通用LVDT信号调理电路

电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的无需调节线性可变差分变压器 (LVDT)信号调理电路。该电路可精确测量线性位移(位 置)。

LVDT是高度可靠的传感器，因为其磁芯能够无摩擦滑 动，并且与管内部无接触。因此，LVDT适合用于飞行控 制反馈系统、伺服系统中的位置反馈、机床中的自动测量 以及其他各种注重长期稳定性的工业和科研机电应用中。

本电路采用 AD698LVDT信号调理器，包含一个正弦波振荡 器和一个功率放大器，用于产生驱动原边LVDT的激励信 号。 AD698还可将副边输出转换为直流电压。AD8615轨到 轨放大器缓冲 AD698的输出，并驱动低功耗12位逐次逼近型 模数转换器(ADC)。系统动态范围为82 dB，带宽为250 Hz， 非常适合精密工业位置和计量应用。

采用±15 V电源供电时，系统的信号调理电路功耗仅为15 mA; 采用+5 V电源供电时，功耗为3 mA。

本电路笔记讨论LVDT基本操作理论和设计步骤，用于优 化图1中带宽给定的电路，包括噪声分析和器件选型方面 的考虑。

图1. 通用LVDT信号调理电路(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

电路描述

工作原理

LVDT是绝对位移传感器，可将线性位移或位置从机械参 考点(或零点)转换为包含相位(方向)和幅度(距离)信息的比 例电信号。移动部件(探头或磁芯杆组件)与变压器之间无 需电气接触即可完成LVDT操作。它依赖电磁耦合。由于 这个原因，再加上它不采用内置电子电路即可工作， LVDT被广泛用于某些环境下需要具备较长使用寿命和较 高可靠性的应用，如军事和航空航天应用。

就本电路而言，采用Measurement Specialties™，Inc.的E-100 经济型LVDT传感器系列，与 AD698搭配使用。E系列在整 个范围内的线性度为±0.5%，适合大多数应用在适中的工 作温度环境下使用。

AD698是一款完整的LVDT信号调理子系统。它能够以较 高精度和可重复性将LVDT传感器机械位置转换为单极性 直流电压。所有电路功能均集成于片内。只要增加几个外 部无源元件以设置频率和增益， AD698就能将原始LVDT 副边输出转换为一个比例直流信号。

AD698内置一个低失真正弦波振荡器，用来驱动LVDT原边。 正弦波频率由单个电容决定，频率范围为20 Hz至20 kHz， 幅度范围为2 V RMS至24 V RMS。

LVDT副边输出由两个正弦波组成，用来直接驱动 AD698。 AD698通过同步解调幅度调制输入(次级，A)和固 定输入参考电压(初级、次级求和或固定输入，B)解码 LVDT。之前解决方案的一个常见问题是驱动振荡器幅度 的任何漂移都直接导致输出的增益误差。 AD698计算 LVDT输出与其输入激励的比值，抵消任何漂移的影响， 从而消除了这些误差。该器件与AD598 LVDT信号调理器不 同，它具有不同的电路传递函数，且无需LVDT次级端求 和(A + B)与冲程长度保持一致。

AD698的框图见图2。输入由两个独立的同步解调通道组 成。B通道监控LVDT的驱动激励。C2对全波整流输出进行 过滤，然后将其发给运算电路。除外部提供比较器引脚 外，通道A性能完全相同。由于LVDT为空时A通道可能达 到0 V输出，因此通常使用初级端电压(B通道)触发A通道的 解调器。此外，可能需要相位补偿网络，以便向A通道增 加相位超前或滞后，补偿LVDT初级端到次级端的相移。 对于半桥电路而言，相移并不重要，且A通道电压足以触 发解调器。

图2. AD698框图

两个通道都完成解调及滤波后，使用一个配备了占空比乘 法器的分压电路计算A/B的比值。分压器的输出就是占空 比。若A/B等于1，则占空比为100%。(若需要脉冲宽度调 制输出，可使用该信号)。占空比驱动电路，调制并过滤与 占空比成正比的基准电流。输出放大器调节500 μA基准电 流，将其转换为电压。输出传递函数为：

器件选择

遵循 AD698数据手册中的双电源操作(±15 V)设计程序，将 激励频率设为2.5 kHz、系统带宽设为250 Hz、输出电压范 围设为0 V至5 V。

AD698内部振荡器通常可产生少量纹波，会传递到输出 端。使用无源低通滤波器降低该纹波至要求的水平。

选择电容值以设置系统带宽时，需要作出某些权衡。选择 较小的电容值将使系统具有较高的带宽，但会增加输出电 压纹波。该纹波可通过增加反馈电阻两端的并联电容值得 以抑制(反馈电阻用于设置输出电压电平)，但这样做会增 加相位滞后。

AD8615运算放大器缓冲 AD698的输出，而AD698可确保以 低阻抗源驱动 AD7992ADC(高阻抗源会极大地降低ADC的 交流性能)。

低通滤波器位于 AD698的输出和 AD8615的输入之间，起到 两个作用：

限制 AD8615的输入电流。

过滤输出电压纹波。

AD8615的内部保护电路使输入端得以承受高于电源电压的 输入电压。这很重要，因为 AD698的输出电压能够在±15 V 的电源下摆动±11 V。只要输入电流限制在5 mA以内，输入 端便可施加更高的电压。这主要是因为 AD8615 (1 pA)具有 极低的输入偏置电流，因此可使用更大的电阻。使用这些 电阻会增加热噪声，导致放大器总输出电压噪声增加。

AD8615是用于缓冲并驱动12位SAR ADC AD7992输入的理 想放大器，因为它具有输入过压保护，并且具备输入端和 输出端轨到轨摆动能力。

噪声分析

若所有信号调理器件已选定，则必须确定转换信号所需的 分辨率。如同大多数的噪声分析一样，只需考虑几个关键 参数。噪声源以RSS方式叠加;因此，只需考虑至少高于 其它噪声源三至四倍的任何单个噪声源即可。

对于LVDT信号调理电路而言，输出噪声的主要来源是 AD698的输出纹波。相比之下，其他噪声源( AD8615) 的电 阻噪声、输入电压噪声和输出电压噪声)要小得多。

当电容值为0.39 μF且反馈电阻两端的并联电容为10 nF(如图 3所示)时， AD698的输出电压纹波为0.4 mV rms。请注意， 图1中的简化原理图并未显示这些器件以及相关的引脚连 接;但详情可参见 AD698数据手册。

AD7992作为此应用的良好备用器件，与3.4 MHz串行时钟配 合使用时，具有12位分辨率和每通道188 kSPS的采样速率。

相位滞后/超前补偿

AD698将返回信号与初级端参考振荡器的输入相乘，并通 过解调产生输出信号。少量的相移就会导致大量的线性误 差，对输出而言就是欠冲。

相位超前网络可补偿E-100系列LVDT中初级到次级的−3°相 移。图4显示了两种不同的相位补偿网络。

为合适的网络选取元件值时，重要的是需注意RS 和R T 有效 地构成了一个电阻分压器，在激励信号达到 AD698的 ±ACOMP输入之前降低其幅度。这表示R T 需比RS 大得多。 滞后/超前电路还给激励输出增加负载，因此建议采用较大 的电阻值。最终目标是以较小的幅度下降，在 AD698ACOMP输入端达到所需的相位滞后/超前。

根据下列等式可算出相位滞后/超前的量：

测试结果

使用连接J3的Measurement Specialties，Inc. E-100经济型LVDT， 并通过数字示波器监控 EVAL-CN0301-SDPZ评估板上 AD698J6的输出，则实际输出纹波为6.6 mV p-p，如图5所示。

AD698输出和 AD8615输入之间的低通滤波器(3 kΩ、0.01 μF) −3 dB带宽为5.3 kHz，并可将纹波降低至2 mV p-p。

由于低通滤波器位于 AD698输出级和 AD8615输入级之间，数据便可从 EVAL-CN0301-SDPZ评估板收集，如图6所示。

AD698的纹波衰减至2 mV p-p，并且系统可获得11位无噪声 代码分辨率。

有关本电路笔记的完整设计支持包，请参阅 http://www.analog.com/CN0301-DesignSupport。

飞行控制表面位置反馈中的应用

在美国，无人驾驶飞行器(UAV)，或称无人驾驶飞机，正 在国家安全方面扮演着越来越重要的角色。这些高科技、 复杂的高空作业平台受控于数英里外的人员，并且支持多 任务。它们含有诸如空中侦察、作战武器平台、战场战区 指挥和控制监督或无人空中加油站等功能。

UAV上这种复杂的系统采用无数电子传感器，用于精确控制 和反馈。若要控制UAV的高度(俯仰、滚动和偏航)，则需 使用执行器对飞行控制表面施加作用力。这些执行器能否 对位置实现精确测量对于保持正确的飞行路径非常关键。

用于测量执行器位置的传感器需要满足三个基本标准：精 度高、可靠性高和重量轻。由Measurement Specialties，Inc. 公司设计的LVDT可满足全部三个属性。

多LVDT同步工作

在许多应用中，将大量LVDT近距离使用，如多计数测 量。若这些LVDT以相似的载波频率运行，杂散磁耦合可 能导致拍频。产生的拍频可能会影响这些条件下的测量精 度。为避免这种情况，所有LVDT均同步工作。

EVAL-CN0301-SDPZ 评估板经配置后(采用短路跳线连接跳 线JP1和JP3，并且不连接JP4)，可在两个LVDT之间形成一 个主振荡器。 每个LVDT原边均以其自身的功率放大器驱 动，以便在 AD698器件之间共享热负载。

常见变化

选用的器件针对最大5 V的 AD698单极性输出优化;但也能 用其它组合替换。

其它适用的单电源放大器包括 AD8565 和 AD8601。由于具 有输入过压保护以及输入端和输出端的轨到轨摆动能力， 这些放大器是 AD8615合适的替代品。若需采用双电源工 作，则建议使用 ADA4638-1或 ADA4627-1。

AD7321是一款双通道、双极性输入、12位ADC，支持高 达±10 V的真正双极性模拟输入信号。若AD698输出±10 V双 极性信号，则建议使用 AD7321。

电路评估与测试

本电路使用 EVAL-CN0301-SDPZ电路板和 EVAL-SDP-CB1ZSDP-B系统演示平台控制器板。这两片板具有120引脚的对 接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0301-SDPZ包含待评估电路; EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)与CN-0301评估软件一起使用，可从 EVAL-CN0301-SDPZ获 取数据。

设备要求

需要以下设备：

带USB端口的Windows® XP(32位)、Windows Vista®或 Windows® 7 PC

EVAL-CN0301-SDPZ电路板

EVAL-SDP-CB1ZSDP-B转接板

CN-0301评估软件

EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流电源或同等6 V/1 A台式电源

• Measurement Specialties，Inc.，E-100经济型LVDT (EVALCFTL-LVDT)

开始使用

将CN-0301评估软件放进PC的光盘驱动器，加载评估软 件。打开我的电脑，找到包含评估软件的驱动器。

功能框图

电路框图见图1，完整的电路原理图见EVAL-CN0301- SDPZ-PADSSchematic.pdf文件。PDF文件位于CN-0301设 计支持包中。

设置

将 EVAL-CN0301-SDPZ上的120引脚连接器连接 EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)上的CONA连接器。使用尼龙五金配件， 通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。在断电 情况下，将一个6 V电源连接到电路板上的+6 V和GND引脚。 如果有6 V壁式电源适配器，可将其连接到板上的管式连接 器，代替6 V电源。将 EVAL-SDP-CB1Z附带的USB电缆连接 到PC上的USB端口。此时请勿将该USB电缆连接到 EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB连接器。

测试

为连接到 EVAL-CN0301-SDPZ的6 V电源(或壁式电源适配器) 通电。启动评估软件，并通过USB电缆将PC连接到 EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB连接器。

一旦USB通信建立，EVAL-SDP-CB1Z就可用来发送、接 收、采集来自 EVAL-CN0301-SDPZ的并行数据。

图8显示 EVAL-CN0301-SDPZ连接 EVAL-SDP-CB1Z的照片。有关 EVAL-SDP-CB1Z的信息，请参阅 UG-277用户指南。

有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的 详细信息，请参阅CN-0301软件用户指南。

针对原型开发的连接

EVAL-CN0301-SDPZ针对 EVAL-SDP-CB1Z; 而设计;但任意 微处理器均可与 AD7992的I2C双线式串行接口实现连接。 为使另一个控制器能与 EVAL-CN0301-SDPZ一同使用，第 三方必须开发相应的软件。

目前已有一些转接板能实现与Altera或Xilinx现场可编程门 阵列(FPGAs)的接口。利用Nios驱动器，Altera的BeMicro SDK板能配合BeMicro SDK/SDP转接板一同使用。任何集 成FMC连接器的Xilinx评估板均可与FMC-SDP转接板一同 使用。

EVAL-CN0301-SDPZ 还兼容Digilent、Imod接口规格。

系统照片如图8所示。