AD698 PDF 翻譯.doc

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______________________________________________________________________________________________________________ 產(chǎn)品描述： AD698是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(lái)確定激磁頻率和增益，就能把 LVDT的次級(jí)輸出信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。該器件能夠操作半橋式LVDT,有反向線圈連接配置的LVDT(4線LVDT)，和RVDT。 AD698包含了一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)線圈的低失真的正弦波振蕩器。AD698的兩個(gè)同步解調(diào)通道用于檢測(cè)LVDT的初級(jí)和次級(jí)電壓振幅。該部分根據(jù)初級(jí)的電壓振幅乘以一個(gè)比率因子來(lái)分離次級(jí)的輸出。這樣就消除了由于給初級(jí)線圈偶然而來(lái)的激勵(lì)而造成的比例因子的錯(cuò)誤，提高了溫度性能和穩(wěn)定性。 AD698使用獨(dú)特的比例架構(gòu)消除了與傳統(tǒng)LVDT接口相關(guān)的幾個(gè)缺點(diǎn)。新電路的優(yōu)點(diǎn)是：不需要解調(diào)；提高了溫度穩(wěn)定性；提高了傳感器的互換性。 AD698有兩個(gè)性能等級(jí)可用： 等級(jí) 溫度范圍 封裝 AD698AP –40°C to +85°C 28-Pin PLCC AD698SQ –55°C to +125°C 24-Pin Cerdip 產(chǎn)品亮點(diǎn)： 1. AD698對(duì)LVDT信號(hào)調(diào)理問(wèn)題提供了單片解決方案。所有有源電路都在片上，只需附加極少量的無(wú)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。 2. AD698能夠用于許多不同種類(lèi)的位置傳感器，該電路被優(yōu)化用于任何LVDT，包括半橋LVDT，反向線圈配置(四線式)的LVDT。AD698能夠適應(yīng)寬泛的輸入和輸出電壓和頻率。 3. 20Hz到20kHz激勵(lì)頻率由一個(gè)外部電容來(lái)確定。AD698提供高達(dá)24Vrms的差異驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)線圈 注意： 1.A 和 B代表檢測(cè)到的正弦波VA和VB的平均偏差（MAD）。VOUT的極性受一個(gè)比較器的符號(hào)的影響。例如：VOUT ×+1 得到 ACOMP+ > ACOMP–, 如果 VOUT × –1 便有ACOMP– > ACOMP+ 。 操作原理： AD698 的模塊原理圖和一個(gè)LVDT(線性可變差動(dòng)變壓器)連接到其輸入端的原理圖如圖5所示。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)。兩種比較常用類(lèi)型的LVDT是半橋類(lèi)型的LVDT 和有反向線圈連接配置的LVDT(4線LVDT)。兩種類(lèi)型的LVDT都是 一個(gè)鐵芯在線圈中移動(dòng)。有反向線圈連接配置的LVDT由一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反向串聯(lián)的次級(jí)線圈組成，初級(jí)線圈被一個(gè)外部正弦參考源驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過(guò)串聯(lián)的次級(jí)輸出電壓會(huì)隨著磁芯從中心位置的移動(dòng)而變化。移動(dòng)的方向可以通過(guò)測(cè)量輸出的相位來(lái)探測(cè)到。半橋式LVDT有一個(gè)有中心抽頭的一對(duì)一線圈其工作原理類(lèi)似自耦線圈。激勵(lì)電壓施加于整個(gè)線圈，中心抽頭的電壓與位置成正比。該設(shè)備的行為類(lèi)似于電阻分壓器。 圖5 功能框圖 AD698 給LVDT線圈一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，然后檢測(cè)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。AD698有一個(gè)正弦波振蕩器和一個(gè)功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)LVDT。兩個(gè)同步解調(diào)器可以同時(shí)解碼初級(jí)和次級(jí)線圈電壓信號(hào)。A解碼器決定了輸出信號(hào)電壓到輸入信號(hào)電壓的比率（A/B）。濾波等級(jí)和輸出放大用于輸出結(jié)果的比例調(diào)節(jié)。 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)?？傊C波失真的典型值是50dB。 AD698 通過(guò)同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)（次級(jí)線圈側(cè)）和一個(gè)固定的參考輸入B（初級(jí)線圈側(cè)或固定輸入）。早期解決方案的共同問(wèn)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(guò)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(jí)線圈（A+B）是一個(gè)隨行程長(zhǎng)度而定的常量。 AD698的原理圖如下所示。其輸入由兩個(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道組成。設(shè)計(jì)B通道是用于監(jiān)視LVDT的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)。全波整流電路經(jīng)過(guò)C2濾波之后送入計(jì)算電路。，A 通道的作用與B通道相同，但是它的比較器引腳是單獨(dú)引出來(lái)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(jí)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，以此來(lái)補(bǔ)償LVDT 初級(jí)對(duì)次級(jí)的相位偏移。對(duì)于半橋電路相移是不重要的，因?yàn)锳通道的電壓足夠大可以驅(qū)動(dòng)解調(diào)器。 圖6 AD698原理圖 -------------------------------------------------------------- B CHANNEL B通道 A CHANNEL A通道 DEMODULATOR 解調(diào)器 FILTER 濾波器 DUTY CYCLE DIVIDER 占空比分配器 -------------------------------------------------------------- 一旦二個(gè)通道信號(hào)被解調(diào)和濾波后，再通過(guò)一個(gè)除法電路（用于實(shí)現(xiàn)占空比乘法器）來(lái)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%。（如果需要一個(gè)脈寬調(diào)制輸出可以使用這個(gè)信號(hào)）。占空比驅(qū)動(dòng)一個(gè)調(diào)制電路和濾波器即與占空比成比例的參考電流源。輸出放大器測(cè)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 × A/B × R2，當(dāng)IREF = 500 Ua AD698的連接電路 在單電源或雙電源電路中AD698可以方便的連接，如下圖7，圖8，圖13所示。下面的幾個(gè)設(shè)計(jì)例程展示了對(duì)于任何LVDT該如何選擇外部元器件的值來(lái)滿(mǎn)足AD698的輸入/輸出標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于A通道和B通道的連接來(lái)說(shuō)，A通道的比較器取決于使用的是哪種類(lèi)型的傳感器。一般遵循以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 外部無(wú)源器件的參數(shù)設(shè)置包括：激勵(lì)頻率和振幅；AD698的輸入信號(hào)頻率；比例因子（V/inch）。除此之外還有一些可選特性：零點(diǎn)偏移調(diào)整，濾波和信號(hào)集成可以通過(guò)增加外部元器件來(lái)完成。 圖7 雙電源操作，半橋LVDT接線圖 設(shè)計(jì)程序 雙電源操作 圖7展示了半橋式LVDT的接線方法。圖8展示了3線和4線LVDT接線方法，兩種方法都使用的是±15V電源 A. 決定振蕩器頻率 頻率通常由系統(tǒng)所需帶寬來(lái)決定。然而在一些系統(tǒng)中頻率要根據(jù)LVDT手冊(cè)建議的零相位頻率來(lái)設(shè)定。在這種情況下跳過(guò)步驟4. 1. 決定LVDT位移測(cè)量系統(tǒng)所需要的機(jī)械帶寬，fSUBSYSTEM.。對(duì)于這個(gè)例子假設(shè) fSUBSYSTEM = 250Hz。 2. 選擇LVDT最小的激勵(lì)頻率，大概為10 × fSUBSYSTEM 。因此，激勵(lì)頻率 = 2.5k Hz 。 3. 選擇一個(gè)工作激勵(lì)頻率在2.5kHz的合適的LVDT，比如：Schaevitz E100型LVDT其操作頻率 在50Hz 到 10kHz 是對(duì)這個(gè)例子來(lái)說(shuō)一個(gè)合適的候選者。 4. 確定激勵(lì)頻率來(lái)確定元器件C1的值， C1 = 35 uF Hz / f EXCITATION 圖8 有反向線圈配置的LVDT的AD698 雙電源操作的接線圖 B. 決定振蕩器的幅度 幅度是這樣設(shè)定的：當(dāng)LVDT在它的機(jī)械位移最大位置（全耦合？？）時(shí)候，初級(jí)信號(hào)幅度范圍為1.0V到3.5V 均方根值 ；次級(jí)信號(hào)幅度范圍為 0.25V 到3.5V 均方根值。以上是在最優(yōu)化的線性度和最小的噪聲敏感度條件下的值。如果器件是成比例的，激勵(lì)信號(hào)的準(zhǔn)確數(shù)值，相對(duì)來(lái)說(shuō)就不那么重要了。 5. 決定LVDT最佳的激勵(lì)電壓 VEXC 。對(duì)于一個(gè)四線式LVDT來(lái)說(shuō)，要確定其傳感器機(jī)械位移變化下的電壓變換比 VTR 。 VTR = LVDT的敏感度 × 最大行程長(zhǎng)度。 LVDT的敏感度一般會(huì)在LVDT的制造商的產(chǎn)品目錄中列出。其單位一般為 輸出伏特每伏特輸入每英寸位移（即 V/V/inch）.E100系列的LVDT的敏感度為 2.4mv/v/mil.如果LVDT的敏感度沒(méi)有在制造商的產(chǎn)品目錄中給出，該敏感度值是可以計(jì)算出來(lái)的。見(jiàn)確定LVDT敏感度章節(jié)。 在LVDT機(jī)械最大位移情況下(最大機(jī)械行程)，用VTR乘以初級(jí)激勵(lì)電壓得到預(yù)期的次級(jí)電壓。例如：一個(gè)LVDT的敏感度為 2.4mv/v/mil ，其最大行程為 ±0.1inch（=100mil），那么該LVDT的 VTR = 0.0024 v/v/mil × 100 mil = 0.24 。假設(shè)最大的激勵(lì)為 3.5 V 均方根值，那么最大的次級(jí)電壓輸出 應(yīng)該在 3.5V 均方根值(rms) × 0.24 = 0.84V 均方根值（rms）以?xún)?nèi)，是可接受的范圍。 相反的 VTR值也可以確切的進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)LVDT制造商提供的資料，給LVDT初級(jí)輸入一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)電平 VPRI （primary 初級(jí)）；設(shè)置LVDT的中心移動(dòng)體的位置到其最大行程，然后測(cè)量LVDT的次級(jí)輸出電壓Vsec 。計(jì)算LVDT的電壓轉(zhuǎn)換比 VTR .VTR = VSEC / VPRI .如用以上方法測(cè)得E100 LVDT傳感器， VSEC = 0.72v，VPRI = 3V,則VTR = 0.24. 在LVDT的敏感度非常低，或者機(jī)械行程的長(zhǎng)度非常小的情況下。LVDT的輸入激勵(lì)需要超過(guò)3.5V rms(根據(jù)后面描述情況這里可能為小于3.5v rms);在這種情況下可能需要在LVDT的初級(jí)放一個(gè)分壓器網(wǎng)絡(luò)，為+BIN 和-BIN 提供一個(gè)小的電壓輸入。例如：如果添加一個(gè)分壓器網(wǎng)絡(luò)將B通道的輸入分掉1/2,那么為了選擇元器件VTR也應(yīng)該減少1/2。 檢測(cè)供電電壓通過(guò)驗(yàn)證VA 和VB的峰值電壓最小在2.5V小于 +VS 和 –VS 6. 參考圖9，在Vs = ±15V的時(shí)候，選擇幅度的值決定了器件R1的值，如圖9曲線所示。 圖9 見(jiàn) 文檔第7頁(yè)（圖9 激勵(lì)電壓Vexc 與R1的關(guān)系） 7.C2，C3和C4 是AD698位置測(cè)量子系統(tǒng)所要求帶寬 fSUBSUSTEM的函數(shù)，原則上，他們的電容值應(yīng)該相等，即 C2=C3=C4= 10-4 (法拉 HZ) / fSUBSYSTEM (HZ) 例如：如果系統(tǒng)要求帶寬 為250Hz，則 C2=C3=C4=10-4 FHz / 250Hz = 0.4μF 關(guān)于AD698的帶寬和相位特性的更多信息 見(jiàn)圖14，圖15和圖16。 D. 設(shè)置傳感器滿(mǎn)量程時(shí)的輸出電壓 8. R2 用來(lái)設(shè)置AD698的增益和滿(mǎn)量程時(shí)的輸出范圍。計(jì)算R2 時(shí)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(cè)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(duì)應(yīng)的電壓輸出伏特。 b.LVDT 的磁芯從零位到滿(mǎn)量程的位移d. S × d = VTR 也等于在機(jī)械滿(mǎn)量程時(shí)的A/B 的比率，VTR 應(yīng)該轉(zhuǎn)換其單位為 V/V. 對(duì)于滿(mǎn)量程值 d 英寸，AD698的輸出電壓如下計(jì)算： VOUT = S × d × R2 其中，Vout 是相對(duì)于參考信號(hào)(芯片引腳21腳)的輸出，見(jiàn)圖7； 解得R2 的值：R2 = VOUT / (S × d × 500 uA ) ....... (1) 例如：對(duì)于滿(mǎn)量程輸出VOUT = ±10V（20V的跨度），滿(mǎn)機(jī)械 d = ±0.1英寸 （0.2 英寸的跨度） R2 = 20V / (2.4 × 0.2 × 500 uA) =83.3 KΩ VOUT 為位移的一個(gè)函數(shù)，對(duì)于上述的例子（參數(shù)）其表現(xiàn)如下： 圖10 VOUT（±10V 滿(mǎn)量程），傳感器芯位移（±0.1inch） E.可選的輸出電壓擺幅偏移 9.R3、R4可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)輸出電壓補(bǔ)償調(diào)節(jié)。 VOS (補(bǔ)償電壓)= 1.2V × R2 ×{ [1/(R3 + 2 kΩ)] - [1/(R4 + 2 kΩ)] } ......... (2) 如果不需要正負(fù)電壓補(bǔ)償 R3 、R4應(yīng)該被開(kāi)路。 上述VOS 為正或負(fù)的電壓補(bǔ)償值 為了設(shè)計(jì)一個(gè)電路,當(dāng)傳感器的位移在+0.1英寸時(shí)，電路輸出在0V 到+10V.可以設(shè) Vout = +10V,d = 0.2英寸，然后接方程 （1） ，便可以得到R2的值。 圖11 Vout （±5V 滿(mǎn)量程），傳感器芯位移（±0.1英寸） 以上將產(chǎn)生的響應(yīng)如圖11所示。 在方程（2）設(shè)Vos 等于5V 然后解R3和R4.因?yàn)橄氲玫揭粋€(gè)正的偏移，讓R4處于開(kāi)路狀態(tài)（R4開(kāi)路,R4無(wú)窮大），重新布置方程（2），然后解R3 R3 = (1.2 × R2)/ Vos - 2 kΩ = 7.02 kΩ 注意選擇Vos 的值，讓R3的值不至于為負(fù)值。 圖12 顯示了期望得到的響應(yīng)。 圖12 Vout（0V -10V 滿(mǎn)量程，傳感器芯位移（±0.1英寸） 單電源設(shè)計(jì)步驟 圖13顯示了單電源供電時(shí)的鏈接情況。 圖13 單電源供電電路圖 ———————————————— 圖中名詞解釋 PHASE LAG 相位滯后(網(wǎng)絡(luò)) ； PHASE LEAD 相位超前（網(wǎng)絡(luò)）； Arc Tan 為數(shù)學(xué)中的 取反正切運(yùn)算 R = Rs // （Rs + Rt） ;其中 R 的值為 Rs 并聯(lián) （Rs + Rt) 的值 ———————————— 對(duì)于單電源供電操作，從雙電源操作的步驟1開(kāi)始重復(fù)操作，到下面的步驟10 。R5、R6和C5是增加的待確定的值。VOUT的值根據(jù)信號(hào)基準(zhǔn)來(lái)確定。 10 .計(jì)算R5 和 R6的最大值要依據(jù)以下關(guān)系進(jìn)行： R5 + R6 ≤ VPS / 100 uA 11. R5 上的電壓壓降必須大于 { 2 + 10 kΩ × [{1.2V / (R4 + 2kΩ} + 250 uA + Vout/( 4 ×R2 )] } 伏 因此： R5 ≥ { 2 + 10 kΩ × [{1.2V / (R4 + 2kΩ} + 250 uA + Vout/( 4 ×R2 )] } / 100 uA 歐姆 根據(jù) 步驟10 對(duì)于 R5 + R6 以及步驟11 對(duì)R5 的約束，給R6 選擇一個(gè)臨時(shí)值。 12.經(jīng)過(guò)Rl 的負(fù)載電流返回至R5 和R6的節(jié)點(diǎn)然后回流到Vps 。根據(jù)最大的負(fù)載情況，確定R5 上的壓降和步驟11 中定義的相符合。 作為最終的對(duì)電源的供電電壓檢查，驗(yàn)證VA 和VB 的峰值 至少在2.5V,小于 +Vs 和 -Vs 的電壓。 13. C5 是一個(gè)旁路電容，其范圍在 0.1 uF 和 1uF 之間 增益相位特性 要在一個(gè)閉環(huán)的機(jī)械伺服系統(tǒng)中使用LVDT 傳感器，有必要知道傳感器的動(dòng)態(tài)特性和接口要素。當(dāng)傳感器的磁芯移動(dòng)時(shí)傳感器會(huì)非?？斓捻憫?yīng)。動(dòng)態(tài)特性主要源自于電子接口。圖 14,15和16展示了AD698 LVDT信號(hào)調(diào)節(jié)器的頻率響應(yīng)。需要注意的是圖15和圖16基本上是一樣的；不同點(diǎn)是頻率覆蓋范圍。圖15展示了機(jī)械輸入頻率以犧牲精度為前提的條件下得到了更寬的范圍。（這句話(huà)翻譯有問(wèn)題） 圖14 增益和相位特性 頻率（0kHz - 10kHz） 圖15 增益和相位特性 頻率（0kHz - 50kHz） 圖16 增益和相位特性 頻率（0kHz - 10kHz） 圖16 展示了一個(gè)更有限的頻率范圍與增強(qiáng)的精度。（這句話(huà)翻譯的也有問(wèn)題） 這些圖 將 輸入 被認(rèn)為是按正弦變化機(jī)械位移，輸出是從AD698輸出的電壓信號(hào) 的一個(gè)傳遞函數(shù)；傳遞函數(shù)的單位為伏特每英寸。由 圖7，C2，C3和C4的值全都相等并且設(shè)定作為圖中的一個(gè)參數(shù)。響應(yīng)近似的認(rèn)為是兩個(gè)極點(diǎn)。（此句翻譯有問(wèn)題）。然后在更高的頻率有明顯的過(guò)剩相位。此外圖7中的極點(diǎn)過(guò)濾可以跨過(guò)R2引進(jìn)一個(gè)并聯(lián)電容,這將增加相位滯后。 當(dāng)選擇C2，C3和C4的值來(lái)設(shè)置系統(tǒng)帶寬的時(shí)候，要涉及到一個(gè)權(quán)衡。在“直流”輸出電壓上會(huì)出現(xiàn)紋波，紋波的大小決定于濾波電容。一般來(lái)說(shuō)，小的電容會(huì)得到一個(gè)高的系統(tǒng)帶寬和大的紋波電壓。圖17和18 反映了當(dāng)C2，C3和C4相等時(shí) 對(duì)紋波幅度的影響。需要注意的是圖7 中跨接在R2上的并聯(lián)電容作為圖中的一個(gè)參數(shù)Cshunt。R2的值是使用81kΩ的電阻，傳感器是Schaevitz E100型 LVDT 傳感器。 圖17 輸出電壓紋波 與濾波電容 圖18 輸出電壓紋波 與濾波電容 LVDT敏感（靈敏）度的確定 LVDT的靈敏度可以通過(guò)測(cè)量LVDT的次級(jí)電壓并進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)確定，LVDT的次級(jí)電壓是初級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓和傳感器磁性的位置的函數(shù)。 給LVDT一個(gè)其器件手冊(cè)上建議的初級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓Vpri（對(duì)E100型號(hào)來(lái)說(shuō)為 3V rms）。設(shè)置傳感器磁芯在其最大位置，并測(cè)量次級(jí)電壓Va 和 Vb Sensitivity = VSECONDARY / (VPRI × d ) 由 圖 19 Sensitivity = 0.72 /(3V × 100mil ) = 2.4 mV/V mil （注：Vsecondary = 0.72 由圖19 中 最大位移 100mil 對(duì)應(yīng)的 VA - VB = 1.71 -0.99 = 0.72 而來(lái)） 圖19 LVDT的次級(jí)電壓與磁芯位移 -可編輯修改-