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測量位置的PSoC微控制器與LVDT
摘要: 將一個LVDT(線性可變差分變壓器)連接到一個微控制器是有挑戰(zhàn)性的工作,因為一個LVDT需要交流輸入的激勵和對交流輸出的測量,以確定其可動核的位置(參考文獻1)。多數(shù)微控制器都缺乏專用的交流信號生成與處理能力,因此需要外部電路來產(chǎn)生無諧波、波幅與頻率穩(wěn)定的正弦波信號。要將LVDT的輸出信號波幅與相位轉(zhuǎn)換成與微控制器內(nèi)部ADC兼容的格式,一般需要添加外部電路。
關鍵詞: PSoC LVDT
Abstract:
Key words :

  將一個LVDT(線性可變差分變壓器)連接到一個微控制器是有挑戰(zhàn)性的工作,因為一個LVDT需要交流輸入的激勵和對交流輸出的測量,以確定其可動核的位置(參考文獻1)。多數(shù)微控制器都缺乏專用的交流信號生成與處理能力,因此需要外部電路來產(chǎn)生無諧波、波幅與頻率穩(wěn)定的正弦波信號。要將LVDT的輸出信號波幅與相位轉(zhuǎn)換成與微控制器內(nèi)部ADC兼容的格式,一般需要添加外部電路。

圖1是LVDT接口的完整電路


  與一般微控制器相比,Cypress半導體公司的PSoC微控制器含有用戶可配置的邏輯和模擬電路塊,簡化了交流信號的生成與測量工作。PSoC器件有獨特的功能,即無需 CPU的連續(xù)干預就能生成模擬信號。PSoC靈活的模擬與數(shù)字塊可以驅(qū)動一支LVDT,并無需外部電路就可以測量其輸出。圖1是LVDT接口的完整電路,圖2是PSoC微控制器的內(nèi)部電路框圖。

圖2是PSoC微控制器的內(nèi)部電路框圖


  PSoC采用一對用戶可配置的開關電容器塊,同時實現(xiàn)帶通濾波器和低通濾波器。你可以通過生成一個方波,并通過建立在第一個開關電容器塊中的調(diào)制器,將其加在PSoC開關電容濾波器上,從而創(chuàng)建高質(zhì)量的正弦波。使方波通過一個中心位于方波基頻的窄帶帶通濾波器,可以去除大多數(shù)諧波。
 

 

  為使PSoC開關電容帶通濾波器產(chǎn)生最高保真度的正弦波,要用盡可能高的過采樣速率,因數(shù)約為33,即每個正弦波周期33步。得到的正弦波平滑得足以驅(qū)動能衰減所有殘余高階諧波的LVDT。采用一個可變增益放大器標定PSoC的內(nèi)部電壓基準,就可以在方波濾波前對其波幅作粗略的控制。為了補償波形的直流偏移電壓,放大器對2.6V內(nèi)部模擬接地基準進行緩沖,并驅(qū)動用作LVDT模擬地回路的輸出腳。

  LVDT輸出包括一個幅度可變的正弦波電壓,其相對于正弦波激勵電壓的相位角要經(jīng)受一個相當大的可變移位,有時相移要超過180。。LVDT的一個信號驅(qū)動PSoC的一個可變增益放大器,其輸出送至一個開關電容低通濾波器,并跟隨一個用于同步整流的調(diào)制器。整流后的信號驅(qū)動一個輸出腳,以及一個PSoC的開關電容ADC。

  將LVDT輸出加在同步整流器上,后跟隨一個低通濾波器,這樣產(chǎn)生一個直流電壓,它可以送至ADC或直接驅(qū)動一個模擬反饋控制系統(tǒng)。在PSoC微控制器中,連接到ADC的低通開關電容濾波器需要相同的采樣時鐘來驅(qū)動兩個電路,因此,PSoC 11位Δ-S ADC的轉(zhuǎn)換速率大約是低通濾波器角頻率的一半。同步整流產(chǎn)生的紋波頻率是激勵頻率的兩倍,因此更容易用低通濾波器去除。將低通濾波器的角頻率重新確定為激勵頻率的三分之一,就可以在等于或低于1 LSB(最低有效位)標準偏差下,使LVDT輸出的測量達到11位分辨率。

 

圖3顯示了附加功能可以使用的配置塊


  用作為計數(shù)器鏈配置的邏輯電路塊將 PSoC 24 MHz 內(nèi)部系統(tǒng)時鐘分頻,就得到開關電容器模擬電路塊需要的所有數(shù)字時鐘信號。在加電或復位之后,PSoC的CPU配置所有可配置的模擬與數(shù)字電路塊,并開始運行。以后硬件便能夠激勵LVDT并以每秒500次采樣速率測量其輸出,無需CPU的進一步干預。當 PSoC CPU運行在12 MHz時,處理ADC內(nèi)部活動以及中斷只消耗不到3%的CPU資源。

  對于計算LVDT位置以及在LCD模塊上以文本形式顯示結果時有大量PSoC資源可用。有四個模擬電路塊、五個邏輯電路塊和很多I/O腳都可以用于支持更高要求的應用。圖3顯示了附加功能可以使用的配置塊。

參考文獻
1."Linear variable differential transformer," Wikipedia.

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