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特征
单芯片解决方案，包含内部振荡器和电压基准；无需调整；对传感器零电压不敏感；对一次至二次相移不敏感；直流输出与位置成比例；20赫兹至20千赫频率范围；单电源或双电源操作；单极或双极输出；将在300英尺的高度操作远程LVDT；位置输出可驱动高达1000英尺的电缆；也将连接到RVDT；出色的表现；线性度：FS max的0.05%；输出电压：11V min6；增益漂移：50 ppm/C FS max8；偏移漂移：50 ppm/C FS max8。
产品描述
AD598是一个完整的单片线性可变差动变压器（LVDT）信号调理子系统。它与LVDTs结合使用，将传感器的机械位置转换为单极或双极直流电压，具有很高的精度和重复性。所有的电路功能都包含在芯片中。通过添加一些外部无源元件来设置频率和增益，AD598将原始LVDT二次输出转换为缩放的直流信号。该装置也可与RVDT传感器一起使用。
AD598包含一个低失真正弦波振荡器来驱动LVDT主电路。LVDT二次输出由两个正弦波组成，直接驱动AD598。AD598对这两个信号进行操作，用它们的差除以它们的和，产生缩放的单极或双极直流输出。
AD598使用独特的比率结构（专利申请中）来消除与传统LVDT接口方法相关的一些缺点。这种新电路的优点是：无需调整，变压器零电压和一次至二次相移不影响系统精度，提高了温度稳定性，提高了传感器的互换性。
AD598有两种性能等级：
也可加工成MIL-STD-883B，军用范围为-55°C至+125°C。
产品亮点
1、AD598提供了一个整体的解决方案，LVDT和rvdt信号调节问题；很少需要额外的无源元件来完成从机械位置到直流电压的转换，不需要调整。
2、AD598可以与许多不同类型的LVTD一起使用，因为该电路可容纳范围广泛的输入和输出电压及频率；AD598可以驱动高达24 V rms的LVDT主电路，并接受低至100 mV rms的二次输入电平。
3、20赫兹到20千赫的LVDT激励频率由一个外部电容器决定。AD598输入信号不需要与LVDT主驱动器同步。这意味着可以使用外部一次励磁，例如飞机中的400赫兹电源。
4、AD598采用比率译码方案，使得一次至二次相移和传感器零电压对整体电路性能完全没有影响。
5、只要不超过功耗限制，一个AD598可以驱动多个LVDTs，可以是插入式的，也可以是并行的。励磁输出受到热保护。
6、AD598可用于遥测应用或在接口电子设备可能远离LVDT的敌对环境中使用。AD598可以在电缆300英尺的末端，因为电路不受相移或绝对信号量的影响。位置输出可以驱动多达1000英尺的电缆。
7、AD598可作为简单机电伺服回路设计中的回路积分器。
AD598–典型特性（在+25C和VS=15V时，除非另有说明）
操作理论
图5显示了AD598的框图以及与其输入端相连的LVDT（线性可变差动变压器）。LVDT是一种机电式传感器，其输入为磁芯的机械位移，输出为与磁芯位置成比例的一对交流电压。传感器由一个初级绕组组成一个外部正弦波参考源，两个串联的二次绕组，以及一次绕组和二次绕组之间耦合磁通的可动磁芯。
AD598为LVDT一次侧通电，感应LVDT二次侧输出电压，并产生与核心位置成比例的直流输出电压。AD598由一个正弦波振荡器和功率放大器组成，用于驱动主电路，一个解码器用于确定LVDT二次电压之差除以其和的比率，一个滤波器和一个输出放大器。
振荡器包括产生三波输出的多谐振荡器。三波驱动一个正弦整形器，产生一个低失真的正弦波，其频率由一个电容器决定。输出频率范围为20赫兹至20千赫，振幅范围为2伏有效值至24伏有效值。总谐波失真通常为-50分贝。
LVDT二次侧的输出由一对正弦波组成，其幅度差（VA–VB）与磁芯位置成正比。以前的LVDT调节器同步检测这个幅度差，并将其绝对值转换成与位置成比例的电压。这项技术使用一次励磁电压作为相位基准来确定输出电压的极性。与此技术相关的问题有很多，例如（1）产生恒定振幅、恒定频率的激励信号，（2）补偿LVDT一次至二次相移，以及（3）补偿这些位移作为温度和频率的函数。
AD598消除了所有这些问题。AD598不需要恒定振幅，因为它工作在LVDT输出信号的差和和的比率上。不需要恒定频率的信号，因为输入是整流的，只处理正弦波载波幅度。由于不采用同步检测，主励磁和LVDT输出之间对相移不敏感。AD598工作所依据的比率原理要求LVDT二次电压之和与LVDT行程长度保持恒定。虽然LVDT制造商一般不指定VA+VB与行程长度之间的关系，但人们认识到一些LVDT不符合这一要求。在这些情况下会产生非线性。然而，大多数可用的lvdt实际上都满足这些要求。
AD598采用特殊的解码电路。参考下面的框图和图6，使用隐式模拟计算循环。校正后，A和B信号分别乘以互补占空比信号d和（I-d）。通过比较器对这些处理后的信号进行积分和采样。这个比较器的输出定义了原始占空比d，它反馈给乘法器。如图6所示，积分器的输入为[（A+B）d]B。
由于积分器输入被强制为0，占空比d=B/（A+B）。产生d＝B/（A+B）的输出比较器还控制由参考电流驱动的输出放大器。占空比信号d和（1-d）对参考电流进行单独调制，如图6所示，这些调制相加。输出电流之和为IREF×（1–2d）。
由于d=B/（A+B），通过替换输出电流等于IREF×（A-B）/（A+B）。然后，该输出电流被过滤并转换为电压，因为它被迫流过定标电阻器R2，从而：
连接AD598
如图7和12所示，AD598可以很容易地连接到双电源或单电源操作。以下一般设计程序演示如何选择外部组件值，并可用于满足AD598输入/输出标准的任何LVDT。
由外部无源元件设置的参数包括：激励频率和振幅、AD598系统带宽和标度因数（V/英寸）。此外，还可以通过添加外部组件来使用可选功能、偏移零点调整、滤波和信号集成。
AD598设计程序双电源操作
图7显示了双±15伏电源和Schaevitz E100 LVDT的连接方法。此设计过程也可用于为其他lvdt选择组件值。步骤1至步骤10概述了该过程，如下所示：
1、确定LVD位置测量子系统F子系统所需的机械带宽。对于本例，假设fSUBSYSTEM=250赫兹。
2、选择最小LVDT激励频率，近似10 ×F子系统。因此，让激励频率=2.5 kHz。
3、选择一个合适的LVDT，它将在2.5khz的激励频率下工作。例如，Schaevitz E100将在50赫兹到10千赫的范围内工作，是本例的合格候选设备。
4、确定LVDT二次电压VA和VB之和。按照制造商的数据表（E100为3 V rms）所示，在其典型的驱动器级VPRI上给LVDT通电。将堆芯位移设置为其中心位置，其中VA=VB。测量这些值并计算它们的和VA+VB。对于E100，VA+VB=2.70 V rms。此计算将在稍后确定AD598输出电压时使用。
5、确定最佳LVDT激励电压VEXC。当LVDT在其典型的驱动电平VPRI上通电时，将堆芯位移设置到其机械满标度位置，并测量产生最大信号的二次设备的输出VSEC。计算LVDT电压变比VTR。垂直速度=V前/后秒，对于E100，VSEC=1.71 V rms对于VPRI=3 V rms。VTR=1.75。
AD598信号输入，VSEC，应在1 V rms至3.5 V rms的范围内，以最大的AD598线性度和最小噪声敏感性。选择VSEC=3 V rms。因此，LVDT励磁电压VEXC应为：
检查电源电压，确认VA和VB的峰值至少比+VS和–VS处的电压低2.5伏。
6、参考图7，对于VS=±15v，选择图8中曲线所示的振幅确定组件R1的值。
7、选择励磁频率确定部件C1。
8、C2、C3和C4是所需带宽的函数AD598位置测量子系统。他们应该名义上相等。
C2 = C3 = C4 = 10–4 Farad Hz/fSUBSYSTEM (Hz)
如果所需的系统带宽为250赫兹，则C2 = C3 = C4 = 10–4 Farad Hz/250 Hz = 0.4 μF有关更多信息，请参见图13、14和15AD598带宽和相位特性。
9、为了计算设置AD598增益或满标度输出范围的R2，需要几条信息：
a.LVDT灵敏度；
b.全尺寸堆芯位移，d；
c.制造商推荐的主驱动器级别的比率，在步骤4中计算的VPRI到（VA+VB）。
LVDT灵敏度列在LVDT制造商的目录中，单位为每英寸输入电压输出毫伏取代。E100的灵敏度为2.4 mV/V/mil。
如果制造商没有给出LVDT灵敏度，则可以进行计算。参见“确定”部分LVDT灵敏度。
对于d英寸的全尺寸位移，电压超出AD598计算为：
VOUT是根据信号参考（图7所示的引脚17）测量的。求解R2，
请注意，VPRI与步骤4中用于确定（VA+VB）的信号电平相同。
对于VOUT=20 V满标度范围（±10 V）和d=0.2英寸满标度位移（±0.1英寸），
上面的例子中，VOUT是位移的函数，如图9所示。
10、R3和R4的选择允许正或负输出电压偏移调整。
*这些值具有±20%的公差。
对于无偏移调整，R3和R4应开路。
若要设计一个产生0 V至+10 V输出（位移为±0.1英寸）的电路，请将VOUT设置为+10 V，d=0.2英寸，并求解R2的方程式（1）。R2 = 37.6 kΩ
这将产生如图10所示的响应。
在等式（2）中，将VOS设置为5v，并求解R3和R4。因为需要正偏移，所以让R4开路。
重新排列方程（2）和R3的求解：
图11显示了所需的响应。
设计程序单一供应操作
图12显示了单电源连接方法。
对于单电源操作，重复双电源操作设计程序的步骤1至10，然后完成下面的附加步骤11至14。R5、R6和C5是有待确定的附加成分值。VOUT是根据信号参考来测量的。
11、基于关系计算R5和R6的最大值，R5 + R6 ≤ VPS/100 μA
12、R5上的电压降必须大于
因此
*这些值具有±20%的公差。
基于R5+R6（步骤11）和R5（步骤12）的约束，选择一个中间值R6。
13、通过RL的负载电流返回R5和R6的交界处，并流回VPS。在最大负载条件下，确保在步骤12中定义R5上的电压降。作为对电源电压的最终检查，验证VA和VB的峰值至少比+VS和–VS处的电压低2.5伏。
14、C5是0.1至1μF范围内的旁路电容器。
增益相位特性
要在闭环机械伺服应用中使用LVDT，必须了解传感器和接口元件的动态特性。一旦磁芯移动，传感器本身的响应非常快。动力学主要来自界面电子学。图13、14和15显示了AD598 LVDT信号调节器的频率响应。请注意，图14和图15基本上是相同的；区别在于涵盖的频率范围。图14显示了以牺牲精度为代价的更大范围的机械输入频率。图15显示了一个更有限的频率范围和更高的精度。这些数字是传递函数，输入被视为正弦变化的机械位置，输出被视为来自AD598的电压；传递函数的单位是每英寸伏特。图7中C2、C3和C4的值均相等，并在图中指定为参数。响应大约是两个实极点的响应。然而，在较高的频率下存在明显的过相位。一个附加的滤波极点可以通过一个并联电容器穿过R2引入（见图7）；这也会增加相位滞后。
当选择C2、C3和C4的值来设置系统的带宽时，需要权衡。“直流”位置输出电压存在纹波，其大小由滤波电容决定。一般来说，较小的电容器将提供更高的系统带宽和更大的纹波。图16和17显示了作为C2、C3和C4函数的波纹大小，同样在数值上都相等。另请注意，R2上的并联电容器显示为参数（见图7）。使用的R2值为81 kΩ，Schaevitz E100 LVDT。
测定LVDT灵敏度
LVDT灵敏度可以通过测量LVDT二次电压作为主驱动器和核心位置的函数来确定，并进行简单的计算。
在推荐的主驱动器级别上给LVDT通电，VPRI（E100为3v rms）。将核心设置为VA=VB的中点。将磁芯位移设置到其机械满标度位置，并测量二次电压VA和VB。
从图18来看，
热关机和加载注意事项
AD598由热过载电路保护。当模具温度达到165℃时，正弦波激励幅度逐渐减小，从而降低了内部功耗和温度。
由于译码器电路的比率运算，只有很小的误差来自于激励幅度的减小。在这些条件下，AD598的信号处理部分继续满足其输出规范。
热负荷取决于输送到负荷的电压和电流以及电源电压。LVDT一次绕组将对正弦波激励产生感应负载。还必须考虑励磁电压和电流之间的相位角，使热计算更加复杂。
AD598–应用程序
检定环秤
图20显示了一个弹性构件（钢验证环）和一个LVDT相结合，提供了一种测量非常小荷载的方法。图19显示了电路的详细信息。
与LVDT结合使用验证环的优点是，LVDT的磁芯和线圈之间不涉及摩擦。这意味着重量的测量不会与摩擦力混淆。这对于非常低的全尺寸重量应用尤其重要。
尽管人们认识到，这种测量系统最适合用于称量非常小的重量，但该电路的设计目的是使用Morehouse Instruments型号5BT的测试环，为500磅的重量提供10 V的满标度输出。LVDT是Schaevitz型HR050（±50 mil满标度）。尽管该LVDT提供了±50 mil满标度，但在设计程序的第9步中，计算了d=±30 mil和VOUT等于10 V时的R2值。
1μF电容器提供额外的滤波，从而减少由机械振动引起的噪声。其他的电路值是用设计程序以通常的方式计算的。
该称重秤可设计为通过选择R3或R4（如图7和图12所示）输入偏置电压来测量皮重。皮重是一个集装箱的重量，从毛重中扣除以获得净重。
R3或R4的值可以使用两种不同的方法之一计算。首先，电位计可以连接在AD598的引脚18和19之间，而雨刮器连接到–v电源。这会产生任意极性的小偏移；该值可使用设计程序的步骤10计算。对于一个方向上的较大偏移量，用一个电位计替换R3或R4，其雨刮器连接至–V电源。
通过在天平上放置100克砝码，并在示波器上观察AD598输出信号偏转，来检查该天平的分辨率。挠度为4.8mv。
可在示波器上测量的最小信号偏转为450微伏，相当于10克的重量。这个450微伏的信号对应于1.32微英寸的LVDT位移，相当于蓝光波长的十分之一。
由于钢的杨氏模量，该电路中使用的试验环的温度系数为250 ppm/℃。通过放置一个温度系数为R2的电阻器，可以对称重秤进行温度补偿。由于试验环的钢在较高温度下变软，给定力的挠度较大，因此需要一个负温度系数的电阻器。
多台LVDTS的同步运行
在许多应用中，例如多测量测量，大量的LVDTs用于接近物理接近。如果这些lvdt在类似的载频下工作，杂散磁耦合可能会产生拍频。由此产生的节拍音符会干扰在这些条件下进行测量的准确性。为了避免这种情况，所有的lvdt都是同步操作的。
图21所示的电路有一个主振荡器和任意数量的从振荡器。主AD598振荡器使用设计过程中的步骤6和7，通过R1和C2以通常方式编程其频率和振幅。从机AD598s的引脚6和引脚7连接在一起，以禁用其内部振荡器。每个从机的引脚4和5通过15 kΩ电阻器连接到主机的引脚2和3，从而将从机的振幅设置为等于主机的振幅。如果需要不同的振幅，则应更改15 kΩ电阻值。注意，振幅与电阻值成线性比例。之所以选择15 kΩ值，是因为它与电路内部电阻器的标称值匹配。由于内部电阻值不同，从振幅之间出现20%的公差，但这不会影响电路的工作。
请注意，每个LVDT主电路由其自身的功率放大器驱动，因此热负载在AD598s之间共享。由于每个从电路向主AD598功率放大器提供30 kΩ的负载，因此该电路中的从电路数量几乎没有限制。对于一个非常多的奴隶（例如100或更多），可能需要考虑从主AD598功率放大器提取的最大输出电流。
高分辨率位置-频率电路
在图22所示的电路中，AD598与AD652电压-频率（V/F）转换器相结合，以产生能够进行高分辨率测量的有效、简单的数据转换器。
该电路以电流的形式将信号从LVDT传输到V/F转换器，从而消除了通常由V/F转换器的偏置电压引起的误差。在这种电路中，V/F转换器的偏置电压通常是最大的误差源。将到AD652的模拟输入信号转换为数字频率输出脉冲，该脉冲可以通过简单的数字方式进行计数。
如果要测量的位置有很大程度的机械振动（hum），此电路特别有用。通过在等于hum周期的倍数的门时间（固定周期）上计数数字频率脉冲，可以完全拒绝hum。为了完全消除嗡嗡声的影响，嗡嗡声必须是周期性信号。
V/F转换器目前设置为单极运行。AD652数据表说明了如何设置双极操作。注意，当LVDT磁芯居中时，输出频率为零。当LVDT磁芯偏离中心位置时，在一侧，频率增加到满标度值。要将双极操作引入该电路，必须在LVDT处引入偏移，如设计程序的步骤10所示。
低成本设定点控制器
使用图23所示的电路可以实现低成本的设定点控制器。这种电路可能用于汽车燃油控制系统。电位计P1安装在油门踏板上，LVDT安装在燃油喷射系统或化油器的蝶阀上。蝶阀的位置由油门踏板的位置进行电子控制，无需机械连杆。
该电路是一个简单的双IC闭环伺服控制器。它很简单，因为LVDT电路起到了环路积分器的作用。通过将电容器置于反馈路径（通常由R2占用），来自AD598的输出信号对应于LVDT测量位置的时间积分。LVDT位置信号与电位计P1引入的偏移信号相加。因为这个和是积分的，所以它必须强制为零。因此，LVDT位置被迫跟随输入电位计P1的值。来自AD598的输出信号驱动LM675功率放大器，进而驱动电磁阀。
该电路具有成本低、精度高的双重优点。高精度的结果是避免了通常与将LVDT信号转换为电压相关的偏移误差，然后对该电压进行积分。
机械随动伺服回路
图24显示了两个Schaevitz E100 LVDTs如何与两个AD598s组合在一个机械跟随器伺服回路配置中。其中一个LVDT提供机械输入位置信号，而另一个LVDT模拟运动。
来自输入位置电路的信号作为电流馈送到输出，这样就避免了电压偏移误差。该电流信号与来自输出位置LVDT的信号求和；该求和信号被集成，使得输出位置现在等于输入位置。这种电路是实现机械伺服回路的有效方法，因为只需要三个集成电路。
该电路与先前的电路（图23）类似，但有一个例外：先前的电路使用一个电位计而不是LVDT来提供输入位置信号。用LVDT替换电位计有两个优点。首先，在位置输入传感器位于恶劣环境中的应用中，可以利用LVDT增加的可靠性和鲁棒性其次，输入和输出lvdt的机械运动保证在其各自比例因子的匹配范围内相同。这些独特的优点使该电路成为液压执行器控制器的理想应用。
差分测量
LVDTs常用于测量系统中。两个lvdt可用于测量物体的厚度或锥度。为了测量厚度，LVDTs被放置在被测物体的两边。LVDTs被定位成在完全缩回位置之间存在已知的最大距离。
这个电路既简单又便宜。它的优点是可以从一个AD598驱动两个LVDT，但缺点是每个LVDT的比例因子可能不完全匹配。这会导致工件厚度测量值根据其在差动测头中的绝对位置而变化。
该电路设计为产生一个±10v的信号输出摆幅，由每个LVDT的两个独立的±5v摆幅之和组成。输出电压摆幅设置为80.9 kΩ电阻。此电路的输出电压VOUT由以下公式给出：
精密差分测量
图26所示的电路在功能上与图25所示的差分测量电路相似。与图25相反，它提供了一种独立调整每个LVDT的比例因子的方法，以便两个比例因子可以匹配。
两个LVDT以主从式结构驱动，其中从LVDT的输出信号与来自主LVDT的输出信号。从属LVDT的比例因子仅用R1和R2进行调整。主LVDT和从LVDT的总比例因子用R3调整。
R1和R2被选为80.9kΩ电阻，为单个Schaevitz E100 LVDT提供±10v满标度输出信号。R3选择为40.2 kΩ，以在两个E100 LVDT输出信号相加时提供±10 V输出信号。此电路的输出电压由下式给出：
半桥式传感器的操作
尽管AD598不打算与半桥式传感器一起使用，但它可以在性能下降的情况下工作。
半桥式换能器是一种常用的换能器。它的工作方式与LVDT类似，两个线圈绕在一个可移动的磁芯上，每个线圈的电感是磁芯位置的函数。
在图27所示的电路中，VA和VB输入电压被发展为两个电阻电感分配器。如果电感相等（即磁芯居中），则AD598的VA和VB输入电压相等，且输出电压VOUT为零。当磁芯偏离中心时，电感不相等，产生输出电压VOUT。
该电路的线性度取决于电阻电感分压器中电阻的值。最佳值可能取决于传感器，因此必须通过反复试验来选择。该电路中的300Ω电阻将传递函数的非线性优化到1%的十分之几以内。该电路采用Sangamo AGH1半桥传感器。1μF电容器阻断励磁输出信号的直流偏移。根据制造商的建议，4NF电容器将传感器激励频率设置为10kHz。
交替半桥传感器电路
该电路与先前电路描述中提到的电路具有类似的精度问题。在该电路中，输入到AD598的VA信号实际上是一个核心位置的线性函数，而输入信号VB是励磁电压电平的一半。然而，a-B/a+B传递函数引入了非线性。
选择该电路中的500Ω电阻是为了将来自VA和VB输入的直流偏置电流引起的误差降到最低。注意，在之前的电路中，这些偏置电流通过线圈看到非常低的接地电阻路径。
