AD598 线位移差动变压器信号调节器的特点与应用.doc

AD598 线位移差动变压器信号调节器的特点与应用四川省英世模拟器件有限公司(610041) 吴星明AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)信号调节系统。AD598与LVDT配合，能够将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。在芯片内部，AD598将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。AD598还可以用于旋转差动变压器(RVDT)。AD598内部有一个用来产生LVDT初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其输出入大器和接收LVDT次级输出的二个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输出入大器。在AD598的除法器中，将来自LVDT次级的这二个信号差除以这二个信号和。AD598各部分的功能框图如图1所示。图1 AD598功能框图一、AD598信号调节器的基本特点及主要技术指标AD598信号调节器具有下列基本特点：1.AD598提供了一个用单片器件来解决LVDT和RVDT信号调节问题的办法，它只要求几个外接无源元件，而且不需要任何调整。2.AD598能够适用于多个不同类型的LVDT，因为AD598的输入电压、输出电压及频率适应范围都很宽。AD598的输出电压达24Vrms，它能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈，接受LVDT的次级输出电压可以低于100mVrms。3.LVDT的激磁信号频率20Hz20kHz，它决定于AD598外接的一个电容C1。AD598的输入信号不需要与LVDT初级驱动信号同步，这意昧着可以利用外部的激磁信号也能正常工作，例如外部的400Hz电压。4.AD598采用比率译码方案，这样次级对初级的相移和变压器中点电压绝对不会影响线路的总性能。5.多个LVDT可以共用一个AD598来驱动。不论串联或并联，当消耗功率受限制，超过它的允许值时，激磁输出有过热保护。6.AD598能够在遥测装置和电气接口远离LVDT的恶劣环境中得到广泛地应用，它能够通过电缆驱动300英尺(约91.4米)以外的LVDT正常工作，这是由于线路不受相移或信号绝对值的大小影响。另外AD598的输出直流电压能够通过电缆传输到1000英尺(约304.8米)以外的地方。7.在设计简单的机电伺服回路时，可以将AD598作为一个积分环节来处理。AD598的主要技术指标：传递函数：V OUT 总误差(包括温度、增益、增益漂移及输入失调电压漂移)：0.6%输出电压范围：最小11V输出电流：最小6mA短路保护电流：典型值20mA满度线性误差：典型值75ppm增益误差：满度0.4%激磁电压抑制：100ppm/dB激磁输出特性：激磁电压范围：2.124V激磁输出电流：30mA激磁输出短路电流：60mA激磁信号频率：20Hz20kHz输入信号特性：输入信号范围：0.13.5V输入阻抗：200k电源电压范围：1336V当要求输出电压10V，双电源工作电压：13V当要求输出电压0+10V或0-10V单电源工作电压：17.5V。二、AD598信号调节器的使用方法AD598是针对线位移差动变压器(LVDT)和旋转差动变压器(RVDT)而专门设计的一种新型器件。因此，AD598特别适合于线位移与角位移感应信号测量。例如：无接触感应式线位移传感器和其它类似产品均适用。AD598既可以采用双电源供电，也可以采用单电源供电，其基本接线方法如图2所示。图2 AD598不同供电方式时的基本接线图在图2中，Schaevitz E100 LVDT是一种线位移差动变压器，其输出电压的幅值与机械位移成线性关系。根据作用原理，线位移传感器可分为电感式、电阻式、电容式和压电晶体式，这里示出的是电感式线位移传感器。AD598在使用过程中，有关参数的选择与注意事项如下：1.首先要确定LVDT位置测量系统所要求的机械频带f SYS ，例如：f SYS =150Hz。2.选择LVDT的最低激磁频率f EXC 。一般选择f SYS 的10倍频作为激磁频率，即fEXC =10f SYS 。这里激磁频率f EXE =250Hz10=2.5kHz。3.根据激磁频率2.5kHz再来选择合适的LVDT。例如，Schaevitz E100 LVDT的激磁频率范围为50Hz到10kHz，对本例来讲非常合适。4.确定LVDT次级电压VA和VB之和。根据生产厂家提供的产品说明(E100是3Vrms)按照典型驱动水平V PRI 激励LVDT，将铁心移动到中心位置时，理论上VA=VB。实际上VAVB，存在一定误差。测量VA、VB的电压，并且计算VA和VB的和。对于E100来讲，VA+VB=2.70V,根据这个结果就可以确定AD598的输出电压。5.确定LVDT激磁电压的最佳值V EXC 。在LVDT加上激磁电压V PRI 后，将铁心移动到机械的满量程位置，并且测出次级的最大输出电压V SEC 。然后计算LVDT的电压变比VTR：VTR=V PR1 V SEC (1)对于E100来讲，V SEC =1.71Vrms, V PR1 =3Vrms,选取V SEC =3Vrms,这样就确定了LVDT的激磁电压最佳值V SEC ：V SEC =VTRV SEC (2)V SEC =VTRV SEC =1.75=5.25Vrms进一步校验电源电压，并且要求电压VA和VB的峰值电压至少要比电源电压+Vs和-Vs分别小 2.5V。6.根据图2a和图3选择决定放大器输出电压幅值的电阻R1。图3 激磁电压V EXC 幅值与电阻R1关系图7.选择确定激磁电压频率的电容C1C1=35FHz/f EXC (3)8.电容C2，C3和C4是AD598位置测量系统所要求的频带宽度函数，其标称值应为：C2=C3=C4=10 -4 FHz/f SYS (4)如果要求的系统带宽f SYS =250Hz则C2=C3=C4=10 -4 FHz/250Hz=0.4F9.为了计算确定AD598增益和满量程输出电压范围的电阻R2，应首先知道下列几个参数：(1)LVDT的灵敏度S(2)满量程时铁心的位移d(3)制造商所推荐的初级线圈驱动电压V PR1 对(VA+VB)的比值满量程铁心移动d时，AD598的输出电压按下式计算：V OUT =SdR2 (5)式中、V OUT 的单位为Vd单位为英寸R2单位为。输出电压V OUT 是相对于信号基准而言的，如图2a中的引脚17。为求出R2公式(5)也可以改写成：R2=V OUT ()SV PRI d(6)10.选取R3和R4后，可确定正或负的输出失调电压调整范围。V OS =1.2V（1R3+5k-1R4+5k)(7)或者反之,先确定输出失调电压范围，然后计算电阻R3和R4。例如：要求设计电路能够产生0+10V的输出失调电压调整范围时，铁心移动0.2英寸，这时可以根据公式(5)，将已知参数代入就能求出R2，再令R4开路(R4)，利用公式(7)就能求出R3。同样地，按照上述的计算步骤，能够求出产生0-10V输出失调电压调整范围的电阻R4。AD598也能采用单电源供电，它的接线方法如图2b所示。单电源供电时，电路中各参数的确定方法与双电源供电时的方法相同，此外还应补充以下几条计算R5、R6和C5的方法。11.首先根据下式计算R5和R6的最大值：R5+R6V PS /100A(8)式中V PS 电源电压，单位V12.加在R5上的电压应大于下列电压：2V+10k(1.2VR4+5k+250AV OUT 4)R52+10k1.2VR4+5k+250A+Vout4R2100A根据公式(8)、(9)可求出R6的电阻值。13.负载RL上的电流要通过R5和R6的节点返回电源，在最大负载条件下应根据第12步方法再次核算R5。最后核算电源电压时，只要核算VA和VB的峰值要分别比+Vs和-Vs小2.5V就可以了。14.C5是一个旁路电容，其范围在0.1到1.0F之间。三、AD598的典型应用1差动测量系统线位移差动变压器(LVDT)通常用于位置测量系统。为了测量物体的厚度，利用两个LVDT和一个AD598组成一个差动测量系统，具体线路图如图4所示。该系统能精确地测出LVDT触点所经过的二侧距离，它具有线路简单，成本低廉的特点。该电路满量程时输出电压V OUT V，它是来自两个独立的LVDT信号(每个LVDT摆幅为5V)之和。输出电压的摆幅决定于电阻R2，它可以由下式求得：V OUT =VA-VBVA+VB+VC-VDVC+VDR2(10)如果想进一步提高测量精度，可以采用2个LVDT和2个AD598共同组成一个精度更高的 测量系统。由于篇幅所限，读者可参阅文献2的有关内容。2.多路LVDT系统在许多应用中，采用多路测量系统来测量某一个平面上各点的变形，或相邻物体的距离。多路LVDT系统工作时，如果LVDT的激磁信号频率相同时，就避免了分布磁场的耦合问题，这样使得测量结果更精确。使用多个LVDT的接线原理图如图5所示。在图5中，主AD598的振荡器输出信号频率与幅值由R1和C1决定。R1和C1的值按上述的第6步和第7步方法计算，其他辅助的AD548所有引脚6和引脚7互相之间短接，使它们的内部振荡器都处于禁止状态，并且引脚4和引脚5分别通过15k的电阻与主AD598引脚2、引脚3相连，这样所有辅助的AD598的激磁信号幅值与主AD598相同，在实际中存在差异即是由于电阻15k的变化差异所引起的。在图5中，要求15k电阻相互之间要匹配。图4 差动测量系统接线原理图图5 多LVDT测量系统接线原理图如果辅助的激磁信号幅值出现20%的误差这是允许的，这是由于辅助AD598的内部电阻值不同而引起的。但是，这种偏差对线路的工作状况不影响。在多个LVDT系统中，每个LVDT的初级都是由它们各自的功率放大器来驱动的。因此，在所有的AD598之间，热饱和是共用的，使得线路中辅助AD598的数量不受限制。实际上，每个辅助AD598前端的30k电阻就成为主AD598功率放大器的负载，对于大量的辅助AD598来讲，例如100个或者更多，就需要考虑主AD598功率放大器的最大输