AD698是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器(LVDT)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。AD698與LVDT配合，能夠高精確和高再現(xiàn)性地將LVDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有所有必不可少的電路功能，只要增加幾個(gè)外接元源元件來確定激磁頻率和增益，就能把LVDT的次級輸出信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。
1 AD698的特點(diǎn)
(1)AD698提供了用單片電路來調(diào)理LVDT信號(hào)的完整解決方案，它含有內(nèi)部晶振和參考電壓源，只需附加極少量的無源元件就可實(shí)現(xiàn)位置的機(jī)械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換，并且無需校準(zhǔn)。其單極性或雙極性直流電壓輸出正比于LVDT的位移變化。
(2)AD698能夠適用于多個(gè)不同類型的LVDT。因?yàn)锳D698的輸入電壓、輸出電壓及頻率適應(yīng)范圍都很寬，其電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得它與任何類型的LVDT配合使用都能獲得理想效果。
(3)驅(qū)動(dòng)LVDT的激磁信號(hào)頻率為20Hz～20kHz，它取決取于AD698的一個(gè)外接電容器。AD698的輸出電壓有效值達(dá)24V，能夠直接驅(qū)動(dòng)LVDT的初級激磁線圈，LVDT的次級輸出電壓有效值可以低于100mV。
(4)振蕩器的幅值隨溫度變化不會(huì)影響電路的整體性能。AD698采用比率譯碼方案，即通過計(jì)算次級電壓與初級電壓的比率來確定LVDT的位置和方向，無需整定。
(5)只要電源不過載，一個(gè)AD698可以串聯(lián)或并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LVDT。其激勵(lì)輸出具有熱保護(hù)功能。
(6)在簡單的機(jī)電伺服回路設(shè)計(jì)中，可以將AD698作為一個(gè)積分環(huán)節(jié)來處理。
2 AD698的工作原理
2.1 AD698與LVDT的連接
LVDT是一種機(jī)械-電子傳感器，其輸入是磁芯的機(jī)械移動(dòng)，輸出是與磁芯位置成正比的交流電壓信號(hào)。LVDT由一個(gè)初級線圈和二個(gè)次級線圈組成，初級線圈由外部參考正弦波信號(hào)源激勵(lì)，二個(gè)次級線圈反向串聯(lián)。活動(dòng)磁芯的移動(dòng)可改變初級線圈之間的耦合磁通，從而產(chǎn)生二個(gè)幅值不同的交流電壓信號(hào)。串聯(lián)次級線圈的輸出電壓隨著磁芯移離中心位置升高，通過測量輸出電壓的相位可以判斷磁芯移動(dòng)的方向。AD698與LVDT連接的功能框圖如圖1所示。
2.2 AD698的工作原理
AD698首先驅(qū)動(dòng)LVDT，然后讀出LVDT的輸出電壓并產(chǎn)生一個(gè)與磁芯位置成正比的直流電壓信號(hào)。AD698用一個(gè)正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器來驅(qū)動(dòng)LVDT，并用二個(gè)同步解調(diào)級來對初級和次級電壓進(jìn)行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動(dòng)電壓的比率(A/B)。濾波級和放大器可按比較整輸出結(jié)果。
振蕩器中包含一個(gè)多諧振蕩器，該多諧振蕩器產(chǎn)生一個(gè)三角波，并驅(qū)動(dòng)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)低失真的正弦波，正弦波的頻率和幅值由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器決定。輸出頻率在20Hz～20kHz可調(diào)，輸出有效幅值在2V～24V可調(diào)。總諧波失真的典型值是50dB。
AD698通過同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)(次級線圈側(cè))和一個(gè)固定的參考輸入B(初級線圈側(cè)或固定輸入)。早期解決方案的共同問題是驅(qū)動(dòng)振蕩器幅值的任何漂移都會(huì)直接導(dǎo)致輸出增益的錯(cuò)誤。AD698通過計(jì)算LVDT輸出與輸入激勵(lì)的比率消除了所有的偏移影響，從而避免了這些錯(cuò)誤。AD698不同于AD598型的LVDT信號(hào)調(diào)理器，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了一個(gè)不同的電路傳遞函數(shù)，并且不要求LVDT次級線圈(A+B)是一個(gè)隨行程長度而定的常量。
AD698的輸入包括二個(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅(qū)動(dòng)LVDT的激勵(lì)信號(hào)，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨(dú)引出來的。因?yàn)樵贚VDT處于零位的時(shí)候，A通道可能達(dá)到0V，所以A通道解調(diào)器通常由初級電壓(B通道)觸發(fā)。另外，可能還需要一個(gè)相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)給A通道增加一個(gè)相位超前或滯后量，比此來補(bǔ)償LVDT初級對次級的相位偏移。
一旦二次通道信號(hào)被解調(diào)和濾波后，再通過一個(gè)除法電路來計(jì)算比率A/B，除法器的輸出是一個(gè)矩波信號(hào)。當(dāng)A/B等于1時(shí)，矩形波的占空比為100%。輸出放大器測量500μA的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)電壓值。當(dāng)IREF=500μA時(shí)，其傳遞函數(shù)如下：
VOUT=IREF%26;#215;A/B%26;#215;R2
3 AD698的應(yīng)用
AD698單電源供電時(shí)的外圍電路如圖2所示。外部無源元件的參數(shù)設(shè)置包括激勵(lì)信號(hào)的頻率和有效幅值、AD698輸入信號(hào)的頻率和比例因子(V/inch)。另外，還有一些可選擇的特性：零位偏移補(bǔ)償、濾波、信號(hào)綜合等，這些功能可以通過另外一些外圍元器件來實(shí)現(xiàn)。外圍元器件及其參考大小應(yīng)適合任何符合AD698輸入/輸出標(biāo)準(zhǔn)的LVDT，下面就以最為常用的單電源供電方式為例，說明元器件選擇及其參數(shù)設(shè)置的主要步驟。
(1)選擇激勵(lì)信號(hào)頻率來決定C1
C1=35μFHz/fEXCITATION
(2)依據(jù)激勵(lì)信號(hào)VEXC的電壓幅值來決定R1
通常，當(dāng)VEXC≥24V時(shí)，10Ω≤R1≤100Ω;12V≤VEXC≤24V時(shí)，0.1kΩ≤R1≤1kΩ;5V≤VEXC≤12V時(shí)，1kΩ≤R1≤10kΩ;當(dāng)0V≤VEXC≤5V時(shí)，10kΩ≤R1≤100kΩ。
(3)C2、C3和C4是AD698位置側(cè)量系統(tǒng)所要求帶寬fSUBSYSTEM的函數(shù)，原則上，它們的電容值應(yīng)該相等，即
C2=C3=C4=10-4FHz/fSUBSYSTEM
比如，系統(tǒng)要求帶寬為250Hz，則C2=C3=C4=10 -4FHz/250Hz=0.4μF
(4)R2用來設(shè)定AD698的增益和滿量程時(shí)的輸出范圍，計(jì)算R2需要以下相關(guān)參數(shù)：
a.LVDT的敏感度S，它的值可以在生產(chǎn)廠家目錄手冊中查到，單位是V/V/mile，其物理意義是每英寸的位移每伏特的輸入對應(yīng)的電壓輸出伏特。
b.LVDT的磁芯從零位到滿量程的位移d。
在S和d確定后，R2的計(jì)算公式如下：
R2=VOUT/(S%26;#215;d%26;#215;500μA)
其中，VOUT是相對于參考信號(hào)(引腳21)的輸出。
(5)R3、R4可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)輸出電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)。如果不需要補(bǔ)償調(diào)節(jié)，R3、R4應(yīng)被開路。其阻值可由下述公式推算得出：
Vos=1.2V%26;#215;R2%26;#215;{[1/(R3+2kΩ)-1/(R4+2kΩ)]}
其中Vos是正或負(fù)輸出電壓補(bǔ)償值。
(6)R5+R6≤Vps/100μA
(7)R5上的壓降必須大于2+10kΩ[1.2V/(R4+2kΩ)+250μA+Vout/4R2]V,以此可推算出R5的阻值。再根據(jù)第(6)條的限制選擇一個(gè)中間值。
(8)C5是旁路電容器，其值在0.1μF～1μF之間。
