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 AD698LVDT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。 AD698还可将副边输出转换为直流电压。AD8615轨到 轨放大器缓冲 AD698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±15 V电源供电时，系统的信号调理电路功耗仅为15 mA; 采用+5 V电源供电时，功耗为3 mA。
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。
图1. 通用LVDT信号调理电路(原理示意图：未显示所有连接和去耦)
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 AD698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。
AD698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， AD698就能将原始LVDT 副边输出转换为一个比例直流信号。
AD698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24 V RMS。
LVDT副边输出由两个正弦波组成，用来直接驱动 AD698。 AD698通过同步解调幅度调制输入(次级，A)和固 定输入参考电压(初级、次级求和或固定输入，B)解码 LVDT。之前解决方案的一个常见问题是驱动振荡器幅度 的任何漂移都直接导致输出的增益误差。 AD698计算 LVDT输出与其输入激励的比值，抵消任何漂移的影响， 从而消除了这些误差。该器件与AD598 LVDT信号调理器不 同，它具有不同的电路传递函数，且无需LVDT次级端求 和(A + B)与冲程长度保持一致。
AD698的框图见图2。输入由两个独立的同步解调通道组 成。B通道监控LVDT的驱动激励。C2对全波整流输出进行 过滤，然后将其发给运算电路。除外部提供比较器引脚 外，通道A性能完全相同。由于LVDT为空时A通道可能达 到0 V输出，因此通常使用初级端电压(B通道)触发A通道的 解调器。此外，可能需要相位补偿网络，以便向A通道增 加相位超前或滞后，补偿LVDT初级端到次级端的相移。 对于半桥电路而言，相移并不重要，且A通道电压足以触 发解调器。
图2. AD698框图
两个通道都完成解调及滤波后，使用一个配备了占空比乘 法器的分压电路计算A/B的比值。分压器的输出就是占空 比。若A/B等于1，则占空比为100%。(若需要脉冲宽度调 制输出，可使用该信号)。占空比驱动电路，调制并过滤与 占空比成正比的基准电流。输出放大器调节500 μA基准电 流，将其转换为电压。输出传递函数为：
器件选择
遵循 AD698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。
AD698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 AD698的输出，而AD698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 AD698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 AD698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。
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 AD698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 3所示)时， AD698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 AD698数据手册。
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。
相位滞后/超前补偿
AD698将返回信号与初级端参考振荡器的输入相乘，并通 过解调产生输出信号。少量的相移就会导致大量的线性误 差，对输出而言就是欠冲。
相位超前网络可补偿E-100系列LVDT中初级到次级的−3°相 移。图4显示了两种不同的相位补偿网络。
为合适的网络选取元件值时，重要的是需注意RS 和R T 有效 地构成了一个电阻分压器，在激励信号达到 AD698的 ±ACOMP输入之前降低其幅度。这表示R T 需比RS 大得多。 滞后/超前电路还给激励输出增加负载，因此建议采用较大 的电阻值。最终目标是以较小的幅度下降，在 AD698ACOMP输入端达到所需的相位滞后/超前。
根据下列等式可算出相位滞后/超前的量：
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