AD698 PDF 翻译.doc

_产品描述： AD698是单片式线性位移差分变压器（LVDT）信号调理系统。AD698与LVDT配合，能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。AD698具有所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接元源元件来确定激磁频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。该器件能够操作半桥式LVDT,有反向线圈连接配置的LVDT(4线LVDT)，和RVDT。AD698包含了一个用于驱动LVDT初级线圈的低失真的正弦波振荡器。AD698的两个同步解调通道用于检测LVDT的初级和次级电压振幅。该部分根据初级的电压振幅乘以一个比率因子来分离次级的输出。这样就消除了由于给初级线圈偶然而来的激励而造成的比例因子的错误，提高了温度性能和稳定性。 AD698使用独特的比例架构消除了与传统LVDT接口相关的几个缺点。新电路的优点是：不需要解调；提高了温度稳定性；提高了传感器的互换性。 AD698有两个性能等级可用：等级 温度范围 封装AD698AP 40C to +85C 28-Pin PLCCAD698SQ 55C to +125C 24-Pin Cerdip产品亮点：1. AD698对LVDT信号调理问题提供了单片解决方案。所有有源电路都在片上，只需附加极少量的无源元件就可实现位置的机械变量到直流电压的转换。2. AD698能够用于许多不同种类的位置传感器，该电路被优化用于任何LVDT，包括半桥LVDT，反向线圈配置(四线式)的LVDT。AD698能够适应宽泛的输入和输出电压和频率。3. 20Hz到20kHz激励频率由一个外部电容来确定。AD698提供高达24Vrms的差异驱动LVDT的初级线圈注意： 1.A 和 B代表检测到的正弦波VA和VB的平均偏差（MAD）。VOUT的极性受一个比较器的符号的影响。例如：VOUT +1 得到 ACOMP+ ACOMP, 如果 VOUT 1 便有ACOMP ACOMP+ 。操作原理：AD698 的模块原理图和一个LVDT(线性可变差动变压器)连接到其输入端的原理图如图5所示。LVDT 是一种机械-电子传感器，其输入是磁芯的机械移动，输出是与磁芯位置成正比的交流电压信号。两种比较常用类型的LVDT是半桥类型的LVDT 和有反向线圈连接配置的LVDT(4线LVDT)。两种类型的LVDT都是 一个铁芯在线圈中移动。有反向线圈连接配置的LVDT由一个初级线圈和两个反向串联的次级线圈组成，初级线圈被一个外部正弦参考源驱动。经过串联的次级输出电压会随着磁芯从中心位置的移动而变化。移动的方向可以通过测量输出的相位来探测到。半桥式LVDT有一个有中心抽头的一对一线圈其工作原理类似自耦线圈。激励电压施加于整个线圈，中心抽头的电压与位置成正比。该设备的行为类似于电阻分压器。图5 功能框图AD698 给LVDT线圈一个激励信号，然后检测LVDT的输出电压，并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压。AD698有一个正弦波振荡器和一个功率放大器来驱动LVDT。两个同步解调器可以同时解码初级和次级线圈电压信号。A解码器决定了输出信号电压到输入信号电压的比率（A/B）。滤波等级和输出放大用于输出结果的比例调节。振荡器中包含一个多谐振荡器，该多谐振荡器产生一个三角波，并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波，正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。输出频率在20Hz20kHz 可调，输出有效幅值在2V24V 可调。总谐波失真的典型值是50dB。AD698 通过同步解调输入幅值A（次级线圈侧）和一个固定的参考输入B（初级线圈侧或固定输入）。早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。AD698 通过计算LVDT 输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响，从而避免了这些错误。AD698 不同于AD598 型的LVDT 信号调理器，因为它实现了一个不同的电路传递函数，并且不要求LVDT 次级线圈（A+B）是一个随行程长度而定的常量。AD698的原理图如下所示。其输入由两个独立的同步解调通道组成。设计B通道是用于监视LVDT的驱动激励。全波整流电路经过C2滤波之后送入计算电路。，A 通道的作用与B通道相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。因为在LVDT 处于零位的时候，A 通道可能达到0V，所以A 通道解调器通常由初级电压（B 通道）触发。另外，可能还需要一个相位补偿网络给A 通道增加一个相位超前或滞后量，以此来补偿LVDT 初级对次级的相位偏移。对于半桥电路相移是不重要的，因为A通道的电压足够大可以驱动解调器。图6 AD698原理图-B CHANNEL B通道A CHANNEL A通道DEMODULATOR 解调器 FILTER滤波器DUTY CYCLE DIVIDER占空比分配器-一旦二个通道信号被解调和滤波后，再通过一个除法电路（用于实现占空比乘法器）来计算比率A/B，除法器的输出是一个矩波信号。当A/B 等于1 时，矩形波的占空比为100%。（如果需要一个脉宽调制输出可以使用这个信号）。占空比驱动一个调制电路和滤波器即与占空比成比例的参考电流源。输出放大器测量500A 的参考电流并把它转化成一个电压值。当IREF=500A 时，其传递函数如下：VOUT = IREF A/B R2，当IREF = 500 UaAD698的连接电路在单电源或双电源电路中AD698可以方便的连接，如下图7，图8，图13所示。下面的几个设计例程展示了对于任何LVDT该如何选择外部元器件的值来满足AD698的输入/输出标准。对于A通道和B通道的连接来说，A通道的比较器取决于使用的是哪种类型的传感器。一般遵循以下设计准则：外部无源器件的参数设置包括：激励频率和振幅；AD698的输入信号频率；比例因子（V/inch）。除此之外还有一些可选特性：零点偏移调整，滤波和信号集成可以通过增加外部元器件来完成。图7 双电源操作，半桥LVDT接线图设计程序 双电源操作图7展示了半桥式LVDT的接线方法。图8展示了3线和4线LVDT接线方法，两种方法都使用的是15V电源A. 决定振荡器频率频率通常由系统所需带宽来决定。然而在一些系统中频率要根据LVDT手册建议的零相位频率来设定。在这种情况下跳过步骤4.1. 决定LVDT位移测量系统所需要的机械带宽，fSUBSYSTEM.。对于这个例子假设 fSUBSYSTEM = 250Hz。2. 选择LVDT最小的激励频率，大概为10 fSUBSYSTEM 。因此，激励频率 = 2.5k Hz 。3. 选择一个工作激励频率在2.5kHz的合适的LVDT，比如：Schaevitz E100型LVDT其操作频率 在50Hz 到 10kHz 是对这个例子来说一个合适的候选者。4. 确定激励频率来确定元器件C1的值，C1 = 35 uF Hz / f EXCITATION图8 有反向线圈配置的LVDT的AD698 双电源操作的接线图B. 决定振荡器的幅度幅度是这样设定的：当LVDT在它的机械位移最大位置（全耦合？）时候，初级信号幅度范围为1.0V到3.5V 均方根值 ；次级信号幅度范围为 0.25V 到3.5V 均方根值。以上是在最优化的线性度和最小的噪声敏感度条件下的值。如果器件是成比例的，激励信号的准确数值，相对来说就不那么重要了。 5. 决定LVDT最佳的激励电压 VEXC 。对于一个四线式LVDT来说，要确定其传感器机械位移变化下的电压变换比 VTR 。 VTR = LVDT的敏感度 最大行程长度。 LVDT的敏感度一般会在LVDT的制造商的产品目录中列出。其单位一般为 输出伏特每伏特输入每英寸位移（即 V/V/inch）.E100系列的LVDT的敏感度为 2.4mv/v/mil.如果LVDT的敏感度没有在制造商的产品目录中给出，该敏感度值是可以计算出来的。见确定LVDT敏感度章节。 在LVDT机械最大位移情况下(最大机械行程)，用VTR乘以初级激励电压得到预期的次级电压。例如：一个LVDT的敏感度为 2.4mv/v/mil ，其最大行程为 0.1inch（=100mil），那么该LVDT的 VTR = 0.0024 v/v/mil 100 mil = 0.24 。假设最大的激励为 3.5 V 均方根值，那么最大的次级电压输出 应该在 3.5V 均方根值(rms) 0.24 = 0.84V 均方根值（rms）以内，是可接受的范围。 相反的 VTR值也可以确切的进行测量。根据LVDT制造商提供的资料，给LVDT初级输入一个特定的驱动电平 VPRI （primary 初级）；设置LVDT的中心移动体的位置到其最大行程，然后测量LVDT的次级输出电压Vsec 。计算LVDT的电压转换比 VTR .VTR = VSEC / VPRI .如用以上方法测得E100 LVDT传感器， VSEC = 0.72v，VPRI = 3V,则VTR = 0.24. 在LVDT的敏感度非常低，或者机械行程的长度非常小的情况下。LVDT的输入激励需要超过3.5V rms(根据后面描述情况这里可能为小于3.5v rms);在这种情况下可能需要在LVDT的初级放一个分压器网络，为+BIN 和-BIN 提供一个小的电压输入。例如：如果添加一个分压器网络将B通道的输入分掉1/2,那么为了选择元器件VTR也应该减少1/2。 检测供电电压通过验证VA 和VB的峰值电压最小在2.5V小于 +VS 和 VS6. 参考图9，在Vs = 15V的时候，选择幅度的值决定了器件R1的值，如图9曲线所示。图9 见 文档第7页（图9 激励电压Vexc 与R1的关系）7.C2，C3和C4 是AD698位置测量子系统所要求带宽 fSUBSUSTEM的函数，原则上，他们的电容值应该相等，即 C2=C3=C4= 10-4 (法拉 HZ) / fSUBSYSTEM (HZ)例如：如果系统要求带宽 为250Hz，则C2=C3=C4=10-4 FHz / 250Hz = 0.4F 关于AD698的带宽和相位特性的更多信息 见图14，图15和图16。D. 设置传感器满量程时的输出电压8. R2 用来设置AD698的增益和满量程时的输出范围。计算R2 时需要以下相关参数： a.LVDT的敏感度 S.它的值可以在生产厂家目录手册中查到，单位是V/V/mile，其物理意义是每英寸的位移每伏特的输入对应的电压输出伏特。 b.LVDT 的磁芯从零位到满量程的位移d. S d = VTR 也等于在机械满量程时的A/B 的比率，VTR 应该转换其单位为 V/V. 对于满量程值 d 英寸，AD698的输出电压如下计算：VOUT = S d R2 其中，Vout 是相对于参考信号(芯片引脚21脚)的输出，见图7； 解得R2 的值：R2 = VOUT / (S d 500 uA ) . (1) 例如：对于满量程输出VOUT = 10V（20V的跨度），满机械 d = 0.1英寸 （0.2 英寸的跨度） R2 = 20V / (2.4 0.2 500 uA) =83.3 KVOUT 为位移的一个函数，对于上述的例子（参数）其表现如下：图10 VOUT（10V 满量程），传感器芯位移（0.1inch）E.可选的输出电压摆幅偏移9.R3、R4可实现正、负输出电压补偿调节。 VOS (补偿电压)= 1.2V R2 1/(R3 + 2 k) - 1/(R4 + 2 k) . (2)如果不需要正负电压补偿 R3 、R4应该被开路。 上述VOS 为正或负的电压补偿值为了设计一个电路,当传感器的位移在+0.1英寸时，电路输出在0V 到+10V.可以设 Vout = +10V,d = 0.2英寸，然后接方程 （1） ，便可以得到R2的值。图11 Vout （5V 满量程），传感器芯位移（0.1英寸）以上将产生的响应如图11所示。在方程（2）设Vos 等于5V 然后解R3和R4.因为想得到一个正的偏移，让R4处于开路状态（R4开路,R4无穷大），重新布置方程（2），然后解R3 R3 = (1.2 R2)/ Vos - 2 k = 7.02 k注意选择Vos 的值，让R3的值不至于为负值。图12 显示了期望得到的响应。图12 Vout（0V -10V 满量程，传感器芯位移（0.1英寸）单电源设计步骤图13显示了单电源供电时的链接情况。图13 单电源供电电路图图中名词解释PHASE LAG 相位滞后(网络) ；PHASE LEAD 相位超前（网络）；Arc Tan 为数学中的 取反正切运算R = Rs / （Rs + Rt） ;其中 R 的值为 Rs 并联 （Rs + Rt) 的值对于单电源供电操作，从双电源操作的步骤1开始重复操作，到下面的步骤10 。R5、R6和C5是增加的待确定的值。VOUT的值根据信号基准来确定。10 .计算R5 和 R6的最大值要依据以下关系进行： R5 + R6 VPS / 100 uA 11. R5 上的电压压降必须大于 2 + 10 k 1.2V / (R4 + 2k + 250 uA + Vout/( 4 R2 ) 伏因此： R5 2 + 10 k 1.2V / (R4 + 2k + 250 uA + Vout/( 4 R2 ) / 100 uA 欧姆根据 步骤10 对于 R5 + R6 以及步骤11 对R5 的约束，给R6 选择一个临时值。12.经过Rl 的负载电流返回至R5 和R6的节点然后回流到Vps 。根据最大的负载情况，确定R5 上的压降和步骤11 中定义的相符合。 作为最终的对电源的供电电压检查，验证VA 和VB 的峰值 至少在2.5V,小于 +Vs 和 -Vs 的电压。13. C5 是一个旁路电容，其范围在 0.1 uF 和 1uF 之间增益相位特性要在一个闭环的机械伺服系统中使用LVDT 传感器，有必要知道传感器的动态特性和接口要素。当传感器的磁芯移动时传感器会非常快的响应。动态特性主要源自于电子接口。图 14,15和16展示了AD698 LVDT信号调节器的频率响应。需要注意的是图15和图16基本上是一样的；不同点是频率覆盖范围。图15展示了机械输入频率以牺牲精度为前提的条件下得到了更宽的范围。（这句话翻译有问题）图14 增益和相位特性 频率（0kHz - 10kHz）图15 增益和相位特性 频率（0kHz - 50kHz）图16 增益和相位特性 频率（0kHz - 10kHz）图16 展示了一个更有限的频率范围与增强的精度。（这句话翻译的也有问题）这些图 将 输入 被认为是按正弦变化机械位移，输出是从AD698输出的电压信号 的一个传递函数；传递函数的单位为伏特每英寸。由 图7，C2，C3和C4的值全都相等并且设定作为图中的一个参数。响应近似的认为是两个极点。（此句翻译有问题）。然后在更高的频率有明显的过剩相位。此外图7中的极点过滤可以跨过R2引进一个并联电容,这将增加相位滞后。 当选择C2，C3和C4的值来设置系统带宽的时候，要涉及到一个权衡。在“直流”输出电压上会出现纹波，纹波的大小决定于滤波电容。一般来说，小的电容会得到一个高的系统带宽和大的纹波电压。图17和18 反映了当C2，C3和C4相等时 对纹波幅度的影响。需要注意的是图7 中跨接在R2上的并联电容作为图中的一个参数Cshunt。R2的值是使用81k的电阻，传感器是Schaevitz E100型 LVDT 传感器。图17 输出电压纹波 与滤波电容图18 输出电压纹波 与滤波电容LVDT敏感（灵敏）度的确定LVDT的灵敏度可以通过测量LVDT的次级电压并进行简单的计算来确定，LVDT的次级电压是初级驱动电压和传感器磁性的位置的函数。 给LVDT一个其器件手册上建议的初级驱动电压Vpri（对E100型号来说为 3V rms）。设置传感器磁芯在其最大位置，并测量次级电压Va 和 VbSensitivity = VSECONDARY / (VPRI d )由 图 19 Sensitivity = 0.72 /(3V 100mil ) = 2.4 mV/V mil（注：Vsecondary = 0.72 由图19 中 最大位移 100mil 对应的 VA - VB = 1.71 -0.99 = 0.72 而来）图19 LVDT的次级电压与磁芯位移-可编辑修改-