電路功能與優(yōu)勢(shì)
圖1所示電路是一款完整的無需調(diào)節(jié)線性可變差分變壓器 (LVDT)信號(hào)調(diào)理電路。該電路可精確測(cè)量線性位移(位 置)。
LVDT是高度可靠的傳感器，因?yàn)槠浯判灸軌驘o摩擦滑 動(dòng)，并且與管內(nèi)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(jī)床中的自動(dòng)測(cè)量 以及其他各種注重長期穩(wěn)定性的工業(yè)和科研機(jī)電應(yīng)用中。
本電路采用 AD698LVDT信號(hào)調(diào)理器，包含一個(gè)正弦波振蕩 器和一個(gè)功率放大器，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)原邊LVDT的激勵(lì)信 號(hào)。 AD698還可將副邊輸出轉(zhuǎn)換為直流電壓。AD8615軌到 軌放大器緩沖 AD698的輸出，并驅(qū)動(dòng)低功耗12位逐次逼近型 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。系統(tǒng)動(dòng)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(jì)量應(yīng)用。
采用±15 V電源供電時(shí)，系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路功耗僅為15 mA; 采用+5 V電源供電時(shí)，功耗為3 mA。
本電路筆記討論LVDT基本操作理論和設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)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(duì)位移傳感器，可將線性位移或位置從機(jī)械參 考點(diǎn)(或零點(diǎn))轉(zhuǎn)換為包含相位(方向)和幅度(距離)信息的比 例電信號(hào)。移動(dòng)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(gè)原因，再加上它不采用內(nèi)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(yīng)用，如軍事和航空航天應(yīng)用。
就本電路而言，采用Measurement Specialties?，Inc.的E-100 經(jīng)濟(jì)型LVDT傳感器系列，與 AD698搭配使用。E系列在整 個(gè)范圍內(nèi)的線性度為±0.5%，適合大多數(shù)應(yīng)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(hào)調(diào)理子系統(tǒng)。它能夠以較 高精度和可重復(fù)性將LVDT傳感器機(jī)械位置轉(zhuǎn)換為單極性 直流電壓。所有電路功能均集成于片內(nèi)。只要增加幾個(gè)外 部無源元件以設(shè)置頻率和增益， AD698就能將原始LVDT 副邊輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)比例直流信號(hào)。
AD698內(nèi)置一個(gè)低失真正弦波振蕩器，用來驅(qū)動(dòng)LVDT原邊。 正弦波頻率由單個(gè)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(gè)正弦波組成，用來直接驅(qū)動(dòng) AD698。 AD698通過同步解調(diào)幅度調(diào)制輸入(次級(jí)，A)和固 定輸入?yún)⒖茧妷?初級(jí)、次級(jí)求和或固定輸入，B)解碼 LVDT。之前解決方案的一個(gè)常見問題是驅(qū)動(dòng)振蕩器幅度 的任何漂移都直接導(dǎo)致輸出的增益誤差。 AD698計(jì)算 LVDT輸出與其輸入激勵(lì)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(hào)調(diào)理器不 同，它具有不同的電路傳遞函數(shù)，且無需LVDT次級(jí)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(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道組 成。B通道監(jiān)控LVDT的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)。C2對(duì)全波整流輸出進(jìn)行 過濾，然后將其發(fā)給運(yùn)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(shí)A通道可能達(dá) 到0 V輸出，因此通常使用初級(jí)端電壓(B通道)觸發(fā)A通道的 解調(diào)器。此外，可能需要相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以便向A通道增 加相位超前或滯后，補(bǔ)償LVDT初級(jí)端到次級(jí)端的相移。 對(duì)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(diào)器。
圖2. AD698框圖
兩個(gè)通道都完成解調(diào)及濾波后，使用一個(gè)配備了占空比乘 法器的分壓電路計(jì)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(diào) 制輸出，可使用該信號(hào))。占空比驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)制并過濾與 占空比成正比的基準(zhǔn)電流。輸出放大器調(diào)節(jié)500 μA基準(zhǔn)電 流，將其轉(zhuǎn)換為電壓。輸出傳遞函數(shù)為：
