基于 AD598的伸缩仪放大电路设计＊

杨 江 吕宠吾

(中国地震局地震研究所,武汉 430071)

基于 AD598的伸缩仪放大电路设计＊

杨 江 吕宠吾

(中国地震局地震研究所,武汉 430071)

伸缩仪多用于地壳形变观测,但其在工程中亦有较大的应用前景。现用的放大电路精度高但电路复杂、成本过高,造成其工程应用方面的局限性。介绍基于单片式线位移差动变压器 (LVDT)信号调节器 AD598设计的全新伸缩仪放大电路,作为伸缩仪放大电路的补充,体现了其在工程应用中简单可靠、成本低的优势。

伸缩仪;形变观测;LVDT;AD598;放大电路

1 引言

“九五”以来,伸缩仪一直采用差动变压器作为其数据传感器来进行地壳形变观测,但其在工程测量如大坝、断层等方面亦有较广阔的应用前景。现有的传感器放大电路精度高但电路复杂、成本过高,不适用于工程测量。设计一种灵敏度稍低、稳定可靠的放大电路有较强的实际意义。本文介绍基于LVDT信号调节器 AD598设计的全新的放大电路,其结构简单、集成度高[1],通过测试验证了其十分适用于伸缩仪工程测量,拓展了伸缩仪未来的发展方向。

2 AD598简介

AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)信号调节器。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[2]。其功能框图如图 1所示。

AD598内部系统的传递函数为：

其中,VA和 VB是差动变压器 LVDT次级输出的电压,IREF是芯片内部的参考电流,在设计中,常用的参考电流 IREF=500μA,RSCALE为芯片应用过程中外接的比例电阻[3]。

图1 AD598功能框图Fig.1 Functional block diagram ofAD598

3 放大电路设计原则[4]

电路设计原理如图 2所示。选择正负 15 V双电源供电,保证其电源抑制比。元器件选取原则如下：

图2 电路原理图Fig.2 Circuit principle diagram

1)在双供电电源和地之间采用了 6.8μF的电解电容和 0.1μF陶瓷电容。电解电容用于减小输出脉动和低频干扰;陶瓷电容和芯片构成去耦旁路,滤除高频噪声。

2)电阻 R1用于决定 LVDT最佳激励电压 VEXC的值。

3)电容 C1用于确定激磁电压频率 fEXC的值。根据内部电路的设计可知 fEXC=35μF Hz/C1,此时C1=35μF Hz/fEXC。

4)电容 C2、C3和 C4用于确定 AD598位置测量系统所要求的频带宽度。根据系统的要求,电容C2、C3、C4的标称值为 C2=C3=C4=10-4FHz/fSYS。

4 放大电路器件参数的确定[5]

在实验中,根据上述电容和电阻的不同用途,初步确定电容 C1、C2、C3、C4选用聚乙酯电容或者陶瓷电容,电阻 R2、R3、R4选用标准 1%电阻。

1)首先要确定LVDT位置测量系统所要求的机械频带 fSYS。本次实验于常温下在实验工作台上进行,采用固定底座和固定端搭建,省略了系统的基线部分,整套系统放置于平稳的铜板上面。底座和固定端采用精加工,步进电机采用常州微特电机总厂生产的 45BC340C型三相步进电机,它的指标如下：额定电压：12V,额定电流：0.4A,步距角：1.5°/3°,保持转距：0.118 Nm。考虑到整个系统的构成及工作环境,初步确定机械频带 fSYS=250 Hz。

2)选择 LVDT的最低激磁频率 fEXC。一般选择机械频带 fSYS的 10倍频作为激磁频率,即 fEXC=10 fSYS。实验中 LVDT激磁频率 fEXC=250 Hz×10=2. 5 kHz。

3)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按照典型驱动水平 VPRI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与 VB的和。对于本次试验所用WY-0.5,VA+VB=2.70 V,根据这个结果就可以确定AD598的输出电压。

4)确定 LVDT激磁电压的最佳值 VEXC。在LVDT加上激磁电压 VPRI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 VSEC。然后计算LVDT的电压变比VTR：

对于WY-0.5,VSEC=1.71 V,VPRI=3V,则可以得到 VTR=VPRI/VSEC=1.75。选取 VSEC=3 V,这样就确定了LVDT的激磁电压的最佳值VEXC：

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。

5)根据AD598厂商指标选择决定放大器输出电压幅值的电阻 R1。

如图 3所示,由VEXC=5.25 V,选 R1=6。

6)选择确定激磁电压频率的电容 C1：

C1=35μFHz/fEXC=35μFHz/2.5 KHz=1.4× 10-2μF

图3 激励电压电阻对应关系Fig.3 Corresponding relation between driving voltage and resistor

7)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= 10-4FHz/fSYS。

因为要求的系统带宽 fSYS=250 Hz,则

C2=C3=C4=10-4FHz/250 Hz=0.4μF

8)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：

①LVDT的灵敏度S。

②LVDT的磁芯从零位到满量程的位移 d。

③制造商所推荐的初级线圈驱动电压 VPRI,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：

式中,VA、VB、VOUT的单位为V,d单位为 mm,R2单位为Ω。

则：

通过估算及合理取值,将采用阻值为 604 kΩ的1%精度的电阻来搭建电路。

9)选取 R3和 R4后,可确定正或负的输出失调电压调整范围。

实验中根据输出失调电压范围计算电阻 R3和R4的阻值。

我们要求设计电路能够产生0～10 V(±5V)的输出失调电压调整范围时,铁心移动 ±3 mm,这时可以根据步骤 9)的公式,将已知参数代入就能求出R2,再令 R4开路 (R4=∞),则可得

同样地,令 R3开路 (R3=∞),能够求出产生 0～-10 V输出失调电压调整范围的电阻 R4,

10)考虑到实际的使用条件,各参数的具体取值如下：

电容 C1、C2均取 0.1μF,电容 C4取 0.34μF,考虑到需要提高整个系统的放大倍数,电阻 R2取604 kΩ,电阻 R3、R4均取 97 kΩ,电阻 R1取 6 kΩ。

5 放大电路测试

放大电路搭建完成以后,需要对整套系统做灵敏度、线性度和噪声方面的测试。测试平台 (SS-Y伸缩仪实验组实验台温度：20℃;传感器编号：20052007T步进电机[7]：45BC340C型;标定器编号：2004004-1;测距仪器：Math电子长度测量仪;测电压仪器：4位半万用表)模拟伸缩仪工作过程,其结构示意图如图 4所示。

图4 测试平台结构图Fig.4 Structure of test platform

5.1 灵敏度测试

灵敏度测试过程类似于系统的标定过程,采用大步距法给系统一固定位移量(即为标定器位移常数),在系统输出满足重复性小于 1%的情况下,认为取值有效。

标定器位移常数 c=38.78μm,测试数据结果如表1所示。

由表 1可知,重复性为 0.44%,满足测试要求,系统灵敏度为 16.85 mV/μm。

经过 3次测量,重复性分别为 0.44%、0.41%和 0.38%,系统灵敏度分别为 16.85 mV/μm、16.87 mV/μm与 16.86 mV/μm,取平均值得到系统灵敏度为 16.86 mV/μm。

5.2 线性度测试

在传感器工作范围内,取线性度的测试范围为110μm。为了反应测试过程的连续性,同时检测传感器在零位附近是否存在盲区将采用小步距方式测试,电压零值附近将采用 0.1μm为步距,其余的地方采用 1μm为步距进行测试。测试数据如表 2所示。

分别作 1μm和 0.1μm步距电压-距离图如图 5和图6。

表 1 AD598电路系统灵敏度测试数据Tab.1 Tested data of sensitivity of AD598 circuit

表 2 AD598电路系统线性度测试数据Tab.2 Test data of linearity of AD598 circuit

图5 1μm步距电压-距离图Fig.5 Voltage-distance diagram with 1μm pace

图6 0.1μm步距电压-距离图Fig.6 Voltage-distance diagram with 0.1μm pace

通过数据处理软件,AD598电路系统的线性度计算结果如图7所示。

从计算的结果可以看出,AD598电路系统的线性度为 0.44%,灵敏度为 16.866,与灵敏度测试结果相吻合。

图7 AD598电路系统线性度计算结果Fig.7 Linearity calculation results of circuit ofAD598

5.3 噪声测试

用同一平台,在传感器输出基本稳定以后开始记录,记录时间从 0时到早上 7时共 7个小时,记录结果如图8所示。

取 0时到 1时共 1个小时数据做拟合曲线如图9所示。

图 8 噪声测试(7小时数据)Fig.8 The noise test(7 hour data)

图 9 噪声测试(1小时数据)Fig.9 The noise test(1 hour data)

由于温度等外界环境的影响,测试过程一直在漂移,做拟合曲线取最大差值约为 4.5。数采格值为 6.332 5×10-10/mV,则系统最大噪声约为 0.711 mV,满足系统测试要求。

5.4 测试结论

由于AD598电路系统电阻 R2选择的局限性,整个系统灵敏度为 16.86 mV/μm,系统线性度为 0. 44%,低于系统要求的 1%,系统噪声为 0.711 mv,在测量要求的范围以内。整套系统完全满足伸缩仪在工程测量中的要求。

6 结论

主要介绍了AD598芯片在 SS-Y伸缩仪中的应用。包括电路的设计,电路中各个器件参数的选择,以及利用实验平台进行整套系统的灵敏度、线性度和噪声方面的测试。

测试结果表明,基于AD598搭建的伸缩仪系统在各方面指标上均能够满足其在工程方面的应用,为伸缩仪未来的发展方向做了必要的补充。

1 Analog Devices Inc.LVDT signal conditional AD598[S]. 2002.

2 AnalogDevices Inc.Design in reference manual[S].1994.

3 Analog Devices Inc.Data sheet,LVDT signal conditioner AD598[S].1994.

4 张务谦.线性可调差分变换器接口芯片 AD598[J].电子技术应用,1998,24(6)：54-55.

5 贾静科.基于AD598的差动变压器式位移传感器[J].传感器世界,2000,6(9)：21-23.

DESIGN OF AMPL IFIER CIRCUIT OF EXTENSOMETER BASED ON AD598

Yang Jiang and Lu Chongwu
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

Extensometer has been used in crustal defor mation observation formany years,but it still has a good prospect of application in engineering.Although the present amplifier circuit has high precision,it has the limitations in engineering applications because of its high cost and circuit complex.A new design of amplifier circuit usingLinearVariable Differential Transformer-AD598 is introduced,which hasmany advantages,such as simplicity, reliablity and low cost in engineering application.

extensometer;defor mation observation;Linear Variable Differential Transformer(LVDT);AD598; amplifier circuit

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0179-05

2009-11-12

中国地震局地震研究所所长基金(6083)

杨江,男,硕士,工程师,从事形变观测技术的研究.E-mail：meblor@gmail.com

TH76.3

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