AD598：高性能LVDT信號調理器的卓越之選

在電子工程師的日常設計工作中，傳感器信號調理是一個關鍵環節，尤其是對于線性可變差動變壓器（LVDT）和旋轉變壓器（RVDT）這類傳感器。今天，我們就來深入探討一款功能強大的LVDT信號調理器——AD598。

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一、AD598概述

AD598是一款完整的單片LVDT信號調理子系統，它能與LVDT配合使用，將傳感器的機械位置高精度、高重復性地轉換為單極性或雙極性直流電壓。其獨特的設計和出色的性能，使其在眾多應用場景中脫穎而出。

（一）主要特性

1. 單芯片解決方案：集成了內部振蕩器和電壓基準，只需添加少量外部無源元件即可完成從機械位置到直流電壓的轉換，無需進行復雜的調整。
2. 高穩定性：對傳感器零電壓和初級到次級相移不敏感，有效提高了系統的準確性和溫度穩定性。
3. 寬工作范圍：支持20 Hz至20 kHz的頻率范圍，可采用單電源或雙電源供電，輸出可為單極性或雙極性。
4. 長距離驅動能力：能夠驅動最遠300英尺的遠程LVDT，位置輸出可驅動長達1000英尺的電纜。
5. 出色的性能指標：線性度高達0.05% FS max，輸出電壓最小為11 V，增益漂移和失調漂移最大均為50 ppm/°C FS。

（二）產品描述

AD598采用獨特的比例式架構（專利申請中），克服了傳統LVDT接口方法的諸多缺點。它包含一個低失真正弦波振蕩器來驅動LVDT初級，通過對LVDT次級輸出的兩個正弦波進行處理，將它們的差值除以和值，從而產生與核心位置成比例的直流輸出。

（三）性能等級與封裝

AD598提供兩種性能等級：AD598JR適用于0°C至+70°C的溫度范圍，采用20引腳小外形（SOIC）封裝；AD598AD適用于 - 40°C至+85°C的溫度范圍，采用20引腳陶瓷雙列直插（DIP）封裝。此外，它還可根據MIL - STD - 883B進行處理，適用于 - 55°C至+125°C的軍事溫度范圍。

二、工作原理

（一）整體架構

AD598主要由正弦波振蕩器、功率放大器、解碼器、濾波器和輸出放大器組成。振蕩器產生的低失真正弦波驅動LVDT初級，LVDT次級輸出的兩個正弦波輸入到解碼器，解碼器計算它們的差值與和值的比例，經過濾波和放大后得到最終的直流輸出。

（二）振蕩器工作方式

振蕩器由多諧振蕩器和正弦整形器組成。多諧振蕩器產生三角波輸出，驅動正弦整形器生成低失真正弦波，其頻率由單個電容決定，范圍為20 Hz至20 kHz，幅度為2 V rms至24 V rms，總諧波失真通常為 - 50 dB。

（三）信號處理優勢

與傳統的LVDT調理器相比，AD598不依賴于恒定幅度和頻率的激勵信號，對初級激勵和LVDT輸出之間的相移不敏感，避免了傳統方法中因激勵信號不穩定和相移帶來的問題。但需要注意的是，其比例式原理要求LVDT次級電壓之和在行程長度內保持恒定，大多數LVDT能滿足這一要求，但部分可能會導致非線性。

三、設計與連接

（一）設計步驟

無論是雙電源還是單電源操作，AD598的設計都有一套明確的步驟。以雙電源操作為例，首先要確定LVDT位置測量子系統所需的機械帶寬，選擇合適的LVDT激勵頻率和LVDT型號，然后計算LVDT次級電壓之和、最佳激勵電壓，選擇幅度確定組件R1和激勵頻率確定組件C1，根據系統帶寬選擇C2、C3和C4的值，計算設置增益的R2以及用于輸出電壓偏移調整的R3和R4。單電源操作在雙電源操作步驟的基礎上，還需要確定R5、R6和C5的值。

（二）增益和相位特性

在閉環機械伺服應用中，了解AD598的動態特性至關重要。其頻率響應近似于兩個實極點，但在較高頻率下存在明顯的額外相位。可以通過在R2上并聯電容引入額外的濾波極點，但會增加相位滯后。在選擇C2、C3和C4的值來設置系統帶寬時，需要權衡帶寬和輸出電壓紋波的關系，較小的電容會帶來更高的系統帶寬，但也會增加紋波。

（三）LVDT靈敏度確定

LVDT靈敏度可以通過測量LVDT次級電壓隨初級驅動和核心位置的變化，并進行簡單計算得到。具體方法是在推薦的初級驅動水平下，將核心設置到中點和機械滿量程位置，測量次級電壓，然后根據公式計算靈敏度。

四、熱保護與負載考慮

AD598配備了熱過載保護電路，當芯片溫度達到165°C時，正弦波激勵幅度會逐漸降低，從而降低內部功耗和溫度。由于解碼器電路的比例式操作，激勵幅度的降低只會導致較小的誤差，信號處理部分仍能滿足輸出規格。但在進行熱計算時，需要考慮負載的電壓、電流以及電源電位，LVDT初級的感性負載和激勵電壓與電流之間的相角也會增加熱計算的復雜性。

五、應用案例

（一）證明環稱重秤

將彈性元件（鋼證明環）與LVDT結合，可實現對非常小負載的測量。通過AD598進行信號調理，電路中的1 μF電容可減少機械振動引起的噪聲。該稱重秤可以通過選擇R3或R4引入偏移電壓來測量皮重，并且可以通過使用具有溫度系數的電阻來進行溫度補償。

（二）多個LVDT的同步操作

在多個LVDT近距離使用的應用中，為避免雜散磁耦合產生的拍頻干擾測量精度，可采用同步操作。通過一個主振蕩器和多個從振蕩器的電路設計，使所有LVDT同步工作，每個LVDT初級由獨立的功率放大器驅動，熱負載在AD598之間分擔。

（三）高分辨率位置 - 頻率電路

將AD598與AD652電壓 - 頻率（V/F）轉換器結合，可實現高分辨率的位置測量。該電路以電流形式將LVDT信號傳輸到V/F轉換器，消除了V/F轉換器失調電壓帶來的誤差，尤其適用于存在機械振動的測量場景。

（四）低成本設定點控制器

在汽車燃油控制系統等應用中，可使用低成本設定點控制器。通過將電位器連接到油門踏板，LVDT連接到燃油噴射系統或化油器的蝶閥，實現電子控制蝶閥位置，無需機械聯動。

（五）機械跟隨伺服環

將兩個LVDT與兩個AD598結合，可構建機械跟隨伺服環。該電路通過電流信號傳輸避免了電壓偏移誤差，使輸出位置跟隨輸入位置，適用于液壓執行器控制器等應用。

（六）差分測量與精密差分測量

在測量物體厚度或錐度的應用中，可使用兩個LVDT進行差分測量。普通差分測量電路簡單且成本低，但可能存在LVDT比例因子不匹配的問題；精密差分測量電路則可以獨立調整每個LVDT的比例因子，提高測量精度。

（七）半橋傳感器操作

雖然AD598并非專為半橋型傳感器設計，但通過適當的電路設計可以使其與半橋型傳感器配合使用，不過性能會有所下降。在這種應用中，需要注意輸入電壓的產生方式以及電阻值的選擇對線性度的影響。

綜上所述，AD598憑借其出色的性能和豐富的應用場景，為電子工程師在LVDT和RVDT信號調理方面提供了一個強大而可靠的解決方案。在實際設計中，工程師們可以根據具體需求，靈活運用AD598的各項特性，實現高效、準確的傳感器信號處理。大家在使用AD598的過程中遇到過哪些有趣的問題或挑戰呢？歡迎在評論區分享交流。