AD598 線位移差動變壓器信號調(diào)節(jié)器的特點與應(yīng)用.doc

AD598 線位移差動變壓器信號調(diào)節(jié)器的特點與應(yīng)用四川省英世模擬器件有限公司(610041) 吳星明AD598是一種完整的單片式線位移差動變壓器(LVDT)信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD598與LVDT配合，能夠?qū)VDT的機械位置轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。AD598將所有的電路功能都集中在一塊芯片上，只要增加幾個外接無源元件，就能確定激磁頻率和輸出電壓的幅值。在芯片內(nèi)部，AD598將LVDT處理的次級輸出信號按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號。AD598還可以用于旋轉(zhuǎn)差動變壓器(RVDT)。AD598內(nèi)部有一個用來產(chǎn)生LVDT初級激磁信號的低失真正弦波振蕩器及其輸出入大器和接收LVDT次級輸出的二個正弦信號的輸入級、除法器、濾波器及其輸出入大器。在AD598的除法器中，將來自LVDT次級的這二個信號差除以這二個信號和。AD598各部分的功能框圖如圖1所示。圖1 AD598功能框圖一、AD598信號調(diào)節(jié)器的基本特點及主要技術(shù)指標AD598信號調(diào)節(jié)器具有下列基本特點：1.AD598提供了一個用單片器件來解決LVDT和RVDT信號調(diào)節(jié)問題的辦法，它只要求幾個外接無源元件，而且不需要任何調(diào)整。2.AD598能夠適用于多個不同類型的LVDT，因為AD598的輸入電壓、輸出電壓及頻率適應(yīng)范圍都很寬。AD598的輸出電壓達24Vrms，它能夠直接驅(qū)動LVDT的初級激磁線圈，接受LVDT的次級輸出電壓可以低于100mVrms。3.LVDT的激磁信號頻率20Hz20kHz，它決定于AD598外接的一個電容C1。AD598的輸入信號不需要與LVDT初級驅(qū)動信號同步，這意昧著可以利用外部的激磁信號也能正常工作，例如外部的400Hz電壓。4.AD598采用比率譯碼方案，這樣次級對初級的相移和變壓器中點電壓絕對不會影響線路的總性能。5.多個LVDT可以共用一個AD598來驅(qū)動。不論串聯(lián)或并聯(lián)，當消耗功率受限制，超過它的允許值時，激磁輸出有過熱保護。6.AD598能夠在遙測裝置和電氣接口遠離LVDT的惡劣環(huán)境中得到廣泛地應(yīng)用，它能夠通過電纜驅(qū)動300英尺(約91.4米)以外的LVDT正常工作，這是由于線路不受相移或信號絕對值的大小影響。另外AD598的輸出直流電壓能夠通過電纜傳輸?shù)?000英尺(約304.8米)以外的地方。7.在設(shè)計簡單的機電伺服回路時，可以將AD598作為一個積分環(huán)節(jié)來處理。AD598的主要技術(shù)指標：傳遞函數(shù)：V OUT 總誤差(包括溫度、增益、增益漂移及輸入失調(diào)電壓漂移)：0.6%輸出電壓范圍：最小11V輸出電流：最小6mA短路保護電流：典型值20mA滿度線性誤差：典型值75ppm增益誤差：滿度0.4%激磁電壓抑制：100ppm/dB激磁輸出特性：激磁電壓范圍：2.124V激磁輸出電流：30mA激磁輸出短路電流：60mA激磁信號頻率：20Hz20kHz輸入信號特性：輸入信號范圍：0.13.5V輸入阻抗：200k電源電壓范圍：1336V當要求輸出電壓10V，雙電源工作電壓：13V當要求輸出電壓0+10V或0-10V單電源工作電壓：17.5V。二、AD598信號調(diào)節(jié)器的使用方法AD598是針對線位移差動變壓器(LVDT)和旋轉(zhuǎn)差動變壓器(RVDT)而專門設(shè)計的一種新型器件。因此，AD598特別適合于線位移與角位移感應(yīng)信號測量。例如：無接觸感應(yīng)式線位移傳感器和其它類似產(chǎn)品均適用。AD598既可以采用雙電源供電，也可以采用單電源供電，其基本接線方法如圖2所示。圖2 AD598不同供電方式時的基本接線圖在圖2中，Schaevitz E100 LVDT是一種線位移差動變壓器，其輸出電壓的幅值與機械位移成線性關(guān)系。根據(jù)作用原理，線位移傳感器可分為電感式、電阻式、電容式和壓電晶體式，這里示出的是電感式線位移傳感器。AD598在使用過程中，有關(guān)參數(shù)的選擇與注意事項如下：1.首先要確定LVDT位置測量系統(tǒng)所要求的機械頻帶f SYS ，例如：f SYS =150Hz。2.選擇LVDT的最低激磁頻率f EXC 。一般選擇f SYS 的10倍頻作為激磁頻率，即fEXC =10f SYS 。這里激磁頻率f EXE =250Hz10=2.5kHz。3.根據(jù)激磁頻率2.5kHz再來選擇合適的LVDT。例如，Schaevitz E100 LVDT的激磁頻率范圍為50Hz到10kHz，對本例來講非常合適。4.確定LVDT次級電壓VA和VB之和。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品說明(E100是3Vrms)按照典型驅(qū)動水平V PRI 激勵LVDT，將鐵心移動到中心位置時，理論上VA=VB。實際上VAVB，存在一定誤差。測量VA、VB的電壓，并且計算VA和VB的和。對于E100來講，VA+VB=2.70V,根據(jù)這個結(jié)果就可以確定AD598的輸出電壓。5.確定LVDT激磁電壓的最佳值V EXC 。在LVDT加上激磁電壓V PRI 后，將鐵心移動到機械的滿量程位置，并且測出次級的最大輸出電壓V SEC 。然后計算LVDT的電壓變比VTR：VTR=V PR1 V SEC (1)對于E100來講，V SEC =1.71Vrms, V PR1 =3Vrms,選取V SEC =3Vrms,這樣就確定了LVDT的激磁電壓最佳值V SEC ：V SEC =VTRV SEC (2)V SEC =VTRV SEC =1.75=5.25Vrms進一步校驗電源電壓，并且要求電壓VA和VB的峰值電壓至少要比電源電壓+Vs和-Vs分別小 2.5V。6.根據(jù)圖2a和圖3選擇決定放大器輸出電壓幅值的電阻R1。圖3 激磁電壓V EXC 幅值與電阻R1關(guān)系圖7.選擇確定激磁電壓頻率的電容C1C1=35FHz/f EXC (3)8.電容C2，C3和C4是AD598位置測量系統(tǒng)所要求的頻帶寬度函數(shù)，其標稱值應(yīng)為：C2=C3=C4=10 -4 FHz/f SYS (4)如果要求的系統(tǒng)帶寬f SYS =250Hz則C2=C3=C4=10 -4 FHz/250Hz=0.4F9.為了計算確定AD598增益和滿量程輸出電壓范圍的電阻R2，應(yīng)首先知道下列幾個參數(shù)：(1)LVDT的靈敏度S(2)滿量程時鐵心的位移d(3)制造商所推薦的初級線圈驅(qū)動電壓V PR1 對(VA+VB)的比值滿量程鐵心移動d時，AD598的輸出電壓按下式計算：V OUT =SdR2 (5)式中、V OUT 的單位為Vd單位為英寸R2單位為。輸出電壓V OUT 是相對于信號基準而言的，如圖2a中的引腳17。為求出R2公式(5)也可以改寫成：R2=V OUT ()SV PRI d(6)10.選取R3和R4后，可確定正或負的輸出失調(diào)電壓調(diào)整范圍。V OS =1.2V（1R3+5k-1R4+5k)(7)或者反之,先確定輸出失調(diào)電壓范圍，然后計算電阻R3和R4。例如：要求設(shè)計電路能夠產(chǎn)生0+10V的輸出失調(diào)電壓調(diào)整范圍時，鐵心移動0.2英寸，這時可以根據(jù)公式(5)，將已知參數(shù)代入就能求出R2，再令R4開路(R4)，利用公式(7)就能求出R3。同樣地，按照上述的計算步驟，能夠求出產(chǎn)生0-10V輸出失調(diào)電壓調(diào)整范圍的電阻R4。AD598也能采用單電源供電，它的接線方法如圖2b所示。單電源供電時，電路中各參數(shù)的確定方法與雙電源供電時的方法相同，此外還應(yīng)補充以下幾條計算R5、R6和C5的方法。11.首先根據(jù)下式計算R5和R6的最大值：R5+R6V PS /100A(8)式中V PS 電源電壓，單位V12.加在R5上的電壓應(yīng)大于下列電壓：2V+10k(1.2VR4+5k+250AV OUT 4)R52+10k1.2VR4+5k+250A+Vout4R2100A根據(jù)公式(8)、(9)可求出R6的電阻值。13.負載RL上的電流要通過R5和R6的節(jié)點返回電源，在最大負載條件下應(yīng)根據(jù)第12步方法再次核算R5。最后核算電源電壓時，只要核算VA和VB的峰值要分別比+Vs和-Vs小2.5V就可以了。14.C5是一個旁路電容，其范圍在0.1到1.0F之間。三、AD598的典型應(yīng)用1差動測量系統(tǒng)線位移差動變壓器(LVDT)通常用于位置測量系統(tǒng)。為了測量物體的厚度，利用兩個LVDT和一個AD598組成一個差動測量系統(tǒng)，具體線路圖如圖4所示。該系統(tǒng)能精確地測出LVDT觸點所經(jīng)過的二側(cè)距離，它具有線路簡單，成本低廉的特點。該電路滿量程時輸出電壓V OUT V，它是來自兩個獨立的LVDT信號(每個LVDT擺幅為5V)之和。輸出電壓的擺幅決定于電阻R2，它可以由下式求得：V OUT =VA-VBVA+VB+VC-VDVC+VDR2(10)如果想進一步提高測量精度，可以采用2個LVDT和2個AD598共同組成一個精度更高的 測量系統(tǒng)。由于篇幅所限，讀者可參閱文獻2的有關(guān)內(nèi)容。2.多路LVDT系統(tǒng)在許多應(yīng)用中，采用多路測量系統(tǒng)來測量某一個平面上各點的變形，或相鄰物體的距離。多路LVDT系統(tǒng)工作時，如果LVDT的激磁信號頻率相同時，就避免了分布磁場的耦合問題，這樣使得測量結(jié)果更精確。使用多個LVDT的接線原理圖如圖5所示。在圖5中，主AD598的振蕩器輸出信號頻率與幅值由R1和C1決定。R1和C1的值按上述的第6步和第7步方法計算，其他輔助的AD548所有引腳6和引腳7互相之間短接，使它們的內(nèi)部振蕩器都處于禁止狀態(tài)，并且引腳4和引腳5分別通過15k的電阻與主AD598引腳2、引腳3相連，這樣所有輔助的AD598的激磁信號幅值與主AD598相同，在實際中存在差異即是由于電阻15k的變化差異所引起的。在圖5中，要求15k電阻相互之間要匹配。圖4 差動測量系統(tǒng)接線原理圖圖5 多LVDT測量系統(tǒng)接線原理圖如果輔助的激磁信號幅值出現(xiàn)20%的誤差這是允許的，這是由于輔助AD598的內(nèi)部電阻值不同而引起的。但是，這種偏差對線路的工作狀況不影響。在多個LVDT系統(tǒng)中，每個LVDT的初級都是由它們各自的功率放大器來驅(qū)動的。因此，在所有的AD598之間，熱飽和是共用的，使得線路中輔助AD598的數(shù)量不受限制。實際上，每個輔助AD598前端的30k電阻就成為主AD598功率放大器的負載，對于大量的輔助AD598來講，例如100個或者更多，就需要考慮主AD598功率放大器的最大輸