PSoC微控制器与LVDT在位置测量中的应用

廉价的复合信号处理器消除了外部模拟电路。

将一个LVDT(线性可变差分变压器)连接到微控制器是有挑战性的工作，因为LVDT需要交流输入激励和交流输出的测量，以确定其可移动核的位置(参考文献1)。多数微控制器都缺乏专用交流信号生成与处理能力，因此需要外部电路产生任意谐波、波幅与稳定频率的正弦波信号。LVDT输出信号的波幅与相位转换成与微控制器内部ADC兼容的形式，一般需要添加外部电路。

与传统微控制器相比，Cypress半导体公司的PSoC微控制器含有用户可配置的逻辑和模拟模块，简化交流信号的生成与测量。PSoC器件具有无需连续CPU的干预就能生成模拟信号的独特功能。PSoC灵活的模拟与数字模块可以驱动一支LVDT，并无需外部电路就可以测量其输出。图1显示的是LVDT接口的完整电路，图2显示的是PSoC微控制器的内部电路框图。

图1 LVDT接口的完整电路

图2 PSoC微控制器的内部电路框图

PSoC采用多对用户可配置的开关电容器模块，实现带通和低通滤波器。通过生成方波，并通过建立在首个开关电容器模块中的稳压器，加在PSoC开关电容滤波器上，从而创建高质量正弦波。通过一个中心位于方波基频的窄带带通滤波器，方波可以去除绝大多数谐波。

为从PSoC开关电容带通滤波器产生最高保真度的正弦波，要使用尽可能高的过采样速率，因数约为33，即每个正弦波周期33阶。合成的正弦波足够平滑到足以驱动能衰减残余更高谐波的LVDT。用可编程增益放大器调整PSoC的内部电压基准，可以在滤波前对方波幅度作粗略的控制。为补偿波形直流偏置电压，放大器对2.6V内部模拟地基准进行缓冲，并驱动用作LVDT模拟地回路的输出管脚。

LVDT输出由幅度可变的正弦波电压组成，其相对于正弦波激励电压的相位角要经受一个相当大的可变移位，有时相移会超过180。LVDT的信号驱动PSoC的可编程增益放大器，其输出送至开关电容低通滤波器，跟随一个用于同步整流的稳压器。整流后的信号驱动一输出管脚，以及PSoC的开关电容ADC。

将LVDT输出加在同步稳压器上，跟随一个低通滤波器，产生直流电压送至ADC或直接驱动模拟反馈控制系统。在PSoC微控制器中，连接到ADC的低通开关电容滤波器需要相同的采样时钟驱动这两个电路，导致PsoC的11位Δ-S ADC的转换速率大约是低通滤波器角频率的一半。同步稳压产生两倍激励频率纹波频率，因此更容易被低通滤波器去除。将、重新设计低通滤波器的角频率为激励频率的三分之一，就可以在等于或低于1 LSB(最低有效位)标准差下，使LVDT输出的测量达到11位分辨率。

用配置为计数器链的逻辑电路块将PsoC的24MHz内部系统时钟分频，产生开关电容器模拟电路模块所需的数字时钟信号。在加电或复位后，PSoC的CPU配置所有可配置的模拟和数字电路模块，并开始运行。从那以后，硬件便能够激励LVDT，并无需CPU参与的情况下，以每秒500次采样速率测量其输出。当PSoC CPU运行在12MHz时，处理ADC内部动作和中断只消耗CPU不到3%的资源。

大量PSoC资源仍可用于计算LVDT位置，以及在LCD模块上以文本形式显示结果。四个模拟电路模块、五个逻辑电路模块和很多I/O管脚都可用于支持更高要求的应用。图3显示了可用于附加功能的可配置模块。

图3 可用于附加功能的可配置模块