AD598：高性能LVDT信号调理器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，传感器信号调理是一个关键环节，尤其是对于线性可变差动变压器（LVDT）和旋转变压器（RVDT）这类传感器。今天，我们就来深入探讨一款功能强大的LVDT信号调理器——AD598。

文件下载：AD598.pdf

一、AD598概述

AD598是一款完整的单片LVDT信号调理子系统，它能与LVDT配合使用，将传感器的机械位置高精度、高重复性地转换为单极性或双极性直流电压。其独特的设计和出色的性能，使其在众多应用场景中脱颖而出。

（一）主要特性

1. 单芯片解决方案：集成了内部振荡器和电压基准，只需添加少量外部无源元件即可完成从机械位置到直流电压的转换，无需进行复杂的调整。
2. 高稳定性：对传感器零电压和初级到次级相移不敏感，有效提高了系统的准确性和温度稳定性。
3. 宽工作范围：支持20 Hz至20 kHz的频率范围，可采用单电源或双电源供电，输出可为单极性或双极性。
4. 长距离驱动能力：能够驱动最远300英尺的远程LVDT，位置输出可驱动长达1000英尺的电缆。
5. 出色的性能指标：线性度高达0.05% FS max，输出电压最小为11 V，增益漂移和失调漂移最大均为50 ppm/°C FS。

（二）产品描述

AD598采用独特的比例式架构（专利申请中），克服了传统LVDT接口方法的诸多缺点。它包含一个低失真正弦波振荡器来驱动LVDT初级，通过对LVDT次级输出的两个正弦波进行处理，将它们的差值除以和值，从而产生与核心位置成比例的直流输出。

（三）性能等级与封装

AD598提供两种性能等级：AD598JR适用于0°C至+70°C的温度范围，采用20引脚小外形（SOIC）封装；AD598AD适用于 - 40°C至+85°C的温度范围，采用20引脚陶瓷双列直插（DIP）封装。此外，它还可根据MIL - STD - 883B进行处理，适用于 - 55°C至+125°C的军事温度范围。

二、工作原理

（一）整体架构

AD598主要由正弦波振荡器、功率放大器、解码器、滤波器和输出放大器组成。振荡器产生的低失真正弦波驱动LVDT初级，LVDT次级输出的两个正弦波输入到解码器，解码器计算它们的差值与和值的比例，经过滤波和放大后得到最终的直流输出。

（二）振荡器工作方式

振荡器由多谐振荡器和正弦整形器组成。多谐振荡器产生三角波输出，驱动正弦整形器生成低失真正弦波，其频率由单个电容决定，范围为20 Hz至20 kHz，幅度为2 V rms至24 V rms，总谐波失真通常为 - 50 dB。

（三）信号处理优势

与传统的LVDT调理器相比，AD598不依赖于恒定幅度和频率的激励信号，对初级激励和LVDT输出之间的相移不敏感，避免了传统方法中因激励信号不稳定和相移带来的问题。但需要注意的是，其比例式原理要求LVDT次级电压之和在行程长度内保持恒定，大多数LVDT能满足这一要求，但部分可能会导致非线性。

三、设计与连接

（一）设计步骤

无论是双电源还是单电源操作，AD598的设计都有一套明确的步骤。以双电源操作为例，首先要确定LVDT位置测量子系统所需的机械带宽，选择合适的LVDT激励频率和LVDT型号，然后计算LVDT次级电压之和、最佳激励电压，选择幅度确定组件R1和激励频率确定组件C1，根据系统带宽选择C2、C3和C4的值，计算设置增益的R2以及用于输出电压偏移调整的R3和R4。单电源操作在双电源操作步骤的基础上，还需要确定R5、R6和C5的值。

（二）增益和相位特性

在闭环机械伺服应用中，了解AD598的动态特性至关重要。其频率响应近似于两个实极点，但在较高频率下存在明显的额外相位。可以通过在R2上并联电容引入额外的滤波极点，但会增加相位滞后。在选择C2、C3和C4的值来设置系统带宽时，需要权衡带宽和输出电压纹波的关系，较小的电容会带来更高的系统带宽，但也会增加纹波。

（三）LVDT灵敏度确定

LVDT灵敏度可以通过测量LVDT次级电压随初级驱动和核心位置的变化，并进行简单计算得到。具体方法是在推荐的初级驱动水平下，将核心设置到中点和机械满量程位置，测量次级电压，然后根据公式计算灵敏度。

四、热保护与负载考虑

AD598配备了热过载保护电路，当芯片温度达到165°C时，正弦波激励幅度会逐渐降低，从而降低内部功耗和温度。由于解码器电路的比例式操作，激励幅度的降低只会导致较小的误差，信号处理部分仍能满足输出规格。但在进行热计算时，需要考虑负载的电压、电流以及电源电位，LVDT初级的感性负载和激励电压与电流之间的相角也会增加热计算的复杂性。

五、应用案例

（一）证明环称重秤

将弹性元件（钢证明环）与LVDT结合，可实现对非常小负载的测量。通过AD598进行信号调理，电路中的1 µF电容可减少机械振动引起的噪声。该称重秤可以通过选择R3或R4引入偏移电压来测量皮重，并且可以通过使用具有温度系数的电阻来进行温度补偿。

（二）多个LVDT的同步操作

在多个LVDT近距离使用的应用中，为避免杂散磁耦合产生的拍频干扰测量精度，可采用同步操作。通过一个主振荡器和多个从振荡器的电路设计，使所有LVDT同步工作，每个LVDT初级由独立的功率放大器驱动，热负载在AD598之间分担。

（三）高分辨率位置 - 频率电路

将AD598与AD652电压 - 频率（V/F）转换器结合，可实现高分辨率的位置测量。该电路以电流形式将LVDT信号传输到V/F转换器，消除了V/F转换器失调电压带来的误差，尤其适用于存在机械振动的测量场景。

（四）低成本设定点控制器

在汽车燃油控制系统等应用中，可使用低成本设定点控制器。通过将电位器连接到油门踏板，LVDT连接到燃油喷射系统或化油器的蝶阀，实现电子控制蝶阀位置，无需机械联动。

（五）机械跟随伺服环

将两个LVDT与两个AD598结合，可构建机械跟随伺服环。该电路通过电流信号传输避免了电压偏移误差，使输出位置跟随输入位置，适用于液压执行器控制器等应用。

（六）差分测量与精密差分测量

在测量物体厚度或锥度的应用中，可使用两个LVDT进行差分测量。普通差分测量电路简单且成本低，但可能存在LVDT比例因子不匹配的问题；精密差分测量电路则可以独立调整每个LVDT的比例因子，提高测量精度。

（七）半桥传感器操作

虽然AD598并非专为半桥型传感器设计，但通过适当的电路设计可以使其与半桥型传感器配合使用，不过性能会有所下降。在这种应用中，需要注意输入电压的产生方式以及电阻值的选择对线性度的影响。

综上所述，AD598凭借其出色的性能和丰富的应用场景，为电子工程师在LVDT和RVDT信号调理方面提供了一个强大而可靠的解决方案。在实际设计中，工程师们可以根据具体需求，灵活运用AD598的各项特性，实现高效、准确的传感器信号处理。大家在使用AD598的过程中遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享交流。