LVDT解調(diào)器電路的基礎(chǔ)知識

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)換為指示磁芯位置的有用直流信號。

對解調(diào)器的需求

當(dāng)LVDT的核心完全居中時，兩個次級繞組上出現(xiàn)極性相反的相等電壓Vs1 = -Vs2和Vout = 0。

圖1

當(dāng)鐵芯沿給定方向偏離中心時，其中一個次級線圈上的電壓增加，另一個次級線圈上的電壓隨鐵芯位移線性下降，因此，Vout 的幅度增加。如果我們將 Vout 轉(zhuǎn)換為直流信號，我們就可以確定磁芯位移量。

然而，在不知道 Vout 相對于激勵電壓 (VEXC) 的相位的情況下，我們無法確定磁芯位移的方向。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的方向。

在 LVDT 信號調(diào)理的背景下，解調(diào)器是將 LVDT 的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流信號的電路，直流信號的幅度和極性揭示核心位置。基于整流的解調(diào)器和同步解調(diào)器是可用于 LVDT 設(shè)備的兩個主要選項。

圖2

二極管半波整流器（如圖 2 所示）可用作 LVDT 解調(diào)器。

來自第一個次級 (Vs1) 的電壓通過 D1 和上部 R 和 C 產(chǎn)生的半波整流器進(jìn)行整流。同樣，Vs2 的整流版本出現(xiàn)在節(jié)點 B。輸出是這兩個 DC 之間的差值 電壓，即 Vout = V1 - V2。

檢驗二極管解調(diào)器的波形

為了獲得更深入的了解，讓我們做一些模擬并檢查二極管解調(diào)器的操作。設(shè)Vexc = 4sin(2π x 2500 x t)，并設(shè)在零位置，Vs1和Vs2的振幅都等于4v;然而，由于給定的鐵芯位移，兩個二次電壓變化為：

在這里，我們假設(shè)第一副振幅比零位置振幅增加了1.2 V;我們可以使用下面的LTspice原理圖來模擬這個例子：

圖3

在此示意圖中，電壓源 Vs1 和 Vs2 是 LTspice“任意行為電壓源”，用于創(chuàng)建等式 1 和 2 給出的電壓。例如，Vs1 等于節(jié)點 EXC 處的電壓 v(EXC)， 乘以因子 1 加上節(jié)點 x 處的電壓，即 1+v(x)。節(jié)點 EXC 的電壓為勵磁電壓，節(jié)點 x 的電壓為 0.3。這給出了 Vs1 = v(EXC) x (1+0.3) = (1+0.3) x 4 x sin(2π x 2500 x t)，與等式 1 相同。

二極管D1和D2是由LTspice：簡單的理想二極管。當(dāng)R=1 kΩ， C=1.5 μF時，得到上半波整流器的波形如下：

圖4

忽略電壓紋波，節(jié)點A的直流值約為4.66 V。對于下整流器，我們得到如下波形。

圖5

節(jié)點 B 的 DC 值按預(yù)期較?。s 2.51 V）。輸出是這兩個直流電壓之間的差值，直流值約為 2.15 V。輸出的幅度與磁芯位移量成正比?？紤]到輸出的極性，我們知道|Vs1| > |Vs2|。這揭示了磁芯位移的方向。

模擬機(jī)械帶寬為250Hz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動具有250hz的正弦波形的前提下，來檢查上述系統(tǒng)：

由于LVDT輸出的幅值隨磁芯位置線性變化，我們得出Vs1和Vs2可以用以下公式表示：

其中x是250Hz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

我們可以使用下面的LTspice原理圖來模擬這個示例：

圖6

除了Vs1和Vs2的振幅變化遵循正弦波形(v(x)=0.3×sin(2π×250×t))外，這與前面的例子相同。輸出節(jié)點1和節(jié)點A的電壓如下圖所示。

圖7

正如你所看到的，次級電壓是一個正弦波形，其振幅由磁芯位置調(diào)制(在我們的模擬中，振幅實際上是由x調(diào)制的，它被假定為核心位置的函數(shù))。這就解釋了為什么用來提取磁芯位置信息的電路被稱為解調(diào)器。

對于下整流器，我們得到類似的波形如圖8所示。

圖8

下圖中的紅色曲線顯示了最終的輸出(Vout = V(a)-V(b))。

圖9

雖然輸出信號有一些突變，但它看起來像x的放大版本，它是磁芯位移的函數(shù)。

因此，調(diào)制器輸出給了我們預(yù)期的磁芯位置。為了驗證這一點，我們可以使用LTspice的FFT特性來找到輸出電壓的頻率含量。如圖10所示。

圖10

輸出的FFT顯示，主頻率分量在250Hz，這是物體運動的頻率。在信號調(diào)理電路的后續(xù)階段，也有一些高頻元件可以通過低通濾波器進(jìn)行濾波。

二極管半波整流器的局限性

上述模擬采用了一個理想的二極管模型。真實的二極管表現(xiàn)出非零正向電壓降。在LVDT輸出幅度相對較小的情況下，這可能會導(dǎo)致非線性誤差。為了避免二極管I-V特性的非線性區(qū)域，即使當(dāng)核心距離零位的最大距離時，LVDT二次電壓的幅值也應(yīng)該大于二極管的正向壓降。

記住，當(dāng)磁芯處于其全尺寸位移時，通過一個二次電源的電壓是最小的。使用一些小型和專業(yè)的lvdt，輸出幅度可能相對較小，二極管正向電壓可能會造成問題。

此外，二極管的正向電壓降是溫度的函數(shù)(硅的溫度系數(shù)約為-2.2 mV/℃)。正向電壓降甚至可以改變由焊接過程引起的機(jī)械應(yīng)力。另一個可能導(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)的差異。因此，為兩個LVDT輸出提供足夠匹配的整流器是一項挑戰(zhàn)。

除了二極管的正向壓降，兩條路徑的阻抗也應(yīng)該匹配，以避免兩個副電路響應(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，我們可以使用一個精密整流器，如圖11所示，以獲得每個LVDT二次的直流值。

圖11

雖然精密整流器可以彌補(bǔ)簡單的二極管整流器的挑戰(zhàn)，但它有自己的局限性，如噪聲抑制小。