LVDT解调器电路的基础知识

在本文中，我们将了解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。

对解调器的需求

当LVDT的核心完全居中时，两个次级绕组上出现极性相反的相等电压Vs1 = -Vs2和Vout = 0。

图1

当铁芯沿给定方向偏离中心时，其中一个次级线圈上的电压增加，另一个次级线圈上的电压随铁芯位移线性下降，因此，Vout 的幅度增加。如果我们将 Vout 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 Vout 相对于激励电压 (VEXC) 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。

图2

二极管半波整流器（如图 2 所示）可用作 LVDT 解调器。

来自第一个次级 (Vs1) 的电压通过 D1 和上部 R 和 C 产生的半波整流器进行整流。同样，Vs2 的整流版本出现在节点 B。输出是这两个 DC 之间的差值 电压，即 Vout = V1 - V2。

检验二极管解调器的波形

为了获得更深入的了解，让我们做一些模拟并检查二极管解调器的操作。设Vexc = 4sin(2π x 2500 x t)，并设在零位置，Vs1和Vs2的振幅都等于4v;然而，由于给定的铁芯位移，两个二次电压变化为：

在这里，我们假设第一副振幅比零位置振幅增加了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 Vs1 和 Vs2 是 LTspice“任意行为电压源”，用于创建等式 1 和 2 给出的电压。例如，Vs1 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 Vs1 = v(EXC) x (1+0.3) = (1+0.3) x 4 x sin(2π x 2500 x t)，与等式 1 相同。

二极管D1和D2是由LTspice：简单的理想二极管。当R=1 kΩ， C=1.5 μF时，得到上半波整流器的波形如下：

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，我们得到如下波形。

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|Vs1| > |Vs2|。这揭示了磁芯位移的方向。

模拟机械带宽为250Hz的系统

现在，让我们在假设附着在磁芯上的物体的运动具有250hz的正弦波形的前提下，来检查上述系统：

由于LVDT输出的幅值随磁芯位置线性变化，我们得出Vs1和Vs2可以用以下公式表示：

其中x是250Hz的正弦曲线。假设，对于给定的LVDT, x的振幅为0.3。因此,我们有

我们可以使用下面的LTspice原理图来模拟这个示例：

图6

除了Vs1和Vs2的振幅变化遵循正弦波形(v(x)=0.3×sin(2π×250×t))外，这与前面的例子相同。输出节点1和节点A的电压如下图所示。

图7

正如你所看到的，次级电压是一个正弦波形，其振幅由磁芯位置调制(在我们的模拟中，振幅实际上是由x调制的，它被假定为核心位置的函数)。这就解释了为什么用来提取磁芯位置信息的电路被称为解调器。

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的输出(Vout = V(a)-V(b))。

图9

虽然输出信号有一些突变，但它看起来像x的放大版本，它是磁芯位移的函数。

因此，调制器输出给了我们预期的磁芯位置。为了验证这一点，我们可以使用LTspice的FFT特性来找到输出电压的频率含量。如图10所示。

图10

输出的FFT显示，主频率分量在250Hz，这是物体运动的频率。在信号调理电路的后续阶段，也有一些高频元件可以通过低通滤波器进行滤波。

二极管半波整流器的局限性

上述模拟采用了一个理想的二极管模型。真实的二极管表现出非零正向电压降。在LVDT输出幅度相对较小的情况下，这可能会导致非线性误差。为了避免二极管I-V特性的非线性区域，即使当核心距离零位的最大距离时，LVDT二次电压的幅值也应该大于二极管的正向压降。

记住，当磁芯处于其全尺寸位移时，通过一个二次电源的电压是最小的。使用一些小型和专业的lvdt，输出幅度可能相对较小，二极管正向电压可能会造成问题。

此外，二极管的正向电压降是温度的函数(硅的温度系数约为-2.2 mV/℃)。正向电压降甚至可以改变由焊接过程引起的机械应力。另一个可能导致机械应力的机制是二极管体和电路板之间的热膨胀系数的差异。因此，为两个LVDT输出提供足够匹配的整流器是一项挑战。

除了二极管的正向压降，两条路径的阻抗也应该匹配，以避免两个副电路响应之间不必要的不匹配。

精密整流器

为了规避二极管整流器的限制，我们可以使用一个精密整流器，如图11所示，以获得每个LVDT二次的直流值。

图11

虽然精密整流器可以弥补简单的二极管整流器的挑战，但它有自己的局限性，如噪声抑制小。