时，0.1kΩ≤R1≤1kΩ；5V≤VEXC≤12V时，1kΩ≤R1≤10kΩ;当0V≤VEXC≤5V时，10kΩ≤R1≤100kΩ。

    （3）C2、C3和C4是AD698位置侧量系统所要求带宽fSUBSYSTEM的函数，原则上，它们的电容值应该相等，即

    C2=C3=C4=10-4FHz/fSUBSYSTEM

    比如，系统要求带宽为250Hz，则C2=C3=C4=10 -4FHz/250Hz=0.4μF

    (4)R2用来设定AD698的增益和满量程时的输出范围，计算R2需要以下相关参数：

    a.LVDT的敏感度S，它的值可以在生产厂家目录手册中查到，单位是V/V/mile，其物理意义是每英寸的位移每伏特的输入对应的电压输出伏特。

    b.LVDT的磁芯从零位到满量程的位移d。

    在S和d确定后，R2的计算公式如下：

    R2=VOUT/（S×d×500μA）

    其中，VOUT是相对于参考信号（引脚21）的输出。

    （5）R3、R4可实现正、负输出电压补偿调节。如果不需要补偿调节，R3、R4应被开路。其阻值可由下述公式推算得出：

    Vos=1.2V×R2×{[1/(R3+2kΩ)-1/(R4+2kΩ)]}

    其中Vos是正或负输出电压补偿值。

    （6）R5+R6≤Vps/100μA

    (7)R5上的压降必须大于2+10kΩ[1.2V/(R4+2kΩ)+250μA+Vout/4R2]V,以此可推算出R5的阻值。再根据第

    （6）条的限制选择一个中间值。

    （8）C5是旁路电容器，其值在0.1μF～1μF之间。