AD598：高性能LVDT信號(hào)調(diào)理器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，傳感器信號(hào)調(diào)理是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）和旋轉(zhuǎn)變壓器（RVDT）這類傳感器。今天，我們就來(lái)深入探討一款功能強(qiáng)大的LVDT信號(hào)調(diào)理器——AD598。

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一、AD598概述

AD598是一款完整的單片LVDT信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)，它能與LVDT配合使用，將傳感器的機(jī)械位置高精度、高重復(fù)性地轉(zhuǎn)換為單極性或雙極性直流電壓。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和出色的性能，使其在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中脫穎而出。

（一）主要特性

1. 單芯片解決方案：集成了內(nèi)部振蕩器和電壓基準(zhǔn)，只需添加少量外部無(wú)源元件即可完成從機(jī)械位置到直流電壓的轉(zhuǎn)換，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。
2. 高穩(wěn)定性：對(duì)傳感器零電壓和初級(jí)到次級(jí)相移不敏感，有效提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和溫度穩(wěn)定性。
3. 寬工作范圍：支持20 Hz至20 kHz的頻率范圍，可采用單電源或雙電源供電，輸出可為單極性或雙極性。
4. 長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)能力：能夠驅(qū)動(dòng)最遠(yuǎn)300英尺的遠(yuǎn)程LVDT，位置輸出可驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)達(dá)1000英尺的電纜。
5. 出色的性能指標(biāo)：線性度高達(dá)0.05% FS max，輸出電壓最小為11 V，增益漂移和失調(diào)漂移最大均為50 ppm/°C FS。

（二）產(chǎn)品描述

AD598采用獨(dú)特的比例式架構(gòu)（專利申請(qǐng)中），克服了傳統(tǒng)LVDT接口方法的諸多缺點(diǎn)。它包含一個(gè)低失真正弦波振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)，通過(guò)對(duì)LVDT次級(jí)輸出的兩個(gè)正弦波進(jìn)行處理，將它們的差值除以和值，從而產(chǎn)生與核心位置成比例的直流輸出。

（三）性能等級(jí)與封裝

AD598提供兩種性能等級(jí)：AD598JR適用于0°C至+70°C的溫度范圍，采用20引腳小外形（SOIC）封裝；AD598AD適用于 - 40°C至+85°C的溫度范圍，采用20引腳陶瓷雙列直插（DIP）封裝。此外，它還可根據(jù)MIL - STD - 883B進(jìn)行處理，適用于 - 55°C至+125°C的軍事溫度范圍。

二、工作原理

（一）整體架構(gòu)

AD598主要由正弦波振蕩器、功率放大器、解碼器、濾波器和輸出放大器組成。振蕩器產(chǎn)生的低失真正弦波驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)，LVDT次級(jí)輸出的兩個(gè)正弦波輸入到解碼器，解碼器計(jì)算它們的差值與和值的比例，經(jīng)過(guò)濾波和放大后得到最終的直流輸出。

（二）振蕩器工作方式

振蕩器由多諧振蕩器和正弦整形器組成。多諧振蕩器產(chǎn)生三角波輸出，驅(qū)動(dòng)正弦整形器生成低失真正弦波，其頻率由單個(gè)電容決定，范圍為20 Hz至20 kHz，幅度為2 V rms至24 V rms，總諧波失真通常為 - 50 dB。

（三）信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的LVDT調(diào)理器相比，AD598不依賴于恒定幅度和頻率的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)初級(jí)激勵(lì)和LVDT輸出之間的相移不敏感，避免了傳統(tǒng)方法中因激勵(lì)信號(hào)不穩(wěn)定和相移帶來(lái)的問(wèn)題。但需要注意的是，其比例式原理要求LVDT次級(jí)電壓之和在行程長(zhǎng)度內(nèi)保持恒定，大多數(shù)LVDT能滿足這一要求，但部分可能會(huì)導(dǎo)致非線性。

三、設(shè)計(jì)與連接

（一）設(shè)計(jì)步驟

無(wú)論是雙電源還是單電源操作，AD598的設(shè)計(jì)都有一套明確的步驟。以雙電源操作為例，首先要確定LVDT位置測(cè)量子系統(tǒng)所需的機(jī)械帶寬，選擇合適的LVDT激勵(lì)頻率和LVDT型號(hào)，然后計(jì)算LVDT次級(jí)電壓之和、最佳激勵(lì)電壓，選擇幅度確定組件R1和激勵(lì)頻率確定組件C1，根據(jù)系統(tǒng)帶寬選擇C2、C3和C4的值，計(jì)算設(shè)置增益的R2以及用于輸出電壓偏移調(diào)整的R3和R4。單電源操作在雙電源操作步驟的基礎(chǔ)上，還需要確定R5、R6和C5的值。

（二）增益和相位特性

在閉環(huán)機(jī)械伺服應(yīng)用中，了解AD598的動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。其頻率響應(yīng)近似于兩個(gè)實(shí)極點(diǎn)，但在較高頻率下存在明顯的額外相位?？梢酝ㄟ^(guò)在R2上并聯(lián)電容引入額外的濾波極點(diǎn)，但會(huì)增加相位滯后。在選擇C2、C3和C4的值來(lái)設(shè)置系統(tǒng)帶寬時(shí)，需要權(quán)衡帶寬和輸出電壓紋波的關(guān)系，較小的電容會(huì)帶來(lái)更高的系統(tǒng)帶寬，但也會(huì)增加紋波。

（三）LVDT靈敏度確定

LVDT靈敏度可以通過(guò)測(cè)量LVDT次級(jí)電壓隨初級(jí)驅(qū)動(dòng)和核心位置的變化，并進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算得到。具體方法是在推薦的初級(jí)驅(qū)動(dòng)水平下，將核心設(shè)置到中點(diǎn)和機(jī)械滿量程位置，測(cè)量次級(jí)電壓，然后根據(jù)公式計(jì)算靈敏度。

四、熱保護(hù)與負(fù)載考慮

AD598配備了熱過(guò)載保護(hù)電路，當(dāng)芯片溫度達(dá)到165°C時(shí)，正弦波激勵(lì)幅度會(huì)逐漸降低，從而降低內(nèi)部功耗和溫度。由于解碼器電路的比例式操作，激勵(lì)幅度的降低只會(huì)導(dǎo)致較小的誤差，信號(hào)處理部分仍能滿足輸出規(guī)格。但在進(jìn)行熱計(jì)算時(shí)，需要考慮負(fù)載的電壓、電流以及電源電位，LVDT初級(jí)的感性負(fù)載和激勵(lì)電壓與電流之間的相角也會(huì)增加熱計(jì)算的復(fù)雜性。

五、應(yīng)用案例

（一）證明環(huán)稱重秤

將彈性元件（鋼證明環(huán)）與LVDT結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)非常小負(fù)載的測(cè)量。通過(guò)AD598進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，電路中的1 μF電容可減少機(jī)械振動(dòng)引起的噪聲。該稱重秤可以通過(guò)選擇R3或R4引入偏移電壓來(lái)測(cè)量皮重，并且可以通過(guò)使用具有溫度系數(shù)的電阻來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

（二）多個(gè)LVDT的同步操作

在多個(gè)LVDT近距離使用的應(yīng)用中，為避免雜散磁耦合產(chǎn)生的拍頻干擾測(cè)量精度，可采用同步操作。通過(guò)一個(gè)主振蕩器和多個(gè)從振蕩器的電路設(shè)計(jì)，使所有LVDT同步工作，每個(gè)LVDT初級(jí)由獨(dú)立的功率放大器驅(qū)動(dòng)，熱負(fù)載在AD598之間分擔(dān)。

（三）高分辨率位置 - 頻率電路

將AD598與AD652電壓 - 頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的位置測(cè)量。該電路以電流形式將LVDT信號(hào)傳輸?shù)絍/F轉(zhuǎn)換器，消除了V/F轉(zhuǎn)換器失調(diào)電壓帶來(lái)的誤差，尤其適用于存在機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量場(chǎng)景。

（四）低成本設(shè)定點(diǎn)控制器

在汽車燃油控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，可使用低成本設(shè)定點(diǎn)控制器。通過(guò)將電位器連接到油門踏板，LVDT連接到燃油噴射系統(tǒng)或化油器的蝶閥，實(shí)現(xiàn)電子控制蝶閥位置，無(wú)需機(jī)械聯(lián)動(dòng)。

（五）機(jī)械跟隨伺服環(huán)

將兩個(gè)LVDT與兩個(gè)AD598結(jié)合，可構(gòu)建機(jī)械跟隨伺服環(huán)。該電路通過(guò)電流信號(hào)傳輸避免了電壓偏移誤差，使輸出位置跟隨輸入位置，適用于液壓執(zhí)行器控制器等應(yīng)用。

（六）差分測(cè)量與精密差分測(cè)量

在測(cè)量物體厚度或錐度的應(yīng)用中，可使用兩個(gè)LVDT進(jìn)行差分測(cè)量。普通差分測(cè)量電路簡(jiǎn)單且成本低，但可能存在LVDT比例因子不匹配的問(wèn)題；精密差分測(cè)量電路則可以獨(dú)立調(diào)整每個(gè)LVDT的比例因子，提高測(cè)量精度。

（七）半橋傳感器操作

雖然AD598并非專為半橋型傳感器設(shè)計(jì)，但通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)可以使其與半橋型傳感器配合使用，不過(guò)性能會(huì)有所下降。在這種應(yīng)用中，需要注意輸入電壓的產(chǎn)生方式以及電阻值的選擇對(duì)線性度的影響。

綜上所述，AD598憑借其出色的性能和豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在LVDT和RVDT信號(hào)調(diào)理方面提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體需求，靈活運(yùn)用AD598的各項(xiàng)特性，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的傳感器信號(hào)處理。大家在使用AD598的過(guò)程中遇到過(guò)哪些有趣的問(wèn)題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。