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AD598是一个完整的单片线性可变差动变压器(LVDT)信号调理子系统

日期:2019-11-16标签: (来源:互联网)

特征

单芯片解决方案,包含内部振荡器和电压基准;无需调整;对传感器零电压不敏感;对一次至二次相移不敏感;直流输出与位置成比例;20赫兹至20千赫频率范围;单电源或双电源操作;单极或双极输出;将在300英尺的高度操作远程LVDT;位置输出可驱动高达1000英尺的电缆;也将连接到RVDT;出色的表现;线性度:FS max的0.05%;输出电压:11V min6;增益漂移:50 ppm/C FS max8;偏移漂移:50 ppm/C FS max8。

产品描述

AD598是一个完整的单片线性可变差动变压器(LVDT)信号调理子系统。它与LVDTs结合使用,将传感器的机械位置转换为单极或双极直流电压,具有很高的精度和重复性。所有的电路功能都包含在芯片中。通过添加一些外部无源元件来设置频率和增益,AD598将原始LVDT二次输出转换为缩放的直流信号。该装置也可与RVDT传感器一起使用。

AD598包含一个低失真正弦波振荡器来驱动LVDT主电路。LVDT二次输出由两个正弦波组成,直接驱动AD598。AD598对这两个信号进行操作,用它们的差除以它们的和,产生缩放的单极或双极直流输出。

AD598使用独特的比率结构(专利申请中)来消除与传统LVDT接口方法相关的一些缺点。这种新电路的优点是:无需调整,变压器零电压和一次至二次相移不影响系统精度,提高了温度稳定性,提高了传感器的互换性。

AD598有两种性能等级:

也可加工成MIL-STD-883B,军用范围为-55°C至+125°C。

产品亮点

1、AD598提供了一个整体的解决方案,LVDT和rvdt信号调节问题;很少需要额外的无源元件来完成从机械位置到直流电压的转换,不需要调整。

2、AD598可以与许多不同类型的LVTD一起使用,因为该电路可容纳范围广泛的输入和输出电压及频率;AD598可以驱动高达24 V rms的LVDT主电路,并接受低至100 mV rms的二次输入电平。

3、20赫兹到20千赫的LVDT激励频率由一个外部电容器决定。AD598输入信号不需要与LVDT主驱动器同步。这意味着可以使用外部一次励磁,例如飞机中的400赫兹电源。

4、AD598采用比率译码方案,使得一次至二次相移和传感器零电压对整体电路性能完全没有影响。

5、只要不超过功耗限制,一个AD598可以驱动多个LVDTs,可以是插入式的,也可以是并行的。励磁输出受到热保护。

6、AD598可用于遥测应用或在接口电子设备可能远离LVDT的敌对环境中使用。AD598可以在电缆300英尺的末端,因为电路不受相移或绝对信号量的影响。位置输出可以驱动多达1000英尺的电缆。

7、AD598可作为简单机电伺服回路设计中的回路积分器。

AD598–典型特性(在+25C和VS=15V时,除非另有说明)

操作理论

图5显示了AD598的框图以及与其输入端相连的LVDT(线性可变差动变压器)。LVDT是一种机电式传感器,其输入为磁芯的机械位移,输出为与磁芯位置成比例的一对交流电压。传感器由一个初级绕组组成一个外部正弦波参考源,两个串联的二次绕组,以及一次绕组和二次绕组之间耦合磁通的可动磁芯。

AD598为LVDT一次侧通电,感应LVDT二次侧输出电压,并产生与核心位置成比例的直流输出电压。AD598由一个正弦波振荡器和功率放大器组成,用于驱动主电路,一个解码器用于确定LVDT二次电压之差除以其和的比率,一个滤波器和一个输出放大器。

振荡器包括产生三波输出的多谐振荡器。三波驱动一个正弦整形器,产生一个低失真的正弦波,其频率由一个电容器决定。输出频率范围为20赫兹至20千赫,振幅范围为2伏有效值至24伏有效值。总谐波失真通常为-50分贝。

LVDT二次侧的输出由一对正弦波组成,其幅度差(VA–VB)与磁芯位置成正比。以前的LVDT调节器同步检测这个幅度差,并将其绝对值转换成与位置成比例的电压。这项技术使用一次励磁电压作为相位基准来确定输出电压的极性。与此技术相关的问题有很多,例如(1)产生恒定振幅、恒定频率的激励信号,(2)补偿LVDT一次至二次相移,以及(3)补偿这些位移作为温度和频率的函数。

AD598消除了所有这些问题。AD598不需要恒定振幅,因为它工作在LVDT输出信号的差和和的比率上。不需要恒定频率的信号,因为输入是整流的,只处理正弦波载波幅度。由于不采用同步检测,主励磁和LVDT输出之间对相移不敏感。AD598工作所依据的比率原理要求LVDT二次电压之和与LVDT行程长度保持恒定。虽然LVDT制造商一般不指定VA+VB与行程长度之间的关系,但人们认识到一些LVDT不符合这一要求。在这些情况下会产生非线性。然而,大多数可用的lvdt实际上都满足这些要求。

AD598采用特殊的解码电路。参考下面的框图和图6,使用隐式模拟计算循环。校正后,A和B信号分别乘以互补占空比信号d和(I-d)。通过比较器对这些处理后的信号进行积分和采样。这个比较器的输出定义了原始占空比d,它反馈给乘法器。如图6所示,积分器的输入为[(A+B)d]B。

由于积分器输入被强制为0,占空比d=B/(A+B)。产生d=B/(A+B)的输出比较器还控制由参考电流驱动的输出放大器。占空比信号d和(1-d)对参考电流进行单独调制,如图6所示,这些调制相加。输出电流之和为IREF×(1–2d)。

由于d=B/(A+B),通过替换输出电流等于IREF×(A-B)/(A+B)。然后,该输出电流被过滤并转换为电压,因为它被迫流过定标电阻器R2,从而:

连接AD598

如图7和12所示,AD598可以很容易地连接到双电源或单电源操作。以下一般设计程序演示如何选择外部组件值,并可用于满足AD598输入/输出标准的任何LVDT。

由外部无源元件设置的参数包括:激励频率和振幅、AD598系统带宽和标度因数(V/英寸)。此外,还可以通过添加外部组件来使用可选功能、偏移零点调整、滤波和信号集成。

AD598设计程序双电源操作

图7显示了双±15伏电源和Schaevitz E100 LVDT的连接方法。此设计过程也可用于为其他lvdt选择组件值。步骤1至步骤10概述了该过程,如下所示:

1、确定LVD位置测量子系统F子系统所需的机械带宽。对于本例,假设fSUBSYSTEM=250赫兹。

2、选择最小LVDT激励频率,近似10 ×F子系统。因此,让激励频率=2.5 kHz。

3、选择一个合适的LVDT,它将在2.5khz的激励频率下工作。例如,Schaevitz E100将在50赫兹到10千赫的范围内工作,是本例的合格候选设备。

4、确定LVDT二次电压VA和VB之和。按照制造商的数据表(E100为3 V rms)所示,在其典型的驱动器级VPRI上给LVDT通电。将堆芯位移设置为其中心位置,其中VA=VB。测量这些值并计算它们的和VA+VB。对于E100,VA+VB=2.70 V rms。此计算将在稍后确定AD598输出电压时使用。

5、确定最佳LVDT激励电压VEXC。当LVDT在其典型的驱动电平VPRI上通电时,将堆芯位移设置到其机械满标度位置,并测量产生最大信号的二次设备的输出VSEC。计算LVDT电压变比VTR。垂直速度=V前/后秒,对于E100,VSEC=1.71 V rms对于VPRI=3 V rms。VTR=1.75。

AD598信号输入,VSEC,应在1 V rms至3.5 V rms的范围内,以最大的AD598线性度和最小噪声敏感性。选择VSEC=3 V rms。因此,LVDT励磁电压VEXC应为:

检查电源电压,确认VA和VB的峰值至少比+VS和–VS处的电压低2.5伏。

6、参考图7,对于VS=±15v,选择图8中曲线所示的振幅确定组件R1的值。

7、选择励磁频率确定部件C1。

8、C2、C3和C4是所需带宽的函数AD598位置测量子系统。他们应该名义上相等。

C2 = C3 = C4 = 10–4 Farad Hz/fSUBSYSTEM (Hz)

如果所需的系统带宽为250赫兹,则C2 = C3 = C4 = 10–4 Farad Hz/250 Hz = 0.4 μF有关更多信息,请参见图13、14和15AD598带宽和相位特性。

9、为了计算设置AD598增益或满标度输出范围的R2,需要几条信息:

a.LVDT灵敏度;

b.全尺寸堆芯位移,d;

c.制造商推荐的主驱动器级别的比率,在步骤4中计算的VPRI到(VA+VB)。

LVDT灵敏度列在LVDT制造商的目录中,单位为每英寸输入电压输出毫伏取代。E100的灵敏度为2.4 mV/V/mil。

如果制造商没有给出LVDT灵敏度,则可以进行计算。参见“确定”部分LVDT灵敏度。

对于d英寸的全尺寸位移,电压超出AD598计算为:

VOUT是根据信号参考(图7所示的引脚17)测量的。求解R2,

请注意,VPRI与步骤4中用于确定(VA+VB)的信号电平相同。

对于VOUT=20 V满标度范围(±10 V)和d=0.2英寸满标度位移(±0.1英寸),

上面的例子中,VOUT是位移的函数,如图9所示。

10、R3和R4的选择允许正或负输出电压偏移调整。

*这些值具有±20%的公差。

对于无偏移调整,R3和R4应开路。

若要设计一个产生0 V至+10 V输出(位移为±0.1英寸)的电路,请将VOUT设置为+10 V,d=0.2英寸,并求解R2的方程式(1)。R2 = 37.6 kΩ

这将产生如图10所示的响应。

在等式(2)中,将VOS设置为5v,并求解R3和R4。因为需要正偏移,所以让R4开路。

重新排列方程(2)和R3的求解:

图11显示了所需的响应。

设计程序单一供应操作

图12显示了单电源连接方法。

对于单电源操作,重复双电源操作设计程序的步骤1至10,然后完成下面的附加步骤11至14。R5、R6和C5是有待确定的附加成分值。VOUT是根据信号参考来测量的。

11、基于关系计算R5和R6的最大值,R5 + R6 ≤ VPS/100 μA

12、R5上的电压降必须大于

因此

*这些值具有±20%的公差。

基于R5+R6(步骤11)和R5(步骤12)的约束,选择一个中间值R6。

13、通过RL的负载电流返回R5和R6的交界处,并流回VPS。在最大负载条件下,确保在步骤12中定义R5上的电压降。作为对电源电压的最终检查,验证VA和VB的峰值至少比+VS和–VS处的电压低2.5伏。

14、C5是0.1至1μF范围内的旁路电容器。

增益相位特性

要在闭环机械伺服应用中使用LVDT,必须了解传感器和接口元件的动态特性。一旦磁芯移动,传感器本身的响应非常快。动力学主要来自界面电子学。图13、14和15显示了AD598 LVDT信号调节器的频率响应。请注意,图14和图15基本上是相同的;区别在于涵盖的频率范围。图14显示了以牺牲精度为代价的更大范围的机械输入频率。图15显示了一个更有限的频率范围和更高的精度。这些数字是传递函数,输入被视为正弦变化的机械位置,输出被视为来自AD598的电压;传递函数的单位是每英寸伏特。图7中C2、C3和C4的值均相等,并在图中指定为参数。响应大约是两个实极点的响应。然而,在较高的频率下存在明显的过相位。一个附加的滤波极点可以通过一个并联电容器穿过R2引入(见图7);这也会增加相位滞后。

当选择C2、C3和C4的值来设置系统的带宽时,需要权衡。“直流”位置输出电压存在纹波,其大小由滤波电容决定。一般来说,较小的电容器将提供更高的系统带宽和更大的纹波。图16和17显示了作为C2、C3和C4函数的波纹大小,同样在数值上都相等。另请注意,R2上的并联电容器显示为参数(见图7)。使用的R2值为81 kΩ,Schaevitz E100 LVDT。

测定LVDT灵敏度

LVDT灵敏度可以通过测量LVDT二次电压作为主驱动器和核心位置的函数来确定,并进行简单的计算。

在推荐的主驱动器级别上给LVDT通电,VPRI(E100为3v rms)。将核心设置为VA=VB的中点。将磁芯位移设置到其机械满标度位置,并测量二次电压VA和VB。

从图18来看,

热关机和加载注意事项

AD598由热过载电路保护。当模具温度达到165℃时,正弦波激励幅度逐渐减小,从而降低了内部功耗和温度。

由于译码器电路的比率运算,只有很小的误差来自于激励幅度的减小。在这些条件下,AD598的信号处理部分继续满足其输出规范。

热负荷取决于输送到负荷的电压和电流以及电源电压。LVDT一次绕组将对正弦波激励产生感应负载。还必须考虑励磁电压和电流之间的相位角,使热计算更加复杂。

AD598–应用程序

检定环秤

图20显示了一个弹性构件(钢验证环)和一个LVDT相结合,提供了一种测量非常小荷载的方法。图19显示了电路的详细信息。

与LVDT结合使用验证环的优点是,LVDT的磁芯和线圈之间不涉及摩擦。这意味着重量的测量不会与摩擦力混淆。这对于非常低的全尺寸重量应用尤其重要。

尽管人们认识到,这种测量系统最适合用于称量非常小的重量,但该电路的设计目的是使用Morehouse Instruments型号5BT的测试环,为500磅的重量提供10 V的满标度输出。LVDT是Schaevitz型HR050(±50 mil满标度)。尽管该LVDT提供了±50 mil满标度,但在设计程序的第9步中,计算了d=±30 mil和VOUT等于10 V时的R2值。

1μF电容器提供额外的滤波,从而减少由机械振动引起的噪声。其他的电路值是用设计程序以通常的方式计算的。

该称重秤可设计为通过选择R3或R4(如图7和图12所示)输入偏置电压来测量皮重。皮重是一个集装箱的重量,从毛重中扣除以获得净重。

R3或R4的值可以使用两种不同的方法之一计算。首先,电位计可以连接在AD598的引脚18和19之间,而雨刮器连接到–v电源。这会产生任意极性的小偏移;该值可使用设计程序的步骤10计算。对于一个方向上的较大偏移量,用一个电位计替换R3或R4,其雨刮器连接至–V电源。

通过在天平上放置100克砝码,并在示波器上观察AD598输出信号偏转,来检查该天平的分辨率。挠度为4.8mv。

可在示波器上测量的最小信号偏转为450微伏,相当于10克的重量。这个450微伏的信号对应于1.32微英寸的LVDT位移,相当于蓝光波长的十分之一。

由于钢的杨氏模量,该电路中使用的试验环的温度系数为250 ppm/℃。通过放置一个温度系数为R2的电阻器,可以对称重秤进行温度补偿。由于试验环的钢在较高温度下变软,给定力的挠度较大,因此需要一个负温度系数的电阻器。

多台LVDTS的同步运行

在许多应用中,例如多测量测量,大量的LVDTs用于接近物理接近。如果这些lvdt在类似的载频下工作,杂散磁耦合可能会产生拍频。由此产生的节拍音符会干扰在这些条件下进行测量的准确性。为了避免这种情况,所有的lvdt都是同步操作的。

图21所示的电路有一个主振荡器和任意数量的从振荡器。主AD598振荡器使用设计过程中的步骤6和7,通过R1和C2以通常方式编程其频率和振幅。从机AD598s的引脚6和引脚7连接在一起,以禁用其内部振荡器。每个从机的引脚4和5通过15 kΩ电阻器连接到主机的引脚2和3,从而将从机的振幅设置为等于主机的振幅。如果需要不同的振幅,则应更改15 kΩ电阻值。注意,振幅与电阻值成线性比例。之所以选择15 kΩ值,是因为它与电路内部电阻器的标称值匹配。由于内部电阻值不同,从振幅之间出现20%的公差,但这不会影响电路的工作。

请注意,每个LVDT主电路由其自身的功率放大器驱动,因此热负载在AD598s之间共享。由于每个从电路向主AD598功率放大器提供30 kΩ的负载,因此该电路中的从电路数量几乎没有限制。对于一个非常多的奴隶(例如100或更多),可能需要考虑从主AD598功率放大器提取的最大输出电流。

高分辨率位置-频率电路

在图22所示的电路中,AD598与AD652电压-频率(V/F)转换器相结合,以产生能够进行高分辨率测量的有效、简单的数据转换器。

该电路以电流的形式将信号从LVDT传输到V/F转换器,从而消除了通常由V/F转换器的偏置电压引起的误差。在这种电路中,V/F转换器的偏置电压通常是最大的误差源。将到AD652的模拟输入信号转换为数字频率输出脉冲,该脉冲可以通过简单的数字方式进行计数。

如果要测量的位置有很大程度的机械振动(hum),此电路特别有用。通过在等于hum周期的倍数的门时间(固定周期)上计数数字频率脉冲,可以完全拒绝hum。为了完全消除嗡嗡声的影响,嗡嗡声必须是周期性信号。

V/F转换器目前设置为单极运行。AD652数据表说明了如何设置双极操作。注意,当LVDT磁芯居中时,输出频率为零。当LVDT磁芯偏离中心位置时,在一侧,频率增加到满标度值。要将双极操作引入该电路,必须在LVDT处引入偏移,如设计程序的步骤10所示。

低成本设定点控制器

使用图23所示的电路可以实现低成本的设定点控制器。这种电路可能用于汽车燃油控制系统。电位计P1安装在油门踏板上,LVDT安装在燃油喷射系统或化油器的蝶阀上。蝶阀的位置由油门踏板的位置进行电子控制,无需机械连杆。

该电路是一个简单的双IC闭环伺服控制器。它很简单,因为LVDT电路起到了环路积分器的作用。通过将电容器置于反馈路径(通常由R2占用),来自AD598的输出信号对应于LVDT测量位置的时间积分。LVDT位置信号与电位计P1引入的偏移信号相加。因为这个和是积分的,所以它必须强制为零。因此,LVDT位置被迫跟随输入电位计P1的值。来自AD598的输出信号驱动LM675功率放大器,进而驱动电磁阀。

该电路具有成本低、精度高的双重优点。高精度的结果是避免了通常与将LVDT信号转换为电压相关的偏移误差,然后对该电压进行积分。

机械随动伺服回路

图24显示了两个Schaevitz E100 LVDTs如何与两个AD598s组合在一个机械跟随器伺服回路配置中。其中一个LVDT提供机械输入位置信号,而另一个LVDT模拟运动。

来自输入位置电路的信号作为电流馈送到输出,这样就避免了电压偏移误差。该电流信号与来自输出位置LVDT的信号求和;该求和信号被集成,使得输出位置现在等于输入位置。这种电路是实现机械伺服回路的有效方法,因为只需要三个集成电路。

该电路与先前的电路(图23)类似,但有一个例外:先前的电路使用一个电位计而不是LVDT来提供输入位置信号。用LVDT替换电位计有两个优点。首先,在位置输入传感器位于恶劣环境中的应用中,可以利用LVDT增加的可靠性和鲁棒性其次,输入和输出lvdt的机械运动保证在其各自比例因子的匹配范围内相同。这些独特的优点使该电路成为液压执行器控制器的理想应用。

差分测量

LVDTs常用于测量系统中。两个lvdt可用于测量物体的厚度或锥度。为了测量厚度,LVDTs被放置在被测物体的两边。LVDTs被定位成在完全缩回位置之间存在已知的最大距离。

这个电路既简单又便宜。它的优点是可以从一个AD598驱动两个LVDT,但缺点是每个LVDT的比例因子可能不完全匹配。这会导致工件厚度测量值根据其在差动测头中的绝对位置而变化。

该电路设计为产生一个±10v的信号输出摆幅,由每个LVDT的两个独立的±5v摆幅之和组成。输出电压摆幅设置为80.9 kΩ电阻。此电路的输出电压VOUT由以下公式给出:

精密差分测量

图26所示的电路在功能上与图25所示的差分测量电路相似。与图25相反,它提供了一种独立调整每个LVDT的比例因子的方法,以便两个比例因子可以匹配。

两个LVDT以主从式结构驱动,其中从LVDT的输出信号与来自主LVDT的输出信号。从属LVDT的比例因子仅用R1和R2进行调整。主LVDT和从LVDT的总比例因子用R3调整。

R1和R2被选为80.9kΩ电阻,为单个Schaevitz E100 LVDT提供±10v满标度输出信号。R3选择为40.2 kΩ,以在两个E100 LVDT输出信号相加时提供±10 V输出信号。此电路的输出电压由下式给出:

半桥式传感器的操作

尽管AD598不打算与半桥式传感器一起使用,但它可以在性能下降的情况下工作。

半桥式换能器是一种常用的换能器。它的工作方式与LVDT类似,两个线圈绕在一个可移动的磁芯上,每个线圈的电感是磁芯位置的函数。

在图27所示的电路中,VA和VB输入电压被发展为两个电阻电感分配器。如果电感相等(即磁芯居中),则AD598的VA和VB输入电压相等,且输出电压VOUT为零。当磁芯偏离中心时,电感不相等,产生输出电压VOUT。

该电路的线性度取决于电阻电感分压器中电阻的值。最佳值可能取决于传感器,因此必须通过反复试验来选择。该电路中的300Ω电阻将传递函数的非线性优化到1%的十分之几以内。该电路采用Sangamo AGH1半桥传感器。1μF电容器阻断励磁输出信号的直流偏移。根据制造商的建议,4NF电容器将传感器激励频率设置为10kHz。

交替半桥传感器电路

该电路与先前电路描述中提到的电路具有类似的精度问题。在该电路中,输入到AD598的VA信号实际上是一个核心位置的线性函数,而输入信号VB是励磁电压电平的一半。然而,a-B/a+B传递函数引入了非线性。

选择该电路中的500Ω电阻是为了将来自VA和VB输入的直流偏置电流引起的误差降到最低。注意,在之前的电路中,这些偏置电流通过线圈看到非常低的接地电阻路径。