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（線性可變差動變壓器）的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流信號。

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。

對解調(diào)器的需求

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

圖1

當磁芯沿給定方向遠離中心時，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
進入直流信號后，我們可以確定鐵芯位移的量。

但是，不知道V的相位外
關于激勵電壓（V執(zhí)行），我們無法確定核心在哪個方向上位移。 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信號調(diào)理中，解調(diào)器是將LVDT的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流信號的電路，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主要選項。

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

來自第一個次級的電壓（VS1） 通過 D1 和上部 R 和 C 產(chǎn)生的半波整流器進行整流。 同樣，V的整流版本S2 出現(xiàn)在節(jié)點 B
處。 輸出是這兩個直流電壓之差，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，讓我們進行一些仿真并檢查二極管解調(diào)器的操作。 假設我們有 V執(zhí)行 = 4sin（2π x 2500 xt）。 此外，假設在零位置，兩個 V 的振幅S1 和 VS2 等于 4 V; 但是，由于給定的磁芯位移，兩個次級兩端的電壓變?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，我們假設第一個次級的幅度比零點位置幅度增加了1.2 V; 第二個次級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 EXC 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的電壓為激勵電壓，節(jié)點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(jié)點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B的直流值如預期的那樣小（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。

模擬機械帶寬為 250 Hz 的系統(tǒng)

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

核心運動 = 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 時的正弦曲線。 假設對于給定的 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 out1 和 A
處的電壓如下所示。

圖7

如您所見，次級兩端的電壓是一個正弦波形，其幅度由核心位置調(diào)制（在我們的模擬中，幅度實際上是由x調(diào)制的，假設是核心位置的函數(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)制器輸出似乎如預期的那樣為我們提供了核心位置。 為了驗證這一點，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，這是物體運動的頻率。 還有一些高頻元件可以在信號調(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

上述仿真包含一個理想的二極管模型。 實際二極管表現(xiàn)出非零正向壓降。 這可能導致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，即使磁芯與零點位置的最大距離，LVDT次級的幅度也應大于二極管的正向壓降。

請記住，當磁芯處于滿量程位移時，其中一個次級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導致問題。

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體和電路板之間的熱膨脹系數(shù)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(zhàn)性。

除了二極管的正向壓降外，還應匹配兩條路徑的阻抗，以避免兩個次級響應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LVDT次級的直流值。

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，我們將更詳細地研究該電路，并討論LVDT應用的同步解調(diào)器。