一 概 述

在信息采集系統中，傳感器的應用通常處于系統的前端，即其為檢測和控制系統之首，它提供給系統處理和決策所必須的原始信息，因此，傳感器的精度對整個系統是至關重要的。在位移、速度及加速度的測量系統中，經常會使用靈敏度高、線性度好的差動變壓器式傳感器，且差動變壓器式傳感器目前已經擁有成熟的配套激勵和解調集成電路，其中ADI公司的AD598和AD698是目前市場上應用相當廣泛的LVDT信號調理電路。為推進配合集成電路國產化配套工作，航晶公司當前已推出了一款完全國產化的HJG598 LVDT激勵解調器，能夠做到對進口器件AD598的完全國產化功能替代，可以實現對傳感器的激勵與解調的功能，并已完全推向客戶進行國產化替代AD598的使用，在國內十余家客戶的供應上都已實現成熟的批量供貨。

航晶公司秉持著對客戶負責的態度，不僅在客戶需求的國產化新型產品研發上投入十足的精力，對于已經成熟配套的產品也會根據客戶的應用實踐進行技術支持，使得新產品的研發與老產品的配套都在隨著航晶公司的進步而一同前進。近期有客戶提出新需求，因系統對于傳感器的采集精度在全溫環境下精度更高、溫漂更小，希望將器件HJG598的精度與溫漂再優化，接收到客戶訴求后，航晶公司立刻組織研發人員對客戶的器件應用環境與應用數據進行探討與分析，并對器件的應用條件與參數進行改善，使得整個產品改進能夠滿足客戶需求。也有客戶提出在應用系統中，發現器件解調部分的響應速度相比傳感器的變換速度慢的情況，航晶公司器件進行原理性的分析，探討影響解調響應速度的因素并對此問題進行改善。

二

溫漂特性問題分析

客戶反饋當前HJG598的差值輸出信號在系統采集中顯示在全溫環境下溫漂大，至采集精度誤差明顯。希望對HJG598應用進行調整以使得系統采集到的信號溫漂較小，提高整個系統的采集精度。

應用相同的外圍元件參數進行實驗驗證，對多只器件HJG598的多個信息點進行檢測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化溫漂問題。對器件HJG598的激勵信號輸出、和值輸出與差值輸出三路輸出電進行檢測，在常溫、高溫和低溫三種溫度環境下進行參數記錄并計算溫漂值：

初始實驗條件：

供電VCC=+15V,VEE=-15V,激磁信號頻率固定設置1800Hz。

器件HJG598由激勵部分和解調部分兩部分組成，器件三路輸出的溫漂也主要來源于這兩部分，激磁功能部分的溫漂不僅能影響激磁驅動信號幅度的變化，也會與解調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。

通過上述實驗數據進行分析：

在3種不同激勵信號幅度的工作狀態下，器件輸出的溫度特性表現為不同的狀態。

在6.5Vrms的激磁信號工作時，激磁信號的的溫漂較大，呈正溫度特性，在高溫環境和低溫環境下的變化特性一致，激磁信號幅度基本是隨著溫度的升高呈線性增大的現象的。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境下變化幅度稍大于高溫環境的變化幅度的現象，且差值輸出變化趨勢與激磁信號幅度變化趨勢基本一致。和值輸出的溫漂變化最大并隨溫度的增大呈增大的趨勢。

在5Vrms的激磁信號工作時，激磁信號的的溫漂很小，而差值輸出的溫漂變化趨勢與激磁信號溫漂變化趨勢相同也表現的很小。和值輸出的溫漂數據與6.5Vrms激勵下的溫漂參數基本一致，仍然表現的較大。

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

通過三次不同激勵幅度的實驗驗證能夠判斷出是因為激磁信號的變化大致差值輸出發生相應的變化，而解調部分對差值輸出基本無影響，但對和值輸出由明顯的隨溫度增加有正溫漂變化的影響。即只要能夠將激磁信號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，激磁信號與差值信號輸出的溫漂特性也是有差異的。

典型應用圖中的CT1與CT2決定激磁信號頻率，電阻RSCL為反饋電阻其值大小決定了激磁信號的幅度，RF1影響和值輸出幅度大小，RF2影響差值輸出幅度大小。根據只有RSCL阻值決定激磁信號幅度大小和激磁信號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回路做成一個隨溫度有固定變化的網絡以對器件內部激磁部分溫漂進行補償，分析可以利用二極管的溫度特性對RSCL網絡進行補償以減小器件激磁信號的正溫漂特性，連接方法參考圖3和圖4。此方法也能夠對具有較大正溫度特性的和值輸出進行補償。

如圖所示：環境溫度的升高將會導致半導體的本征激發能力增強，即二極管PN結內的少子濃度上升，反向飽和電流IS增大(由少子漂移運動能力決定），進而使得正向電流增大，空間電荷區變窄，導通電壓減小。而這個導通電壓變小的特性與溫度的變化基本是線性的：大約每1℃的上升將會使得二極管導通電壓下降2mV。二極管的導通電壓變化與溫度的變化是有負向線性關系的。HJG598的反饋回路應用二極管進行補償后，可預見二極管的溫度特性能夠對激磁信號幅度溫漂進行補償。

此方法可以對正溫度特性模式的器件進行溫漂補償，由于器件在低激磁信號幅度工作的情況會產生的負溫度特性的情況無法補償，因此一般不推薦器件在低幅度情況下工作的，因為器件HJG598的后端解調部分輸入級的輸入阻抗較低只有2KΩ，即對于輸入信號的驅動能力就有要求，輸入信號幅度低時導致器件的驅動能力低就會影響解調部分的采集精度，而且低幅度工作下的傳感器其對外部磁場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用在高激磁幅度信號的工作模式。

添加二極管后應用與原6.5Vrms激勵情況的相同的實驗條件重新進行試驗并記錄數據，具體原理圖參考圖5，對溫漂改良方法進行驗證。

能夠觀察到激磁信號與差值信號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，溫漂參數也只有150ppm/℃以下，即二極管的補償有著改善器件的溫漂特性的作用。但是此時和值輸出的計算公式在添加二極管改善溫漂后也發生了變化，計算公式將修正為：

計算公式中的VD(ON)為應用的二極管的正向導通壓降，利用導通電壓的溫度特性以對和值輸出的溫漂變化進行了補償。從計算公式中可以得出此二極管溫度補償值是在原和值輸出上進行加減法處理的，即不同幅度和值輸出情況下的補償結果也將是不一致的，根據當前的實驗分析，和值輸出目前設置在3V-4V的量程內的補償效果更好。

三

器件解調響應速度與輸出噪聲問題分析

有客戶反饋器件解調部分的輸入信號-輸出信號的建立響應時間較長，不能滿足后端采集系統的工作要求，希望器件的響應時間能夠減小。

影響器件解調部分響應時間的因素主要在于器件內部集成的整流電路網絡濾波電路元件參數與輸出級濾波網絡時間參數的設置。一般情況下器件配套使用的位移傳感器的工作頻率較低，激勵信號通常都為1.8KHz或3KHz，這使得當前器件后級內部集成的濾波網絡的時間常數設置的較大，以能夠得到一個失真度低、交流殘余量小的直流電壓信號輸出，即將無用的器件輸出噪聲信號降低，所以要想使得器件的解調部分響應速度變快，必須調節減小整流電路濾波網絡的時間參數或輸出級濾波網絡的時間參數，但這樣也將會使得輸出級的交流殘余量信號增大。

通過對器件內部的濾波網絡時間常數進行調節，驗證時間常數、響應時間與輸出交流參與信號的對應關系。

上圖為修改整流回路時間常數前后的對照試驗，黃色波形為激勵信號，藍色波形為差值輸出A-B通道的交流殘余信號。能看到原狀態時間常數大的器件交流殘余量大約有10mV左右，而減小時間常數后的器件交流殘余量大約有20mV，再對兩只器件的解調部分輸入信號-輸出信號建立時間進行測試。

上圖中黃色信號為解調部分的輸入信號，藍色信號為輸出信號，能夠觀察到原狀態時間常數大的器件從輸入信號產生至輸出信號完成輸出這一段信號的建立時間有20mS左右，而更改后時間常數小的器件其信號的建立時間只有4mS左右。即在減小了內部整流電路的時間常數設置后，器件HJG598解調部分的響應速度增大了，但其直流輸出信號上的交流殘余量值也增大了，器件的輸出噪聲電壓增大了，即器件解調部分響應時間的快慢與輸出噪聲電壓大小是負相關的。如要想器件的響應時間加快，必須在器件內部調節減小整流網絡的時間常數，但這也會導致器件的輸出噪聲電壓增大。

器件的工作頻率也與需求調試的時間常數大小和輸出噪聲電壓要求均相關，器件的工作頻率發生改變，則將交流信號整流濾波成直流信號的濾波網絡參數也將會發生變化。例如可以通過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，整流濾波網絡的時間常數也可以進行縮小，這樣就能得到響應速度更快、輸出噪聲電壓更小的特性。

四 結論

4.1 溫漂問題結論

通過對器件工作原理與實驗數據進行分析總結，提出了一種改善器件溫漂特性的應用措施并進行了實驗驗證，驗證了在激磁信號反饋回路添加溫償二極管能夠有效的減小整個器件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對和值輸出的溫度特性起到改善作用，即利用二極管的開啟電壓的溫度特性進行溫漂補償是一種有效的實施措施。

4.2解調部分響應速度與輸出噪聲關系結論

通過實驗找到器件解調部分的輸入信號-輸出信號的建立響應時間較長的根本原因，并對工作頻率、響應時間與輸出噪聲電壓的關系進行了探討與驗證，明確了其之間相互影響的關系，并提出了減小響應時間、提高響應速度的措施。