低功耗LVDT信号调理电路CN - 0371设计解析

在工业测量领域，线性可变差动变压器（LVDT）因其高精度、长寿命等优点，被广泛应用于各种需要精确测量线性位置或位移的场景。本文将深入剖析Circuits from the Lab参考设计CN - 0371，这是一款低功耗LVDT信号调理电路，能为工程师们在相关设计中提供有价值的参考。

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1. 电路概述

CN - 0371电路由多个关键器件组成，包括ADA2200同步解调器、AD7192 24位Σ - Δ ADC、ADG794模拟开关和ADP151线性稳压器。整个电路能准确测量线性位置或位移，采用模拟域同步解调技术提取位置信息，有效抵御外部噪声干扰。同时，24位ADC对位置输出进行数字化处理，确保高精度测量。

2. 电路关键器件及功能

2.1 ADA2200同步解调器

ADA2200是电路的核心，它采用独特的电荷共享技术在模拟域进行离散时间信号处理。其信号路径完全差分，包括高阻抗输入缓冲器、固定低通滤波器、可编程IIR滤波器、解调器和差分输出缓冲器。它接收来自AD7192的4.92 MHz时钟，生成内部时钟信号和4.8 kHz的LVDT激励信号。通过配置时钟分频器，可支持多种不同的激励频率。

2.2 AD7192 24位Σ - Δ ADC

AD7192支持可配置的输出数据速率和不同的数字滤波器输出选项，能在带宽和噪声之间进行权衡。其主时钟输出功能便于将ADC采样时钟频率与ADA2200输出信号锁定，优化数字滤波器性能。当输出数据速率设置为4.8 kHz时，可获得一个激励时钟周期的平均值，提高测量精度。

2.3 ADG794模拟开关

ADG794具有低导通电阻、快速开关时间、先断后通的开关动作和低成本等优点。它将ADA2200的低电压CMOS电平RCLK输出转换为低阻抗差分输出方波源，驱动LVDT。为确保开关能驱动3.3 V正信号，其(V_{DD})输入由5 V电源供电。

2.4 ADP151线性稳压器

ADP151为系统提供3.3 V电源，该电源还用作ADC参考电压，这种比例关系有助于提高电路的噪声和稳定性性能。

3. 电路工作原理

3.1 LVDT工作机制

LVDT是一种绝对位移传感器，通过电磁耦合将线性位移转换为成比例的电信号。当激励信号施加到初级绕组时，随着可动铁芯的移动，次级绕组电压成比例变化，从而计算出位置信息。CN - 0371电路采用4线模式的LVDT，两个次级输出电压相互抵消，当铁芯处于零位时，次级绕组间电压差为零；铁芯移动时，电压差增大，输出电压相位随方向改变。

3.2 信号处理流程

ADA2200对LVDT次级信号进行滤波，然后将信号解调为与LVDT铁芯位移成比例的低频输出电压。接着，AD7192对该输出进行数字化和滤波处理。ADA2200生成同步LVDT激励信号，ADG794将激励信号转换为±3.3 V的精确方波，驱动LVDT初级绕组。

3.3 输入耦合网络

ADA2200输入耦合网络可针对不同LVDT进行调谐。LVDT次级绕组电感和并联电容（C4）形成谐振电路，R4和R33电阻降低谐振电路的Q值，减少对LVDT绕组电感和电阻变化的敏感度，但会增加功耗。R34/C24和R35/C25组成的RC滤波器降低信号带宽，并提供调整电路相对相位的额外自由度。

3.4 抗混叠滤波器

ADA2200输出端的抗混叠滤波器用于维持ADC支持的信号带宽。AD7192内部数字滤波器的输出带宽约为输出数据速率的0.27倍。为在最大输出数据速率4.8 kHz下维持输出带宽，抗混叠滤波器的 - 3 dB截止频率设置为约2 kHz。对于需要较低输出数据速率的系统，可相应降低截止频率。

4. 性能分析

4.1 噪声分析

电路的输出噪声与ADC输出数据速率有关。表1显示了在假设2.5 V满量程输出电压下，数字化数据的有效位数（ENOB）与ADC采样率的关系。随着输出数据速率降低，ENOB的增加逐渐减少，这是由于低输出数据速率下输出驱动器的1/f噪声开始主导噪声底。

4.2 线性度测试

通过在铁芯位移为±2.0 mm处进行两点校准，确定斜率和偏移，建立预期直线拟合。然后在±2.5 mm的满量程范围内测量铁芯位移，将测量数据与预期直线拟合数据相减，得到线性度误差。测量结果表明，电路性能优于E系列LVDT数据手册中规定的线性度。

5. 多LVDT同步操作

在许多应用中，多个LVDT会近距离使用。如果LVDT工作在相似的载波频率，杂散磁耦合可能会产生拍频，影响测量精度。为避免这种情况，所有LVDT必须同步。通过同时将多个ADA2200设备从复位状态中释放，确保它们同步工作。可以通过监测ADA2200的RCLK输出来确认设备是否正确同步。

6. 常见变化

在某些系统中，可能希望使用SAR ADC代替Σ - Δ转换器。此时，ADC转换时钟必须与ADA2200的更新速率同步。ADA2200输出会包含激励频率倍数的杂散信号，可使用移动平均滤波器或级联多个移动平均滤波器来抑制这些杂散信号。

7. 电路评估与测试

7.1 所需设备

评估CN - 0371电路需要一台带有USB端口的PC（运行Windows® XP（32位）、Windows Vista®或Windows 7）、EVAL - CN0371 - SDPZ电路板、EVAL - SDP - CB1Z SDP - B控制器板、CN - 0371评估软件以及Measurement Specialties, Inc.的E - 100 Economy Series LVDT。

7.2 测试步骤

首先，下载CN0371.zip文件并运行setup.exe文件进行安装。然后，将EVAL - CN0371 - SDPZ电路板的120针连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z SDP - B板的CON A连接器上，使用尼龙硬件固定。接着，启动评估软件，将USB电缆从PC连接到SDP - B板的mini - USB连接器。当USB通信建立后，SDP - B板即可与电路板进行数据交互。

8. 原型开发连接性

EVAL - CN0371 - SDPZ电路板设计用于与EVAL - SDP - CB1Z SDP - B板配合使用，但也可以使用任何微处理器与AD7192的SPI接口进行连接。对于其他控制器，需要第三方开发相应的软件。此外，还有现有的转接板可用于连接Altera和Xilinx的现场可编程门阵列（FPGA）。

CN - 0371电路为低功耗LVDT信号调理提供了一个优秀的解决方案，通过合理选择器件和优化电路设计，实现了高精度的位置测量。工程师们在实际应用中可以根据具体需求对电路进行调整和优化，以满足不同的测量要求。你在使用LVDT信号调理电路时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。