测量位置的PSoC微控制器与LVDT

将一个LVDT（线性可变差分变压器）连接到一个微控制器是有挑战性的工作，因为一个LVDT需要交流输入的激励和对交流输出的测量，以确定其可动核的位置（参考文献1）。多数微控制器都缺乏专用的交流信号生成与处理能力，因此需要外部电路来产生无谐波、波幅与频率稳定的正弦波信号。要将LVDT的输出信号波幅与相位转换成与微控制器内部ADC兼容的格式，一般需要添加外部电路。

　　与一般微控制器相比，Cypress半导体公司的PSoC微控制器含有用户可配置的逻辑和模拟电路块，简化了交流信号的生成与测量工作。PSoC器件有独特的功能，即无需 CPU的连续干预就能生成模拟信号。PSoC灵活的模拟与数字块可以驱动一支LVDT，并无需外部电路就可以测量其输出。图1是LVDT接口的完整电路，图2是PSoC微控制器的内部电路框图。

　　PSoC采用一对用户可配置的开关电容器块，同时实现带通滤波器和低通滤波器。你可以通过生成一个方波，并通过建立在个开关电容器块中的调制器，将其加在PSoC开关电容滤波器上，从而创建高质量的正弦波。使方波通过一个中心位于方波基频的窄带带通滤波器，可以去除大多数谐波。

　　为使PSoC开关电容带通滤波器产生保真度的正弦波，要用尽可能高的过采样速率，因数约为33，即每个正弦波周期33步。得到的正弦波平滑得足以驱动能衰减所有残余高阶谐波的LVDT。采用一个可变增益放大器标定PSoC的内部电压基准，就可以在方波滤波前对其波幅作粗略的控制。为了补偿波形的直流偏移电压，放大器对2.6V内部模拟接地基准进行缓冲，并驱动用作LVDT模拟地回路的输出脚。
　　LVDT输出包括一个幅度可变的正弦波电压，其相对于正弦波激励电压的相位角要经受一个相当大的可变移位，有时相移要超过180。。LVDT的一个信号驱动PSoC的一个可变增益放大器，其输出送至一个开关电容低通滤波器，并跟随一个用于同步整流的调制器。整流后的信号驱动一个输出脚，以及一个PSoC的开关电容ADC。
　　将LVDT输出加在同步整流器上，后跟随一个低通滤波器，这样产生一个直流电压，它可以送至ADC或直接驱动一个模拟反馈控制系统。在PSoC微控制器中，连接到ADC的低通开关电容滤波器需要相同的采样时钟来驱动两个电路，因此，PSoC 11位Δ-S ADC的转换速率大约是低通滤波器角频率的一半。同步整流产生的纹波频率是激励频率的两倍，因此更容易用低通滤波器去除。将低通滤波器的角频率重新确定为激励频率的三分之一，就可以在等于或低于1 LSB（有效位）标准偏差下，使LVDT输出的测量达到11位分辨率。

　　用作为计数器链配置的逻辑电路块将 PSoC 24 MHz 内部系统时钟分频，就得到开关电容器模拟电路块需要的所有数字时钟信号。在加电或复位之后，PSoC的CPU配置所有可配置的模拟与数字电路块，并开始运行。以后硬件便能够激励LVDT并以每秒500次采样速率测量其输出，无需CPU的进一步干预。当 PSoC CPU运行在12 MHz时，处理ADC内部活动以及中断只消耗不到3%的CPU资源。
　　对于计算LVDT位置以及在LCD模块上以文本形式显示结果时有大量PSoC资源可用。有四个模拟电路块、五个逻辑电路块和很多I/O脚都可以用于支持更高要求的应用。图3显示了附加功能可以使用的配置块。
参考文献
1."Linear variable differential transformer," Wikipedia.

2. PSoC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PSoC_555958.html.