AD598
线位移差动变压器信号调节器的特点与应用
四川省英世模拟器件有限公司(610041) 吴星明
AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)信号调节系统。AD598与LVDT配合，能够将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件，就能确定激磁频率和输出电压的幅值。在芯片内部，AD598将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。AD598还可以用于旋转差动变压器(RVDT)。AD598内部有一个用来产生LVDT初级激磁信号的低失真正弦波振荡器及其输出入大器和接收LVDT次级输出的二个正弦信号的输入级、除法器、滤波器及其输出入大器。在AD598的除法器中，将来自LVDT次级的这二个信号差除以这二个信号和。AD598各部分的功能框图如图1所示。
图1 AD598功能框图
一、AD598信号调节器的基本特点及主要技术指标
AD598信号调节器具有下列基本特点：
1.AD598提供了一个用单片器件来解决LVDT和RVDT信号调节问题的办法，它只要求几个外接无源元件，而且不需要任何调整。
2.AD598能够适用于多个不同类型的LVDT，因为AD598的输入电压、输出电压及频率适应范
围都很宽。AD598的输出电压达24Vrms，它能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈，接受LVDT的次级输出电压可以低于100mVrms。
3.LVDT的激磁信号频率20Hz～20kHz，它决定于AD598外接的一个电容C1。AD598的输入信
号不需要与LVDT初级驱动信号同步，这意昧着可以利用外部的激磁信号也能正常工作，例如
外部的400Hz电压。
4.AD598采用比率译码方案，这样次级对初级的相移和变压器中点电压绝对不会影响线路
的总性能。
5.多个LVDT可以共用一个AD598来驱动。不论串联或并联，当消耗功率受限制，超过它的允
许值时，激磁输出有过热保护。
6.AD598能够在遥测装置和电气接口远离LVDT的恶劣环境中得到广泛地应用，它能够通过电
缆驱动300英尺(约91.4米)以外的LVDT正常工作，这是由于线路不受相移或信号绝对值的大
小影响。另外AD598的输出直流电压能够通过电缆传输到1000英尺(约304.8米)以外的地方。
7.在设计简单的机电伺服回路时，可以将AD598作为一个积分环节来处理。
AD598的主要技术指标：
传递函数：V OUT ＝ＶＡ－ＶＢＶ
Ａ＋ＶＢ×５００μΑ×Ｒ２
总误差(包括温度、增益、增益漂移及输入失调电压漂移)：0.6%
输出电压范围：最小±11V
输出电流：最小6mA
短路保护电流：典型值20mA
满度线性误差：典型值75ppm
增益误差：满度0.4%
激磁电压抑制：100ppm/dB
激磁输出特性：
激磁电压范围：2.1~24V
激磁输出电流：30mA
激磁输出短路电流：60mA
激磁信号频率：20Hz~20kHz
输入信号特性：
输入信号范围：0.1~3.5V
输入阻抗：200kΩ
电源电压范围：13~36V
当要求输出电压±10V，双电源工作电压：±13V
当要求输出电压0~+10V或0~-10V
单电源工作电压：17.5V。
二、AD598信号调节器的使用方法
AD598是针对线位移差动变压器(LVDT)和旋转差动变压器(RVD
T)而专门设计的一种新型器件。因此，AD598特别适合于线位移与角位移感应信号测量。例
如：无接触感应式线位移传感器和其它类似产品均适用。
AD598既可以采用双电源供电，也可以采用单电源供电，其基本接线方法如图2所示。
图2 AD598不同供电方式时的基本接线图
在图2中，Schaevitz E100 LVDT是一种线位移差动变压器，其输出电压的幅值与机械位移成线性关系。根据作用原理，线位移传感器可分为电感式、电阻式、电容式和压电晶体式，这里示出的是电感式线位移传感器。
AD598在使用过程中，有关参数的选择与注意事项如下：
1.首先要确定LVDT位置测量系统所要求的机械频带f SYS ，例如：f SYS =150Hz。
2.选择LVDT的最低激磁频率f EXC 。一般选择f SYS 的10倍频作为激磁频率，即f
EXC =10f SYS 。这里激磁频率f EXE =250Hz×10=2.5kHz。
3.根据激磁频率2.5kHz再来选择合适的LVDT。例如，Schaevitz E100 LVDT的激磁频率范围为50Hz到10kHz，对本例来讲非常合适。
4.确定LVDT次级电压VA和VB之和。根据生产厂家提供的产品说明(E100是3Vrms)
按照典型驱动水平V PRI 激励LVDT，将铁心移动到中心位置时，理论上VA=VB。实
际上VA≠VB，存在一定误差。测量VA、VB的电压，并且计算VA和VB的和。对于
E100来讲，VA+VB=2.70V,根据这个结果就可以确定AD598的输出电压。
5.确定LVDT激磁电压的最佳值V EXC 。在LVDT加上激磁电压V PRI 后，将铁心移动
到机械的满量程位置，并且测出次级的最大输出电压V SEC 。然后计算LVDT的电压变比
VTR：
VTR=V PR1 ＝V SEC (1)
对于E100来讲，V SEC =1.71Vrms, V PR1 =3Vrms,选取V SEC =3
Vrms,这样就确定了LVDT的激磁电压最佳值V SEC ：
V SEC =VTR×V SEC (2)
V SEC =VTR×V SEC =1.75×３=5.25Vrms
进一步校验电源电压，并且要求电压VA和VB的峰值电压至少要比电源电压+Vs和-Vs分别
小 2.5V。
6.根据图2a和图3选择决定放大器输出电压幅值的电阻R1。
图3 激磁电压V EXC 幅值与电阻R1关系图
7.选择确定激磁电压频率的电容C1
C1=35μF·Hz/f EXC (3)
8.电容C2，C3和C4是AD598位置测量系统所要求的频带宽度函数，其标称值应为：
C2=C3=C4=10 -4 FHz/f SYS (4)
如果要求的系统带宽f SYS =250Hz则
C2=C3=C4=10 -4 FHz/250Hz=0.4μF
9.为了计算确定AD598增益和满量程输出电压范围的电阻R2，应首先知道下列几个参数：
(1)LVDT的灵敏度S
(2)满量程时铁心的位移d
(3)制造商所推荐的初级线圈驱动电压V PR1 对(VA+VB)的比值满量程铁心移动d时，AD598的输出电压按下式计算：
V OUT =S×d×R2×Ｖ ＰＲＩ ＶＡ＋ＶＢ×５００μＡ(5)式中ＶＡ、ＶＢ、V OUT 的单位为Vd单位为英寸R2单位为Ω。输出电压V
OUT 是相对于信号基准而言的，如图2a中的引脚17。为求出R2公式(5)也可以改写成：
R2=V OUT (ＶＡ＋ＶＢ)S×V PRI ×d×５００ＩμＡ(6)
10.选取R3和R4后，可确定正或负的输出失调电压调整范围。
V OS =1.2V×Ｒ２×（1R3+5kΩ-1R4+5kΩ)(7)或者反之,先确定输出失调电压范围，然后计算电阻R3和R4。例如：要求设计电路能够产生0~+10V的输出失调电压调整范围时，铁心移动0.2英寸，这时可以根据公式(5)，将已知参数代入就能求出R2，再令R4开路(R4∞)，利用公式(7)就能求出R3。同样地，按照上述的计算步骤，能够求出产生0~-10V输出失调电压调整范围的电阻R4。AD598也能采用单电源供电，它的接线方法如图2b所示。单电源供电时，电路中各参数的确定方法与双电源供电时的方法相同，此外还应补充以下几条计算R5、R6和C5的方法。
11.首先根据下式计算R5和R6的最大值：
R5+R6≤V PS /100μA(8)式中V PS ——电源电压，单位V
12.加在R5上的电压应大于下列电压：
2V+10kΩ(1.2VR4+5kΩ+250μAV OUT 4×Ｒ２)
R5≥2+10kΩ1.2VR4+5kΩ+250μA+Vout4
×R2
100μA
根据公式(8)、(9)可求出R6的电阻值。
13.负载RL上的电流要通过R5和R6的节点返回电源，在最大负载条件下应根据第12步
方法再次核算R5。最后核算电源电压时，只要核算VA和VB的峰值要分别比+Vs和-Vs小2.
5V就可以了。
14.C5是一个旁路电容，其范围在0.1到1.0μF之间。
三、AD598的典型应用
1差动测量系统
线位移差动变压器(LVDT)通常用于位置测量系统。为了测量物体的厚度，利用两个LVDT和一个AD598组成一个差动测量系统，具体线路图如图4所示。该系统能精确地测出LVDT触点所经过的二侧距离，它具有线路简单，成本低廉的特点。
该电路满量程时输出电压V OUT ＝±１０V，它是来自两个独立的LVDT信号(每个LVDT
摆幅为±5V)之和。输出电压的摆幅决定于电阻R2，它可以由下式求得：
V OUT =VA-VBVA+VB+VC-VDVC+VD×R2×５００μΑ(10)
如果想进一步提高测量精度，可以采用2个LVDT和2个AD598共同组成一个精度更高的
测量
系统。由于篇幅所限，读者可参阅文献〔2〕的有关内容。
2.多路LVDT系统
在许多应用中，采用多路测量系统来测量某一个平面上各点的变形，或相邻物体的距离。
多路LVDT系统工作时，如果LVDT的激磁信号频率相同时，就避免了分布磁场的耦合问题，这
样使得测量结果更精确。使用多个LVDT的接线原理图如图5所示。
在图5中，主AD598的振荡器输出信号频率与幅值由R1和C1决定。R1和C1的值按上述的第6步
和第7步方法计算，其他辅助的AD548所有引脚6和引脚7互相之间短接，使它们的内部振荡器
都处于禁止状态，并且引脚4和引脚5分别通过15kΩ的电阻与主AD598引脚2、引脚3相连，这
样所有辅助的AD598的激磁信号幅值与主AD598相同，在实际中存在差异即是由于电阻15kΩ
的变化差异所引起的。在图5中，要求15kΩ电阻相互之间要匹配。
图4 差动测量系统接线原理图
图5 多LVDT测量系统接线原理图
如果辅助的激磁信号幅值出现±20%的误差这是允许的，这是由于辅助AD598的内部电阻值不
同而引起的。但是，这种偏差对线路的工作状况不影响。在多个LVDT系统中，每个LVDT的
初级都是由它们各自的功率放大器来驱动的。因此，在所有的AD598之间，热饱和是共用的
，使得线路中辅助AD598的数量不受限制。实际上，每个辅助AD598前端的30kΩ电阻就成为
主AD598功率放大器的负载，对于大量的辅助AD598来讲，例如100个或者更多，就需要考虑
主AD598功率放大器的最大输出电流下降问题。
AD598还有很多应用例子，例如园盘式称重系统，位置频率转换，机械跟随同服系统及
位置伺服系统等都能得到广泛的应用，由于篇幅所限，不再赘述，读者需要时可到英赛尔器件集团所属各公司联系。
参考文献
1.Analog Devices Inc., Designin Reference Manual, 1994
2.Analog Devices Inc., Data Sheet, LVDT Signal Conditioner AD598