了解LVDT解調(diào)器電路的基礎(chǔ)知識(shí)

了解哪里需要解調(diào)器電路，以及如何使用二極管整流器將LVDT（線性可變差動(dòng)變壓器）的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。

在上一篇文章中，我們研究了 LVDT傳感器的結(jié)構(gòu)和操作。

在本文中，我們將了解如何將二極管整流器用作解調(diào)器電路，將LVDT的交流輸出轉(zhuǎn)換為指示內(nèi)核位置的有用直流信號(hào)。

對解調(diào)器的需求

當(dāng)LVDT的磁芯完全居中時(shí)，兩個(gè)次級(jí)繞組V上會(huì)出現(xiàn)極性相反的相等電壓S1 = -VS2 和 V外 = 0。

圖1

當(dāng)磁芯沿給定方向遠(yuǎn)離中心時(shí)，其中一個(gè)次級(jí)線圈上的電壓增加，另一個(gè)次級(jí)線圈上的電壓隨磁芯位移線性降低，因此，幅度為 V外 增加。 如果我們轉(zhuǎn)換 V外
進(jìn)入直流信號(hào)后，我們可以確定鐵芯位移的量。

但是，不知道V的相位外
關(guān)于激勵(lì)電壓（V執(zhí)行），我們無法確定核心在哪個(gè)方向上位移。 因此，我們需要一些電路來成功解釋LVDT輸出，以確定位移量和磁芯位移方向。

在LVDT信號(hào)調(diào)理中，解調(diào)器是將LVDT的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)的電路，其幅度和極性揭示了內(nèi)核位置。 基于整流的解調(diào)器和同步解調(diào)器是可與LVDT器件配合使用的兩個(gè)主要選項(xiàng)。

二極管半波整流器

圖2所示的二極管半波整流器可用作LVDT解調(diào)器。

圖2

來自第一個(gè)次級(jí)的電壓（VS1） 通過 D1 和上部 R 和 C 產(chǎn)生的半波整流器進(jìn)行整流。 同樣，V的整流版本S2 出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn) B
處。 輸出是這兩個(gè)直流電壓之差，即V外 = V1 - 五2.

檢查二極管解調(diào)器的波形

為了獲得更深入的見解，讓我們進(jìn)行一些仿真并檢查二極管解調(diào)器的操作。 假設(shè)我們有 V執(zhí)行 = 4sin（2π x 2500 xt）。 此外，假設(shè)在零位置，兩個(gè) V 的振幅S1 和 VS2 等于 4 V; 但是，由于給定的磁芯位移，兩個(gè)次級(jí)兩端的電壓變?yōu)椋?/p>

VS1 = 4 x （1+0.3） x sin（2π x 2500 x t）

等式 1

VS2 = -4 x （1-0.3） x sin（2π x 2500 x t）

等式2

在這里，我們假設(shè)第一個(gè)次級(jí)的幅度比零點(diǎn)位置幅度增加了1.2 V; 第二個(gè)次級(jí)的幅度減小了相同的值（1.2V）。 我們可以使用以下LTspice原理圖來模擬此示例：

圖3

在此原理圖中，電壓源VS1 和 VS2 是LTspice的“任意行為電壓源”，用于產(chǎn)生公式1和2給出的電壓。 例如，VS1 等于節(jié)點(diǎn) EXC 的電壓
v（EXC），乘以因子 1 加上節(jié)點(diǎn) x 處的電壓，即 1+v（x）。 節(jié)點(diǎn)EXC的電壓為激勵(lì)電壓，節(jié)點(diǎn)x處的電壓為0.3。 這給了 VS1 = v（EXC） x
（1+0.3） = （1+0.3） x 4 x sin（2π x 2500 x t），與公式 1 相同。

二極管 D1 和 D2 是 由LTspice定義的理想二極管.model語句。 當(dāng)R=1 kΩ和C=1.5
μF時(shí)，我們得到上半波整流器的以下波形：

圖4

忽略電壓紋波，節(jié)點(diǎn)A的直流值約為4.66 V。 對于下部整流器，我們得到以下波形。

圖5

節(jié)點(diǎn)B的直流值如預(yù)期的那樣小（約2.51 V）。 輸出是這兩個(gè)直流電壓之間的差值，直流值約為2.15
V。 輸出的大小與鐵芯位移的大小成正比。 考慮到輸出的極性，我們知道| VS1|》 | VS2|。 這揭示了核心的位移方向。

模擬機(jī)械帶寬為 250 Hz 的系統(tǒng)

現(xiàn)在，讓我們在假設(shè)附著在磁芯上的物體的運(yùn)動(dòng)具有 250 Hz 的正弦波形的情況下檢查上述系統(tǒng)：

核心運(yùn)動(dòng) = 最大位移 x 正弦（2π x 250 x t）

由于LVDT輸出的幅度隨磁芯位置線性變化，我們得出結(jié)論，VS1 和 VS2 可以用以下等式表示：

VS1 = 4 x （1+x） x sin（2π x 2500 x t）

等式3

VS2 = -4 x （1-x） x sin（2π x 2500 x t）

等式 4

其中 x 是 250 Hz 時(shí)的正弦曲線。 假設(shè)對于給定的 LVDT，x 的振幅為 0.3。 因此，我們有

x = 0.3 x sin（2π x 250 x t）

我們可以使用以下LTspice原理圖來模擬此示例：

圖6

這與前面的示例相同，只是 V 振幅的變化S1 和 VS2 遵循正弦波形 （v（x）=0.3×sin（2π×250×t））。 節(jié)點(diǎn) out1 和 A
處的電壓如下所示。

圖7

如您所見，次級(jí)兩端的電壓是一個(gè)正弦波形，其幅度由核心位置調(diào)制（在我們的模擬中，幅度實(shí)際上是由x調(diào)制的，假設(shè)是核心位置的函數(shù)）。 這就解釋了為什么用于提取內(nèi)核位置信息的電路稱為解調(diào)器。

對于下部整流器，我們得到的波形類似，如圖8所示。

圖8

下圖中的紅色曲線顯示了最終輸出（V外 = V（a）-V（b））。

圖9

雖然輸出信號(hào)有一些突然的變化，但它看起來像x的放大版本，它是核心位移的函數(shù)。

因此，調(diào)制器輸出似乎如預(yù)期的那樣為我們提供了核心位置。 為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，我們可以利用LTspice的FFT特性來查找輸出電壓的頻率成分。 如圖 10
所示。

圖10

輸出FFT顯示主頻率分量為250 Hz，這是物體運(yùn)動(dòng)的頻率。 還有一些高頻元件可以在信號(hào)調(diào)理電路的后續(xù)階段被低通濾波器濾除。

二極管半波整流器的局限性

上述仿真包含一個(gè)理想的二極管模型。 實(shí)際二極管表現(xiàn)出非零正向壓降。 這可能導(dǎo)致LVDT輸出幅度相對較小的情況出現(xiàn)非線性誤差。 為了避免二極管I-V特性的非線性區(qū)域，即使磁芯與零點(diǎn)位置的最大距離，LVDT次級(jí)的幅度也應(yīng)大于二極管的正向壓降。

請記住，當(dāng)磁芯處于滿量程位移時(shí)，其中一個(gè)次級(jí)兩端的電壓處于最小值。 對于一些微型和專用LVDT，輸出幅度可能相對較小，二極管正向電壓可能會(huì)導(dǎo)致問題。

此外，二極管的正向壓降是溫度的函數(shù)（硅的溫度系數(shù)約為-2.2
mV/°C）。 正向壓降甚至?xí)S著焊接過程引起的機(jī)械應(yīng)力而變化。 另一種可能導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的機(jī)制是二極管體和電路板之間的熱膨脹系數(shù)差異。 因此，為兩個(gè)LVDT輸出提供足夠匹配的整流器可能具有挑戰(zhàn)性。

除了二極管的正向壓降外，還應(yīng)匹配兩條路徑的阻抗，以避免兩個(gè)次級(jí)響應(yīng)之間不必要的不匹配。

精密整流器

為了規(guī)避二極管整流器的限制，我們可以使用圖11所示的精密整流器來獲得每個(gè)LVDT次級(jí)的直流值。

圖11

雖然精密整流器可以解決簡單二極管整流器的挑戰(zhàn)，但它也有其自身的局限性，例如噪聲抑制很小。 在下一篇文章中，我們將更詳細(xì)地研究該電路，并討論LVDT應(yīng)用的同步解調(diào)器。