了解 LVDT 解調器電路的基礎知識

2021-05-31

了解 LVDT 解調器電路的基礎知識

如何將二極管整流器用作解調器電路，將 LVDT 的交流輸出轉換為指示磁芯位置的有用直流信號。 

需要解調器

當 LVDT 的磁芯完全居中時，兩個次級繞組上會出現極性相反的相等電壓 V s1  = -V s2和 V out = 0。 

  

圖1

隨著鐵芯沿給定方向偏離中心，其中一個次級線圈上的電壓增加，而另一個次級線圈上的電壓隨鐵芯位移線性下降，因此，V out的幅度增加。如果我們將 V out轉換為直流信號，我們就可以確定磁芯位移量。

然而，在不知道 V out相對于激勵電壓 (V EXC )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 信號調理的背景下，解調器是將 LVDT 的交流輸出轉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。基于整流的解調器和同步解調器是可用于 LVDT 設備的兩個主要選項。

二極管半波整流器

二極管半波整流器（如圖 2 所示）可用作 LVDT 解調器。

圖2 

來自第一個次級 (V s1 )的電壓通過由 D1 和上部 R 和 C 創建的半波整流器進行整流。同樣，V s2的整流版本出現在節點 B。輸出是這些之間的差值兩個直流電壓，即 V out  = V 1  - V 2。 

檢查二極管解調器的波形

為了獲得更深入的了解，讓我們進行一些仿真并檢查二極管解調器的操作。假設我們有V EXC  = 4sin（2πx 2500 xt）。此外，假設在零位，V s1 和V s2的幅值均等于4 V；然而，由于給定的磁芯位移，兩個次級兩端的電壓變為： 

V s1  = 4 x (1+0.3) x sin(2π x 2500 xt)

等式 1

V s2  = -4 x (1-0.3) x sin(2π x 2500 xt)

等式 2 

在這里，我們假設第一次級的幅度與零位幅度相比增加了 1.2 V；并且第二個次級的幅度降低了相同的值 (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V s1和V s2是LTspice“任意行為電壓源”，用于創建公式1和2給出的電壓。例如，V s1等于節點EXC處的電壓v（ EXC)，乘以因子 1 加上節點 x 處的電壓，即 1+v(x)。節點 EXC 的電壓為勵磁電壓，節點 x 的電壓為 0.3。這給出了 V s1  = v(EXC) x (1+0.3) = (1+0.3) x 4 x sin(2π x 2500 xt)，與等式 1 相同。

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

圖4 

忽略電壓紋波，節點 A 的直流值約為 4.66 V。對于下整流器，我們得到以下波形。 

圖 5

節點 B 的 DC 值按預期較小（約 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|V s1 | > |V s2 |。這揭示了核心位移的方向。

模擬機械帶寬為 250 Hz 的系統

現在，讓我們在假設附著在核心上的物體的運動在 250 Hz 下具有正弦波形的情況下檢查上述系統： 

核心運動 = 最大位移 x sin(2π x 250 xt) 

由于 LVDT 輸出的幅度隨磁芯位置呈線性變化，因此我們得出結論，V s1和 V s2可以由以下等式表示： 

V s1  = 4 x (1+x) x sin(2π x 2500 xt)

等式 3

V s2  = -4 x (1-x) x sin(2π x 2500 xt) 

等式 4 

其中 x 是 250 Hz 的正弦曲線。假設對于給定的 LVDT，x 的幅度為 0.3。因此，我們有 

x = 0.3 x sin(2π x 250 xt) 

我們可以使用下面的 LTspice 原理圖來模擬這個例子： 

圖 6 

這與前面的示例相同，只是 V s1和 V s2的幅度變化遵循正弦波形（v(x)=0.3×sin(2π×250×t)）。節點 out1 和 A 處的電壓如下所示。 

圖 7

如您所見，次級線圈兩端的電壓是一個正弦波形，其振幅由磁芯位置調制（在我們的仿真中，振幅實際上由x調制，這被認為是磁芯位置的函數）。這解釋了為什么用于提取核心位置信息的電路稱為解調器。

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輸出（V out  = V(a)-V(b)）。  

圖 9 

雖然輸出信號有一些突然的變化，但它看起來像 x 的放大版本，它是磁芯位移的函數。

因此，似乎調制器輸出為我們提供了預期的核心位置。為了驗證這一點，我們可以使用 LTspice 的 FFT 功能來查找輸出電壓的頻率成分。如圖 10 所示。

圖 10

輸出 FFT 顯示主要頻率分量位于 250 Hz，這是物體運動的頻率。在信號調節電路的后續階段，還有一些高頻分量可以由低通濾波器濾波。 

二極管半波整流器的局限性

上述模擬結合了理想二極管模型。真實世界的二極管表現出非零正向壓降。在 LVDT 輸出的幅度相對較小的情況下，這會導致非線性誤差。為避免二極管 IV 特性的非線性區域，LVDT 次級的幅度應大于二極管的正向壓降，即使磁芯與零點位置的距離最大。

請記住，當磁芯處于滿量程位移時，其中一個次級線圈上的電壓處于最小值。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導致問題。

此外，二極管的正向壓降是溫度的函數（硅的溫度系數約為 -2.2 mV/°C）。正向壓降甚至會隨著焊接過程引起的機械應力而變化。另一種可能導致機械應力的機制是二極管本體和電路板之間熱膨脹系數的差異。因此，為兩個 LVDT 輸出提供足夠匹配的整流器可能具有挑戰性。

除了二極管的正向壓降之外，兩條路徑的阻抗也應該匹配，以避免兩個次級的響應之間出現不希望的失配。     

精密整流器

為了避免二極管整流器的局限性，我們可以使用如圖11所示的精密整流器來獲取每個LVDT次級電路的DC值。  

圖 11 

雖然精密整流器可以彌補簡單二極管整流器的挑戰，但它也有其自身的局限性，例如噪聲抑制很小。我們將更詳細地研究該電路并討論用于 LVDT 應用的同步解調器。