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AD698 LVDT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(jīng)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茧妷海ǔ跫?、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)500μA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。