了解 LVDT 解调器电路的基础知识

2021-05-31

了解 LVDT 解调器电路的基础知识

如何将二极管整流器用作解调器电路，将 LVDT 的交流输出转换为指示磁芯位置的有用直流信号。 

需要解调器

当 LVDT 的磁芯完全居中时，两个次级绕组上会出现极性相反的相等电压 V s1  = -V s2和 V out = 0。 

  

图1

随着铁芯沿给定方向偏离中心，其中一个次级线圈上的电压增加，而另一个次级线圈上的电压随铁芯位移线性下降，因此，V out的幅度增加。如果我们将 V out转换为直流信号，我们就可以确定磁芯位移量。

然而，在不知道 V out相对于激励电压 (V EXC )的相位的情况下，我们无法确定磁芯位移的方向。因此，我们需要一些电路来成功解释 LVDT 输出，以确定位移量和磁芯位移的方向。

在 LVDT 信号调理的背景下，解调器是将 LVDT 的交流输出转换为直流信号的电路，直流信号的幅度和极性揭示核心位置。基于整流的解调器和同步解调器是可用于 LVDT 设备的两个主要选项。

二极管半波整流器

二极管半波整流器（如图 2 所示）可用作 LVDT 解调器。

图2 

来自第一个次级 (V s1 )的电压通过由 D1 和上部 R 和 C 创建的半波整流器进行整流。同样，V s2的整流版本出现在节点 B。输出是这些之间的差值两个直流电压，即 V out  = V 1  - V 2。 

检查二极管解调器的波形

为了获得更深入的了解，让我们进行一些仿真并检查二极管解调器的操作。假设我们有V EXC  = 4sin（2πx 2500 xt）。此外，假设在零位，V s1 和V s2的幅值均等于4 V；然而，由于给定的磁芯位移，两个次级两端的电压变为： 

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 

在这里，我们假设第一次级的幅度与零位幅度相比增加了 1.2 V；并且第二个次级的幅度降低了相同的值 (1.2 V)。我们可以使用下面的 LTspice 原理图来模拟这个例子： 

图 3 

在此示意图中，电压源V s1和V s2是LTspice“任意行为电压源”，用于创建公式1和2给出的电压。例如，V s1等于节点EXC处的电压v（ EXC)，乘以因子 1 加上节点 x 处的电压，即 1+v(x)。节点 EXC 的电压为励磁电压，节点 x 的电压为 0.3。这给出了 V s1  = v(EXC) x (1+0.3) = (1+0.3) x 4 x sin(2π x 2500 xt)，与等式 1 相同。

二极管 D1 和 D2 是由 LTspice .model 语句定义的理想二极管。当 R=1 kΩ 和 C=1.5 μF 时，我们得到上半波整流器的以下波形：

图4 

忽略电压纹波，节点 A 的直流值约为 4.66 V。对于下整流器，我们得到以下波形。 

图 5

节点 B 的 DC 值按预期较小（约 2.51 V）。输出是这两个直流电压之间的差值，直流值约为 2.15 V。输出的幅度与磁芯位移量成正比。考虑到输出的极性，我们知道|V s1 | > |V s2 |。这揭示了核心位移的方向。

模拟机械带宽为 250 Hz 的系统

现在，让我们在假设附着在核心上的物体的运动在 250 Hz 下具有正弦波形的情况下检查上述系统： 

核心运动 = 最大位移 x sin(2π x 250 xt) 

由于 LVDT 输出的幅度随磁芯位置呈线性变化，因此我们得出结论，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 的正弦曲线。假设对于给定的 LVDT，x 的幅度为 0.3。因此，我们有 

x = 0.3 x sin(2π x 250 xt) 

我们可以使用下面的 LTspice 原理图来模拟这个例子： 

图 6 

这与前面的示例相同，只是 V s1和 V s2的幅度变化遵循正弦波形（v(x)=0.3×sin(2π×250×t)）。节点 out1 和 A 处的电压如下所示。 

图 7

如您所见，次级线圈两端的电压是一个正弦波形，其振幅由磁芯位置调制（在我们的仿真中，振幅实际上由x调制，这被认为是磁芯位置的函数）。这解释了为什么用于提取核心位置信息的电路称为解调器。

对于下整流器，我们得到类似的波形，如图 8 所示。

图 8

下图中的红色曲线显示了最终输出（V out  = V(a)-V(b)）。  

图 9 

虽然输出信号有一些突然的变化，但它看起来像 x 的放大版本，它是磁芯位移的函数。

因此，似乎调制器输出为我们提供了预期的核心位置。为了验证这一点，我们可以使用 LTspice 的 FFT 功能来查找输出电压的频率成分。如图 10 所示。

图 10

输出 FFT 显示主要频率分量位于 250 Hz，这是物体运动的频率。在信号调节电路的后续阶段，还有一些高频分量可以由低通滤波器滤波。 

二极管半波整流器的局限性

上述模拟结合了理想二极管模型。真实世界的二极管表现出非零正向压降。在 LVDT 输出的幅度相对较小的情况下，这会导致非线性误差。为避免二极管 IV 特性的非线性区域，LVDT 次级的幅度应大于二极管的正向压降，即使磁芯与零点位置的距离最大。

请记住，当磁芯处于满量程位移时，其中一个次级线圈上的电压处于最小值。对于一些微型和专用 LVDT，输出幅度可能相对较小，二极管正向电压可能会导致问题。

此外，二极管的正向压降是温度的函数（硅的温度系数约为 -2.2 mV/°C）。正向压降甚至会随着焊接过程引起的机械应力而变化。另一种可能导致机械应力的机制是二极管本体和电路板之间热膨胀系数的差异。因此，为两个 LVDT 输出提供足够匹配的整流器可能具有挑战性。

除了二极管的正向压降之外，两条路径的阻抗也应该匹配，以避免两个次级的响应之间出现不希望的失配。     

精密整流器

为了避免二极管整流器的局限性，我们可以使用如图11所示的精密整流器来获取每个LVDT次级电路的DC值。  

图 11 

虽然精密整流器可以弥补简单二极管整流器的挑战，但它也有其自身的局限性，例如噪声抑制很小。我们将更详细地研究该电路并讨论用于 LVDT 应用的同步解调器。