差动变压器信号调理电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种差动变压器信号调理电路，包括依次相连的电源电路、振动激励源、整流电路、差动放大电路、差动减法电路、电压变换电路及电流变换电路，所述振动激励源包括通过三极管Q5相互连接的非门集成电路与初级线圈、次级线圈SC1、次级线圈SC2；所述整流电路包括与次级线圈SC1相连的第一电桥、与次级线圈SC2相连的第二电桥、滤波电路，第一电桥与第二电桥均由两个开关二极管及两个MOS管组成；所述差动放大电路与差动减法电路相互串联，并通过J1与电压变换电路相连，通过J2与电流变换电路相连。本实用新型可同时或选择其一输出电压变送信号和电流变送信号，并有效保证电压变送信号与电流变送信号的稳定性与线性。
【专利说明】差动变压器信号调理电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及差动变压器领域，特别是涉及一种差动变压器的信号调理电路。
【背景技术】
[0002]差动变压器是一种将机械位移变换成电信号的电磁感应式位移传感器，差动变压器又称为 LVDT (Linear Variable Differential Transformer),由于其测量分辨率高(最高可达0.0lum)，非线性误差小、线性范围大稳定性好及简单易用等特点，目前广泛应用于直线位移及相关非电物理量的测量。
[0003]差动变压器信号调理电路性能的好坏直接影响差动变压器传感器的质量，差动变压器的信号调理过程实际上是信号的调制解调过程。LVDT的初级线圈由较高频的交流或脉动直流信号驱动，当LVDT的移动衔铁移动时，在LVDT的两个次级产生调幅波，为获取移动衔铁的位移大小和方向，需要对LVDT次级的调幅波进行解调。目前针对LVDT的解调主要方法有:一是由分立器件搭建相敏检波电路或差动整流电路；二是采用专用的集成电路如ADI的AD698等为LVDT提供交流激励信号和检波、放大等功能。对于采用专用的集成电路而言，虽然其性能较稳定，但由于专用集成解调芯片价格昂贵，使得LVDT的生产成本很高。采用分立器件搭建检波电路是目前较为常用的方法，其中，相敏检波电路由于其电路较为复杂，在一定程度上制约了其实际应用价值，差动整流检波电路由于其电路结构简单，且不考虑LVDT零点残余电压的影响等特点，在实际的工业用LVDT中得到非常广泛的应用。常规的差动整流电路实际上是分别对LVDT的两个二次侧的感应电动势分别进行整流，然后再将两个整流后的电流或电压信号串接成通路合成输出。对二次侧的整流一般采用开关二极管组成全波整流桥堆实现，每个整流桥堆由四个开关二极管组成。由于二极管的非线性特性和各个二极管性能差异及温度稳定性等问题，尤其当次级调幅波信号较小时，由纯粹的开关二极管或桥堆解调得到的信号稳定性、线性不是很理想。另外，目前常规的差动变压器经调理后的输出信号为单一的电流或者电压变送信号，需要将解调后的较小的电压变送信号转换为标准的电流变送信号输出，但是有些工业应用场合下，有可能两种变送信号都需要使用，这也在一定程度上影响了常规的LVDT传感器的使用灵活性。
[0004]因此亟需提供一种新型的差动变压器信号调理电路来解决上述问题。
实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种差动变压器信号调理电路，能够同时输出稳定性与线性好的电压变送信号和电流变送信号。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是:提供一种差动变压器信号调理电路，包括依次相连的电源电路、振动激励源、整流电路、差动放大电路、差动减法电路、电压变换电路及电流变换电路，所述振动激励源包括非门集成电路、三极管Q5、初级线圈、次级线圈SC1、次级线圈SC2，非门集成电路的输出信号端连接三极管Q5，三极管Q5的集电极连接初级线圈；所述整流电路包括第一电桥、第二电桥、滤波电路，第一电桥与第二电桥均由两个开关二极管及两个MOS管组成，第一电桥与次级线圈SCl相连，第二电桥与次级线圈SC2相连；所述差动放大电路包括运算放大器U4A、U4D，所述差动减法电路包括运算放大器U4B，U4A及U4D的输出端分别与U4B的同相输入端、反相输入端相连；所述电压变换电路包括短路块J1、电阻Rl1、运算放大器U6B、U6A，Jl的输入端与U6B的同相输入端通过Rll相连，U6B的输出端与U6A的反相输入端相连；运算放大器U4B的输出端与Jl的输出端相连接；所述电流变换电路包括电路块J2、电阻R5、R6、R21、R22、运算放大器U4C，电阻R5、R6并联与U4C的反相输入端相连接，电阻R21、R22与U4C的同相输入端相连接。
[0007]在本实用新型一个较佳实施例中，所述非门集成电路的Xl端连接有电阻R13，Y1、X2端连接有电阻R14，Y2、X3连接有电容C18，所述电阻R13、电阻R14与电容C18组成多谐振荡器。该多谐振动器作为所述差动变压器信号调理电路的振动激励源。
[0008]在本实用新型一个较佳实施例中，所述滤波电路包括一阶低通滤波电路、电容C12、C20，所述一阶低通滤波电路包括相互并联的电阻R8、电容C13及相互并联的电阻R18、电容C19。所述滤波电路对所述整流电路输出的电信号进行滤波处理。
[0009]在本实用新型一个较佳实施例中，所述差动减法电路还包括电阻R3、R4、R19、R20，电阻R3、R4并联与运算放大器U4B的同相输入端相连接，电阻R19、R20并联与运算放大器U4B的反相输入端相连接。
[0010]在本实用新型一个较佳实施例中，所述电压变换电路中运算放大器U6A的输出端为差动变压器的电压变送信号输出端，所述电流变换电路中运算放大器U4C的输出端为差动变压器的电流变送信号输出端。因此，本实用新型可同时输出电压变送信号和电流变送信号，也可单独输出其中一种变送信号。
[0011]本实用新型的有益效果是:本实用新型可同时输出电压变送信号和电流变送信号，也可根据实际使用要求，选择输出其中一种变送信号，提高了差动变压器的使用灵活性，并且，能够有效保证电压变送信号与电流变送信号的稳定性与线性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型差动变压器信号调理电路中电源电路的电路。
[0013]图2是所述振动激励源及整流电路的电路图。
[0014]图3是所述差动放大电路、差动减法电路、电压变换电路及电流变换电路的电路图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0016]一种差动变压器信号调理电路，包括依次相连的电源电路、振动激励源、整流电路、差动放大电路、差动减法电路、电压变换电路及电流变换电路，所述振动激励源包括非门集成电路、三极管Q5、初级线圈、次级线圈SC1、次级线圈SC2，非门集成电路的输出信号端连接三极管Q5，三极管Q5的集电极连接初级线圈；所述整流电路包括第一电桥、第二电桥、滤波电路，第一电桥与第二电桥均由两个开关二极管及两个MOS管组成，第一电桥与次级线圈SCl相连，第二电桥与次级线圈SC2相连；所述差动放大电路包括运算放大器U4A、U4D,所述差动减法电路包括运算放大器U4B，U4A及U4D的输出端分别与U4B的同相输入端、反相输入端相连；所述电压变换电路包括短路块J1、电阻R11、运算放大器U6B、U6A，Jl的输入端与U6B的同相输入端通过Rl I相连,U6B的输出端与U6A的反相输入端相连；运算放大器U4B的输出端与Jl的输出端相连接；所述电流变换电路包括短路块J2、电阻R5、R6、R21、R22、运算放大器U4C，电阻R5、R6并联与U4C的反相输入端相连接，电阻R21、R22与U4C的同相输入端相连接。
[0017]下面具体介绍所述差动变压器信号调理电路中各部分电路的电路结构:
[0018]请参阅图1，差动变压器的供电电源为直流24V，实际使用时可以为15V — 36V的直流电源输入范围。由U2 (LM317KC)产生约12V的直流电源为运算放大器提供正电源，由U3 (ICL7662)产生-12V电源为运算放大器提供负电源，Ul (LM7806)产生6V的直流电源为差动变压器的初级线圈及非门集成电路U5供电。Dl为防反二极管，除了 E3外的有极性电容El、E2、E4用于低频滤波，无极性的电容用于高频滤波。电解电容E3可以保证U3正常工作。
[0019]请参阅图2，图中的U5为6输入6输出的非门集成电路，其中R13、R14及C18组成多谐振荡器，其振荡频率约为3KHz，为了提高振荡频率的稳定性，R14采用精密低温漂的金属膜电阻，C18为精密低温漂的CBB金属膜电容。PRIl为差动变压器的初级线圈，SCl和SC2分别为差动变压器的两个次级线圈。多谐振荡器的输出信号FPLS驱动三极管Q5，为差动变压器初级线圈提供频率约3KHz的振荡激励信号。D5为续流二极管，可防止差动变压器的初级线圈在通断瞬间产生较大的尖脉冲信号。差动变压器的两个次级线圈SCl和SC2在初级线圈PRIl的激励下耦合出脉动的交变信号，两者的交变信号的大小随着差动变压器的移动铁芯位置的变化而变化。
[0020]由两个开关二极管D3、D4及两个MOS管Q1、Q2组成第一电桥对差动变压器的次级线圈SCl进行整流，由两个开关二极管D6、D7及两个MOS管Q3、Q4组成第二电桥对差动变压器的次级线圈SC2进行整流。MOS管Ql及Q2的通断控制由多谐振荡器的输出信号FPLS经过U5非门集成电路驱动产生的CTRl控制信号驱动，由于U5的传输延迟时间极短，因此MOS管Ql及Q2的通断与次级线圈SCl感应的高低脉冲同步，从而实现对次级线圈SCl的整流。对于次级线圈SC2的情况和次级线圈SCl —样，MOS管Q3及Q4的通断控制由多谐振荡器的输出信号FPLS经过U5非门集成电路驱动产生的CTR2控制信号驱动，由于U5的传输延迟时间极短，因此MOS管Q3及Q4的通断与次级线圈SC2感应的高低脉冲同步，从而实现对次级线圈SC2的整流。MOS管Ql、Q2、Q3及Q4的最大导通电阻0.1欧姆左右，可以保证在经过差动整流后，A点和B点的电位差与差动变压器移动铁芯的移动距离基本成线性关系。电位器R30可以调整差动变压器的零点电位。
[0021]所述滤波电路包括一阶低通滤波电路、电容C12、C20，电容C12、C20用于对差动整流后的电信号进行电容滤波，减小电信号的纹波；R8、Cl3、R18及C19组成一阶低通滤波电路，电阻R8、电容C13相互并联、电阻R18、电容C19相互并联，进一步对差动整流输出的电信号进行滤波处理。VGl及VG2作为差动整流后的差动信号输出，其值大概在几十毫伏左右。
[0022]请参阅图3，差动信号VG1-VG2首先由U4A、U4D及U4B组成的三运算放大器放大成单极性信号，其中U4A及U4D为差动放大电路，RGl可以调节其放大倍数，再由R3、R4、R19、R20及U4B组成差动减法电路。由短路块J1、R11、U6B、U6A等组成电压变换电路，当需要电压变送信号时，短接J1，U6A的输出端为差动变压器的电压变送信号输出端，Vout作为电压变送器的标准输出信号。在电压变换电路中，由U6B对三运放电路输出进行电压跟随，由于运算放大器U6A、U6B的输入阻抗极高，因此可以认为在三运放输出电路和电压变换电路间为开路，从而不影响后续的电流变换电路的输出，电压变换电路的零点调节可以由电位器R31调节。电流变换电路由短路块J2、U4C、R5、R6、R21、R22及后续电路组成，U4C的输出端为差动变压器的电流变送信号输出端，标准的电流变送信号为lout。其中R5、R6、R21、R22、R24及R17为高精密低温漂电阻，可以保证电压变送信号与电流变送信号转换的精度。Q7及R16组成过电流保护电路，保护极限电流约30mA。D2为防反二极管。在实际使用过程中，可以同时输出O— 5V等电压变送信号及4一20mA等标准电流变送信号，此时同时将Jl及J2短接；如果只需要电压变送信号，将Jl短接，J2断开；如果只需要输出标准的电流变送信号，将Jl断开，J2短接。
[0023]本实用新型将每个电桥中的两个频繁通断的开关二极管由超低导通电阻(小于I欧姆)的MOS管取代，由于采用了导通电阻非常小的MOS管，差动整流后输出的脉动工作电流较小，因此，MOS管导通时管内消耗的电压信号可以忽略，同时由于MOS管只工作在饱和或截止两种状态，从而可以有效地保证该检波电路的稳定性和线性。另外，本实用新型中的电压变换电路与电流变换电路可以同时输出电流变送信号和电压变送信号，也可以根据实际使用要求，选择其中的某一种变送信号输出，从而提高了其使用灵活性。
[0024]以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种差动变压器信号调理电路，其特征在于，包括依次相连的电源电路、振动激励源、整流电路、差动放大电路、差动减法电路、电压变换电路及电流变换电路，所述振动激励源包括非门集成电路、三极管Q5、初级线圈、次级线圈SC1、次级线圈SC2，非门集成电路的输出信号端连接三极管Q5，三极管Q5的集电极连接初级线圈；所述整流电路包括第一电桥、第二电桥、滤波电路，第一电桥与第二电桥均由两个开关二极管及两个MOS管组成，第一电桥与次级线圈SCl相连，第二电桥与次级线圈SC2相连；所述差动放大电路包括运算放大器U4A、U4D，所述差动减法电路包括运算放大器U4B，U4A及U4D的输出端分别与U4B的同相输入端、反相输入端相连；所述电压变换电路包括短路块J1、电阻R11、运算放大器U6B、U6A, Jl的输入端与U6B的同相输入端通过Rll相连，U6B的输出端与U6A的反相输入端相连；运算放大器U4B的输出端与Jl的输出端相连接；所述电流变换电路包括短路块J2、电阻尺5、1?6、1?21、1?22、运算放大器况(:，电阻R5、R6并联与U4C的反相输入端相连接，电阻R21、R22与U4C的同相输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的差动变压器信号调理电路，其特征在于，所述非门集成电路的Xl端连接有电阻R13，Y1、X2端连接有电阻R14，Υ2、Χ3连接有电容C18，所述电阻R13、电阻RH与电容C18组成多谐振荡器。
3.根据权利要求1所述的差动变压器信号调理电路，其特征在于，所述滤波电路包括一阶低通滤波电路、电容C12、C20，所述一阶低通滤波电路包括相互并联的电阻R8、电容C13及相互并联的电阻R18、电容C19。
4.根据权利要求1所述的差动变压器信号调理电路，其特征在于，所述差动减法电路还包括电阻R3、R4、R19、R20，电阻R3、R4并联与运算放大器U4B的同相输入端相连接，电阻R19、R20并联与运算放大器U4B的反相输入端相连接。
5.根据权利要求1所述的差动变压器信号调理电路，其特征在于，所述电压变换电路中运算放大器U6A的输出端为差动变压器的电压变送信号输出端，所述电流变换电路中运算放大器U4C的输出端为差动变压器的电流变送信号输出端。
【文档编号】G01B7/02GK204154266SQ201420579105
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】乔爱民, 罗少轩, 黄迎辉, 张新庭 申请人:蚌埠学院