CN0371 集成同步解調(diào)功能的低功耗LVDT信號調(diào)理器

CN0371 在某些系統(tǒng)中，可能需要使用 SAR ADC ，而非 Σ- 型轉(zhuǎn)換 器。這些情況下， ADC 轉(zhuǎn)換時鐘必須與 ADA2200 更新速率 同步。如前所述， ADA2200 輸出會在激勵頻率的倍數(shù)處含 有雜散。這些雜散可通過移動平均濾波器或級聯(lián)多個移動 平均濾波器加以抑制。移動平均濾波器易于實現(xiàn)，且具有 出色的時域特性。若要完全抑制雜散，則移動平均樣本大 小必須等于 8 個樣本的整數(shù)倍。 圖 4 顯示了 ADA2200 連接至 AD7091R-2 ，后者是一個超低功 耗、雙通道、 12 位 SAR ADC 。使用一個雙通道 ADC ，因而 ADA2200 的 OUTP 和 OUTN 輸出可順序采樣。由于 ADA2200 輸出為分立式時間樣本，通過對兩個順序輸出樣本執(zhí)行減 法操作（即VOUTP ? VOUTN）便可實現(xiàn)差分測量。 ? 圖 4. 采用雙通道 SAR ADC 進行差分采樣 ? SYNCO 信號在每個 ADA2200 輸出采樣周期內(nèi)變?yōu)橛行А?SYNCO 可用來中斷微控制器，以便獲取一對 ADC 樣本 ( 對 OUTP 和 OUTN 采樣 ) 。在上述示例中，采樣周期等于激勵時 鐘頻率乘以 8( 或 38.4 kHz) ；因此， ADC 采樣速率為 76.8 kSPS 。 CN-0371電路使用EVAL-CN0371-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z SDP-B控制器板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。電路板包含待評估電路，SDP-B板配合CN-0371 評估軟件使用，捕捉電路板數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： 帶USB端口的Windows? XP(32位)、Windows Vista?或Windows 7的PC EVAL-CN0371-SDPZ 電路板 EVAL-SDP-CB1Z SDP-B控制器板 CN-0371評估軟件 Measurement Specialties, Inc. E-100經(jīng)濟型LVDT(EVAL-CFTL-LVDT) 開始使用 下載CN0371.zip文件，然后運行setup.exe文件。默認情況下，程序安裝在Analog Devices目錄下。程序名稱為CN0371 功能框圖 電路框圖參見圖5。有關(guān)完整的電路原理圖請參見EVAL-CN0371-SDPZ-Schematic.pdf文件，該文件位于CN-0371設(shè)計支持包中。 用于電路板的5 V電源由USB總線通過SDP-B板的120引腳連接器提供。 ? 圖5.測試設(shè)置框圖 ? 設(shè)置 將EVAL-CN0371-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到 EVAL-SDP-CB1Z SDP-B 板上的CONA連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。 測試 啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP-B板上的微型USB連接器。 一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板來發(fā)送、接收和采集來自電路板的數(shù)據(jù) 圖6顯示電路板連接SDP-B板的照片。有關(guān)SDP-B板的信息請參閱 UG-277 用戶指南。 有關(guān)測試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細信息，請參閱 CN-0371 軟件用戶指南。 ? 圖6.EVAL-CN0371-SDPZ電路板連接EVAL-SDP-CB1Z SDP-B板和LVDT(核心連接精密應(yīng)變計接頭) ? 針對原型開發(fā)的連接 EVAL-CN0371-SDPZ電路板設(shè)計為搭配EVAL-SDP-CB1Z SDP-B 板使用，但任何微處理器都可與AD7192的SPI接口實現(xiàn)對接。對于另一個搭配EVAL-CN0371-SDPZ電路板使用的控制器而言，第三方必須開發(fā)相應(yīng)軟件。 目前已有一些轉(zhuǎn)接板能實現(xiàn)與Altera或Xilinx現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs)的接口。利用Nios驅(qū)動器，Altera的BeMicroSDK板能配合BeMicro SDK/SDP轉(zhuǎn)接板一同使用。任何集成FMC連接器的Xilinx評估板均可與FMC-SDP轉(zhuǎn)接板一同使用。 EVAL-CN0371-SDPZ還兼容Digilent、Imod接口規(guī)格。 圖6顯示系統(tǒng)測試設(shè)置的照片。包括原理圖、布局布線、Gerber文件和物料清單在內(nèi)的完整文檔可參考CN0371設(shè)計支持包，網(wǎng)址： www.analog.com/CN0371-DesignSupport . ADA2200 同步解調(diào)器可在信號解調(diào)至與LVDT核心位移成比例的低頻輸出電壓之前對LVDT次級信號進行濾波，從而提取位置信息。 ADA2200 驅(qū)動 AD7192 24位Σ-Δ ADC, 后者對輸出進行數(shù)字化和濾波處理。ADA2200 生同步LVDT激勵信號，而ADG794 開關(guān)將CMOS電平激勵信號轉(zhuǎn)換為精密3.3 V方波信號，驅(qū)動LVDT初級繞組。 LVDT是絕對位移傳感器，可將線性位移轉(zhuǎn)換為比例電信號。LVDT是特殊的繞線變壓器，具有活動核心，其位置與待測位置貼合。激勵信號施加于初級繞組。隨著核心的移動，次級繞組上的電壓成比例發(fā)生變化；根據(jù)該電壓即可計算位置。 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LVDT的次級輸出相連使其電壓相反，從而執(zhí)行減法。當(dāng)LVDT核心位于零點位置時，這兩個次級端上的電壓相等，兩個繞組上的電壓差為零。隨著核心從零點位置開始移動，次級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。 該電路的主時鐘由AD7192ADC產(chǎn)生。ADA2200接受主時鐘并產(chǎn)生其內(nèi)部所有時鐘，包括用作LV D T激勵信號的參考時鐘。ADA2200上的時鐘分頻器配置為產(chǎn)生4.8 kHz激勵信號。ADG794將激勵信號轉(zhuǎn)換為精密±3.3 V方波信號，該+3.3 V來自于ADC電源電壓。3.3 V電源也用作ADC基準(zhǔn)電壓；因此，激勵信號與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。 LVDT次級繞組和ADA2200輸入之間的耦合電路用來限制信號帶寬，并調(diào)節(jié)RCLK和ADA2200輸入之間的相對相位。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量正交輸出就能確定位置，進而使ADA2200輸出電壓對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。 集成式同步解調(diào)器 ADA2200集成式同步解調(diào)器組成電路核心。它采用獨特的電荷共享技術(shù)來執(zhí)行模擬域內(nèi)的離散時間信號處理。ADA2200具有全差分信號路徑。它由高阻抗輸入緩沖器后 接一個固定低通濾波器(FIR抽取濾波器)、一個可編程IIR濾波器、一個解調(diào)器和一個差分輸出緩沖器組成。它的輸入和輸出共模電壓等于1.65 V(3.3 V電源電壓的?)。 ADA2200接受來自AD7192ADC的4.92 MHz時鐘信號，然后產(chǎn)生其內(nèi)部所有時鐘，以及用作LVDT激勵信號的4.8 kHz參考時鐘。ADA2200集成可配置時鐘分頻器，可編程支持很多不同的激勵頻率。 CMOS開關(guān) 選擇ADG794CMOS開關(guān)是因為它具有低導(dǎo)通電阻、快速開關(guān)時間、先開后合式開關(guān)動作以及低成本等特點。 ADG794將ADA2200的低壓CMOS電平RCLK輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗差分輸出方波源，然后驅(qū)動LVDT。為使開關(guān)留有裕量以便驅(qū)動正3.3 V信號，ADG794VDD輸入采用5 V電源供電。 LVDT 圖1中的電路只需略作改動即可支持各種LVDT。MeasurementSpecialties, Inc. E-100 LVDT采用四線式模式，以便演示電路的主要特點。E-100沖程范圍為±2.54 mm，沖程端輸出靈敏度為240 mV/V，滿量程范圍最大線性度誤差為±0.5%，工作頻率范圍為100 Hz至10 kHz。完整詳情請參見E-Series LVDT數(shù)據(jù)手冊。 ADA2200輸入耦合網(wǎng)絡(luò) 可調(diào)諧ADA2200輸入耦合網(wǎng)絡(luò)以支持不同的LVDT。LVDT次級繞組電感和分流電容(C4)組成振蕩電路。R4和R33電阻降低了振蕩電路的Q值，使該電路不易受LVDT繞組電感和電阻的變化影響，但功耗有所上升。R34/C24和R35/C25組成的RC濾波器對可降低信號帶寬，同時提供調(diào)節(jié)電路相對相位所需的額外自由度。ADA2200內(nèi)部相位敏感檢測器(PSD)的最大輸出發(fā)生在0°或180°相對相移處。 CN-0371Rev.0|Page3of6圖2.用戶軟件屏幕截圖表1.噪聲性能與帶寬的關(guān)系A(chǔ)DC數(shù)據(jù)速率(SPS)輸出帶寬(Hz)ENOB(RMS) ENOB(P-P) 4800130014.011.51200 325 14.9 12.4 300 80 15.8 13.3 75 20 16.2 13.6 13050-002對于采用4.8 kHz方波激勵信號的E-100 LVDT而言，采用下列元件值可獲得最大輸出條件下的最優(yōu)相位： R4 = R33 = 2.2 kΩ R34 = R35 = 1 kΩ C24 = C25 = 3300 pF C4 = 0.01 μF 如需調(diào)諧該電路，則可通過放置LVDT核心以產(chǎn)生接近滿量程輸出信號的方式測量相位；然后，測量同相(I)和正交(Q)輸出信號。采用這些測量結(jié)果便可計算相對相位： 調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)元件，直到θREL絕對值低于約±3°；這樣可以改善電路對于LVDT電氣參數(shù)變化的靈敏度。 ADC選擇和同步 選擇AD7192Σ-型ADC，因為該器件支持可配置輸出數(shù)據(jù)速率，并具有各種不同的數(shù)字濾波器輸出選項，從而允許在帶寬和噪聲之間進行權(quán)衡取舍。主時鐘輸出功能可輕松實現(xiàn)ADC采樣時鐘頻率與ADA2200輸出信號的鎖定。這對于優(yōu)化數(shù)字濾波器性能而言是必須的。由LVDT信號確定位置所需的數(shù)值是一次激勵時鐘周期的平均值。因此，當(dāng)AD7192輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)為4.8 kHz時，即設(shè)為一個激勵時鐘周期時，可獲得所需的平均值。如果激勵時鐘周期和ADC采樣頻率未鎖定，則恢復(fù)的位置測量信息中包含錯誤。除以輸出數(shù)據(jù)速率便可有效求取多個激勵時鐘周期的平均值。 ADA2200輸出信號哪怕在LVDT核心位置固定的情況下亦含有電能，數(shù)值為激勵信號頻率的倍數(shù)。還可在頻率域中分析數(shù)字濾波器性能。AD7192具有sinc3或sinc4傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)在輸出數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)處歸零。這些頻率分量是雜散誤差的來源。通過將ADC的輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)為激勵信號頻率(或激勵頻率的約數(shù))便可抑制輸出雜散。如果激勵時鐘周期和ADC采樣頻率未鎖定，則雜散將不會落在傳遞函數(shù)的零點。 如需獲得包括原理圖、布局布線和物料清單在內(nèi)的完整電路文檔，請參閱www.analog.com/CN0371-DesignSupport. 用于性能分析的用戶軟件 該電路支持圖形用戶界面，可方便地進行板上的器件配置，并評估電路性能。該軟件的選項卡可執(zhí)行電路校準(zhǔn)和器件配置，以及顯示噪聲性能、線性度性能和實時位置測量。 有關(guān)軟件包的完整描述，請參見CN-0371 軟件用戶指南。 圖2.用戶軟件屏幕截圖 ? 噪聲分析 該電路的輸出噪聲是ADC輸出數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。表1顯示數(shù)字化數(shù)據(jù)相對于ADC采樣速率的有效位數(shù)(ENOB)，假設(shè)滿量程輸出電壓為2.5 V。該電路的噪聲性能與 LVDT核心位置無關(guān)。 表1. 噪聲性能與帶寬的關(guān)系 ADC數(shù)據(jù)速率(SPS) 輸出帶寬(Hz) ENOB(RMS) ENOB(P-P) 4800 1300? 14.0 11.5 1200 325 14.9 12.4 300 80 15.8 13.3 75 20 16.2 13.6 如果ADA2200輸出噪聲與頻率無關(guān)，則預(yù)計有效位數(shù)將在輸出數(shù)據(jù)速率每4次折疊下降時增加一位。ENOB在較低輸出數(shù)據(jù)速率下的增加放緩是由于輸出驅(qū)動器的1/f噪聲所導(dǎo)致的；該噪聲在較低的輸出數(shù)據(jù)速率下成為噪底的主要成分。 線性度測試結(jié)果 首先在±2.0 mm核心位移處執(zhí)行一次兩點校準(zhǔn)即可測量線性度結(jié)果。由這兩次測量結(jié)果可確定斜率和失調(diào)，從而實現(xiàn)預(yù)期直線擬合。然后，在±2.5 mm滿量程范圍內(nèi)測量核心位移。從預(yù)期直線擬合數(shù)據(jù)中減去測量數(shù)據(jù)即可確定線性度誤差。 圖3.位置線性度誤差與LVDT內(nèi)核位移的關(guān)系 ? 測得的數(shù)據(jù)顯示電路性能優(yōu)于E-Series LVDT數(shù)據(jù)手冊中指定的線性度性能。 多LVDT同步工作 很多應(yīng)用都會近距離使用多個LVDT。若這些LVDT以相似的載波頻率運行，雜散磁耦合可能導(dǎo)致拍頻。產(chǎn)生的拍頻可能會影響這些條件下的測量精度。為避免這種情況，所 有LVDT必須同步工作。 通過讓器件同時退出復(fù)位狀態(tài)，可同步多個ADA2200器件。ADA2200在RST引腳解除置位之后的第一個CLKIN上升沿時退出復(fù)位模式。因此，從單一源驅(qū)動所有ADA2200 CLKIN引腳以及所有RESETB線路便足以確保器件同步工作。避免在CLKIN上升沿附近對RESETB解除置位，以防器件在不同時鐘沿上復(fù)位?？杀O(jiān)控ADA2200器件的RCLK輸出，確保ADA2200器件正確同步。 CN0371 集成同步解調(diào)功能的低功耗LVDT信號調(diào)理器 圖 1 所示電路是一款完整的線性可變差分變壓器 (LVDT) 信 號調(diào)理電路，可精確測量距離機械參考點的線性位置或線 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-△ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可數(shù)字化位置輸出信 息，以實現(xiàn)高精度。 LV D T 在活動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、機器人、核、化學(xué)工廠、液壓、動力渦輪 以及其他惡劣工作環(huán)境和要求具備長工作壽命與高可靠性 應(yīng)用的主要原因。 包括 LV D T 激勵信號在內(nèi)的整個電路功耗僅為 10 mW 。電路 激勵頻率和輸出數(shù)據(jù)速率均為 SPI 可編程。該系統(tǒng)允許在可 編程帶寬和動態(tài)范圍之間進行權(quán)衡取舍， 支持 1 kHz 以上的 帶寬，且在 20 Hz 帶寬時具有 100 dB 動態(tài)范圍，是精密工業(yè) 位置和計量應(yīng)用的理想之選。 圖 1. LVDT 信號調(diào)理電路 ( 原理示意圖： 未顯示所有連接和去耦 )? cn0371 CN0371

• LVDT信號調(diào)理器
• 低功耗
• 同步探測

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