摘要：簡要介紹了AD698的工作原理，對(duì)AD698在RVDT傳感器測量中的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究。根據(jù)傳感器使用要求，進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)分析和電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)從電源、信號(hào)濾波、輸入輸出范圍、信號(hào)傳輸連接各方面采取了提高測量準(zhǔn)確性的可靠性措施，最終達(dá)到了理想的效果。

關(guān)鍵詞：AD698；RVDT傳感器；測量；可靠性

LVDT表示差動(dòng)變壓位移傳感器，是一種機(jī)電元件，一般由一個(gè)鐵芯、一個(gè)初級(jí)線圈和二個(gè)次級(jí)線圈組成。外部正弦波信號(hào)源激勵(lì)初級(jí)線圈，通過初級(jí)線圈與次級(jí)線圈弱電磁耦合，使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關(guān)系，通過電壓測量即可獲得位移信息。

RVDT(Rotary Variable Differential Transformer)是旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器縮寫，屬于角位移傳感器。

它采用與LVDT相同的差動(dòng)變壓器式原理，即把機(jī)械部件的旋轉(zhuǎn)傳遞到角位移傳感器的軸上，帶動(dòng)與之相連的鐵芯，通過改變線圈中的感應(yīng)電壓，輸出與旋轉(zhuǎn)角度成比例的電壓信號(hào)。

RVDT的初級(jí)和次級(jí)線圈是完全隔離的，為非接觸設(shè)計(jì)，具有無限分辨率、使用壽命長，精度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)測量，廣泛應(yīng)用于鐵路、航天航空、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)閥門開度和精密位移的測量和反饋控制。

RVDT傳感器位移檢測電路主要包括激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路和信號(hào)調(diào)理電路，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路，這2種測量方法都是用分立電子元件搭成的，電路復(fù)雜，不易調(diào)試。AD698線性位移差分變壓器信號(hào)調(diào)理芯片彌補(bǔ)了這方面的缺陷，電路集成度高并且輸出增益可調(diào)。

1 AD698的特點(diǎn)

AD698是美國ADI公司生產(chǎn)的單片式線性位移差分變壓器信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。AD698與RVDT／LVDT配合，能夠高精確性、可重復(fù)性的將RVDT／   LVDT的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性的直流電壓。AD698具有RVDT／LVDT檢測電路所有必不可少的電路功能，只要增加幾個(gè)外接元源元件來確定激磁頻率和增益，就能把RVDT／LVDT的原始輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)比例直流信號(hào)，消除原邊驅(qū)動(dòng)的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善測量的溫度性能和穩(wěn)定性。

AD698的主要特點(diǎn)有：

1)內(nèi)含晶振和參考電壓源，只需附加極少量的無源元件就可實(shí)現(xiàn)位置的機(jī)械變量到直流電壓的轉(zhuǎn)換，并且無需校準(zhǔn)。提供用單片電路來調(diào)理RVDT信號(hào)的完整解決方案，其直流電壓輸出正比于RVDT的角度變化；

2)器件的輸入電壓、輸出電壓及頻率適應(yīng)范圍寬；能夠適用于不同類型的RVDT，如半橋式、同名端反相串聯(lián)4線輸出式等；

3)器件能夠產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)頻率為20～20 kHz，這個(gè)頻率取決于他的外接電容器。其輸出電壓有效值可達(dá)24 V，能夠直接驅(qū)動(dòng)LVDT的初級(jí)激磁線圈，LVDT的次級(jí)輸出電壓有效值可以低于100mV；

4)器件采用比值譯碼方案，振蕩器的幅值隨溫度變化不會(huì)影響電路的整體性能；

5)輸出激勵(lì)源負(fù)載能力強(qiáng)，且具有熱保護(hù)功能；

6)利用獨(dú)特的比率架構(gòu)來消除傳統(tǒng)LVDT接口方法的多個(gè)弊端。具有無需調(diào)整；溫度穩(wěn)定性提高；傳感器互換性得以改善的優(yōu)勢。

2 AD698的工作原理

AD698用1個(gè)正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器驅(qū)動(dòng)RVDT，并用2個(gè)同步解調(diào)器對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解調(diào)，再通過一個(gè)除法電路來計(jì)算比率A／B，其后的濾波器和放大器可按比例調(diào)整輸出結(jié)果。輸出放大器測量500μA的參考電流并把他轉(zhuǎn)化成一個(gè)電壓值，從而得到一個(gè)與RVDT ／LVDT磁芯位置成正比的直流電壓信號(hào)，其功能框圖如圖1所示。

AD698產(chǎn)生固定頻率和幅度的正弦激勵(lì)信號(hào)VEXC，VEXC輸出驅(qū)動(dòng)RVDT／LVDT初級(jí)線圈，并用二個(gè)同步解調(diào)級(jí)來對(duì)初級(jí)和次級(jí)電壓進(jìn)行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動(dòng)電壓的比率(A／B)，A／B的比值經(jīng)濾波及放大后輸出。

AD698內(nèi)置一個(gè)低失真正弦波振蕩器，用來驅(qū)動(dòng)RVDT／LVDT初級(jí)線圈。兩個(gè)同步解調(diào)通道用于檢測初級(jí)和次邊幅度。該器件將次級(jí)邊的輸出除以初邊的幅度，然后乘以一個(gè)比例系數(shù)。這樣可以消除初級(jí)邊驅(qū)動(dòng)的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善溫度性能和穩(wěn)定性。 激勵(lì)正弦波的頻率和幅值由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器決定。輸出頻率在20 Hz～20 kHz可調(diào)，輸出有效幅值在2～24 V可調(diào)。

AD698的輸入包括二個(gè)獨(dú)立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅(qū)動(dòng)RVDT／LVDT的激勵(lì)信號(hào)，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨(dú)引出來的。因?yàn)樵赗VDT／LVDT處于零位的時(shí)候，A通道可能達(dá)到0 V，所以A通道解調(diào)器通常由初級(jí)電壓(B通道)觸發(fā)。另外，可能還需要一個(gè)相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)給A通道增加一個(gè)相位超前或滯后量，比此來補(bǔ)償RVDT／LVDT初級(jí)對(duì)次級(jí)的相位偏移。

AD698通過同步解調(diào)輸入幅值A(chǔ)(次級(jí)線圈側(cè))和一個(gè)固定的參考輸入B(初級(jí)線圈側(cè))，消除了所有的偏移影響。

信號(hào)被解調(diào)和濾波后，通過一個(gè)除法器來計(jì)算比率A／B，除法器的輸出是一個(gè)矩波信號(hào)。當(dāng)A／B等于1時(shí)，矩形波的占空比為100％。輸出放大器測量500 μA的參考電流并把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)電壓值。當(dāng)參考電流為500μA時(shí)，AD698輸出的傳遞函數(shù)為：

Vn=500μAxA／BxR2

其中R2為輸出增益電阻。

3 AD698在RVDT傳感器測量中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)RVDT傳感器20XXCW-1B精確測量，用于閥門開度的反饋控制。角位移傳感器20XXCW-1B是一種高精度變壓器旋轉(zhuǎn)角位移傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)如下：1)激勵(lì)電壓：12 V，激勵(lì)頻率：400 Hz；2)輸出角度范圍：+40°；3)輸出斜率：0．15+0．008 V／°；4)線性誤差：不大于1％。

3．1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程

RVDT傳感器輸出變換后用于A／D采集，A／D輸入范圍為-5～+5 V，RVDT輸出信號(hào)需進(jìn)行必要的調(diào)理。RVDT傳感器的恒定輸出信號(hào)VB僅與激勵(lì)電壓有關(guān)，正常使用情況下，可不予考慮。電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

1)工作電源選擇

電路采用±15 V雙電源工作，6．8μF鉭電容C1、C2和100 nF瓷介電容C3、C4用于正負(fù)電源濾波。

2)激勵(lì)頻率設(shè)置

fesc=400 Hz激勵(lì)信號(hào)頻率由C5確定，C5=35μF／fesc，所以C5=87．5 nF。

3)激勵(lì)電壓設(shè)置

AD698激勵(lì)信號(hào)電壓由電阻R1確定，當(dāng)Vesc=12 V時(shí)，由Vesc與R1的特征曲線確定：R1阻值在1～2 kΩ之間。

設(shè)計(jì)中先用2．5 kΩ電位器代替R1，調(diào)試獲得準(zhǔn)確的R1值后，再采用標(biāo)準(zhǔn)電阻。

4)帶寬頻率設(shè)置

C6、C7和C8確定AD698帶寬頻率fSYSTEM，一般要求：

C6=C7=C8=10-4 F Hz／fSYSTEM，fSYSTEM=400 Hz／10=40 Hz，所以C6=C7=C8=2．5μF。

5)滿量程輸出電壓設(shè)定

傳感器滿量程輸出電壓是傳感器靈敏度S(即輸出斜率)，傳感器最大工作范圍d(即輸出角度范圍)和R2的函數(shù)。

對(duì)于20XXCW-1B傳感器VOUT=±5 V。將S=0．15V／°，d=±40°，得R2=1．667 kΩ。

6)偏置電壓設(shè)置

R3、R4可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)電壓正、負(fù)偏置調(diào)節(jié)。偏置電壓VOS與R3、R4的關(guān)系為

當(dāng)VOS為正偏置時(shí)，Rd開路；當(dāng)不需要設(shè)置VOS時(shí)，R3、R4均開路。在圖2電路中未連接R3、R4。

3．2 跟隨和濾波電路設(shè)計(jì)

選用雙運(yùn)放電路AD708實(shí)現(xiàn)AD698輸出信號(hào)的跟隨和濾波。

3．3 電路測試結(jié)果

如圖電路，對(duì)電路輸入輸出信號(hào)進(jìn)行測試，測試結(jié)果為：

1)fesc=398 Hz；R2=1．8 kΩ時(shí)激勵(lì)電壓VEXCc=11．78 V，滿足傳感器使用設(shè)計(jì)要求；

2)信號(hào)輸出紋波小于10 mV。信號(hào)一致性、重復(fù)性好。

3．4 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

為實(shí)現(xiàn)適用于各種工作環(huán)境傳感器的正確測量，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下6點(diǎn)：

1)工作電源優(yōu)先選用線性電源。經(jīng)濾波處理的DC／DC輸出電源也能夠?qū)崿F(xiàn)減小信號(hào)干擾的目的。電源電壓在滿足器件正常工作要求的同時(shí)，電源電壓至少高于信號(hào)要求輸出電壓±2．5 V；

2)與激勵(lì)信號(hào)頻率及信號(hào)幅度及信號(hào)輸出幅值相關(guān)的阻容器件，應(yīng)選用溫度系數(shù)和精度較高器件；

3)計(jì)算獲得的部分阻容器件，如R1，R2，C5，C6，C7等與標(biāo)準(zhǔn)系列器件不一致，PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩器件串聯(lián)或并聯(lián)應(yīng)用；

4)信號(hào)輸出應(yīng)進(jìn)行濾波處理；

5)AD698激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力大于30 mA，滿足遠(yuǎn)距離(大于100 m)傳感器激勵(lì)需求，但在遠(yuǎn)距離情況下，傳感器實(shí)際激勵(lì)電壓因引線電阻的存在使RVDT傳感器設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)減小，因此在這種使用情況下，要考慮傳感器恒定輸出信號(hào)的應(yīng)用；

6)RVDT傳感器多用于閥門等控制的反饋測量，實(shí)際應(yīng)用中電纜束中信號(hào)種類多，應(yīng)采用激勵(lì)源的信號(hào)獨(dú)立屏蔽的電路與RVDT傳感器的信號(hào)連接方式，以減小信號(hào)的干擾。

4 結(jié)論

采用集成芯片AD698實(shí)現(xiàn)RVDT傳感器的測量，可根據(jù)傳感器特性靈活設(shè)置RVDT傳感器激勵(lì)信號(hào)的頻率和幅值，改變輸出信號(hào)范圍和偏置。應(yīng)用中對(duì)電路電源、信號(hào)濾波以及信號(hào)線連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大地減小了信號(hào)干擾，實(shí)現(xiàn)了RVDT信號(hào)的精確測量，為后續(xù)RVDT信號(hào)的反饋控制應(yīng)用提供支持。