一种基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路及其方法与流程

本发明涉及一种基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路及其方法，属于传感器信号处理技术领域。

背景技术：

相比于市场上主流的非接触式位移传感器LVDT传感器和磁致伸缩位移传感器，PLCD传感器拥有更优良的可靠性和适应性，更紧凑的结构，更低廉的制作成本，特别是安装使用方便。

目前国外在PLCD传感器技术上大力发展并始终走在世界前列，国内对永磁线性非接触式位移传感器的研发还处于空白阶段，而PLCD传感器制作的主要难点在于其输出信号的调理电路，因此，迫切需要设计出高性能可靠的PLCD传感器信号调理电路。

PLCD传感器信号调理电路设计的关键是快速准确地获得感应信号的幅值，并能判断信号的相位。对于电磁感应信号幅值的检测，一般采取精密整流的方法，但是存在响应慢、实时性差的问题。本发明提出基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理方法，可快速获得表示位移大小和方向的电压信号。

公开号为CN 103297005A的中国专利公开了一种峰值检波电路，该专利自述能够线性快速、宽工作频带以及低功耗地检测波峰，但其仅适用于高频线性系统中，无法应用于PLCD传感器的低频信号波峰检测。

公开号为CN 201748940U的中国专利公开了一种单片机控制的峰值检波电路，该专利单纯利用电容保持电压不能保持高精度，而且利用单片机实现电容的放电虽然可以达到实时性，但是过与繁琐，而且由于二极管的正向导通压降限制了该专利不能检测低幅值信号。

公开号为CN 202133712U的中国专利公开了一种集成封装的峰值检波电路，该专利利用逻辑电路可以达到良好的实时性，但是电路仍较为繁琐，而且当输入信号带有噪音时容易引起内部触发器的误触发，也无法检测出低幅值信号。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路及其方法，通过峰值跟随快速获得位移大小，动态特性好，此外解决了PLCD传感器在零位附近小信号难以捕捉、正负值难以判断的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路，包括正弦波发生器电路、PLCD传感器、前置处理电路、鉴相电路、峰值跟随电路、输出处理电路；其中，

所述正弦波发生器的信号输出端分别与所述PLCD传感器的信号输入端、所述鉴相电路的第一输入端相连；

所述PLCD传感器的信号输出端与前置处理电路的信号输入端相连；

所述前置处理电路的两个信号输出端分别与所述鉴相电路的第二信号输入端、所述峰值跟随电路的第一信号输入端相连；

所述鉴相电路的第一信号输出端与所述峰值跟随电路的第二信号输入端相连；所述鉴相电路的第二信号输出端和所述峰值跟随电路的信号输出端均分别与所述输出处理电路的两个信号输入端相连。

进一步的，所述PLCD传感器由磁芯、对称绕制在所述磁芯两端的激励线圈和均匀绕制在所述磁芯中间的感应线圈组成；所述正弦波的发生器电路的输出信号输入到所述激励线圈中，产生交变磁场对所述感应线圈产生激励，所述感应线圈的输出信号连接到所述前置处理电路中进行调理。

进一步的，所述前置处理电路由低通滤波电路、电压放大电路、电压偏置电路构成，所述低通滤波电路的信号输出端分别与所述电压放大电路、电压偏置电路的信号输入端连接；

所述电压放大电路的信号输出端连接所述鉴相电路中的滞回比较器；所述电压偏置电路的信号输出端连接所述峰值跟随电路中的双通道检波电路的输入端。

进一步的，所述的鉴相电路由两个滞回比较器和一个D触发器构成，其中，所述两个滞回比较器分别为一号滞回比较器、二号滞回比较器；所述D触发器包括两个输入端，分别为D输入端和时钟输入端，还包括一个Q输出端，所述Q输出端即为所述鉴相电路的第二信号输出端，与所述输出处理电路的信号输入端连接；

所述正弦波发生器电路的输出信号输入到所述一号滞回比较器中，转换为激励线圈方波信号，再输入到所述D触发器的D输入端；

所述前置处理电路中的输出端之一的电压放大电路的输出信号输入所述二号滞回比较器，转换为感应线圈方波信号，一方面输入到所述D触发器的时钟输入端，另一方面输入到所述峰值跟随电路中的逻辑选通电路中。

进一步的，所述峰值跟随电路由双通道检波电路、逻辑选通电路、电磁开关和二极管构成；

其中，所述双通道检波电路、逻辑选通电路的信号输出端均与所述电磁开关的信号输入端相连，所述电磁开关的信号输出端与所述输出处理电路的其中一个信号输入端相连；所述双通道检波电路各自通过所述二极管连接所述逻辑选通电路；

所述前置处理电路中的输出端之一的电压偏置电路的输出信号输入到所述双通道检波电路的信号输入端，即为所述峰值跟随电路的第一信号输入端；所述双通道检波电路的第一信号输出端为峰值电压输出端，连接所述的电磁开关，第二信号输出端为保持电容充放电端，连接所述的逻辑选通电路；

所述逻辑选通电路由单稳态触发器，双稳态触发器和两个与门电路构成；所述鉴相电路中的输入端之一的二号滞回比较器的输出信号输入到所述逻辑选通电路的信号输入端，即为单稳态触发器和双稳态触发器的信号输入端，即为所述峰值跟随电路的第二信号输入端，单稳态触发器的Q输出端与双稳态触发器的Q输出端连接与门电路的信号输入端，单稳态触发器的Q输出端与双稳态触发器的输出端连接与门电路的信号输入端，与门电路的输出端即为逻辑选通电路的A、B输出端。

进一步的，所述的输出处理电路由二号电压偏置电路、反相比例运算电路和电磁开关依次连接构成，所述二号电压偏置电路的输出信号分别输入到所述反相比例运算电路和电磁开关；

所述峰值跟随电路的输出信号端与所述二号电压偏置电路连接，所述鉴相电路的第二信号输出端输入到所述二号电磁开关。

一种基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路的方法，包括以下步骤：

1)正弦波发生器输出信号分别至鉴相电路和PLCD传感器；

2)PLCD传感器的感应线圈输出信号经过前置处理电路调理，具体为两种，一种为经前置处理电路进行低通滤波和信号放大调理后的输出信号输入到鉴相电路中的滞回比较器，另一种为经前置处理电路进行低通滤波和加上正的偏置电压，输入到峰值跟随电路中得到加了偏置值的峰值电压；

3)鉴相电路根据接收到的正弦波发生器和前置处理电路的输出信号，判断PLCD传感器位移的正负；输出感应线圈方波信号到峰值跟随电路，输出正负电压逻辑选通信号到输出处理电路中；

4)峰值跟随电路检测所接受信号的峰值电压，输出结果给输出处理电路；

5)通过输出处理电路得到表示位移大小和方向的电压信号。

进一步的，所述步骤3)中鉴相电路判断PLCD传感器位移的正负的具体方法为：当所述PLCD传感器的激励线圈方波信号相位超前所述PLCD传感器的感应线圈方波信号时，所述PLCD传感器的D触发器的Q输出端输出高电平，控制输出处理电路选通正电压；当所述激励线圈方波信号相位滞后所述感应线圈方波信号时，所述D触发器的Q输出端输出低电平，控制输出处理电路选通负电压。

进一步的，所述步骤4)中，所述峰值跟随电路检测所接受信号的峰值电压的具体方法为：

4-1)所述峰值跟随电路的两个输入信号在第一个周期内，双通道检波电路跟随峰值电压，其中，

逻辑选通电路的A输出端输出高电平，一号二极管不导通，阻隔相应的二号检波电路的电容放电；

逻辑选通电路的B输出端输出低电平，二号二极管导通，使相应的一号检波电路的电容快速放电复位，重新检测新的峰值电压；

逻辑选通电路的C输出端输出高电平，控制电磁开关选通二号检波电路输出电压；

4-2)在两个输入信号的下一个周期内，双通道检波电路跟随峰值电压，其中，

逻辑选通电路的A输出端输出高电平，一号二极管导通，使相应的二号检波电路的电容快速放电复位，重新检测新的峰值电压；

逻辑选通电路的B输出端输出低电平，二号二极管不导通，阻隔相应的一号检波电路的电容放电；

逻辑选通电路的C输出端输出高电平，控制电磁开关选通二号检波电路输出电压；

以此方式重复检测波峰电压，实现快速跟随。

进一步的，所述步骤5)中输出处理电路得到表示位移大小和方向的电压信号的具体方法为：

所述输出处理电路的信号输入端设置二号电压偏置电路，所述二号电压偏置电路将正向偏置过的峰值电压加上大小相同的负偏置电压，还原真实峰值电压值，再通过反相比例运算电路转换为大小相等、符号相反的峰值负电压，两者输入电磁开关，由鉴相电路(4)实现正负电压的逻辑选通，输出表示PLCD传感器位移大小和方向的电压信号；

所述二号电压偏置电路和所述步骤2)中所取得的加了偏置值的峰值电压即偏置电压值低于二极管的正向导通压降，保证了二极管工作时处在微导通的状态。

有益效果：本发明提供的一种基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路及其方法，与现有技术相比，相对于常规的整流滤波调理电路，本发明通过峰值跟随快速获得位移大小，动态特性好，此外解决了PLCD传感器在零位附近小信号难以捕捉、正负值难以判断的问题。

附图说明

图1是PLCD传感器调理电路流程图；

图2是前置处理电路图；

图3是鉴相电路图；

图4是峰值跟随电路图；

图5是输出处理电路图；

图6是逻辑选通电路图

图7是Multisim电路仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明为一种基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路及其方法，可以以最快的速度获得PLCD传感器输出信号的有效值，能判断位移方向，能检测零位附件的小信号。本发明包括正弦波发生器电路、PLCD传感器、前置处理电路、鉴相电路、峰值跟随电路、输出处理电路。正弦波发生器电路驱动PLCD传感器的激励线圈，PLCD传感器的感应线圈输出信号经过前置处理电路后，一方面与正弦波发生器电路的输出信号一起输入到鉴相电路，判断传感器位移的正负；另一方面输入峰值跟随电路检测出输出信号的峰值电压，最后通过输出处理电路，得到表示位移大小和方向的电压信号。相对于常规的整流滤波调理电路，本发明通过峰值跟随快速获得位移大小，动态特性好，此外解决了PLCD传感器在零位附近小信号难以捕捉、正负值难以判断的问题。

具体内容如下：

如图1所示，基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路，其结构包括正弦波发生器电路1、PLCD传感器2、前置处理电路3、鉴相电路4、峰值跟随电路5、输出处理电路6，其中正弦波发生器1的信号输出端与PLCD传感器2的信号输入端、鉴相电路4的第一输入端相连，PLCD传感器2的信号输出端与前置处理电路3的信号输入端相连，前置处理电路3的两个信号输出端分别与鉴相电路4的第二信号输入端、峰值跟随电路5的第一信号输入端相连，鉴相电路4的第一信号输出端与峰值跟随电路5的第二信号输入端相连，鉴相电路4的第二信号输出端和峰值跟随电路5的信号输出端分别与输出处理电路6的两个信号输入端相连。

PLCD传感器2由磁芯、对称绕制在磁芯两端的激励线圈和均匀绕制在磁芯中间的感应线圈组成，正弦波的发生器电路1的输出信号输入到激励线圈中，产生交变磁场对感应线圈产生激励，感应线圈的输出信号连接到前置处理电路3中进行调理。

正弦波发生器电路1由RC正弦波振荡电路、同相跟随电路和消除阶跃失真的OCL电路构成，可输出稳定的正弦波信号到PLCD传感器2中驱动PLCD传感器2的激励线圈，对感应线圈进行激励，产生相应的感应电动势。

如图2所示，前置处理电路3由低通滤波电路7、电压放大电路8、电压偏置电路9构成。PLCD传感器2的感应线圈输出信号输入前置处理电路3，首先经低通滤波电路7对感应线圈的输出信号进行低通滤波，过滤掉高频噪音，电压放大电路8将滤波后的信号放大适当倍数后输入到鉴相电路4中的滞回比较器，保证了小幅值信号也能够转换成稳定的方波，电压偏置电路9将滤波后的信号加上正的偏置电压，输入到峰值跟随电路5中得到加了偏置值的峰值电压，保证了小幅值信号也能被采集到波峰电压值。

如图3所示，鉴相电路4由两个滞回比较器10、11和一个D触发器12构成，正弦波发生器电路1的输出信号输入到滞回比较器10中，转换为激励线圈方波信号，再输入到D触发器12的D输入端；电压放大电路8的输出信号输入滞回比较器11，转换为感应线圈方波信号，一方面输入到D触发器12的时钟输入CP端，另一方面输入到峰值跟随电路5中的逻辑选通电路15中，当激励线圈方波信号相位超前感应线圈方波信号时，D触发器12的Q输出端输出高电平，控制输出处理电路6选通正电压；当当激励线圈方波信号相位滞后感应线圈方波信号时，D触发器12的Q输出端输出低电平，控制输出处理电路6选通负电压。

如图4所示，峰值跟随电路5由双通道检波电路13、14、逻辑选通电路15、电磁开关16和二极管17、18构成，其中检波电路13、14的第一信号输出端为峰值电压输出端，第二信号输出端为保持电容充放电端，电压偏置电路9的输出信号输入到检波电路13、14的信号输入端，滞回比较器11的输出信号输入到逻辑选通电路15的信号输入端，在两个输入信号在第一个周期内，检波电路13、14跟随峰值电压，A输出端输出高电平，二极管17阻隔检波电路13的电容放电，B输出端输出低电平，二极管18导通使检波电路14的电容快速放电复位，重新检测新的峰值电压，C输出端输出高电平控制电磁开关16选通检波电路13输出电压；在两个输入信号的下一个周期内，检波电路13、14跟随峰值电压，A输出端输出低电平，二极管17导通使检波电路13的电容快速放电复位，重新检测新的峰值电压，B输出端输出高电平，二极管18阻隔检波电路14的电容放电，C输出端输出低电平控制电磁开关16选通检波电路14输出电压，以此方式周而复始地检测波峰电压，实现快速跟随。

如图6所示，逻辑选通电路15由单稳态触发器22、双稳态触发器23和两个与门电路24、25构成；所述鉴相电路4中的输入端之一的二号滞回比较器11的输出信号输入到所述逻辑选通电路15的信号输入端，即为单稳态触发器22和双稳态触发器23的信号输入端，即为所述峰值跟随电路5的第二信号输入端；单稳态触发器22的Q输出端与双稳态触发器23的Q输出端连接与门电路24的信号输入端，单稳态触发器22的Q输出端与双稳态触发器23的输出端连接与门电路25的信号输入端，与门电路24、25的输出端即为逻辑选通电路的A、B输出端。

如图5所示，输出处理电路6由二号电压偏置电路19、反相比例运算电路20和电磁开关21构成，二号电压偏置电路19的将正向偏置过的峰值电压加上大小相同的负偏置电压，还原真实峰值电压值，再通过反相比例运算电路20转换为大小相等，符号相反的峰值负电压，两者输入电磁开关21，由鉴相电路4实现正负电压的逻辑选通，输出表示PLCD传感器位移大小和方向的电压信号。

考虑到峰值跟随电路5中电容通过二极管放电，二极管的正向导通压降导致小信号的电压无法发电的影响，所述的电压偏置电路9和二号电压偏置电路19所取得偏置电压值要合适，过大的偏置电压会导致电容放电过多，在后续的充电过程中由输入信号和偏置电压同时充电导致电容的保持电压过高；过小的偏置电压会导致当输入信号小于二极管的正向导通电压时，二极管不导通，由于输入信号为低频信号，电容放电时间会过长，影响实时跟随性；理想的偏置电压应该略微低于二极管的正向导通压降，保持放电时二极管微微导通，从而能够检测到小幅值输入信号。

实施例

采用Multisim软件对该基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路进行仿真，如图7所示。其中灰色细线为激励线圈输入信号，黑色细线为感应线圈输出信号，黑色粗线为输出处理电路6的输出信号。输出信号可以快速准确地跟随感应线圈峰值电压，且当激励线圈输入信号超前于感应线圈输出信号时，最终的输出信号为正；当激励线圈输入信号滞后于感应线圈输出信号时，最终的输出信号为负。表明该基于峰值跟随的PLCD传感器信号调理电路可以精确检测并输出表示PLCD传感器位移大小和方向的电压信号，同时保持良好的动态跟踪效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。