一 概 述

在信息采集系統(tǒng)中，傳感器的應(yīng)用通常處于系統(tǒng)的前端，即其為檢測(cè)和控制系統(tǒng)之首，它提供給系統(tǒng)處理和決策所必須的原始信息，因此，傳感器的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。在位移、速度及加速度的測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)使用靈敏度高、線性度好的差動(dòng)變壓器式傳感器，且差動(dòng)變壓器式傳感器目前已經(jīng)擁有成熟的配套激勵(lì)和解調(diào)集成電路，其中ADI公司的AD598和AD698是目前市場(chǎng)上應(yīng)用相當(dāng)廣泛的LVDT信號(hào)調(diào)理電路。為推進(jìn)配合集成電路國(guó)產(chǎn)化配套工作，航晶公司當(dāng)前已推出了一款完全國(guó)產(chǎn)化的HJG598 LVDT激勵(lì)解調(diào)器，能夠做到對(duì)進(jìn)口器件AD598的完全國(guó)產(chǎn)化功能替代，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的激勵(lì)與解調(diào)的功能，并已完全推向客戶進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代AD598的使用，在國(guó)內(nèi)十余家客戶的供應(yīng)上都已實(shí)現(xiàn)成熟的批量供貨。

航晶公司秉持著對(duì)客戶負(fù)責(zé)的態(tài)度，不僅在客戶需求的國(guó)產(chǎn)化新型產(chǎn)品研發(fā)上投入十足的精力，對(duì)于已經(jīng)成熟配套的產(chǎn)品也會(huì)根據(jù)客戶的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行技術(shù)支持，使得新產(chǎn)品的研發(fā)與老產(chǎn)品的配套都在隨著航晶公司的進(jìn)步而一同前進(jìn)。近期有客戶提出新需求，因系統(tǒng)對(duì)于傳感器的采集精度在全溫環(huán)境下精度更高、溫漂更小，希望將器件HJG598的精度與溫漂再優(yōu)化，接收到客戶訴求后，航晶公司立刻組織研發(fā)人員對(duì)客戶的器件應(yīng)用環(huán)境與應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行探討與分析，并對(duì)器件的應(yīng)用條件與參數(shù)進(jìn)行改善，使得整個(gè)產(chǎn)品改進(jìn)能夠滿足客戶需求。也有客戶提出在應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)器件解調(diào)部分的響應(yīng)速度相比傳感器的變換速度慢的情況，航晶公司器件進(jìn)行原理性的分析，探討影響解調(diào)響應(yīng)速度的因素并對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行改善。

二

溫漂特性問(wèn)題分析

客戶反饋當(dāng)前HJG598的差值輸出信號(hào)在系統(tǒng)采集中顯示在全溫環(huán)境下溫漂大，至采集精度誤差明顯。希望對(duì)HJG598應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整以使得系統(tǒng)采集到的信號(hào)溫漂較小，提高整個(gè)系統(tǒng)的采集精度。

應(yīng)用相同的外圍元件參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)多只器件HJG598的多個(gè)信息點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)分析以判斷差值輸出溫漂大的根本原因，以能夠從從源頭上直接判斷并改善優(yōu)化溫漂問(wèn)題。對(duì)器件HJG598的激勵(lì)信號(hào)輸出、和值輸出與差值輸出三路輸出電進(jìn)行檢測(cè)，在常溫、高溫和低溫三種溫度環(huán)境下進(jìn)行參數(shù)記錄并計(jì)算溫漂值：

初始實(shí)驗(yàn)條件：

供電VCC=+15V,VEE=-15V,激磁信號(hào)頻率固定設(shè)置1800Hz。

器件HJG598由激勵(lì)部分和解調(diào)部分兩部分組成，器件三路輸出的溫漂也主要來(lái)源于這兩部分，激磁功能部分的溫漂不僅能影響激磁驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度的變化，也會(huì)與解調(diào)部分溫漂共同決定最終的和值輸出幅度變化和差值輸出幅度變化。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

在3種不同激勵(lì)信號(hào)幅度的工作狀態(tài)下，器件輸出的溫度特性表現(xiàn)為不同的狀態(tài)。

在6.5Vrms的激磁信號(hào)工作時(shí)，激磁信號(hào)的的溫漂較大，呈正溫度特性，在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境下的變化特性一致，激磁信號(hào)幅度基本是隨著溫度的升高呈線性增大的現(xiàn)象的。差值輸出幅度也是隨著溫度的增加而增加的，但有明顯的在低溫環(huán)境下變化幅度稍大于高溫環(huán)境的變化幅度的現(xiàn)象，且差值輸出變化趨勢(shì)與激磁信號(hào)幅度變化趨勢(shì)基本一致。和值輸出的溫漂變化最大并隨溫度的增大呈增大的趨勢(shì)。

在5Vrms的激磁信號(hào)工作時(shí)，激磁信號(hào)的的溫漂很小，而差值輸出的溫漂變化趨勢(shì)與激磁信號(hào)溫漂變化趨勢(shì)相同也表現(xiàn)的很小。和值輸出的溫漂數(shù)據(jù)與6.5Vrms激勵(lì)下的溫漂參數(shù)基本一致，仍然表現(xiàn)的較大。

在3Vrms的激磁信號(hào)工作時(shí)，激磁信號(hào)的的溫漂較大，呈負(fù)溫度特性，差值輸出的溫度特性與激磁信號(hào)的溫度特性變化仍然一致，而和值輸出的溫漂仍然較大。

通過(guò)三次不同激勵(lì)幅度的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠判斷出是因?yàn)榧ご判盘?hào)的變化大致差值輸出發(fā)生相應(yīng)的變化，而解調(diào)部分對(duì)差值輸出基本無(wú)影響，但對(duì)和值輸出由明顯的隨溫度增加有正溫漂變化的影響。即只要能夠?qū)⒓ご判盘?hào)的溫漂減小就能夠減小最終所需要的差值輸出電路的溫漂。

在不同激磁幅度的工作下，激磁信號(hào)與差值信號(hào)輸出的溫漂特性也是有差異的。

典型應(yīng)用圖中的CT1與CT2決定激磁信號(hào)頻率，電阻RSCL為反饋電阻其值大小決定了激磁信號(hào)的幅度，RF1影響和值輸出幅度大小，RF2影響差值輸出幅度大小。根據(jù)只有RSCL阻值決定激磁信號(hào)幅度大小和激磁信號(hào)溫漂基本是隨著溫度變化而呈線性變化的特性，即可以將RSCL回路做成一個(gè)隨溫度有固定變化的網(wǎng)絡(luò)以對(duì)器件內(nèi)部激磁部分溫漂進(jìn)行補(bǔ)償，分析可以利用二極管的溫度特性對(duì)RSCL網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償以減小器件激磁信號(hào)的正溫漂特性，連接方法參考圖3和圖4。此方法也能夠?qū)哂休^大正溫度特性的和值輸出進(jìn)行補(bǔ)償。

如圖所示：環(huán)境溫度的升高將會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體的本征激發(fā)能力增強(qiáng)，即二極管PN結(jié)內(nèi)的少子濃度上升，反向飽和電流IS增大(由少子漂移運(yùn)動(dòng)能力決定），進(jìn)而使得正向電流增大，空間電荷區(qū)變窄，導(dǎo)通電壓減小。而這個(gè)導(dǎo)通電壓變小的特性與溫度的變化基本是線性的：大約每1℃的上升將會(huì)使得二極管導(dǎo)通電壓下降2mV。二極管的導(dǎo)通電壓變化與溫度的變化是有負(fù)向線性關(guān)系的。HJG598的反饋回路應(yīng)用二極管進(jìn)行補(bǔ)償后，可預(yù)見二極管的溫度特性能夠?qū)ご判盘?hào)幅度溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。

此方法可以對(duì)正溫度特性模式的器件進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，由于器件在低激磁信號(hào)幅度工作的情況會(huì)產(chǎn)生的負(fù)溫度特性的情況無(wú)法補(bǔ)償，因此一般不推薦器件在低幅度情況下工作的，因?yàn)槠骷﨟JG598的后端解調(diào)部分輸入級(jí)的輸入阻抗較低只有2KΩ，即對(duì)于輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力就有要求，輸入信號(hào)幅度低時(shí)導(dǎo)致器件的驅(qū)動(dòng)能力低就會(huì)影響解調(diào)部分的采集精度，而且低幅度工作下的傳感器其對(duì)外部磁場(chǎng)的抗干擾能力弱與高幅度的工作下，因此我們一般都推薦客戶應(yīng)用在高激磁幅度信號(hào)的工作模式。

添加二極管后應(yīng)用與原6.5Vrms激勵(lì)情況的相同的實(shí)驗(yàn)條件重新進(jìn)行試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，具體原理圖參考圖5，對(duì)溫漂改良方法進(jìn)行驗(yàn)證。

能夠觀察到激磁信號(hào)與差值信號(hào)的溫漂都得到了減小，基本小于100ppm/℃，和值輸出的溫度特性也得到了明顯改善，溫漂參數(shù)也只有150ppm/℃以下，即二極管的補(bǔ)償有著改善器件的溫漂特性的作用。但是此時(shí)和值輸出的計(jì)算公式在添加二極管改善溫漂后也發(fā)生了變化，計(jì)算公式將修正為：

計(jì)算公式中的VD(ON)為應(yīng)用的二極管的正向?qū)▔航?，利用?dǎo)通電壓的溫度特性以對(duì)和值輸出的溫漂變化進(jìn)行了補(bǔ)償。從計(jì)算公式中可以得出此二極管溫度補(bǔ)償值是在原和值輸出上進(jìn)行加減法處理的，即不同幅度和值輸出情況下的補(bǔ)償結(jié)果也將是不一致的，根據(jù)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)分析，和值輸出目前設(shè)置在3V-4V的量程內(nèi)的補(bǔ)償效果更好。

三

器件解調(diào)響應(yīng)速度與輸出噪聲問(wèn)題分析

有客戶反饋器件解調(diào)部分的輸入信號(hào)-輸出信號(hào)的建立響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足后端采集系統(tǒng)的工作要求，希望器件的響應(yīng)時(shí)間能夠減小。

影響器件解調(diào)部分響應(yīng)時(shí)間的因素主要在于器件內(nèi)部集成的整流電路網(wǎng)絡(luò)濾波電路元件參數(shù)與輸出級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參數(shù)的設(shè)置。一般情況下器件配套使用的位移傳感器的工作頻率較低，激勵(lì)信號(hào)通常都為1.8KHz或3KHz，這使得當(dāng)前器件后級(jí)內(nèi)部集成的濾波網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)設(shè)置的較大，以能夠得到一個(gè)失真度低、交流殘余量小的直流電壓信號(hào)輸出，即將無(wú)用的器件輸出噪聲信號(hào)降低，所以要想使得器件的解調(diào)部分響應(yīng)速度變快，必須調(diào)節(jié)減小整流電路濾波網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間參數(shù)或輸出級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間參數(shù)，但這樣也將會(huì)使得輸出級(jí)的交流殘余量信號(hào)增大。

通過(guò)對(duì)器件內(nèi)部的濾波網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，驗(yàn)證時(shí)間常數(shù)、響應(yīng)時(shí)間與輸出交流參與信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

上圖為修改整流回路時(shí)間常數(shù)前后的對(duì)照試驗(yàn)，黃色波形為激勵(lì)信號(hào)，藍(lán)色波形為差值輸出A-B通道的交流殘余信號(hào)。能看到原狀態(tài)時(shí)間常數(shù)大的器件交流殘余量大約有10mV左右，而減小時(shí)間常數(shù)后的器件交流殘余量大約有20mV，再對(duì)兩只器件的解調(diào)部分輸入信號(hào)-輸出信號(hào)建立時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。

上圖中黃色信號(hào)為解調(diào)部分的輸入信號(hào)，藍(lán)色信號(hào)為輸出信號(hào)，能夠觀察到原狀態(tài)時(shí)間常數(shù)大的器件從輸入信號(hào)產(chǎn)生至輸出信號(hào)完成輸出這一段信號(hào)的建立時(shí)間有20mS左右，而更改后時(shí)間常數(shù)小的器件其信號(hào)的建立時(shí)間只有4mS左右。即在減小了內(nèi)部整流電路的時(shí)間常數(shù)設(shè)置后，器件HJG598解調(diào)部分的響應(yīng)速度增大了，但其直流輸出信號(hào)上的交流殘余量值也增大了，器件的輸出噪聲電壓增大了，即器件解調(diào)部分響應(yīng)時(shí)間的快慢與輸出噪聲電壓大小是負(fù)相關(guān)的。如要想器件的響應(yīng)時(shí)間加快，必須在器件內(nèi)部調(diào)節(jié)減小整流網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)，但這也會(huì)導(dǎo)致器件的輸出噪聲電壓增大。

器件的工作頻率也與需求調(diào)試的時(shí)間常數(shù)大小和輸出噪聲電壓要求均相關(guān)，器件的工作頻率發(fā)生改變，則將交流信號(hào)整流濾波成直流信號(hào)的濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也將會(huì)發(fā)生變化。例如可以通過(guò)增大器件的工作頻率，則在得到相同或更低輸出噪聲電壓的情況下，整流濾波網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)也可以進(jìn)行縮小，這樣就能得到響應(yīng)速度更快、輸出噪聲電壓更小的特性。

四 結(jié)論

4.1 溫漂問(wèn)題結(jié)論

通過(guò)對(duì)器件工作原理與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，提出了一種改善器件溫漂特性的應(yīng)用措施并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了在激磁信號(hào)反饋回路添加溫償二極管能夠有效的減小整個(gè)器件HJG598的激磁與差值輸出的溫漂，在和值輸出反饋電阻回路添加二極管也能夠?qū)椭递敵龅臏囟忍匦云鸬礁纳谱饔茫蠢枚O管的開啟電壓的溫度特性進(jìn)行溫漂補(bǔ)償是一種有效的實(shí)施措施。

4.2解調(diào)部分響應(yīng)速度與輸出噪聲關(guān)系結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到器件解調(diào)部分的輸入信號(hào)-輸出信號(hào)的建立響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的根本原因，并對(duì)工作頻率、響應(yīng)時(shí)間與輸出噪聲電壓的關(guān)系進(jìn)行了探討與驗(yàn)證，明確了其之間相互影響的關(guān)系，并提出了減小響應(yīng)時(shí)間、提高響應(yīng)速度的措施。