Position Sensing

Figure 1. High Current Buffer Using the AD8397 for the AD2S1210 RDC Excitation Signal Output (Simplified Schematic: Decoupling and All Connections Not Shown)  

The circuit shown in Figure 1 is a complete linear variable differential transformer (LVDT) signal conditioning circuit that can accurately measure linear position or linear displacement from a mechanical reference. Synchronous demodulation in the analog domain is used to extract the position information and provides immunity to external noise. A 24-bit, Σ-Δ analog-to-digital converter (ADC) digitizes the position output for high accuracy.

LVDTs utilize electromagnetic coupling between the movable core and the coil assembly. This contactless (and hence frictionless) operation is a primary reason for why they are widely used in aerospace, process controls, robotics, nuclear, chemical plants, hydraulics, power turbines, and other applications where operating environments can be hostile and long life and high reliability are required.

The entire circuit, including the LVDT excitation signal, consumes only 10 mW of power. The circuit excitation frequency and output data rates are SPI programmable. The system has a programmable bandwidth vs. dynamic range trade-off. It supports bandwidths of over 1 kHz, and at a bandwidth of 20 Hz, the circuit has a dynamic range of 100 dB, making it ideal for precision industrial position and gauging applications.

The circuit shown in Figure 1 is a complete adjustment-free linear variable differential transformer (LVDT) signal conditioning circuit. This circuit can accurately measure linear displacement (position).

The LVDT is a highly reliable sensor because the magnetic core can move without friction and does not touch the inside of the tube. Therefore, LVDTs are suitable for flight control feedback systems, position feedback in servomechanisms, automated measurement in machine tools, and many other industrial and scientific electromechanical applications where long term reliability is important.

This circuit uses the AD598 LVDT signal conditioner that contains a sine wave oscillator and a power amplifier to generate the excitation signals that drive the primary side of the LVDT. The AD598 also converts the secondary output into a dc voltage. The AD8615 rail-to-rail amplifier buffers the output of the AD598 and drives a low power 12-bit successive approximation analog-to-digital converter (ADC). The system has a dynamic range of 82 dB and a system bandwidth of 250 Hz, making it ideal for precision industrial position and gauging applications.

The signal conditioning circuitry of the system consumes only 15 mA of current from the ±15 V supply and 3 mA from the +5 V supply, making this ideal for remote applications. The circuit can operate a remote LVDT from up to 300 feet away, and the output can drive up to 1000 feet.

This circuit note discusses basic LVDT theory of operation and the design steps used to optimize the circuit shown in Figure 1 for a chosen bandwidth, including noise analysis and component selection considerations.

The compact two-chip circuit shown in Figure 1 provides a contactless anisotropic magnetoresistive (AMR) measurement solution ideal for either angle or linear position measurements. The two-chip system is capable of providing better than 0.2° angular accuracy over 180°, and linear accuracy of 2 mil (0.002 inch) over a 0.5 inch range, depending on the size of the magnet used.

The circuit is ideal for applications where high speed, accurate, noncontact angle and length measurements are critical, such as machine tool speed control, crane angle control, brushless dc motors, and other industrial or automotive applications.

The converter accepts 3.15 V p-p ± 27% input signals, in the range of 2 kHz to 20 kHz on the sine and cosine inputs. A Type II servo loop is employed to track the inputs and convert the input sine and cosine information into a digital representation of the input angle and velocity. The maximum tracking rate is 3125 rps.

The AD2S1210-EP supports defense and aerospace applications (AQEC)

Product Highlights

1. Ratiometric tracking conversion. The Type II tracking loop provides continuous output position data without conversion delay. It also provides noise immunity and tolerance of harmonic distortion on the reference and input signals.
2. System fault detection. A fault detection circuit can sense loss of resolver signals, out-of-range input signals, input signal mismatch, or loss of position tracking. The fault detection threshold levels can be individually programmed by the user for optimization within a particular application.
3. Input signal range. The sine and cosine inputs can accept differential input voltages of 3.15 V p-p ± 27%.
4. Programmable excitation frequency. Excitation frequency is easily programmable to a number of standard frequencies between 2 kHz and 20 kHz.
5. Triple format position data. Absolute 10-bit to 16-bit angular position data is accessed via either a 16-bit parallel port or a 4-wire serial interface. Incremental encoder emulation is in standard A-quad-B format with direction output available.
6. Digital velocity output. 10-bit to 16-bit signed digital velocity accessed via either a 16-bit parallel port or a 4-wire serial interface.

Applications

• DC and ac servo motor control
• Encoder emulation
• Electric power steering
• Electric vehicles
• Integrated starter generators/alternators
• Automotive motion sensing and control

AD7357 - это обладающий высоким быстродействием и малой потребляемой мощностью, сдвоенный 14-разрядный АЦП последовательного приближения, который работает с однополярным напряжением питания 2.5 В и поддерживает скорость преобразования до 4.25 миллионов отсчетов в секунду (MSPS). Компонент включает в себя два АЦП, к входу каждого из которых подключен широкополосный следящий-запоминающий усилитель с низким шумом, способный работать с входными сигналами на частоте до 110 МГц, и более.

Управление процессами преобразования и сбора данных осуществляется при помощи стандартного порта, обеспечивающего простое подключение к микропроцессорам или цифровым сигнальным процессорам (DSP). Выборка входного сигнала производится по заднему фронту сигнала CS, который также инициирует начало преобразования. Время преобразования определяется частотой сигнала SCLK.

Для поддержания очень низкой рассеиваемой мощности при высоком быстродействии в AD7357 применяются продвинутые схемотехнические решения. При напряжении питания 2.5 В и скорости преобразования 4.25 MSPS компонент потребляет типичный ток 14 мА. Компонент также обладает широкими возможностями управления соотношением энергопотребления и скорости преобразования.

Диапазон аналоговых входных сигналов АЦП составляет ±V_REF/2. AD7357 содержит интегрированный источник опорного напряжения 2.048 В, который можно отключить, если предпочтительно использование внешнего опорного напряжения.

Компонент выпускается в 16-выводном корпусе TSSOP и 18-выводном LFCSP.

Ключевые особенности продукта

1. Два полнофункциональных АЦП.
   Два полнофункциональных АЦП позволяют осуществлять одновременную выборку и преобразование в двух каналах. Результаты преобразования обоих АЦП выдаются одновременно по раздельным линиям данных или последовательно по одной линии данных, если в системе имеется только один последовательный порт.
2. Высокая производительность при низкой потребляемой мощности.
   AD7357 обеспечивает быстродействие 4.25 MSPS при потребляемой мощности 36 мВт.
3. Отсутствие конвейерной задержки.
   AD7357 включает в себя два стандартных АЦП последовательного приближения с точным управлением моментом выборки при помощи входного сигнала CS и выполнением преобразования по его заднему фронту.

Области применения

• Автомобильные радары
• Системы сбора данных
• Управление движением
• Квадратурная демодуляция
• Считыватели меток RFID

The ADA4500-2 is a dual 10 MHz, 14.5 nV/√Hz, low power amplifier featuring rail-to-rail input and output swings while operating from a 2.7 V to 5.5 V single power supply. Compatible with industry-standard nominal voltages of +3.0 V, +3.3 V, +5.0 V, and ±2.5 V.

Employing a novel zero-crossover distortion circuit topology, this amplifier offers high linearity over the full, rail-to-rail input common-mode range, with excellent power supply rejection ratio (PSRR) and common-mode rejection ratio (CMRR) performance without the crossover distortion seen with the traditional complementary rail-to-rail input stage. The resulting op amp also has excellent precision, wide bandwidth, and very low bias current.

This combination of features makes the ADA4500-2 an ideal choice for precision sensor applications because it minimizes errors due to power supply variation and maintains high CMRR over the full input voltage range. The ADA4500-2 is also an excellent amplifier for driving analog-to-digital converters (ADCs) because the output does not distort with the common-mode voltage, which enables the ADC to use its full input voltage range, maximizing the dynamic range of the conversion subsystem.

Many applications such as sensors, handheld instrumentation, precision signal conditioning, and patient monitors can benefit from the features of the ADA4500-2.

The ADA4500-2 is specified for the extended industrial temperature range (−40°C to +125°C) and available in the standard 8-lead MSOP and 8-lead LFCSP packages.

Applications

• Pressure and position sensors
• Remote security 
• Medical monitors
• Process controls 
• Hazard detectors
• Photodiode applications

The AD598 is a complete, monolithic Linear Variable Differential Transformer (LVDT) signal conditioning subsystem. It is used in conjunction with LVDTs to convert transducer mechanical position to a unipolar or bipolar dc voltage with a high degree of accuracy and repeatability. All circuit functions are included on the chip. With the addition of a few external passive components to set frequency and gain, the AD598 converts the raw LVDT secondary output to a scaled dc signal. The device can also be used with RVDT transducers.

The AD598 contains a low distortion sine wave oscillator to drive the LVDT primary. The LVDT secondary output consists of two sine waves that drive the AD598 directly. The AD598 operates upon the two signals, dividing their difference by their sum, producing a scaled unipolar or bipolar dc output.

The AD598 uses a unique ratiometric architecture (patent pending) to eliminate several of the disadvantages associated with traditional approaches to LVDT interfacing. The benefits of this new circuit are: no adjustments are necessary, transformer null voltage and primary to secondary phase shift does not affect system accuracy, temperature stability is improved, and transducer interchangeability is improved.

The AD698 is a complete, monolithic Linear Variable Differential Transformer (LVDT) signal conditioning subsystem. It is used in conjunction with LVDTs to convert transducer mechanical position to a unipolar or bipolar dc voltage with a high degree of accuracy and repeatability. All circuit functions are included on the chip. With the addition of a few external passive components to set frequency and gain, the AD698 converts the raw LVDT output to a scaled dc signal. The device will operate with half-bridge LVDTs, LVDTs connected in the series opposed configuration (4-wire), and RVDTs.

The AD698 contains a low distortion sine wave oscillator to drive the LVDT primary. Two synchronous demodulation channels of the AD698 are used to detect primary and secondary amplitude. The part divides the output of the secondary by the amplitude of the primary and multiplies by a scale factor. This eliminates scale factor errors due to drift in the amplitude of the primary drive, improving temperature performance and stability.

The AD698 uses a unique ratiometric architecture to eliminate several of the disadvantages associated with traditional approaches to LVDT interfacing. The benefits of this new circuit are: no adjustments are necessary; temperature stability is improved; and transducer interchangeability is improved.

The AD698 is available in two performance grades:

ADA4571-2 - это двухканальный анизотропический магниторезистивный (АМР) датчик с интегрированными усилителями сигнала и драйверами АЦП. Компонент формирует аналоговые выходные сигналы, содержащих в себе информацию об угловом положении окружающего магнитного поля.

Каждый канал состоит из двух кристаллов, помещенных в один корпус - АМР датчика и инструментального усилителя с переменным коэффициентом усиления. Обладающие низким уровнем шума выходные гармонические сигналы (синус и косинус) ADA4571-2 несут в себе информацию об угле вращающегося магнитного поля. Диапазон выходных напряжений компонента определяется приложенным напряжением питания.

Каждый измерительный канал содержит два моста Уитстона, работающие со смещением на 45°. За счет вращающегося магнитного поля, параллельного плоскости микросхемы, генерируются два синусоидальных выходных сигнала с удвоенной частотой угла α между датчиком и направлением магнитного поля. В однородном поле, параллельном плоскости корпуса микросхемы, выходные сигналы не зависят от воздушной прослойки между датчиком и магнитом.

ADA4571-2 выпускается в 16-выводном корпусе SOIC.

Ключевые особенности продукта

1. Бесконтактное измерение угла.
2. Измеряет направление магнитного поля, а не его интенсивность.
3. Минимальная чувствительность к изменению воздушного зазора.
4. Большое рабочее расстояние.
5. Превосходная точность, даже при слабых полях насыщения.
6. Минимальный дрейф при изменениях температуры и во времени.
7. Пренебрежимо малый гистерезис.
8. Однокорпусное решение.

Области применения

• Системы управления и позиционирования синхронных двигателей с постоянными магнитами
• Бесконтактное детектирование и измерение угла
• Измерение углового положения магнитного поля

AD7380 и AD7381 — это совместимые по выводам быстродействующие, малопотребляющие, двухканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) последовательного приближения с одновременной выборкой, имеющие разрядность 16 и 14 бит, соответственно, которые работают от напряжения питания 3.3 В и обеспечивают быстродействие до 4 MSPS. Аналоговый входной каскад является дифференциальным и и имеет широкий диапазон входных синфазных напряжений Выборка и преобразование сигнала осуществляется по заднему фронту сигнала CS.

Интегрированная функция избыточной дискретизации позволяет расширять динамический диапазон и уменьшать шум при работе с сигналами, имеющими меньшую по сравнению с пропускной способностью ширину полосы. Компонент содержит внутренний буферизированный источник опорного напряжения 2.5 В. Также поддерживается работа с внешним опорным напряжением до 3.3 В.

Для управления процессом преобразования и захвата данных используются стандартные входные сигналы управления, что упрощает подключение компонента к микропроцессорам или цифровым сигнальным процессорам. Благодаря использованию отдельного напряжения питания логический интерфейс совместим с логикой 1.8 В, 2.5 В и 3.3 В.

AD7380/AD7381 выпускаются в 16-выводном корпусе LFCSP. Гарантированный рабочий температурный диапазон составляет от −40°C до +125°C.

Ключевые особенности продукта

1. Два полнофункциональных канала АЦП с одновременными выборкой и преобразованием
2. Совместимы по выводам
3. Высокое быстродействие — 4 MSPS
4. Компактный корпус LFCSP, 3 мм x 3 мм
5. Интегрированный блок избыточной дискретизации для расширения динамического диапазона, уменьшения шума и снижения требований к частоте SCLK.
6. Дифференциальные аналоговые входы с широким диапазоном синфазных напряжений
7. Применение небольшого конденсатора выборки смягчает требования к усилителю-драйверу

Области применения

• Считывание положения в контуре обратной связи схем управления электродвигателями
• Измерение тока в схемах управления электродвигателями
• Системы сбора данных
• Оптические усилители EDFA
• Квадратурная демодуляция

AD7380 и AD7381 — это совместимые по выводам быстродействующие, малопотребляющие, двухканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) последовательного приближения с одновременной выборкой, имеющие разрядность 16 и 14 бит, соответственно, которые работают от напряжения питания 3.3 В и обеспечивают быстродействие до 4 MSPS. Аналоговый входной каскад является дифференциальным и и имеет широкий диапазон входных синфазных напряжений Выборка и преобразование сигнала осуществляется по заднему фронту сигнала CS.

Интегрированная функция избыточной дискретизации позволяет расширять динамический диапазон и уменьшать шум при работе с сигналами, имеющими меньшую по сравнению с пропускной способностью ширину полосы. Компонент содержит внутренний буферизированный источник опорного напряжения 2.5 В. Также поддерживается работа с внешним опорным напряжением до 3.3 В.

Для управления процессом преобразования и захвата данных используются стандартные входные сигналы управления, что упрощает подключение компонента к микропроцессорам или цифровым сигнальным процессорам. Благодаря использованию отдельного напряжения питания логический интерфейс совместим с логикой 1.8 В, 2.5 В и 3.3 В.

AD7380/AD7381 выпускаются в 16-выводном корпусе LFCSP. Гарантированный рабочий температурный диапазон составляет от −40°C до +125°C.

Ключевые особенности продукта

1. Два полнофункциональных канала АЦП с одновременными выборкой и преобразованием
2. Совместимы по выводам
3. Высокое быстродействие — 4 MSPS
4. Компактный корпус LFCSP, 3 мм x 3 мм
5. Интегрированный блок избыточной дискретизации для расширения динамического диапазона, уменьшения шума и снижения требований к частоте SCLK.
6. Дифференциальные аналоговые входы с широким диапазоном синфазных напряжений
7. Применение небольшого конденсатора выборки смягчает требования к усилителю-драйверу

Области применения

• Считывание положения в контуре обратной связи схем управления электродвигателями
• Измерение тока в схемах управления электродвигателями
• Системы сбора данных
• Оптические усилители EDFA
• Квадратурная демодуляция