PDF《电路笔记 CN-0288》

电路笔记 CN-0288 Circuits from the Lab?referencedesigns are engineered and testedforquickandeasysystemintegrationtohelpsolvetoday'

s analog, mixed-signal, and RF design challenges.

For more informationand/orsupport,visitwww.analog.com/CN0288. 连接/参考器件 AD598 LVDT信号调理器 AD8615 精密、20 MHz、CMOS、单通道 RRIO运算放大器 AD7992 内置I2 C兼容接口的双通道、12位ADC, 采用10引脚MSOP封装 LVDT信号调理电路 Rev. A CircuitsfromtheLab?circuitsfromAnalogDeviceshavebeendesignedandbuiltbyAnalogDevices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of eachcircuit,andtheirfunctionandperformancehavebeentestedandveri edinalabenvironmentat room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitabilityandapplicabilityforyouruseandapplication.Accordingly,innoeventshallAnalogDevices beliable fordirect,indirect,special,incidental,consequential orpunitivedamages due toany cause whatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ?2013C2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 图1. LVDT信号调理电路(原理示意图:未显示所有连接和去耦) AD8615 AD7992 SDA SCL ALERT

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20 1 AMP FILTER OSC AD598 EXCITATION (CARRIER) 3kΩ 33Ω 2.7nF 0.01?F +15V C15V E-100 ECONOMY SERIES LVDT VA VB VOUT AMP A C B A + B VIN1 +5V +5V 11426-001 评估和设计支持 电路评估板 CN-0288电路评估板(EVAL-CN0288-SDPZ) 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单 电路功能与优势 图1所示电路是一款完整的无需调节线性可变差分变压器 (LVDT)信号调理电路.该电路可精确测量线性位移(位置). LVDT是高度可靠的传感器,因为其磁芯能够无摩擦滑动, 并且与管内部无接触.因此,LVDT适合用于飞行控制反 馈系统、伺服系统中的位置反馈、机床中的自动测量以及 其他各种注重长期稳定性的工业和科研机电应用中. 本电路采用AD598 LVDT信号调理器,包含一个正弦波振荡 器和一个功率放大器,用于产生驱动原边LVDT的激励信 号.AD598还可将副边输出转换为直流电压.AD8615轨到 轨放大器缓冲AD598的输出,并驱动低功耗12位逐次逼近型 模数转换器(ADC).系统动态范围为82 dB,带宽为250 Hz, 非常适合精密工业位置和计量应用. 采用±15V电源供电时,系统的信号调理电路功耗仅为15mA;

采用+5 V电源供电时,功耗为3 mA,是远程应用的理想选 择.该电路可从300英尺外远程操作LVDT,且其输出最远 可驱动1000英尺. 本电路笔记讨论LVDT基本操作理论和设计步骤,用于优 化图1中带宽给定的电路,包括噪声分析和器件选型方面 的考虑. 电路描述 工作原理 LVDT是绝对位移传感器,可将线性位移或位置从机械参 考点(或零点)转换为包含相位(方向)和幅度(距离)信息的比 例电信号.移动部件(探头或磁芯杆组件)与变压器之间无 需电气接触即可完成LVDT操作.它依赖电磁耦合.由于 这个原因,再加上它不采用内置电子电路即可工作, LVDT被广泛用于某些环境下需要具备较长使用寿命和较 高可靠性的应用,如军事和航空航天应用. 就本电路而言,采用Measurement Specialties?, Inc.的E-100 经济型LVDT传感器系列,与AD598搭配使用.E系列在整 个范围内的线性度为±0.5%,适合大多数应用在适中的工 作温度环境下使用. AD598是一款完整的LVDT信号调理子系统.它能够以较 高精度和可重复性将LVDT传感器机械位置转换为单极性 直流电压.所有电路功能均集成于片内.只要增加几个外 部无源元件以设置频率和增益,AD598就能将原始LVDT 副边输出转换为一个比例直流信号. AD598内置一个低失真正弦波振荡器,用来驱动LVDT原边. 正弦波频率由单个电容决定,频率范围为20 Hz至20 kHz, 幅度范围为2 V RMS至20 V RMS. LVDT副边输出由两个正弦波组成,用来直接驱动AD598. AD598采用这两个信号工作,将其差值除以其和值,产生 一个单极性比例直流输出.以前的LVDT调理器可同步检 测该幅度差,并转换绝对值为与位置成比例的电压.这项 技术采用原边激励电压作为相位参考,以便确定输出电压 的极性.该技术会产生一些问题,具体包括: ? 产生恒定的幅度、恒定的频率激励信号 ? 补偿LVDT原边至副边相移 ? 相移的补偿与温度和频率呈函数关系 AD598可解决所有这些问题.AD598无需恒定幅度,因为 它根据LVDT输出信号的差与和之比工作.由于输入经整 流,并且仅处理正弦波载波幅度,因此不需要恒定的频率 信号.由于未采用同步检测,原边与LVDT输出之间无相 移敏感性. CN-0288 Rev. A | Page

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6 AD598工作的比例原则要求LVDT副边电压之和随LVDT冲 程长度的变化保持恒定.虽然LVDT厂商通常不指定VA + VB 与冲程长度之间的关系,但已知某些LVDT不满足该要 求.这种情况下,便产生了非线性的结果.然而,大部分 LVDT确实能够满足这些要求. 器件选择 遵循AD598数据手册中的双电源操作(±15 V)设计程序,将激 励频率设为2.5 kHz、系统带宽设为250 Hz、输出电压范围设 为0 V至5 V. AD598内部振荡器通常可产生少量纹波,会传递到输出 端.使用无源低通滤波器降低该纹波至要求的水平. 选择电容值以设置系统带宽时,需要作出某些权衡.选择 较小的电容值将使系统具有较高的带宽,但会增加输出电 压纹波.该纹波可通过增加反馈电阻两端的并联电容值得 以抑制(反馈电阻用于设置输出电压电平),但这样做会增 加相位滞后. AD8615运算放大器缓冲AD598的输出,而AD598可确保以 低阻抗源驱动AD7992ADC(高阻抗源会极大地降低ADC的交 流性能). 低通滤波器位于AD598的输出和AD8615的输入之间,起到 两个作用: ? 限制AD8615的输入电流 ? 过滤输出电压纹波. AD8615的内部保护电路使输入端得以承受高于电源电压的 输入电压.这很重要,因为AD598的输出电压能够在±15 V 的电源下摆动±11 V.只要输入电流限制在5 mA以内,输入 端便可施加更高的电压.这主要是因为AD8615 (1 pA)具有 极低的输入偏置电流,因此可使用更大的电阻.使用这些 电阻会增加热噪声,导致放大器总输出电压噪声增加. AD8615是用于缓冲并驱动12位SAR ADC AD7992输入的理想 放大器,因为它具有输入过压保护,并且具备输入端和输 出端轨到轨摆动能力. CN-0288 Rev. A | Page

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6 图2. 输出电压纹波与滤波器电容的关系 图3. 低通滤波器处理前的输出电压纹波 图4. CN-0288评估软件屏幕截图 0.01 0.1

1 10 C2, C3, C4;

C2 = C3 = C4 (?F)

1000 100

10 1 0.1 RIPPLE (mV rms) 11426-002 2.5kHz, CSHUNT = 0nF 2.5kHz, CSHUNT = 1nF 2.5kHz, CSHUNT = 10nF 11426-003 CH1 2.0mV M2.000?s

1 11426-004 噪声分析 若所有信号调理器件已选定,则必须确定转换信号所需的 分辨率.如同大多数的噪声分析一样,只需考虑几个关键 参数.噪声源以RSS方式叠加;

因此,只需考虑至少高于 其它噪声源三至四倍的任何单个噪声源即可. 对于LVDT信号调理电路而言,输出噪声的主要来源是 AD598的输出纹波.相比之下,其他噪声源(AD8615的电 阻噪声、输入电压噪声和输出电压噪声)要小得多. 当电容值为0.39 μF且反馈电阻两端的并联电容为10 nF(如图 2所示)时,AD598的输出电压纹波为0.4 mV rms.请注意, 图1中的简化原理图并未显示这些器件以及相关的引脚连 接;

但详情可参见AD598数据手册. 能够解析出来的最大rms数现在可通过将满量程输出除以 总系统rms噪声计算得到. 总RMS数=5V/0.4 mV = 12,

500 有效分辨率可通过以2为底数,对总rms数求对数而获得. 有效分辨率 = log2(12,500) = 13.6位 从有效分辨率中减去2.7位,即可得到无噪声码分辨率: 无噪声代码分辨率 = 有效分辨率 ? 2.7位=13.6位?2.7位=10.9位 系统的总输出动态范围可这样计算:将满量程输出信号(5 V) 除以总输出均方根噪声(0.4 mV rms),然后转化为dB,其结 果约等于82 dB. 动态范围 =

20 log(5 V/0.4 mV) =

82 dB AD7992作为此应用的良好备用器件,与3.4 MHz串行时钟配 合使用时,具有12位分辨率和每通道188 kSPS的采样速率. 测试结果 使用连接J3的MeasurementSpecialties,Inc.E-100经济型LVDT, 并通过数字示波器监控EVAL-CN0288-SDPZ评估板上AD598 J6的输出,则实际输出纹波为6.6 mV p-p,如图3所示. AD598输出和AD8615输入之间的低通滤波器(3 kΩ、0.01 μF) ?3 dB带宽为5.3 kHz,并可将纹波降低至2 mV p-p. 由于低通滤波器位于AD598输出级和AD8615输入级之间, 数据便可从EVAL-CN0288-SDPZ评估板收集,如图4所示. AD598的纹波衰减至2 mV p-p,并且系统可获得11位无噪声 代码分辨率. 有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅http://www.analog.com/CN0288-DesignSupport. CN-0288 Rev. A | Page

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6 图5. 测试设置框图 J4 J3 J8 EVAL-CN0288-SDPZ BOARD EVAL-SDP-CB1Z SDP-B BOARD USB EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6V WALL WART PC

120 PINS CON A MEASUREMENT SPECIALTIES, INC. E-100 ECONOMY SERIES LVDT EVAL-CFTL-LVDT 11426-005 飞行控制表面位置反馈中的应用 在美国,无人驾驶飞行器(UAV),或称无人驾驶飞机,正 在国家安全方面扮演着越来越重要的角色.这些高科技、 复杂的高空作业平台受控于数英里外的人员,并且支持多 任务.它们含有诸如空中侦察、作战武器平台、战场战区 指挥和控制监督或无人空中加油站等功能. UAV上这种复杂的系统采用无数电子传感器,用于精确控 制和反馈.若要控制UAV的高度(俯仰、滚动和偏航),则需 使用执行器对飞行控制表面施加作用力.这些执行器能否 对位置实现精确测量对于保持正确的飞行路径非常关键. 用于测量执行器位置的传感器需要满足三个基本标准:精 度高、可靠性高和重量轻.由Measurement Specialties, Inc. 公司设计的LVDT可满足全部三个属性. 多LVDT同步工作 在许多应用中,将大量LVDT近距离使用,如多计数测 量.若这些LVDT以相似的载波频率运行,杂散磁耦合可 能导致拍频.产生的拍频可能会影响这些条件下的测量精 度.为避免这种情况,所有LVDT均同步工作. EVAL-CN0288-SDPZ评估板经配置后(采用短路跳线连接跳 线JP

1、JP2和JP4,并且不连接JP3),可在两个LVDT之间形 成一个主振荡器. 每个LVDT原边均以其自身的功率放大 器驱动,以便在AD598之间共享热负载. 常见变化 选用的器件针对最大5 V的AD598单极性输出优化;

但也能 用其它组合替换. 其它适用的单电源放大器包括AD8565和AD8601.由于具 有输入过压保护以及输入端和输出端的轨到轨摆动能力, 这些放大器是AD8615合适的替代品.若需采用双电源工 作,则建议使用ADA4638-1或ADA4627-1. 若AD598输出±10V双极性信号,则建议使用AD7321.AD7321 是一款双通道、双极性输入、12位ADC,支持高达±10 V的 真正双极性模拟输入信号. 电路评估与测试 本电路使用EVAL-CN0288-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z SDP-B系统演示平台控制器板.这两片板具有120引脚的对 接连接器,可以快速完成设置并评估电路性能.EVAL- CN0288-SDPZ包含待评估电路;

EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)与CN-0288评估软件一起使用,可从EVAL-CN0288-SDPZ获 取数据. 设备要求 需要以下设备: ? 带USB端口的Windows? XP(32位)、Windows Vista?或Windows

7 PC ? EVAL-CN0288-SDPZ电路板 ? EVAL-SDP-CB1Z SDP-B控制器板 ? CN-0288评估软件 ? EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流电源或同等6 V/1 A台式电源 ? Measurement Specialties, Inc., E-100经济型LVDT (EVAL- CFTL-LVDT) 开始使用 将CN-0288评估软件放进PC的光盘驱动器,加载评估软 件.打开我的电脑,找到包含评估软件的驱动器. 功能框图 电路框图见图1,完整的电路原理图见EVAL-CN0288- SDPZ-PADSSchematic.pdf文件.PDF文件位于CN-0288设 计支持包中. CN-0288 Rev. A | Page

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6 图6. 连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP-B)板的EVAL-CN0288-SDPZ板,以及Measurement Specialties, Inc. E-100经济型LVDT 11426-006 设置 将EVAL-CN0288-SDPZ上的120引脚连接器连接到EVAL- SDP-CB1Z (SDP-B)上的CONA连接器.使用尼龙五金配件, 通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板.在断电 情况下,将一个6V电源连接到电路板上的+6V和GND引脚. 如果有6 V壁式电源适配器,可将其连接到板上的管式连接 器,代替6V电源.EVAL-SDP-CB1Z附带的USB电缆连接到PC 上的USB端口.此时请勿将该USB电缆连接到EVAL-SDP- CB1Z................