差動變壓器信號調理電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種差動變壓器信號調理電路，包括依次相連的電源電路、振動激勵源、整流電路、差動放大電路、差動減法電路、電壓變換電路及電流變換電路，所述振動激勵源包括通過三極管Q5相互連接的非門集成電路與初級線圈、次級線圈SC1、次級線圈SC2；所述整流電路包括與次級線圈SC1相連的第一電橋、與次級線圈SC2相連的第二電橋、濾波電路，第一電橋與第二電橋均由兩個開關二極管及兩個MOS管組成；所述差動放大電路與差動減法電路相互串聯(lián)，并通過J1與電壓變換電路相連，通過J2與電流變換電路相連。本實用新型可同時或選擇其一輸出電壓變送信號和電流變送信號，并有效保證電壓變送信號與電流變送信號的穩(wěn)定性與線性。
【專利說明】差動變壓器信號調理電路

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及差動變壓器領域，特別是涉及一種差動變壓器的信號調理電路。

【背景技術】
[0002]差動變壓器是一種將機械位移變換成電信號的電磁感應式位移傳感器，差動變壓器又稱為 LVDT (Linear Variable Differential Transformer),由于其測量分辨率高(最高可達0.0lum)，非線性誤差小、線性范圍大穩(wěn)定性好及簡單易用等特點，目前廣泛應用于直線位移及相關非電物理量的測量。
[0003]差動變壓器信號調理電路性能的好壞直接影響差動變壓器傳感器的質量，差動變壓器的信號調理過程實際上是信號的調制解調過程。LVDT的初級線圈由較高頻的交流或脈動直流信號驅動，當LVDT的移動銜鐵移動時，在LVDT的兩個次級產生調幅波，為獲取移動銜鐵的位移大小和方向，需要對LVDT次級的調幅波進行解調。目前針對LVDT的解調主要方法有:一是由分立器件搭建相敏檢波電路或差動整流電路；二是采用專用的集成電路如ADI的AD698等為LVDT提供交流激勵信號和檢波、放大等功能。對于采用專用的集成電路而言，雖然其性能較穩(wěn)定，但由于專用集成解調芯片價格昂貴，使得LVDT的生產成本很高。采用分立器件搭建檢波電路是目前較為常用的方法，其中，相敏檢波電路由于其電路較為復雜，在一定程度上制約了其實際應用價值，差動整流檢波電路由于其電路結構簡單，且不考慮LVDT零點殘余電壓的影響等特點，在實際的工業(yè)用LVDT中得到非常廣泛的應用。常規(guī)的差動整流電路實際上是分別對LVDT的兩個二次側的感應電動勢分別進行整流，然后再將兩個整流后的電流或電壓信號串接成通路合成輸出。對二次側的整流一般采用開關二極管組成全波整流橋堆實現(xiàn)，每個整流橋堆由四個開關二極管組成。由于二極管的非線性特性和各個二極管性能差異及溫度穩(wěn)定性等問題，尤其當次級調幅波信號較小時，由純粹的開關二極管或橋堆解調得到的信號穩(wěn)定性、線性不是很理想。另外，目前常規(guī)的差動變壓器經調理后的輸出信號為單一的電流或者電壓變送信號，需要將解調后的較小的電壓變送信號轉換為標準的電流變送信號輸出，但是有些工業(yè)應用場合下，有可能兩種變送信號都需要使用，這也在一定程度上影響了常規(guī)的LVDT傳感器的使用靈活性。
[0004]因此亟需提供一種新型的差動變壓器信號調理電路來解決上述問題。
實用新型內容
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種差動變壓器信號調理電路，能夠同時輸出穩(wěn)定性與線性好的電壓變送信號和電流變送信號。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型采用的一個技術方案是:提供一種差動變壓器信號調理電路，包括依次相連的電源電路、振動激勵源、整流電路、差動放大電路、差動減法電路、電壓變換電路及電流變換電路，所述振動激勵源包括非門集成電路、三極管Q5、初級線圈、次級線圈SC1、次級線圈SC2，非門集成電路的輸出信號端連接三極管Q5，三極管Q5的集電極連接初級線圈；所述整流電路包括第一電橋、第二電橋、濾波電路，第一電橋與第二電橋均由兩個開關二極管及兩個MOS管組成，第一電橋與次級線圈SCl相連，第二電橋與次級線圈SC2相連；所述差動放大電路包括運算放大器U4A、U4D，所述差動減法電路包括運算放大器U4B，U4A及U4D的輸出端分別與U4B的同相輸入端、反相輸入端相連；所述電壓變換電路包括短路塊J1、電阻Rl1、運算放大器U6B、U6A，Jl的輸入端與U6B的同相輸入端通過Rll相連，U6B的輸出端與U6A的反相輸入端相連；運算放大器U4B的輸出端與Jl的輸出端相連接；所述電流變換電路包括電路塊J2、電阻R5、R6、R21、R22、運算放大器U4C，電阻R5、R6并聯(lián)與U4C的反相輸入端相連接，電阻R21、R22與U4C的同相輸入端相連接。
[0007]在本實用新型一個較佳實施例中，所述非門集成電路的Xl端連接有電阻R13，Y1、X2端連接有電阻R14，Y2、X3連接有電容C18，所述電阻R13、電阻R14與電容C18組成多諧振蕩器。該多諧振動器作為所述差動變壓器信號調理電路的振動激勵源。
[0008]在本實用新型一個較佳實施例中，所述濾波電路包括一階低通濾波電路、電容C12、C20，所述一階低通濾波電路包括相互并聯(lián)的電阻R8、電容C13及相互并聯(lián)的電阻R18、電容C19。所述濾波電路對所述整流電路輸出的電信號進行濾波處理。
[0009]在本實用新型一個較佳實施例中，所述差動減法電路還包括電阻R3、R4、R19、R20，電阻R3、R4并聯(lián)與運算放大器U4B的同相輸入端相連接，電阻R19、R20并聯(lián)與運算放大器U4B的反相輸入端相連接。
[0010]在本實用新型一個較佳實施例中，所述電壓變換電路中運算放大器U6A的輸出端為差動變壓器的電壓變送信號輸出端，所述電流變換電路中運算放大器U4C的輸出端為差動變壓器的電流變送信號輸出端。因此，本實用新型可同時輸出電壓變送信號和電流變送信號，也可單獨輸出其中一種變送信號。
[0011]本實用新型的有益效果是:本實用新型可同時輸出電壓變送信號和電流變送信號，也可根據(jù)實際使用要求，選擇輸出其中一種變送信號，提高了差動變壓器的使用靈活性，并且，能夠有效保證電壓變送信號與電流變送信號的穩(wěn)定性與線性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型差動變壓器信號調理電路中電源電路的電路。
[0013]圖2是所述振動激勵源及整流電路的電路圖。
[0014]圖3是所述差動放大電路、差動減法電路、電壓變換電路及電流變換電路的電路圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本實用新型的較佳實施例進行詳細闡述，以使本實用新型的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0016]一種差動變壓器信號調理電路，包括依次相連的電源電路、振動激勵源、整流電路、差動放大電路、差動減法電路、電壓變換電路及電流變換電路，所述振動激勵源包括非門集成電路、三極管Q5、初級線圈、次級線圈SC1、次級線圈SC2，非門集成電路的輸出信號端連接三極管Q5，三極管Q5的集電極連接初級線圈；所述整流電路包括第一電橋、第二電橋、濾波電路，第一電橋與第二電橋均由兩個開關二極管及兩個MOS管組成，第一電橋與次級線圈SCl相連，第二電橋與次級線圈SC2相連；所述差動放大電路包括運算放大器U4A、U4D,所述差動減法電路包括運算放大器U4B，U4A及U4D的輸出端分別與U4B的同相輸入端、反相輸入端相連；所述電壓變換電路包括短路塊J1、電阻R11、運算放大器U6B、U6A，Jl的輸入端與U6B的同相輸入端通過Rl I相連,U6B的輸出端與U6A的反相輸入端相連；運算放大器U4B的輸出端與Jl的輸出端相連接；所述電流變換電路包括短路塊J2、電阻R5、R6、R21、R22、運算放大器U4C，電阻R5、R6并聯(lián)與U4C的反相輸入端相連接，電阻R21、R22與U4C的同相輸入端相連接。
[0017]下面具體介紹所述差動變壓器信號調理電路中各部分電路的電路結構:
[0018]請參閱圖1，差動變壓器的供電電源為直流24V，實際使用時可以為15V — 36V的直流電源輸入范圍。由U2 (LM317KC)產生約12V的直流電源為運算放大器提供正電源，由U3 (ICL7662)產生-12V電源為運算放大器提供負電源，Ul (LM7806)產生6V的直流電源為差動變壓器的初級線圈及非門集成電路U5供電。Dl為防反二極管，除了 E3外的有極性電容El、E2、E4用于低頻濾波，無極性的電容用于高頻濾波。電解電容E3可以保證U3正常工作。
[0019]請參閱圖2，圖中的U5為6輸入6輸出的非門集成電路，其中R13、R14及C18組成多諧振蕩器，其振蕩頻率約為3KHz，為了提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，R14采用精密低溫漂的金屬膜電阻，C18為精密低溫漂的CBB金屬膜電容。PRIl為差動變壓器的初級線圈，SCl和SC2分別為差動變壓器的兩個次級線圈。多諧振蕩器的輸出信號FPLS驅動三極管Q5，為差動變壓器初級線圈提供頻率約3KHz的振蕩激勵信號。D5為續(xù)流二極管，可防止差動變壓器的初級線圈在通斷瞬間產生較大的尖脈沖信號。差動變壓器的兩個次級線圈SCl和SC2在初級線圈PRIl的激勵下耦合出脈動的交變信號，兩者的交變信號的大小隨著差動變壓器的移動鐵芯位置的變化而變化。
[0020]由兩個開關二極管D3、D4及兩個MOS管Q1、Q2組成第一電橋對差動變壓器的次級線圈SCl進行整流，由兩個開關二極管D6、D7及兩個MOS管Q3、Q4組成第二電橋對差動變壓器的次級線圈SC2進行整流。MOS管Ql及Q2的通斷控制由多諧振蕩器的輸出信號FPLS經過U5非門集成電路驅動產生的CTRl控制信號驅動，由于U5的傳輸延遲時間極短，因此MOS管Ql及Q2的通斷與次級線圈SCl感應的高低脈沖同步，從而實現(xiàn)對次級線圈SCl的整流。對于次級線圈SC2的情況和次級線圈SCl —樣，MOS管Q3及Q4的通斷控制由多諧振蕩器的輸出信號FPLS經過U5非門集成電路驅動產生的CTR2控制信號驅動，由于U5的傳輸延遲時間極短，因此MOS管Q3及Q4的通斷與次級線圈SC2感應的高低脈沖同步，從而實現(xiàn)對次級線圈SC2的整流。MOS管Ql、Q2、Q3及Q4的最大導通電阻0.1歐姆左右，可以保證在經過差動整流后，A點和B點的電位差與差動變壓器移動鐵芯的移動距離基本成線性關系。電位器R30可以調整差動變壓器的零點電位。
[0021]所述濾波電路包括一階低通濾波電路、電容C12、C20，電容C12、C20用于對差動整流后的電信號進行電容濾波，減小電信號的紋波；R8、Cl3、R18及C19組成一階低通濾波電路，電阻R8、電容C13相互并聯(lián)、電阻R18、電容C19相互并聯(lián)，進一步對差動整流輸出的電信號進行濾波處理。VGl及VG2作為差動整流后的差動信號輸出，其值大概在幾十毫伏左右。
[0022]請參閱圖3，差動信號VG1-VG2首先由U4A、U4D及U4B組成的三運算放大器放大成單極性信號，其中U4A及U4D為差動放大電路，RGl可以調節(jié)其放大倍數(shù)，再由R3、R4、R19、R20及U4B組成差動減法電路。由短路塊J1、R11、U6B、U6A等組成電壓變換電路，當需要電壓變送信號時，短接J1，U6A的輸出端為差動變壓器的電壓變送信號輸出端，Vout作為電壓變送器的標準輸出信號。在電壓變換電路中，由U6B對三運放電路輸出進行電壓跟隨，由于運算放大器U6A、U6B的輸入阻抗極高，因此可以認為在三運放輸出電路和電壓變換電路間為開路，從而不影響后續(xù)的電流變換電路的輸出，電壓變換電路的零點調節(jié)可以由電位器R31調節(jié)。電流變換電路由短路塊J2、U4C、R5、R6、R21、R22及后續(xù)電路組成，U4C的輸出端為差動變壓器的電流變送信號輸出端，標準的電流變送信號為lout。其中R5、R6、R21、R22、R24及R17為高精密低溫漂電阻，可以保證電壓變送信號與電流變送信號轉換的精度。Q7及R16組成過電流保護電路，保護極限電流約30mA。D2為防反二極管。在實際使用過程中，可以同時輸出O— 5V等電壓變送信號及4一20mA等標準電流變送信號，此時同時將Jl及J2短接；如果只需要電壓變送信號，將Jl短接，J2斷開；如果只需要輸出標準的電流變送信號，將Jl斷開，J2短接。
[0023]本實用新型將每個電橋中的兩個頻繁通斷的開關二極管由超低導通電阻(小于I歐姆)的MOS管取代，由于采用了導通電阻非常小的MOS管，差動整流后輸出的脈動工作電流較小，因此，MOS管導通時管內消耗的電壓信號可以忽略，同時由于MOS管只工作在飽和或截止兩種狀態(tài)，從而可以有效地保證該檢波電路的穩(wěn)定性和線性。另外，本實用新型中的電壓變換電路與電流變換電路可以同時輸出電流變送信號和電壓變送信號，也可以根據(jù)實際使用要求，選擇其中的某一種變送信號輸出，從而提高了其使用靈活性。
[0024]以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。
【權利要求】
1.一種差動變壓器信號調理電路，其特征在于，包括依次相連的電源電路、振動激勵源、整流電路、差動放大電路、差動減法電路、電壓變換電路及電流變換電路，所述振動激勵源包括非門集成電路、三極管Q5、初級線圈、次級線圈SC1、次級線圈SC2，非門集成電路的輸出信號端連接三極管Q5，三極管Q5的集電極連接初級線圈；所述整流電路包括第一電橋、第二電橋、濾波電路，第一電橋與第二電橋均由兩個開關二極管及兩個MOS管組成，第一電橋與次級線圈SCl相連，第二電橋與次級線圈SC2相連；所述差動放大電路包括運算放大器U4A、U4D，所述差動減法電路包括運算放大器U4B，U4A及U4D的輸出端分別與U4B的同相輸入端、反相輸入端相連；所述電壓變換電路包括短路塊J1、電阻R11、運算放大器U6B、U6A, Jl的輸入端與U6B的同相輸入端通過Rll相連，U6B的輸出端與U6A的反相輸入端相連；運算放大器U4B的輸出端與Jl的輸出端相連接；所述電流變換電路包括短路塊J2、電阻尺5、1?6、1?21、1?22、運算放大器況(:，電阻R5、R6并聯(lián)與U4C的反相輸入端相連接，電阻R21、R22與U4C的同相輸入端相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的差動變壓器信號調理電路，其特征在于，所述非門集成電路的Xl端連接有電阻R13，Y1、X2端連接有電阻R14，Υ2、Χ3連接有電容C18，所述電阻R13、電阻RH與電容C18組成多諧振蕩器。
3.根據(jù)權利要求1所述的差動變壓器信號調理電路，其特征在于，所述濾波電路包括一階低通濾波電路、電容C12、C20，所述一階低通濾波電路包括相互并聯(lián)的電阻R8、電容C13及相互并聯(lián)的電阻R18、電容C19。
4.根據(jù)權利要求1所述的差動變壓器信號調理電路，其特征在于，所述差動減法電路還包括電阻R3、R4、R19、R20，電阻R3、R4并聯(lián)與運算放大器U4B的同相輸入端相連接，電阻R19、R20并聯(lián)與運算放大器U4B的反相輸入端相連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的差動變壓器信號調理電路，其特征在于，所述電壓變換電路中運算放大器U6A的輸出端為差動變壓器的電壓變送信號輸出端，所述電流變換電路中運算放大器U4C的輸出端為差動變壓器的電流變送信號輸出端。
【文檔編號】G01B7/02GK204154266SQ201420579105
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權日:2014年9月30日
【發(fā)明者】喬愛民, 羅少軒, 黃迎輝, 張新庭 申請人:蚌埠學院