AD698在RVDT传感器测量中的应用

刘佳昕，刘 军

（1.西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 611756；2.西安航天动力研究所 陕西 西安 710100）

LVDT表示差动变压位移传感器，是一种机电元件，一般由一个铁芯、一个初级线圈和二个次级线圈组成[1]。外部正弦波信号源激励初级线圈，通过初级线圈与次级线圈弱电磁耦合，使得铁芯的位移变化量与输出电压变化量呈精密线性关系，通过电压测量即可获得位移信息。

RVDT（Rotary Variable Differential Transformer）是旋转可变差动变压器缩写，属于角位移传感器。

它采用与LVDT相同的差动变压器式原理，即把机械部件的旋转传递到角位移传感器的轴上，带动与之相连的铁芯，通过改变线圈中的感应电压，输出与旋转角度成比例的电压信号[2-3]。

RVDT的初级和次级线圈是完全隔离的，为非接触设计，具有无限分辨率、使用寿命长，精度高的特点，可实现360°转动测量，广泛应用于铁路、航天航空、机械、建筑等领域，实现阀门开度和精密位移的测量和反馈控制。

RVDT传感器位移检测电路主要包括激励信号产生电路和信号调理电路[2]，传统的电路设计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。

1 AD698的特点

AD698是美国ADI公司生产的单片式线性位移差分变压器信号调理系统。AD698与RVDT/LVDT配合，能够高精确性、可重复性的将RVDT/LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。AD698具有RVDT/LVDT检测电路所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接元源元件来确定激磁频率和增益，就能把RVDT/LVDT的原始输出信号转换为一个比例直流信号，消除原边驱动的幅度漂移所导致的比例系数误差，改善测量的温度性能和稳定性。

AD698的主要特点[4]有：

1）内含晶振和参考电压源，只需附加极少量的无源元件就可实现位置的机械变量到直流电压的转换，并且无需校准。提供用单片电路来调理RVDT信号的完整解决方案，其直流电压输出正比于RVDT的角度变化；

2）器件的输入电压、输出电压及频率适应范围宽；能够适用于不同类型的RVDT，如半桥式、同名端反相串联4线输出式等；

3）器件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）器件采用比值译码方案，振荡器的幅值随温度变化不会影响电路的整体性能；

5）输出激励源负载能力强，且具有热保护功能；

6）利用独特的比率架构来消除传统LVDT接口方法的多个弊端。具有无需调整；温度稳定性提高；传感器互换性得以改善的优势。

2 AD698的工作原理

AD698[4]用1个正弦波函数振荡器和功率放大器驱动RVDT，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500 μA的参考电流并把他转化成一个电压值，从而得到一个与RVDT/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。

图1 AD698功能框图Fig.1 Functional block diagram for AD698

AD698产生固定频率和幅度的正弦激励信号VEXC，VEXC输出驱动RVDT/LVDT初级线圈，并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码，解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率（A/B），A/B的比值经滤波及放大后输出。

AD698内置一个低失真正弦波振荡器，用来驱动RVDT/LVDT初级线圈。两个同步解调通道用于检测初级和次边幅度。该器件将次级边的输出除以初边的幅度，然后乘以一个比例系数。这样可以消除初级边驱动的幅度漂移所导致的比例系数误差，改善温度性能和稳定性。 激励正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。输出频率在20 Hz～20 kHz可调，输出有效幅值在2～24 V可调。

AD698的输入包括二个独立的同步解调通道A和B。B通道用来监测驱动RVDT/LVDT的激励信号，A通道的作用与之相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。因为在RVDT/LVDT处于零位的时候，A通道可能达到0 V，所以A通道解调器通常由初级电压（B通道）触发。另外，可能还需要一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，比此来补偿RVDT/LVDT初级对次级的相位偏移。

AD698通过同步解调输入幅值A（次级线圈侧）和一个固定的参考输入B（初级线圈侧），消除了所有的偏移影响。

信号被解调和滤波后，通过一个除法器来计算比率A/B，除法器的输出是一个矩波信号。当A/B等于1时，矩形波的占空比为100%。输出放大器测量500 μA的参考电流并把它转化成一个电压值。当参考电流为500 μA时，AD698输出的传递函数为：

其中R2为输出增益电阻。

3 AD698在RVDT传感器测量中的应用

设计要求实现RVDT传感器20XXCW-1B精确测量，用于阀门开度的反馈控制。角位移传感器20XXCW-1B是一种高精度变压器旋转角位移传感器，主要技术指标如下：1）激励电压：12 V， 激励频率：400 Hz；2） 输出角度范围：±40°；3）输出斜率：0.15±0.008 V/°；4） 线性误差：不大于 1%。

3.1 设计实现过程

RVDT传感器输出变换后用于A/D采集，A/D输入范围为-5～+5 V，RVDT输出信号需进行必要的调理。RVDT传感器的恒定输出信号VB仅与激励电压有关，正常使用情况下，可不予考虑。电路实现如图2所示。

图2 RVDT测量原理图Fig.2 Interconnection diagram for RVDT measuring

1）工作电源选择

电路 采用±15 V 双电源 工 作 ，6.8 μF 钽电容 C1、C2和100 nF瓷介电容C3、C4用于正负电源滤波。

2）激励频率设置

fexc=400 Hz激励信号频率由 C5确定，C5=35 μF/fexc，所以C5=87.5 nF。

3）激励电压设置

AD698激励信号电压由电阻R1确定，当Vexc=12 V时，由Vexc与R1的特征曲线确定：R1阻值在1～2 kΩ之间。

设计中先用2.5 kΩ电位器代替R1，调试获得准确的R1值后，再采用标准电阻。

4）带宽频率设置

C6、C7和 C8确定 AD698带宽频率 fSYSTEM，一般要求：

C6=C7=C8=10-4F Hz/fSYSTEM， fSYSTEM=400 Hz/10=40 Hz， 所以C6=C7=C8=2.5 μF。

5）满量程输出电压设定

传感器满量程输出电压是传感器灵敏度S（即输出斜率），传感器最大工作范围d（即输出角度范围）和R2的函数。

对于 20XXCW-1B 传感器 VOUT=±5 V。 将 S=0.15V/°，d=±40°，得 R2=1.667 kΩ。

6）偏置电压设置

当 VOS为正偏置时，R4开路；当不需要设置 VOS时，R3、R4均开路。在图2电路中未连接R3、R4。

3.2 跟随和滤波电路设计

选用双运放电路AD708实现AD698输出信号的跟随和滤波。

3.3 电路测试结果

如图电路，对电路输入输出信号进行测试，测试结果为：

1）fexc=398 Hz；R2=1.8 kΩ 时 激励电压 VEXC=11.78 V，满足传感器使用设计要求；

2）信号输出纹波小于10 mV。信号一致性、重复性好。

3.4 设计中应注意的问题

为实现适用于各种工作环境传感器的正确测量，设计中应注意以下6点：

1）工作电源优先选用线性电源。经滤波处理的DC/DC输出电源也能够实现减小信号干扰的目的。电源电压在满足器件正常工作要求的同时，电源电压至少高于信号要求输出电压[4]±2.5 V；

2）与激励信号频率及信号幅度及信号输出幅值相关的阻容器件，应选用温度系数和精度较高器件；

3）计算获得的部分阻容器件，如 R1，R2，C5，C6，C7等与标准系列器件不一致，PCB设计时应考虑两器件串联或并联应用；

4）信号输出应进行滤波处理；

5）AD698激励信号驱动能力大于30 mA，满足远距离（大于100 m）传感器激励需求，但在远距离情况下，传感器实际激励电压因引线电阻的存在使RVDT传感器设计激励信号减小，因此在这种使用情况下，要考虑传感器恒定输出信号的应用；

6）RVDT传感器多用于阀门等控制的反馈测量，实际应用中电缆束中信号种类多，应采用激励源的信号独立屏蔽的电路与RVDT传感器的信号连接方式，以减小信号的干扰[5-6]。

4 结 论

采用集成芯片AD698实现RVDT传感器的测量，可根据传感器特性灵活设置RVDT传感器激励信号的频率和幅值，改变输出信号范围和偏置。应用中对电路电源、信号滤波以及信号线连接方式的优化设计，极大地减小了信号干扰，实现了RVDT信号的精确测量，为后续RVDT信号的反馈控制应用提供支持。

[1]李勇，张俊安.一种LVDT信号调理电路的研究[J].微电子学，2007（3）：321-324.

LI Yong，ZHANG Jun-an.Study on LVDT signal conditioning circuit[J].Microeletronics，2007（3）：321-324.

[2]刘春梅，冷杰.航空发动机数控系统中LVDT传感器信号处理及在线故障检测[J].计测技术，2008（3）：34-36.

LIU Chun-mei，LENG Jie.Design of inductance displacement transducer circuit system[J].Metrology&Measurement Technology，2008（3）：34-36.

[3]百度百科LVDT[EB/OL].（2010-08-23）.http：//baike.baidu.com/view/1546655.htm

[4]Universal LVDT Signal Conditioner AD698 Data Sheet（Rev.B）[EB/OL].（1995-07].http：//www.analoge.com.

[5]白同云.电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社2003.

[6]Paul Brokaw.AN-202应用笔记1C放大器用户指南.去耦、接地及其他一些要点 [EB/OL]. （2010-01-27）http：//www.analog.com/static/imported-files/zh/application_notes/AN-202_cn.pdf.

[7]吕新良，卢江平，宋晓林.电子式互感器电磁兼容试验研究[J].陕西电力，2010（12）：80-83.

LU Xin-liang，LU Jiang-ping，SONG Xiao-lin.Experimental Study on Electromagnetic Compatibility of Electronic Transformer[J].Shaanxi Electric Power，2010（12）：80-83.