一 概 述

在信息采集系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用通常處于系統(tǒng)的前端，即其為檢測和控制系統(tǒng)之首，它提供給系統(tǒng)處理和決策所必須的原始信息，因此，傳感器的精度對整個系統(tǒng)是至關(guān)重要的。在位移、速度及加速度的測量系統(tǒng)中，經(jīng)常會使用靈敏度高、線性度好的差動變壓器式傳感器，且差動變壓器式傳感器目前已經(jīng)擁有成熟的配套激勵和解調(diào)集成電路，其中ADI公司的AD598和AD698是目前市場上應(yīng)用相當(dāng)廣泛的LVDT信號調(diào)理電路。為推進(jìn)配合集成電路國產(chǎn)化配套工作，航晶公司當(dāng)前已推出了一款完全國產(chǎn)化的HJG598 LVDT激勵解調(diào)器，能夠做到對進(jìn)口器件AD598的完全國產(chǎn)化功能替代，可以實(shí)現(xiàn)對傳感器的激勵與解調(diào)的功能，并已完全推向客戶進(jìn)行國產(chǎn)化替代AD598的使用，在國內(nèi)十余家客戶的供應(yīng)上都已實(shí)現(xiàn)成熟的批量供貨。

航晶公司秉持著對客戶負(fù)責(zé)的態(tài)度，不僅在客戶需求的國產(chǎn)化新型產(chǎn)品研發(fā)上投入十足的精力，對于已經(jīng)成熟配套的產(chǎn)品也會根據(jù)客戶的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行技術(shù)支持，使得新產(chǎn)品的研發(fā)與老產(chǎn)品的配套都在隨著航晶公司的進(jìn)步而一同前進(jìn)。近期有客戶提出新需求，因系統(tǒng)對于傳感器的采集精度在全溫環(huán)境下精度更高、溫漂更小，希望將器件HJG598的精度與溫漂再優(yōu)化，接收到客戶訴求后，航晶公司立刻組織研發(fā)人員對客戶的器件應(yīng)用環(huán)境與應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行探討與分析，并對器件的應(yīng)用條件與參數(shù)進(jìn)行改善，使得整個產(chǎn)品改進(jìn)能夠滿足客戶需求。也有客戶提出在應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)器件解調(diào)部分的響應(yīng)速度相比傳感器的變換速度慢的情況，航晶公司器件進(jìn)行原理性的分析，探討影響解調(diào)響應(yīng)速度的因素并對此問題進(jìn)行改善。

二

溫漂特性問題分析

客戶反饋當(dāng)前HJG598的差值輸出信號在系統(tǒng)采集中顯示在全溫環(huán)境下溫漂大，至采集精度誤差明顯。希望對HJG598應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整以使得系統(tǒng)采集到的信號溫漂較小，提高整個系統(tǒng)的采集精度。

應(yīng)用相同的外圍元件參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗驗證，對多只器件HJG598的多個信息點(diǎn)進(jìn)行檢測分析以判斷差值輸出溫漂大的根本原因，以能夠從從源頭上直接判斷并改善優(yōu)化溫漂問題。對器件HJG598的激勵信號輸出、和值輸出與差值輸出三路輸出電進(jìn)行檢測，在常溫、高溫和低溫三種溫度環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)記錄并計算溫漂值：

初始實(shí)驗條件：

供電VCC=+15V,VEE=-15V,激磁信號頻率固定設(shè)置1800Hz。

器件HJG598由激勵部分和解調(diào)部分兩部分組成，器件三路輸出的溫漂也主要來源于這兩部分，激磁功能部分的溫漂不僅能影響激磁驅(qū)動信號幅度的變化，也會與解調(diào)部分溫漂共同決定最終的和值輸出幅度變化和差值輸出幅度變化。

通過上述實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

在3種不同激勵信號幅度的工作狀態(tài)下，器件輸出的溫度特性表現(xiàn)為不同的狀態(tài)。

在6.5Vrms的激磁信號工作時，激磁信號的的溫漂較大，呈正溫度特性，在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境下的變化特性一致，激磁信號幅度基本是隨著溫度的升高呈線性增大的現(xiàn)象的。差值輸出幅度也是隨著溫度的增加而增加的，但有明顯的在低溫環(huán)境下變化幅度稍大于高溫環(huán)境的變化幅度的現(xiàn)象，且差值輸出變化趨勢與激磁信號幅度變化趨勢基本一致。和值輸出的溫漂變化最大并隨溫度的增大呈增大的趨勢。

在5Vrms的激磁信號工作時，激磁信號的的溫漂很小，而差值輸出的溫漂變化趨勢與激磁信號溫漂變化趨勢相同也表現(xiàn)的很小。和值輸出的溫漂數(shù)據(jù)與6.5Vrms激勵下的溫漂參數(shù)基本一致，仍然表現(xiàn)的較大。

在3Vrms的激磁信號工作時，激磁信號的的溫漂較大，呈負(fù)溫度特性，差值輸出的溫度特性與激磁信號的溫度特性變化仍然一致，而和值輸出的溫漂仍然較大。

通過三次不同激勵幅度的實(shí)驗驗證能夠判斷出是因為激磁信號的變化大致差值輸出發(fā)生相應(yīng)的變化，而解調(diào)部分對差值輸出基本無影響，但對和值輸出由明顯的隨溫度增加有正溫漂變化的影響。即只要能夠?qū)⒓ご判盘柕臏仄瘻p小就能夠減小最終所需要的差值輸出電路的溫漂。

在不同激磁幅度的工作下，激磁信號與差值信號輸出的溫漂特性也是有差異的。

典型應(yīng)用圖中的CT1與CT2決定激磁信號頻率，電阻RSCL為反饋電阻其值大小決定了激磁信號的幅度，RF1影響和值輸出幅度大小，RF2影響差值輸出幅度大小。根據(jù)只有RSCL阻值決定激磁信號幅度大小和激磁信號溫漂基本是隨著溫度變化而呈線性變化的特性，即可以將RSCL回路做成一個隨溫度有固定變化的網(wǎng)絡(luò)以對器件內(nèi)部激磁部分溫漂進(jìn)行補(bǔ)償，分析可以利用二極管的溫度特性對RSCL網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償以減小器件激磁信號的正溫漂特性，連接方法參考圖3和圖4。此方法也能夠?qū)哂休^大正溫度特性的和值輸出進(jìn)行補(bǔ)償。

如圖所示：環(huán)境溫度的升高將會導(dǎo)致半導(dǎo)體的本征激發(fā)能力增強(qiáng)，即二極管PN結(jié)內(nèi)的少子濃度上升，反向飽和電流IS增大(由少子漂移運(yùn)動能力決定），進(jìn)而使得正向電流增大，空間電荷區(qū)變窄，導(dǎo)通電壓減小。而這個導(dǎo)通電壓變小的特性與溫度的變化基本是線性的：大約每1℃的上升將會使得二極管導(dǎo)通電壓下降2mV。二極管的導(dǎo)通電壓變化與溫度的變化是有負(fù)向線性關(guān)系的。HJG598的反饋回路應(yīng)用二極管進(jìn)行補(bǔ)償后，可預(yù)見二極管的溫度特性能夠?qū)ご判盘柗葴仄M(jìn)行補(bǔ)償。

此方法可以對正溫度特性模式的器件進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，由于器件在低激磁信號幅度工作的情況會產(chǎn)生的負(fù)溫度特性的情況無法補(bǔ)償，因此一般不推薦器件在低幅度情況下工作的，因為器件HJG598的后端解調(diào)部分輸入級的輸入阻抗較低只有2KΩ，即對于輸入信號的驅(qū)動能力就有要求，輸入信號幅度低時導(dǎo)致器件的驅(qū)動能力低就會影響解調(diào)部分的采集精度，而且低幅度工作下的傳感器其對外部磁場的抗干擾能力弱與高幅度的工作下，因此我們一般都推薦客戶應(yīng)用在高激磁幅度信號的工作模式。

添加二極管后應(yīng)用與原6.5Vrms激勵情況的相同的實(shí)驗條件重新進(jìn)行試驗并記錄數(shù)據(jù)，具體原理圖參考圖5，對溫漂改良方法進(jìn)行驗證。

能夠觀察到激磁信號與差值信號的溫漂都得到了減小，基本小于100ppm/℃，和值輸出的溫度特性也得到了明顯改善，溫漂參數(shù)也只有150ppm/℃以下，即二極管的補(bǔ)償有著改善器件的溫漂特性的作用。但是此時和值輸出的計算公式在添加二極管改善溫漂后也發(fā)生了變化，計算公式將修正為：

計算公式中的VD(ON)為應(yīng)用的二極管的正向?qū)▔航?，利用?dǎo)通電壓的溫度特性以對和值輸出的溫漂變化進(jìn)行了補(bǔ)償。從計算公式中可以得出此二極管溫度補(bǔ)償值是在原和值輸出上進(jìn)行加減法處理的，即不同幅度和值輸出情況下的補(bǔ)償結(jié)果也將是不一致的，根據(jù)當(dāng)前的實(shí)驗分析，和值輸出目前設(shè)置在3V-4V的量程內(nèi)的補(bǔ)償效果更好。

三

器件解調(diào)響應(yīng)速度與輸出噪聲問題分析

有客戶反饋器件解調(diào)部分的輸入信號-輸出信號的建立響應(yīng)時間較長，不能滿足后端采集系統(tǒng)的工作要求，希望器件的響應(yīng)時間能夠減小。

影響器件解調(diào)部分響應(yīng)時間的因素主要在于器件內(nèi)部集成的整流電路網(wǎng)絡(luò)濾波電路元件參數(shù)與輸出級濾波網(wǎng)絡(luò)時間參數(shù)的設(shè)置。一般情況下器件配套使用的位移傳感器的工作頻率較低，激勵信號通常都為1.8KHz或3KHz，這使得當(dāng)前器件后級內(nèi)部集成的濾波網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)設(shè)置的較大，以能夠得到一個失真度低、交流殘余量小的直流電壓信號輸出，即將無用的器件輸出噪聲信號降低，所以要想使得器件的解調(diào)部分響應(yīng)速度變快，必須調(diào)節(jié)減小整流電路濾波網(wǎng)絡(luò)的時間參數(shù)或輸出級濾波網(wǎng)絡(luò)的時間參數(shù)，但這樣也將會使得輸出級的交流殘余量信號增大。

通過對器件內(nèi)部的濾波網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，驗證時間常數(shù)、響應(yīng)時間與輸出交流參與信號的對應(yīng)關(guān)系。

上圖為修改整流回路時間常數(shù)前后的對照試驗，黃色波形為激勵信號，藍(lán)色波形為差值輸出A-B通道的交流殘余信號。能看到原狀態(tài)時間常數(shù)大的器件交流殘余量大約有10mV左右，而減小時間常數(shù)后的器件交流殘余量大約有20mV，再對兩只器件的解調(diào)部分輸入信號-輸出信號建立時間進(jìn)行測試。

上圖中黃色信號為解調(diào)部分的輸入信號，藍(lán)色信號為輸出信號，能夠觀察到原狀態(tài)時間常數(shù)大的器件從輸入信號產(chǎn)生至輸出信號完成輸出這一段信號的建立時間有20mS左右，而更改后時間常數(shù)小的器件其信號的建立時間只有4mS左右。即在減小了內(nèi)部整流電路的時間常數(shù)設(shè)置后，器件HJG598解調(diào)部分的響應(yīng)速度增大了，但其直流輸出信號上的交流殘余量值也增大了，器件的輸出噪聲電壓增大了，即器件解調(diào)部分響應(yīng)時間的快慢與輸出噪聲電壓大小是負(fù)相關(guān)的。如要想器件的響應(yīng)時間加快，必須在器件內(nèi)部調(diào)節(jié)減小整流網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)，但這也會導(dǎo)致器件的輸出噪聲電壓增大。

器件的工作頻率也與需求調(diào)試的時間常數(shù)大小和輸出噪聲電壓要求均相關(guān)，器件的工作頻率發(fā)生改變，則將交流信號整流濾波成直流信號的濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也將會發(fā)生變化。例如可以通過增大器件的工作頻率，則在得到相同或更低輸出噪聲電壓的情況下，整流濾波網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)也可以進(jìn)行縮小，這樣就能得到響應(yīng)速度更快、輸出噪聲電壓更小的特性。

四 結(jié)論

4.1 溫漂問題結(jié)論

通過對器件工作原理與實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，提出了一種改善器件溫漂特性的應(yīng)用措施并進(jìn)行了實(shí)驗驗證，驗證了在激磁信號反饋回路添加溫償二極管能夠有效的減小整個器件HJG598的激磁與差值輸出的溫漂，在和值輸出反饋電阻回路添加二極管也能夠?qū)椭递敵龅臏囟忍匦云鸬礁纳谱饔?，即利用二極管的開啟電壓的溫度特性進(jìn)行溫漂補(bǔ)償是一種有效的實(shí)施措施。

4.2解調(diào)部分響應(yīng)速度與輸出噪聲關(guān)系結(jié)論

通過實(shí)驗找到器件解調(diào)部分的輸入信號-輸出信號的建立響應(yīng)時間較長的根本原因，并對工作頻率、響應(yīng)時間與輸出噪聲電壓的關(guān)系進(jìn)行了探討與驗證，明確了其之間相互影響的關(guān)系，并提出了減小響應(yīng)時間、提高響應(yīng)速度的措施。