經(jīng)典案例分享：告訴你低成本、低功耗的同步解調(diào)器設(shè)計(jì)沒那么難

　　LVDT設(shè)計(jì)示例

　　圖4顯示的是一個(gè)同步解調(diào)電路，該電路可從線性可變位移變壓器(LVDT，一種特殊的繞線變壓器，具有活動(dòng)內(nèi)核，貼在待測位置)提取位置信息。激勵(lì)信號(hào)施加于初級(jí)端。次級(jí)端電壓隨內(nèi)核位置成比例變化。

　　LVDT的類型有很多，此外提取位置信息的方法也各不相同。該電路采用4線模式LVDT.將兩個(gè)LVDT的次級(jí)輸出相連使其電壓相反，從而執(zhí)行減法。當(dāng)LVDT內(nèi)核位于零點(diǎn)位置時(shí)，次級(jí)端上的電壓相等，繞組上的電壓差為零。隨著內(nèi)核從零點(diǎn)位置開始移動(dòng)，次級(jí)繞組上的電壓差也隨之增加。LVDT輸出電壓符號(hào)根據(jù)方向而改變。本例選擇的LVDT測量±2.5 mm滿量程內(nèi)核位移。電壓傳遞函數(shù)為0.25，意味著當(dāng)內(nèi)核偏離中心2.5 mm時(shí)，施加于初級(jí)端的每伏特電壓的差分輸出等于250 mV.

　　圖4.簡化LVDT位置檢測電路

　　集成式同步解調(diào)器

　　ADA2200集成式同步解調(diào)器采用獨(dú)特的電荷共享技術(shù)來執(zhí)行模擬域內(nèi)的分立式時(shí)間信號(hào)處理。該器件的信號(hào)路徑由輸入緩沖器、FIR抽取濾波器(進(jìn)行抗混疊濾波)、可編程IIR濾波器、相敏檢波器以及差分輸出緩沖器組成。其時(shí)鐘生成功能可將激勵(lì)信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。通過SPI兼容接口可配置可編程特性。

　　圖5. ADA2200同步解調(diào)器

　　24位Σ-Δ型ADC AD7192生成的4.92 MHz時(shí)鐘用作主機(jī)時(shí)鐘。ADA2200生成濾波器和PSD時(shí)鐘所需的一切內(nèi)部信號(hào)，此外還在RCLK引腳上生成激勵(lì)信號(hào)。該器件將主機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行1024分頻，以便生成4.8 kHz信號(hào)，控制CMOS開關(guān)。CMOS開關(guān)將低噪聲3.3 V源轉(zhuǎn)換為LVDT的方波激勵(lì)信號(hào)。用于激勵(lì)源的3.3 V電源還用作ADC基準(zhǔn)電壓源，因此電壓源中的一切漂移都不會(huì)降低測量精度。在滿量程位移處，LVDT輸出1.6 V峰峰值輸出電壓。

　　抗混疊濾波

　　LVDT輸出和ADA2200輸入之間的RC網(wǎng)絡(luò)為LVDT輸出信號(hào)提供低通濾波，同時(shí)產(chǎn)生使解調(diào)器輸出信號(hào)最大所需的相對(duì)相移。如前所述，圖2b顯示了最大PSD輸出發(fā)生在相對(duì)相移為0°或180°處。ADA2200具有90°相位控制，因而還可以使用±90°相對(duì)相位失調(diào)。

　　解調(diào)頻率奇數(shù)倍的信號(hào)能量將出現(xiàn)在輸出濾波器的通帶內(nèi)。FIR抽取濾波器實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波，能為這些頻率提供至少50 dB衰減。

　　如有需要，IIR濾波器可提供額外的濾波或增益。由于IIR濾波器在相敏檢波器前面，其相位響應(yīng)將會(huì)影響PSD信號(hào)輸出帶寬。設(shè)計(jì)濾波器響應(yīng)時(shí)，必須考慮這一點(diǎn)。

　　輸出濾波器

　　應(yīng)選擇輸出濾波器的通帶，使其匹配待測參數(shù)的帶寬，但限制系統(tǒng)的寬帶噪聲。輸出低通濾波器必須還要能夠抑制PSD偶數(shù)倍產(chǎn)生的輸出雜散。

　　該電路使用Σ-Δ型ADC AD7192內(nèi)置的LPF.它可以通過編程實(shí)現(xiàn)sinc3或sinc4響應(yīng)，并且傳遞函數(shù)在輸出數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)處為零。

　　將ADC的輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)為解調(diào)頻率可以抑制PSD輸出雜散。ADC的可編程輸出數(shù)據(jù)速率用作可選帶寬輸出濾波器?？捎玫妮敵鰯?shù)據(jù)速率(fDATA)為4.8 kHz/n，其中1≤n≤1023.因此，ADC對(duì)每個(gè)輸出數(shù)據(jù)數(shù)值的n個(gè)解調(diào)時(shí)鐘周期內(nèi)求解調(diào)器輸出的平均值。由于主機(jī)時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘同步，ADC輸出濾波器傳遞函數(shù)的零點(diǎn)將直接落在調(diào)制頻率的每一個(gè)諧波上，并且抑制任意n值的所有輸出雜散。

　　圖6顯示了歸一化為ADC輸出數(shù)據(jù)速率的sinc3傳輸函數(shù)。

　　可編程輸出數(shù)據(jù)速率具有噪聲和帶寬/建立時(shí)間之間的直觀權(quán)衡取舍關(guān)系。輸出濾波器噪聲帶寬為0.3×fDATA、3 dB頻率為0.272×fDATA，建立時(shí)間為3/fDATA.

　　在最高4.8 kHz輸出數(shù)據(jù)速率下，ADC數(shù)字濾波器具有1.3 kHz左右的3 dB帶寬。在不超過此頻率的范圍內(nèi)，解調(diào)器和ADC之間的RC濾波器相對(duì)平坦，最大程度降低了ADC的帶寬要求。在最大數(shù)據(jù)速率較低的系統(tǒng)中，RC濾波器轉(zhuǎn)折頻率可以按比例降低。

　　噪聲性能

　　該電路的輸出噪聲是ADC輸出數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。表1顯示數(shù)字化數(shù)據(jù)相對(duì)于ADC采樣速率的有效位數(shù)，假設(shè)滿量程輸出電壓為2.5 V.噪聲性能與LVDT內(nèi)核位置無關(guān)。

　　表1.噪聲性能與帶寬的關(guān)系

　　如果ADA2200輸出噪聲與頻率無關(guān)，則預(yù)計(jì)有效位數(shù)將在輸出數(shù)據(jù)速率每4×下降時(shí)增加一位。ENOB在較低輸出數(shù)據(jù)速率下不會(huì)上升太多，這是由于ADA2200輸出驅(qū)動(dòng)器的1/f噪聲所導(dǎo)致的;該噪聲在較低的輸出數(shù)據(jù)速率下成為噪底的主要成分。

　　線性度

　　首先在±2.0 mm內(nèi)核位移處執(zhí)行一次兩點(diǎn)校準(zhǔn)即可測量線性度結(jié)果。由這些測量結(jié)果可確定斜率和失調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)最佳直線擬合。然后，在±2.5 mm滿量程范圍內(nèi)測量內(nèi)核位移。從直線數(shù)據(jù)中減去測量數(shù)據(jù)即可確定線性度誤差。

　　圖7.位置線性度誤差與LVDT內(nèi)核位移的關(guān)系