LVDT-demodulatie:gelijkrichtertype versus synchrone demodulatie

Leer hoe twee methoden van demodulatie zich verhouden:synchrone demodulatie en demodulatie van het gelijkrichtertype. Hier bespreken we de voordelen, nadelen en geschikte toepassingen van elke methode.

In een vorig artikel hebben we de werking en uitdagingen van een diode-gelijkrichterdemodulator besproken. In dit artikel zullen we eerst kijken naar de beperkingen van de demodulatoren van het gelijkrichtertype in het algemeen. Vervolgens zullen we zien dat een synchrone demodulator enkele van deze problemen kan oplossen. Ten slotte zullen we kijken naar de nadelen van synchrone demodulatie in LVDT-toepassingen.

Beperkingen van demodulatoren van het gelijkrichtertype

Hoewel een precisiegelijkrichter de uitdagingen van een eenvoudige diodegelijkrichter kan verhelpen, hebben demodulatoren van het gelijkrichtertype in het algemeen verschillende nadelen. Met een demodulator van het gelijkrichtertype hebben we toegang nodig tot de middenaftakking van de secundaire LVDT om de spanning over elk van de secundaire wikkelingen te corrigeren. Daarom is dit type demodulatie alleen van toepassing op 5-draads LVDT's (Figuur 1(b)).

Figuur 1. (a) 4-draads en (b) 5-draads LVDT's.

Er zijn andere demodulatiemethoden die geen toegang tot de middenaftakking nodig hebben en die de kernpositie kunnen bepalen door het spanningsverschil tussen de twee secondaries te verwerken. Met deze demodulatoren kunnen we een 4-draads LVDT gebruiken, zoals weergegeven in figuur 1 (a).

Is het echt belangrijk om het minimum aantal elektrische aansluitingen te hebben?

Er zijn veel toepassingen waarbij het conditioneringscircuit zich op grote afstand van de sensor bevindt. Een goed voorbeeld is het uitvoeren van metingen in ruwe omgevingen van radioactieve toepassingen waarbij de conditioneringscircuits in veilige gebieden moeten worden geplaatst, zelfs tot enkele honderden meters verwijderd van de LVDT. In deze gevallen kan het een uitdaging zijn om de twee secundaire spanningen over een lange afstand te verzenden via een 5-draadsconfiguratie. Omdat de conditioneringsmodule niet in de buurt van de LVDT is geplaatst, is het noodzakelijk om een ​​goed uitgebalanceerde bedrading te hebben met een lage verdeelde capaciteit. Dit betekent een aanzienlijke stijging van de bedradingskosten.

Een ander nadeel van een demodulator van het gelijkrichtertype is de beperkte ruisonderdrukking. Overweeg een LVDT-sensor met de kernverplaatsing na een sinusvormige golfvorm bij 250 Hz. De rode curve in figuur 2 toont de gedemoduleerde output van deze LVDT verkregen met behulp van een typische diodegelijkrichter.

Figuur 2.

In deze figuur toont de groene curve de kernverplaatsing x. Zoals je kunt zien, lijkt het uitgangssignaal op de versterkte versie van x, behalve dat het enkele abrupte veranderingen heeft die overeenkomen met sommige hoogfrequente componenten.

Om van deze ongewenste hoogfrequente componenten af ​​te komen, kunnen we een laagdoorlaatfilter gebruiken met een afsnijfrequentie die iets hoger is dan de mechanische bandbreedte van het systeem (250 Hz). Daarom zullen, zelfs met een ideaal laagdoorlaatfilter, alle frequentiecomponenten tot 250 Hz het filter passeren zonder te worden verzwakt. Daarom zal elke ruiscomponent onder 250 Hz die wordt gekoppeld aan de sensoruitgang ook verschijnen op de demodulatoruitgang.

Slechte ruisprestaties zijn een belangrijk nadeel van demodulatoren van het gelijkrichtertype. Deze beperking wordt nog meer uitgesproken bij lange kabels. De ruisprestaties samen met de 5-draads configuratie-eis maken dit circuit ongeschikt voor lange kabels naar afgelegen locaties. Synchrone demodulatie die hieronder wordt besproken, kan deze twee problemen aanpakken.

Synchrone demodulatie

Beschouw de LVDT in figuur 3. Neem aan dat we \[V_{EXC} =A_p\cos(2\pi \times f_p \times t)\] hebben.

Figuur 3. Een voorbeeld LVDT

De differentiële uitgang (\[V_{out}\]) is een amplitude-gemoduleerd signaal en kan worden uitgedrukt als:

\[V_{out} =A_s \times x \times \cos(2\pi \times f_p \times t + \phi)\]

Vergelijking 1.

waarbij x de kernverplaatsing is en \[A_s\] een schaalfactor is die de algehele uitgangsamplitude voor een gegeven x geeft. De faseterm \[\phi\] is het faseverschil dat wordt veroorzaakt door de LVDT tussen de primaire en secundaire spanningen. Deze faseverschuiving zou idealiter erg klein moeten zijn, vooral rond een specifieke frequentie die door de fabrikant is opgegeven. Meestal moeten we echter rekening houden met deze faseverschuiving.

De synchrone demodulatietechniek vermenigvuldigt de LVDT-differentiële output met het excitatiesignaal (of een signaal dat synchroon loopt met het excitatiesignaal in het algemeen). Dit geeft:

\[V_{demod} =V_{out} \times V_{EXC} =A_s \times x \times \cos(2\pi \times f_p \times t + \ phi) \times A_p\cos(2\pi \times f_p \times t)\]

Vergelijking 2.

dat vereenvoudigt tot:

\[V_{demod} =\frac{1}{2} \times A_s \times x \times A_p [\cos(\phi) + \cos(2\pi \times 2f_p \times t + \phi)]\]

De eerste term tussen haakjes is DC, maar de tweede term heeft twee keer de excitatiefrequentie. Daarom kan een smal laagdoorlaatfilter de tweede term verwijderen en hebben we:

\[V_{filtered} =\frac{1}{2} \times A_s \times x \times A_p\cos(\phi)\]

Vergelijking 3.

Dit geeft ons een gelijkspanning die evenredig is met de kernverplaatsing x.

Synchrone demodulatie door vermenigvuldiging met een blokgolf

We kunnen een analoge vermenigvuldiger gebruiken om de LVDT-output te vermenigvuldigen met de excitatiesinusgolf (vergelijking 2); analoge vermenigvuldigers zijn echter duur en hebben lineariteitsbeperkingen. In plaats van te vermenigvuldigen met een sinusgolf, kunnen we het signaal vermenigvuldigen met een blokgolf synchroon met de excitatie-ingang.

Je vraagt ​​je misschien af ​​hoe een blokgolf kan worden gebruikt in plaats van een sinusoïdale golf? Een blokgolf die tussen ±1 wisselt, kan worden uitgedrukt als een oneindige som van sinusoïden bij de oneven harmonischen van de blokgolffrequentie. Daarom kan een blokgolf van frequentie \[f_p\] worden uitgedrukt als:

\[v_{squarewave}(t) =\sum_{n=1, 3, 5}^{\infty}\frac{4}{n\pi}\sin (2\pi \times nf_p \times t)\]

Wanneer de LVDT-uitgang (een sinusoïdaal bij \[f_p\]) wordt vermenigvuldigd met de blokgolf, wordt de fundamentele component van de blokgolf \[(\frac{4}{\pi}\sin(2\pi \times f_p \ times t))\] produceert zowel een DC-component als een hoogfrequente component op \[2f_p\]. De hoogfrequente component wordt onderdrukt door een laagdoorlaatfilter zoals uitgelegd in de vorige paragraaf en de DC-component die de gewenste is, verschijnt aan de uitgang.

Vermenigvuldiging met de hogere-orde harmonischen van de blokgolf zal hoogfrequente componenten produceren met zelfs veelvouden van \[f_p\]. Daarom is de DC-component de enige die aan de filteruitgang verschijnt, net als in het geval van vermenigvuldiging van het signaal met een sinusoïdaal. Het belangrijkste voordeel van vermenigvuldigen met een blokgolf is dat het de circuitimplementatie van de demodulator aanzienlijk kan vereenvoudigen.

Circuitimplementatie van een synchrone demodulator

De op blokgolf gebaseerde synchrone demodulator wordt getoond in figuur 4.

Figuur 4. Een op blokgolven gebaseerde synchrone demodulator

In dit geval wordt de versterkte versie van de LVDT-uitgang vermenigvuldigd met een blokgolf in plaats van de sinusvormige excitatie. De blokgolf is synchroon met de excitatie-ingang en wordt verkregen via een "Zero-Crossing Detector" zoals weergegeven in het bovenstaande blokdiagram.

Om vermenigvuldiging met een blokgolf uit te voeren, wordt de versterking van de signaalketen periodiek gewijzigd tussen \[±A_{amp}\] (\[A_{amp}\] is de versterking van de versterker). Merk op dat het onderste pad een versterking van -1 bevat. Dit wordt bereikt door de blokgolf te gebruiken om de schakelaar SW aan te drijven die het signaalpad tussen het bovenste en het onderste pad verandert. Dit komt in feite overeen met het vermenigvuldigen van het uitgangsvermogen van de versterker met de blokgolf.

Ten slotte wordt een laagdoorlaatfilter gebruikt om de DC-term van de uitgang te behouden en de hoogfrequente componenten te onderdrukken.

De voordelen van de LVDT synchrone demodulatoren

Het belangrijkste voordeel van synchrone demodulatie is de ruisprestaties. Zoals hierboven besproken, verschuift de synchrone demodulatiefrequentie de LVDT-uitgang naar DC en gebruikt een laagdoorlaatfilter om deze DC-component te behouden. Het laagdoorlaatfilter onderdrukt alle ruiscomponenten buiten zijn doorlaatband.

Omdat ons gewenste signaal zich op DC bevindt, kunnen we een smal laagdoorlaatfilter gebruiken. Dit beperkt de systeembandbreedte en stelt de demodulator in staat om een ​​groot deel van de ruis die wordt gekoppeld aan de LVDT-uitgang aanzienlijk te onderdrukken. Bovendien kunnen we met synchrone demodulatie een 4-draads LVDT gebruiken.

De nadelen van de LVDT synchrone demodulatoren

Hoewel synchrone demodulatie een hogere ruisimmuniteit kan bieden in vergelijking met demodulatoren van het gelijkrichtertype, hangt de output ervan af van de amplitude van de excitatiespanning (\[A_p\] in vergelijking 3). Daarom is bij synchrone demodulatie de amplitudestabiliteit van de excitatie-ingang van cruciaal belang.

Een ander probleem is dat de output van de demodulator afhangt van de faseverschuiving van de LVDT-overdrachtsfunctie (\[\cos(\phi)\] in vergelijking 3). Deze faseverschuiving zou idealiter zeer klein moeten zijn; het is echter niet constant en kan veranderen met het werkpunt. Praktische demodulatorschakelingen gebruiken gewoonlijk een fasecompensatienetwerk om de fase van de geproduceerde blokgolf aan te passen. Het compensatienetwerk kan de complexiteit van de demodulator vergroten.

Deze toegenomen complexiteit maakt de schakeling echter geschikt voor relatief langere kabels in vergelijking met de demodulatoren van het gelijkrichtertype. Dit komt doordat de faseverschuivingsterm \[\phi\] kan worden gebruikt om rekening te houden met de vertraging veroorzaakt door de bedrading. Daarom kan het fasecompensatiecircuit ook worden gebruikt om de kabelvertraging te compenseren en het circuit geschikt te maken voor langere draden.

Andere demodulatietechnieken

Synchrone demodulatie biedt een hogere ruisimmuniteit en vereist slechts vier elektrische verbindingen; het heeft echter zijn eigen beperkingen, zoals afhankelijkheid van de amplitude van de excitatie-ingang en het probleem met faseverschuiving. Om deze problemen aan te pakken, zijn er verschillende andere demodulatietechnieken. Deze technieken maken gewoonlijk gebruik van ratiometrische meetconcepten en op DSP gebaseerde methoden om de beperking van synchrone demodulatoren te omzeilen.

Raadpleeg de volgende artikelen voor een meer gedetailleerde bespreking van synchrone demodulatie bij toepassing op andere sensortypen:

• Inleiding tot de synchrone demodulatie
• Synchrone demodulatie met behulp van analoge vermenigvuldigers versus op schakelaars gebaseerde vermenigvuldigers
• Analoge en digitale implementatie van een synchrone demodulator

Ga naar deze pagina om een ​​volledige lijst van mijn artikelen te zien.