用于位置測量的PSoC微控制器與LVDT

　　將一個LVDT(線性可變差分變壓器)連接到微控制器是有挑戰(zhàn)性的工作，因為LVDT需要交流輸入激勵和交流輸出的測量，以確定其可移動核的位置(參考文獻1)。多數(shù)微控制器都缺乏專用交流信號生成與處理能力，因此需要外部電路產(chǎn)生任意諧波、波幅與穩(wěn)定頻率的正弦波信號。LVDT輸出信號的波幅與相位轉(zhuǎn)換成與微控制器內(nèi)部ADC兼容的形式，一般需要添加外部電路。

　　與傳統(tǒng)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模塊，簡化交流信號的生成與測量。PSoC器件具有無需連續(xù)CPU的干預就能生成模擬信號的獨特功能。PSoC靈活的模擬與數(shù)字模塊可以驅(qū)動一支LVDT，并無需外部電路就可以測量其輸出。圖1顯示的是LVDT接口的完整電路，圖2顯示的是PSoC微控制器的內(nèi)部電路框圖。

圖1 LVDT接口的完整電路

圖2 PSoC微控制器的內(nèi)部電路框圖

　　PSoC采用多對用戶可配置的開關(guān)電容器模塊，實現(xiàn)帶通和低通濾波器。通過生成方波，并通過建立在首個開關(guān)電容器模塊中的穩(wěn)壓器，加在PSoC開關(guān)電容濾波器上，從而創(chuàng)建

　　為從PSoC開關(guān)電容帶通濾波器產(chǎn)生最高保真度的正弦波，要使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階。合成的正弦波足夠平滑到足以驅(qū)動能衰減殘余更高諧波的LVDT。用可編程增益放大器調(diào)整PSoC的內(nèi)部電壓基準，可以在濾波前對方波幅度作粗略的控制。為補償波形直流偏置電壓，放大器對2.6V內(nèi)部模擬地基準進行緩沖，并驅(qū)動用作LVDT模擬地回路的輸出管腳。

　　LVDT輸出由幅度可變的正弦波電壓組成，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，有時相移會超過180。LVDT的信號驅(qū)動PSoC的可編程增益放大器，其輸出送至開關(guān)電容低通濾波器，跟隨一個用于同步整流的穩(wěn)壓器。整流后的信號驅(qū)動一輸出管腳，以及PSoC的開關(guān)電容ADC。

　　將LVDT輸出加在同步穩(wěn)壓器上，跟隨一個低通濾波器，產(chǎn)生直流電壓送至ADC或直接驅(qū)動模擬反饋控制系統(tǒng)。在PSoC微控制器中，連接到ADC的低通開關(guān)電容濾波器需要相同的采樣時鐘驅(qū)動這兩個電路，導致PsoC的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。同步穩(wěn)壓產(chǎn)生兩倍激勵頻率紋波頻率，因此更容易被低通濾波器去除。將、重新設(shè)計低通濾波器的角頻率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）標準差下，使LVDT輸出的測量達到11位分辨率。

　　用配置為計數(shù)器鏈的邏輯電路塊將PsoC的24MHz內(nèi)部系統(tǒng)時鐘分頻，產(chǎn)生開關(guān)電容器模擬電路模塊所需的數(shù)字時鐘信號。在加電或復位后，PSoC的CPU配置所有可配置的模擬和數(shù)字電路模塊，并開始運行。從那以后，硬件便能夠激勵LVDT，并無需CPU參與的情況下，以每秒500次采樣速率測量其輸出。當PSoC CPU運行在12MHz時，處理ADC內(nèi)部動作和中斷只消耗CPU不到3%的資源。

　　大量PSoC資源仍可用于計算LVDT位置，以及在LCD模塊上以文本形式顯示結(jié)果。四個模擬電路模塊、五個邏輯電路模塊和很多I/O管腳都可用于支持更高要求的應(yīng)用。圖3顯示了可用于附加功能的可配置模塊。

圖3 可用于附加功能的可配置模塊

　　參考文獻：

　　1、"Linear variable differential transformer，" Wikipedia