摘要：簡要介紹了AD698的工作原理，對AD698在RVDT傳感器測量中的具體應(yīng)用進行了研究。根據(jù)傳感器使用要求，進行了詳細的參數(shù)分析和電路設(shè)計。設(shè)計從電源、信號濾波、輸入輸出范圍、信號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表示差動變壓位移傳感器，是一種機電元件，一般由一個鐵芯、一個初級線圈和二個次級線圈組成。外部正弦波信號源激勵初級線圈，通過初級線圈與次級線圈弱電磁耦合，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)可變差動變壓器縮寫，屬于角位移傳感器。

它采用與LVDT相同的差動變壓器式原理，即把機械部件的旋轉(zhuǎn)傳遞到角位移傳感器的軸上，帶動與之相連的鐵芯，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。

RVDT的初級和次級線圈是完全隔離的，為非接觸設(shè)計，具有無限分辨率、使用壽命長，精度高的特點，可實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動測量，廣泛應(yīng)用于鐵路、航天航空、機械、建筑等領(lǐng)域，實現(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信號產(chǎn)生電路和信號調(diào)理電路，傳統(tǒng)的電路設(shè)計采用差動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調(diào)理芯片彌補了這方面的缺陷，電路集成度高并且輸出增益可調(diào)。

1 AD698的特點

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的原始輸出信號轉(zhuǎn)換為一個比例直流信號，消除原邊驅(qū)動的幅度漂移所導(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現(xiàn)位置的機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)生的激勵信號頻率為20～20 kHz，這個頻率取決于他的外接電容器。其輸出電壓有效值可達24 V，能夠直接驅(qū)動LVDT的初級激磁線圈，LVDT的次級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影響電路的整體性能；

5)輸出激勵源負載能力強，且具有熱保護功能；

6)利用獨特的比率架構(gòu)來消除傳統(tǒng)LVDT接口方法的多個弊端。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個正弦波函數(shù)振蕩器和功率放大器驅(qū)動RVDT，并用2個同步解調(diào)器對初級和次級電壓進行解調(diào)，再通過一個除法電路來計算比率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)化成一個電壓值，從而得到一個與RVDT ／LVDT磁芯位置成正比的直流電壓信號，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信號VEXC，VEXC輸出驅(qū)動RVDT／LVDT初級線圈，并用二個同步解調(diào)級來對初級和次級電壓進行解碼，解碼器決定了輸出電壓與輸入驅(qū)動電壓的比率(A／B)，A／B的比值經(jīng)濾波及放大后輸出。

AD698內(nèi)置一個低失真正弦波振蕩器，用來驅(qū)動RVDT／LVDT初級線圈。兩個同步解調(diào)通道用于檢測初級和次邊幅度。該器件將次級邊的輸出除以初邊的幅度，然后乘以一個比例系數(shù)。這樣可以消除初級邊驅(qū)動的幅度漂移所導(dǎo)致的比例系數(shù)誤差，改善溫度性能和穩(wěn)定性。 激勵正弦波的頻率和幅值由一個電阻器和一個電容器決定。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的輸入包括二個獨立的同步解調(diào)通道A和B。B通道用來監(jiān)測驅(qū)動RVDT／LVDT的激勵信號，A通道的作用與之相同，但是它的比較器引腳是單獨引出來的。因為在RVDT／LVDT處于零位的時候，A通道可能達到0 V，所以A通道解調(diào)器通常由初級電壓(B通道)觸發(fā)。另外，可能還需要一個相位補償網(wǎng)絡(luò)給A通道增加一個相位超前或滯后量，比此來補償RVDT／LVDT初級對次級的相位偏移。

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

信號被解調(diào)和濾波后，通過一個除法器來計算比率A／B，除法器的輸出是一個矩波信號。當(dāng)A／B等于1時，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)化成一個電壓值。當(dāng)參考電流為500μA時，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)計要求實現(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)激勵電壓：12 V，激勵頻率：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)計實現(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輸出信號需進行必要的調(diào)理。RVDT傳感器的恒定輸出信號VB僅與激勵電壓有關(guān)，正常使用情況下，可不予考慮。電路實現(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用于正負電源濾波。

2)激勵頻率設(shè)置

fesc=400 Hz激勵信號頻率由C5確定，C5=35μF／fesc，所以C5=87．5 nF。

3)激勵電壓設(shè)置

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

設(shè)計中先用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可實現(xiàn)輸出信號電壓正、負偏置調(diào)節(jié)。偏置電壓VOS與R3、R4的關(guān)系為

當(dāng)VOS為正偏置時，Rd開路；當(dāng)不需要設(shè)置VOS時，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

選用雙運放電路AD708實現(xiàn)AD698輸出信號的跟隨和濾波。

3．3 電路測試結(jié)果

如圖電路，對電路輸入輸出信號進行測試，測試結(jié)果為：

1)fesc=398 Hz；R2=1．8 kΩ時激勵電壓VEXCc=11．78 V，滿足傳感器使用設(shè)計要求；

2)信號輸出紋波小于10 mV。信號一致性、重復(fù)性好。

3．4 設(shè)計中應(yīng)注意的問題

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

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)減小信號干擾的目的。電源電壓在滿足器件正常工作要求的同時，電源電壓至少高于信號要求輸出電壓±2．5 V；

2)與激勵信號頻率及信號幅度及信號輸出幅值相關(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)計時應(yīng)考慮兩器件串聯(lián)或并聯(lián)應(yīng)用；

4)信號輸出應(yīng)進行濾波處理；

5)AD698激勵信號驅(qū)動能力大于30 mA，滿足遠距離(大于100 m)傳感器激勵需求，但在遠距離情況下，傳感器實際激勵電壓因引線電阻的存在使RVDT傳感器設(shè)計激勵信號減小，因此在這種使用情況下，要考慮傳感器恒定輸出信號的應(yīng)用；

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

4 結(jié)論

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