在本文中，我們將了解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。

對解調器的需求

當LVDT的核心完全居中時，兩個次級繞組上出現極性相反的相等電壓Vs1 = -Vs2和Vout = 0。

圖1

當鐵芯沿給定方向偏離中心時，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鐵芯位移線性下降，因此，Vout 的幅度增加。如果我們將 Vout 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 Vout 相對于激勵電壓 (VEXC) 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。

圖2

二極管半波整流器（如圖 2 所示）可用作 LVDT 解調器。

來自第一個次級 (Vs1) 的電壓通過 D1 和上部 R 和 C 產生的半波整流器進行整流。同樣，Vs2 的整流版本出現在節點 B。輸出是這兩個 DC 之間的差值 電壓，即 Vout = V1 - V2。

檢驗二極管解調器的波形

為了獲得更深入的了解，讓我們做一些模擬并檢查二極管解調器的操作。設Vexc = 4sin(2π x 2500 x t)，并設在零位置，Vs1和Vs2的振幅都等于4v;然而，由于給定的鐵芯位移，兩個二次電壓變化為：

在這里，我們假設第一副振幅比零位置振幅增加了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 Vs1 和 Vs2 是 LTspice“任意行為電壓源”，用于創建等式 1 和 2 給出的電壓。例如，Vs1 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 Vs1 = v(EXC) x (1+0.3) = (1+0.3) x 4 x sin(2π x 2500 x t)，與等式 1 相同。

二極管D1和D2是由LTspice：簡單的理想二極管。當R=1 kΩ， C=1.5 μF時，得到上半波整流器的波形如下：

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，我們得到如下波形。

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。考慮到輸出的極性，我們知道|Vs1| > |Vs2|。這揭示了磁芯位移的方向。

模擬機械帶寬為250Hz的系統

現在，讓我們在假設附著在磁芯上的物體的運動具有250hz的正弦波形的前提下，來檢查上述系統：

由于LVDT輸出的幅值隨磁芯位置線性變化，我們得出Vs1和Vs2可以用以下公式表示：

其中x是250Hz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

我們可以使用下面的LTspice原理圖來模擬這個示例：

圖6

除了Vs1和Vs2的振幅變化遵循正弦波形(v(x)=0.3×sin(2π×250×t))外，這與前面的例子相同。輸出節點1和節點A的電壓如下圖所示。

圖7

正如你所看到的，次級電壓是一個正弦波形，其振幅由磁芯位置調制(在我們的模擬中，振幅實際上是由x調制的，它被假定為核心位置的函數)。這就解釋了為什么用來提取磁芯位置信息的電路被稱為解調器。

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的輸出(Vout = V(a)-V(b))。

圖9

雖然輸出信號有一些突變，但它看起來像x的放大版本，它是磁芯位移的函數。

因此，調制器輸出給了我們預期的磁芯位置。為了驗證這一點，我們可以使用LTspice的FFT特性來找到輸出電壓的頻率含量。如圖10所示。

圖10

輸出的FFT顯示，主頻率分量在250Hz，這是物體運動的頻率。在信號調理電路的后續階段，也有一些高頻元件可以通過低通濾波器進行濾波。

二極管半波整流器的局限性

上述模擬采用了一個理想的二極管模型。真實的二極管表現出非零正向電壓降。在LVDT輸出幅度相對較小的情況下，這可能會導致非線性誤差。為了避免二極管I-V特性的非線性區域，即使當核心距離零位的最大距離時，LVDT二次電壓的幅值也應該大于二極管的正向壓降。

記住，當磁芯處于其全尺寸位移時，通過一個二次電源的電壓是最小的。使用一些小型和專業的lvdt，輸出幅度可能相對較小，二極管正向電壓可能會造成問題。

此外，二極管的正向電壓降是溫度的函數(硅的溫度系數約為-2.2 mV/℃)。正向電壓降甚至可以改變由焊接過程引起的機械應力。另一個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的差異。因此，為兩個LVDT輸出提供足夠匹配的整流器是一項挑戰。

除了二極管的正向壓降，兩條路徑的阻抗也應該匹配，以避免兩個副電路響應之間不必要的不匹配。

精密整流器

為了規避二極管整流器的限制，我們可以使用一個精密整流器，如圖11所示，以獲得每個LVDT二次的直流值。

圖11

雖然精密整流器可以彌補簡單的二極管整流器的挑戰，但它有自己的局限性，如噪聲抑制小。