申请/专利权人：连云港杰瑞电子有限公司

申请日：2021-09-15

公开（公告）日：2024-02-09

公开（公告）号：CN113776418B

主分类号：G01B7/02

分类号：G01B7/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.09#授权;2021.12.28#实质审查的生效;2021.12.10#公开

摘要：一种单芯片全差分结构的LVDT转换电路与方法，具有数字量满量程溢出标志功能，提供了一种积分式分频电路及DA转换电路实现频率可编程激磁信号，并提出一种防止转换电路出现180°假零位错误和一种抗1LSB抖动电路结构，解决了抗干扰能力差和转换器可靠性的问题，还提出一种利用“禁止”实现并行数据转换为串行数据的电路结构，能够实现快速和同步的并‑串数据转换。该转换电路、方法与目前传统的LVDT‑数字转换电路、方法相比，能有效地消除了转换电路中的抖码问题，并且具有外围电路简单、抗干扰能力强等优点。

主权项：1.一种单芯片全差分结构的LVDT转换电方法，其特征在于：该方法一种单芯片全差分结构的LVDT转换电路，该电路采用二阶伺服闭环控制回路，自动跟踪输入模拟位置量，并输出并行及串行数字量，内置频率可编程激磁源；该电路包括全差分线性分段电路、全差分增益补偿电路、差分R-2RDAC电路、差分转单端电路、压控振荡器电路、积分器及抗1LSB抖动电路、防止180°假零位电路、内部检测信号BIT信号电路、串行接口电路和可编程激磁源电路；全线性分段电路依次与差分R_2RDAC电路、误差放大电路、相敏解调电路、积分器电路连接，再通过差分单端转换电路与压控振荡电路、计数电路连接，计数电路输出代表LVDT的位置的数字量，计数电路与串行S接口电路连接，将16位并行数字量转换为串行信号输出，同时计数电路分别与固态控制变压器、差分R_2RDAC电路连接，实现闭环跟踪；该方法内容为：在交流信号激励下，外部的线性差动式位移传感器LVDT产生一个位移行程量K，位移量K分为VA和VB两组差分交流电压信号，其中电压信号有效值的“和值”是固定值，“和值”为VA+VB，电压信号VA与“和值”的比值代表位移量行程K的大小，当LVDT传感器在机械零位，即VA=VB=（VA+VB）2时位移行程量K为0.5；电压信号VA、VB输入差分结构的线性分段电路、差分R_2RDAC电路后与计数电路中代表LVDT数字位移行程量k，合成一个差分误差信号（1-k）×VA-k×VB，误差信号经过相敏解调电路、差分到单端转换电路、内置参数积分电路、压控振荡电路和计数电路，最后数字位移量k在线性分段电路、差分R_2RDAC电路中与模拟位移量K比较组成的一个闭环回路，寻找误差信号（1-k）×VA-k×VB的零点，当这一过程完成时，数字控制电路的数字量k等于信号输入K，最后输出数字k；数字位移量k由二进制码BIT1~BIT16表示，其中最高位BIT1和次高位BIT2用于传感器位移满量程溢出数字量标志，当BIT1、BIT2为01时为上限溢出，为11时是下限溢出；BIT3~BIT16是二进制码的LVDT数字位移行程量k，其中BIT3代表12行程的权值，BIT4代表14行程（k4）的权，依次类推，BIT16代表1214行程的权值；即，当LVDT为负满行程时，BIT3~BIT16为全0，当LVDT为正满行程时，BIT3~BIT16为全1；该方法高位采用线性分段电路、低位采用R_2RDAC电路，进行信号的粗分、细分处理；LVDT转换电路与RD转换器的固态控制变压器不同，在RD转换器的固态控制变压器中对粗分电路修调，即在45°，22.5°，11.25°、5.625°修调，细分角度成线性关系，在0°~360°范围内逼近正余弦曲线；而LVDT转换器中粗分电路采用线性分段，在对应位移行程量的12，即对应电压信号为VA（VA+VB）=12、VA（VA+VB）=14、VA（VA+VB）=18、电压信号为VA（VA+VB）=116的特殊点进行线性等比分压；通过等值的差分结构的两组电阻，对输入的交流信号进行分压，最终将位移行程量范围由0~1粗分到0~116，细分电路由R_2RDAC电路对0~116位移行程量进行比较，实现LVDT转换；LVDT转换在高位线性分段后，采用全差分增益补偿方法：在粗分电路中信号经过一级分压后，信号的幅值缩小为原来的12，采用差分结构放大补偿，在电压信号的VA（VA+VB）=14分段点，将分压电压放大2倍，全差分结构由两个相同的运放大器、两个反馈电阻Rf及一个共用的放大电阻Ra组成差分放大电路，放大关系为Au=1+2RfRa，通过将反馈电阻Rf设置为R，共用的放大电阻Ra设置为2R，即通过整数比实现2倍放大关系，同时反馈电阻、放大电阻之间没有引入地线上的阻抗；由两路完全相同的R_2RDAC电路实现全差分结构的R_2RDAC电路，进行细分处理，其中，一路R-2RDAC的输入端接粗分电路输出的差分信号的两个正端、一路R-2RDAC的输入端接粗分电路的差分信号的两个负端；全差分信号经过相敏解调，经过差分转单端电路变为单端信号，经过积分器连接压控振荡器电路，压控振荡器采用复位式电路结构，由运算放大器与电阻、电容组成，运算放大器的输出高于3.25V或低于1.25V时，输出高电平，通过单稳态电路输出时钟信号，控制复位开关闭合，使压控振荡器复位，积分器主电路与压控振荡器组成Ⅱ型闭环伺服回路，由于Ⅱ型闭环伺服回路易产生不稳定，即有一个LSB的误差电压量值在零位上下变化，通过将压控振荡器的输出按比例反馈到积分器的输入端，设置积分器的阈值区间，使之在1LSB范围内保留误差值，而使积分电路的输出为零，直至输入误差超过了1LSB对应值，才有1LSB的变化，实现1个LSB的迟滞。

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