AD698在DGC-6PG/A差动电感式位移传感器中的应用

LVDT(Linear Variable Differential Transformer，线性可调差接变压器)是由霍德利(G.B.Hoadley)于1940年获得的专利。他的原理，当铁磁性磁心受到与用于检测的移动部分相连的非铁磁杆拖曳沿他的内部移动时，初级绕组与2个次级绕之间的互感将发生变化。当初级绕组由交流电压供电时，铁磁性磁心的位置的变化就会引起同名端反相串联的2个次级绕组之间感应的电压之差的变化。这样通过检测电压差就可以确定非铁磁杆的移动量。因此，LVDT就可以直接用于位移的测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。同时，这个电压差的检测也成为急需解决的问题。传统的方法采用差动整流电路和相敏检波电路，这2种测量方法都是用分立电子元件搭成的，电路比较复杂，不易调试。AD698线性位移差分变压器信号调理芯片弥补了这方面的缺陷，电路集成度高并且输出增益可调。

本文简要介绍AD698的工作原理，主要研究了他在差动电感式位移传感器中应用电路，并给出测量结果，并对结果中出现的纹波噪声进行了详细的分析，提出减小纹波的改进措施，最终达到了理想的效果。在与位移相关的机械量的测量及纹波的处理方面具有很好的应用价值。

1 AD698的特点及原理

AD698是美国Analog Devices公司生产的单片式线性位移差分变压器(LVDT)信号调理芯片。他与LVDT配合使用，能够高精度、高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。实现此功能的电路都集成在芯片中，只要增加几个外接无源元件来确定激励频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。

1.1 AD698的特点

(1)AD698提供用单片电路来调理LVDT信号的完整解决方案，其直流电压输出正比于LVDT的位移变化；

(2)AD698能够适用于多个不同类型的LVDT，如半桥式LVDT、同名端反相串联4线输出式LVDT等；

(3)AD698能够产生的激励信号频率为20～20 kHz，这个频率取决于他的外接电容器。其输出电压有效值可达24 V，能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈，LVDT的次级输出电压有效值可以低于100 mV；

(4)AD698采用比值译码方案，温度变化不会影响电路的整体性能；

(5)一个AD698可以串联或并联驱动多个LVDT，激励输出具有热保护功能。

1.2 AD698的工作原理

AD698用1个正弦波函数振荡器和功率放大器驱动LVDT，并用2个同步解调器对初级和次级电压进行解调，再通过一个除法电路来计算比率A／B，其后的滤波器和放大器可按比例调整输出结果。输出放大器测量500μA的参考电流并把他转化成一个电压值，从而得到一个与LVDT磁芯位置成正比的直流电压信号，其功能框图如图1所示。当参考电流为500μA时，其输出的传递函数为：

 

2 DGC-6PG／A差动电感式位移传感器的测量原理

DGC-6PG／A差动电感式位移传感器由中原量仪生产的一款旁向式的位移测量头。他的激励频率在10 kHz左右，激励电压的有效值为2 V，灵敏度为70 mV／V／mm，总行程为1.5 mm。他产生的电信号输出与铁芯的位移成正比。他在不锈钢壳内布置1个初级线圈，并在其左右各布置1个次级线圈，呈对称分布。铁芯在线圈组内穿梭，当通过外部交流电源给初级线圈通电后，两个反相连接的次初级线圈中将产生极性相反的电压。因此，两个电压之差即为LVDT的净输出值，当铁芯位于中间或零位，净输出为零。当铁芯离开零位，铁芯所趋向的次级线圈的电压相应增加。同时，另一侧线圈的感应电压相应降低。芯的运动产生随位移变化而变化的线性压差输出值。当铁芯从零位的一侧移至另一侧时，输出电压的相位将出现180°突变；当初级绕组由恒定电压供电时，其等效电路如图2所示。

如果次级绕组的总电阻用R2表示，由图2利用网孔分析法可得方程组：

 

由方程组(2)得：

 

 
在中心位置处，M2=M1，由方程组(2)，正如实际分析的那样，e0=0 V。对于其他的磁心位置，L1，L2，L2'，M3和M2-M1有如下近似变化：随着磁心偏离x0，L1和M3缓慢变化；M2-M1在x0的两侧呈现快速线性变化[M2-M1=kx(x-x0)]，而L2+L2'几乎恒定不变。

输出电压与磁心位置的关系取决于负载电阻RL。如果没有与次级绕组相连的负载，则输出电压将减小到下列值：

 

 3 测量电路

AD698在DGC-6PG／A差动电感式位移传感器中的应用电路图如图3所示。电路采用±15 V双电源供电。R1，C1用来调整输出激励信号的幅值和频率。幅值可以在0～24 V之间调节，频率可以在20～20 kHz之间调节。R2用来调整输出增益的；R3用来调整正负偏置的。C2，C3，C4是AD698的滤波电容，他们的值相等；C7是输出滤波电容。电路中将OFF1和OFF2用跳线端子引出，并且将输出增益用的固定电阻换成电位器，在以后的应用中可以方便地改变正负偏置及输出增益。因此，需要改变输出范围时，无需重新做PCB板。电路中各元件的参数值是经过理论计算和反复的试验，调整得到。

4 测量结果与噪声分析

利用上述电路进行测试，第一次进行设计原理图时，根据AD698的数据手册，没有用到R4，C6和L1。采用±15 V开关电源供电，RIGOL DS1102C型双通道100 MHz数字示波器进行测量。结果如4所示：

 

由测量结果可以看出，输出中有136 mV的纹波。这对于微位移的测量来说，会产生很大的误差。查找纹波的来源，首先，测量传感器的激励信号和他的输出信号，发现正弦信号中也存在叠加噪声，如图5所示。由此看来，纹波是来源于激励信号，那么激励信号的噪声又是从何处来的?初步估计是电源的问题。对±15 V电源进行测量，结果如图6(a)，(b)所示。开关电源自身的纹波噪声在1％左右，测量结果与实际相符。由此可以得出输出纹波是由开关电源引起的。综合考虑成本和解决方案的复杂性，要减小图4所示的纹波，只能从滤波方面着手解决。 

在信号输出端增加R4，C6，L1，R4，C6构成低通滤波器，L1对高频交流信号起到了抑制作用。最终输出结果如图7所示，由图7可见，输出中的纹波噪声已被滤除，在以后的信号采集以及处理中，会达到很好的效果。

 

5 结 语

采用集成芯片AD698处理差动电感式位移传感器的输出信号，可以减小系统的复杂度，并且激励信号的频率和幅值可调，输出增益和偏置可调。通过对电路的改进，极大地减小了输出纹波噪声，对下一步使用AD转换进行数据采集的工作，提供了极大的便利