LDC100线圈设计指导

ApplicationReportZHCA651–Mar20161LDC1000线圈设计指导秦洋阳SouthChinaApplicationTeam摘要电感传感是一项非接触传感技术，不仅可用来测量位置、运动以及目标物的成分，而且还可用来检测弹簧的压缩、扩张与扭曲度。LDC1000是TI推出的业界首颗电感数字转换器，其能够完成对LC网络电感和阻抗的测量，从而实现电感传感技术。在设计电感传感系统时，除了要考虑相关的电路设计，更重要的是要考虑系统需求并设计相应的线圈。本文简要介绍LDC1000的工作原理，重点讨论各种线圈的设计要点，并给出应用示例。目录1,引言....................................................................................................................................................22,LDC1000工作原理简介......................................................................................................................23,PCB线圈与系统设计..........................................................................................................................43.1PCB线圈几何参数设计..............................................................................................................53.2目标物选择...............................................................................................................................83.3谐振频率选择............................................................................................................................94,线圈设计示例....................................................................................................................................115,特殊线圈应用....................................................................................................................................126,总结..................................................................................................................................................127,附件..................................................................................................................................................128,参考资料...........................................................................................................................................12FiguresFigure1.LDC1000系统结构简图.....................................................................................................2Figure2.LDC1000结构框图............................................................................................................3Figure3.PCB线圈示意图................................................................................................................5Figure4.LDC1000位移输出变化曲线..............................................................................................6Figure5.不同直径线圈Q值与谐振阻抗曲线....................................................................................6Figure6.不同层数线圈Q值与谐振阻抗曲线....................................................................................7Figure7.不同线径、线距线圈Q值与谐振阻抗曲线..........................................................................8Figure8.LDC1000不同金属灵敏度测试曲线...................................................................................9Figure9.LDC1000内部电感测量模块等效图.................................................................................10Figure10.系统位移测量测试结果.....................................................................................................11ZHCA6512LDC1000线圈设计指导TablesTable1.不同直径线圈自谐振频率...................................................................................................7Table2.不同层数线圈自谐振频率...................................................................................................7Table3.不同线径、线距线圈自谐振频率.........................................................................................8Table4.LDC1000不同谐振频率下的分辨率和采样率...................................................................101,引言LDC1000是TI推出的业界首颗电感数字转换器，其能够完成对LC网络电感和阻抗的测量，从而实现电感传感技术。在设计电感传感系统时，除了要考虑相关的电路设计，更重要的是要考虑系统需求并设计相应的线圈。本文简要介绍LDC1000的工作原理，重点讨论各种线圈的设计要点。2,LDC1000工作原理简介LDC1000是单片集成电感传感芯片，只需外接电感和谐振电容即可工作，其典型工作结构图如Figure1所示：Figure1.LDC1000系统结构简图当LDC1000工作时，其输出引脚向外置电感输出高频激励信号，在电感附近会产生一个高频磁场，此时当有金属物接近时，高频磁场就会在金属物内部产生涡流效应，这种涡流电流会产生一个新的磁场进而影响原来的磁场，从而改变了原来LC网络的电感值和阻抗，不同的接近距离，不同的金属类型，不同的金属尺寸都会产生不同大小的影响，从而通过电感和阻抗的改变，可以实现距离，金属类型，尺寸大小等测量；而通过系统的设计，可以把测量的物理量扩展到距离、角度、位移、开关、力、形变、振动等等各种物理量，因此LDC1000的应用非常广泛。ZHCA651LDC1000线圈设计指导3Figure2.LDC1000结构框图如Figure2所示为LDC1000结构框图，图中左边LRC方框图部分是外部电感和谐振电容的等效原理图，L表示电感的电感值，RS是电感的等效串联电阻，C是外接的谐振电容。LDC1000内部有一个高频振荡器，不断输出扫频信号，当外部LC网络发生谐振时，LC谐振回路的阻抗最大，此时输出引脚处电压最大，通过维持输出引脚保持在某个最大电压值，从而维持LC网络总是处于谐振状态。通过电路分析知识，可以知道如上图所示的LC并联网络属于非理想LC并联电路，当其发生谐振时，其谐振频率为：𝑓0=12π√𝐿𝐶√1−𝐶𝑅2𝐿公式1在绝大多数情况下，CR2要远小于L，即可以近似的认为：𝑓0=12π√𝐿𝐶公式2谐振时，LDC内部定时计数器可以完成对谐振频率f0的测量，而电容C是已知的，因此可以计算出待测电感；同时也可以看出，电容C也会影响谐振频率，而不同的谐振频率将对电感传感系统产生不同的影响，本文3.3节将给出详细的讲述。根据电路分析知识，可以知道非理想LC并联电路谐振时阻抗为：𝑍=LRC公式3可以看出谐振时，网络阻抗表现为电阻特性，通过内部的阻抗测量单元，可实现对阻抗的测量。谐振回路的阻抗除了可以作为测量结果输出外，同时也会影响到电感传感系统的测量。首先，谐振回路的阻抗必须大于798Ω以满足LDC1000的工作条件，而且由于谐振回路阻抗会随着金属的接近而减小，所以谐振回路阻抗必须留有一定的裕量；其次较高的谐振回路阻抗能够提高探测灵敏度，因为金属物的接近可以等效为外部阻抗和谐振回路阻抗的并联，较高的谐振回路阻抗能够更灵敏地发现金属物的接近。在保持LC谐振的前提下，更进一步的，由公式2可以得出：ZHCA6514LDC1000线圈设计指导𝐶=1𝜔2L公式4代入公式3中，最终可以得出：𝑍=𝜔2𝐿2𝑅公式5又已知线圈的品质因素Q为：𝑄=ωLR公式6因此谐振时线圈阻抗又可以写为：Z=QωL公式7综上可以看出，Q值和阻抗都是和频率、电感正相关，而和线圈等效串联电阻负相关。另外阻抗又和Q值正相关，Q值越高，阻抗越高。由于LDC1000是依靠LC并联谐振原理完成电感和阻抗的测量的，对于非理想并联谐振电路来说，谐振回路的Q值主要由电感的Q值决定，因为谐振电容的Q值往往很高。Q值决定了谐振回路的频率稳定性，即相位噪声，Q值越高，谐振回路的谐振频率越稳定，噪声越低，同时阻抗越高。因此为了得到良好的信噪比和较高的谐