集成同步解調功能的低功耗LVDT信號調理器

　　連接/參考器件

　　ADA2200

　　同步解調器和可配置模擬濾波器

　　AD7192

　　內置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多路復用模擬高清電視音頻/視頻開關

　　ADP151

　　超低噪聲、200 mA CMOS線性調節器

　　電路功能與優勢

　　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用于提取位置信息并抑制外部噪聲。24位、Σ-Δ模數轉換器(ADC)可數字化位置輸出信息，以實現高精度。

　　LVDT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、化學工廠、液壓、動力渦輪以及其他惡劣工作環境和要求具備長工作壽命與高可靠性應用的主要原因。

　　包括LVDT激勵信號在內的整個電路功耗僅為10 mW.電路激勵頻率和輸出數據速率均為SPI可編程。該系統允許在可編程帶寬和動態范圍之間進行權衡取舍，支持1 kHz以上的帶寬，且在20 Hz帶寬時具有100 dB動態范圍，是精密工業位置和計量應用的理想之選。

　　圖1. LVDT信號調理電路(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

　　電路描述

　　ADA2200同步解調器可在信號解調至與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驅動AD7192 24位Σ-Δ型ADC，后者對輸出進行數字化和濾波處理。ADA2200產生同步LVDT激勵信號，而ADG794開關將CMOS電平激勵信號轉換為精密3.3 V方波信號，驅動LVDT初級繞組。

　　LVDT是絕對位移傳感器，可將線性位移轉換為比例電信號。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生變化;根據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，從而執行減法。當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輸出電壓相位根據方向而改變。

　　該電路的主時鐘由AD7192 ADC產生。ADA2200接受主時鐘并產生其內部所有時鐘，包括用作LVDT激勵信號的參考時鐘。ADA2200上的時鐘分頻器配置為產生4.8 kHz激勵信號。ADG794將激勵信號轉換為精密±3.3 V方波信號，該+3.3V來自于ADC電源電壓。3.3 V電源也用作ADC基準電壓;因此，激勵信號與ADC基準電壓之間的比例關系可以改善電路的噪聲性能和穩定性。系統的3.3 V電源由ADP151低壓差調節器提供;后者由5 V電源驅動。

　　LVDT次級繞組和ADA2200輸入之間的耦合電路用來限制信號帶寬，并調節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°)響應以及最小同相(相位= 0°)響應。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的溫度變化導致有效串聯電阻和電感發生改變，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內部數字濾波器的輸出帶寬約等于0.27乘以輸出數據速率。為了將輸出帶寬保持在4.8 kHz最大輸出數據速率，輸出抗混疊濾波器的-3 dB轉折頻率可以設為2 kHz左右。對于要求較低輸出數據速率的系統，可相應降低抗混疊濾波器的轉折頻率。

　　集成式同步解調器

　　ADA2200集成式同步解調器組成電路核心。它采用獨特的電荷共享技術來執行模擬域內的離散式時間信號處理。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1/2)。

　　ADA2200接受來自AD7192 ADC的4.92 MHz時鐘信號，然后產生其內部所有時鐘，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

　　選擇ADG794 CMOS開關是因為它具有低導通電阻、快速開關時間、先開后合式開關動作以及低成本等特點。

　　ADG794將ADA2200的低壓CMOS電平RCLK輸出轉換為低阻抗差分輸出方波源，然后驅動LVDT.為使開關留有裕量以便驅動正3.3 V信號，ADG794 VDD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.Measurement Specialties， 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數據手冊。

　　ADA2200輸入耦合網絡

　　可調諧ADA2200輸入耦合網絡以支持不同的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，同時提供調節電路相對相位所需的額外自由度。ADA2200內部相位敏感檢測器(PSD)的最大輸出發生在0°或180°相對相移處。

　　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相位：

　　●R4 = R33 = 2.2 kΩ

　　●R34 = R35 = 1 kΩ

　　●C24 = C25 = 3300 pF

　　●C4 = 0.01μF

　　如需調諧該電路，則可通過放置LVDT核心以產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。采用這些測量結果便可計算相對相位：