電路筆記：集成同步解調(diào)功能的低功耗LVDT信號(hào)調(diào)理器

連接/參考器件

ADA2200

同步解調(diào)器和可配置模擬濾波器

AD7192

內(nèi)置PGA的4.8 kHz、超低噪聲、24位Σ-Δ型ADC

ADG794

低壓、300 MHz、四通道2：1多路復(fù)用模擬高清電視音頻/視頻開關(guān)

ADP151

超低噪聲、200 mA CMOS線性調(diào)節(jié)器

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一款完整的線性可變差分變壓器（LVDT）信號(hào)調(diào)理電路，可精確測(cè)量距離機(jī)械參考點(diǎn)的線性位置或線性位移。模擬域中的同步解調(diào)用于提取位置信息并抑制外部噪聲。24位、Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可數(shù)字化位置輸出信息，以實(shí)現(xiàn)高精度。

LVDT在活動(dòng)核心和線圈組件之間采用電磁耦合。這種非接觸式（因而是無摩擦的）工作方式是它們廣泛用于航空航天、過程控制、機(jī)器人、核、化學(xué)工廠、液壓、動(dòng)力渦輪以及其他惡劣工作環(huán)境和要求具備長(zhǎng)工作壽命與高可靠性應(yīng)用的主要原因。

包括LVDT激勵(lì)信號(hào)在內(nèi)的整個(gè)電路功耗僅為10 mW.電路激勵(lì)頻率和輸出數(shù)據(jù)速率均為SPI可編程。該系統(tǒng)允許在可編程帶寬和動(dòng)態(tài)范圍之間進(jìn)行權(quán)衡取舍，支持1 kHz以上的帶寬，且在20 Hz帶寬時(shí)具有100 dB動(dòng)態(tài)范圍，是精密工業(yè)位置和計(jì)量應(yīng)用的理想之選。

圖1. 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

ADA2200同步解調(diào)器可在信號(hào)解調(diào)至與LVDT核心位移成比例的低頻輸出電壓之前對(duì)LVDT次級(jí)信號(hào)進(jìn)行濾波，從而提取位置信息。ADA2200驅(qū)動(dòng)AD7192 24位Σ-Δ型ADC，后者對(duì)輸出進(jìn)行數(shù)字化和濾波處理。ADA2200產(chǎn)生同步LVDT激勵(lì)信號(hào)，而ADG794開關(guān)將CMOS電平激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為精密3.3 V方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)繞組。

LVDT是絕對(duì)位移傳感器，可將線性位移轉(zhuǎn)換為比例電信號(hào)。LVDT是特殊的繞線變壓器，具有活動(dòng)核心，其位置與待測(cè)位置貼合。激勵(lì)信號(hào)施加于初級(jí)繞組。隨著核心的移動(dòng)，次級(jí)繞組上的電壓成比例發(fā)生變化；根據(jù)該電壓即可計(jì)算位置。

LVDT的類型有很多，此外提取位置信息的方法也各不相同。圖1中的電路采用4線模式LVDT.將兩個(gè)LVDT的次級(jí)輸出相連使其電壓相反，從而執(zhí)行減法。當(dāng)LVDT核心位于零點(diǎn)位置時(shí)，這兩個(gè)次級(jí)端上的電壓相等，兩個(gè)繞組上的電壓差為零。隨著核心從零點(diǎn)位置開始移動(dòng)，次級(jí)繞組上的電壓差也隨之增加。LVDT輸出電壓相位根據(jù)方向而改變。

該電路的主時(shí)鐘由AD7192 ADC產(chǎn)生。ADA2200接受主時(shí)鐘并產(chǎn)生其內(nèi)部所有時(shí)鐘，包括用作LVDT激勵(lì)信號(hào)的參考時(shí)鐘。ADA2200上的時(shí)鐘分頻器配置為產(chǎn)生4.8 kHz激勵(lì)信號(hào)。ADG794將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為精密±3.3 V方波信號(hào)，該+3.3V來自于ADC電源電壓。3.3 V電源也用作ADC基準(zhǔn)電壓；因此，激勵(lì)信號(hào)與ADC基準(zhǔn)電壓之間的比例關(guān)系可以改善電路的噪聲性能和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的3.3 V電源由ADP151低壓差調(diào)節(jié)器提供；后者由5 V電源驅(qū)動(dòng)。

LVDT次級(jí)繞組和ADA2200輸入之間的耦合電路用來限制信號(hào)帶寬，并調(diào)節(jié)RCLK和ADA2200輸入之間的相對(duì)相位。該電路配置為具有最大正交（相位= 90°）響應(yīng)以及最小同相（相位= 0°）響應(yīng)。這使得可以僅通過測(cè)量正交輸出就能確定位置，進(jìn)而使ADA2200輸出電壓對(duì)電路中相位的變化不甚敏感。LVDT的溫度變化導(dǎo)致有效串聯(lián)電阻和電感發(fā)生改變，是相位變化的主要來源。

ADA2200輸出端的抗混疊濾波器保持ADC所支持的信號(hào)帶寬。AD7192內(nèi)部數(shù)字濾波器的輸出帶寬約等于0.27乘以輸出數(shù)據(jù)速率。為了將輸出帶寬保持在4.8 kHz最大輸出數(shù)據(jù)速率，輸出抗混疊濾波器的-3 dB轉(zhuǎn)折頻率可以設(shè)為2 kHz左右。對(duì)于要求較低輸出數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)，可相應(yīng)降低抗混疊濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。