LVDT 복조:정류기 유형 대 동기 복조

동기 복조와 정류기형 복조라는 두 가지 복조 방법을 비교하는 방법을 알아봅니다. 여기에서는 각 방법의 장점, 단점 및 적절한 응용 프로그램에 대해 설명합니다.

이전 기사에서 다이오드 정류기 복조기의 작동 및 과제에 대해 논의했습니다. 이 기사에서는 일반적으로 정류기 유형 복조기의 제한 사항을 먼저 살펴보겠습니다. 그런 다음 동기식 복조기가 이러한 문제 중 일부를 해결할 수 있음을 알 수 있습니다. 마지막으로 LVDT 애플리케이션에서 동기 복조의 단점을 살펴보겠습니다.

정류기 유형 복조기의 한계

정밀 정류기는 간단한 다이오드 정류기의 문제를 해결할 수 있지만 정류기 유형 복조기는 일반적으로 몇 가지 단점이 있습니다. 정류기형 복조기를 사용하면 각 2차 권선의 전압을 정류하기 위해 LVDT 2차측의 중앙 탭에 액세스해야 합니다. 따라서 이러한 유형의 복조는 5와이어 LVDT에만 적용할 수 있습니다(그림 1(b)).

그림 1. (a) 4-와이어 및 (b) 5선식 LVDT.

중앙 탭에 액세스할 필요가 없고 두 2차측 간의 전압 차이를 처리하여 코어 위치를 결정할 수 있는 다른 복조 방법이 있습니다. 이 복조기를 사용하면 그림 1(a)에서와 같이 4선식 LVDT를 사용할 수 있습니다.

최소한의 전기 연결을 갖는 것이 정말 중요합니까?

컨디셔닝 회로가 센서에서 먼 거리에 위치하는 애플리케이션이 많이 있습니다. 좋은 예는 LVDT에서 최대 수백 미터 떨어진 안전한 영역에 컨디셔닝 회로를 배치해야 하는 방사성 애플리케이션의 열악한 환경에서 측정하는 것입니다. 이러한 경우 5선식 구성을 통해 두 개의 2차 전압을 장거리로 전송하는 것이 어려울 수 있습니다. LVDT에서 떨어진 곳에 컨디셔닝 모듈이 있는 경우 낮은 분산 커패시턴스로 균형 잡힌 배선이 필요합니다. 이는 배선 비용의 상당한 증가를 의미합니다.

정류기형 복조기의 또 다른 단점은 제한된 잡음 제거이다. 250Hz에서 사인파 파형을 따르는 코어 변위가 있는 LVDT 센서를 고려하십시오. 그림 2의 빨간색 곡선은 일반적인 다이오드 정류기를 사용하여 얻은 이 LVDT의 복조된 출력을 보여줍니다.

그림 2.

이 그림에서 녹색 곡선은 코어 변위 x를 보여줍니다. 보시다시피 출력 신호는 일부 고주파 성분에 해당하는 급격한 변화가 있다는 점을 제외하고는 x의 증폭된 버전처럼 보입니다.

이러한 원치 않는 고주파 성분을 제거하기 위해 시스템의 기계적 대역폭(250Hz)보다 약간 높은 차단 주파수를 가진 저역 통과 필터를 사용할 수 있습니다. 따라서 이상적인 저역 통과 필터를 사용하더라도 최대 250Hz의 모든 주파수 성분은 감쇠되지 않고 필터를 통과합니다. 따라서 센서 출력에 결합되는 250Hz 미만의 모든 잡음 성분은 복조기 출력에도 나타납니다.

열악한 잡음 성능은 정류기 유형 복조기의 주요 단점입니다. 이 제한은 긴 케이블에서 더욱 두드러집니다. 5-와이어 구성 요구 사항과 함께 잡음 성능으로 인해 이 회로는 원격 위치로 긴 케이블을 연결하는 데 적합하지 않습니다. 아래에서 논의되는 동기 복조는 이 두 가지 문제를 해결할 수 있습니다.

동기 복조

그림 3에 표시된 LVDT를 고려하십시오. \[V_{EXC} =A_p\cos(2\pi \times f_p \times t)\]가 있다고 가정합니다.

그림 3. LVDT의 예

차동 출력(\[V_{out}\])은 진폭 변조 신호이며 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

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

방정식 1.

여기서 x는 코어 변위이고 \[A_s\]는 주어진 x에 대한 전체 출력 진폭을 제공하는 배율 인수입니다. 위상 항은 1차 전압과 2차 전압 사이의 LVDT로 인한 위상차입니다. 이 위상 편이는 특히 제조업체가 제공한 특정 주파수 주변에서 이상적으로 매우 작아야 합니다. 그러나 일반적으로 이러한 위상 변화를 고려해야 합니다.

동기 복조 기술은 LVDT 차동 출력에 여기 신호(또는 일반적으로 여기 신호와 동기 신호)를 곱합니다. 이것은 다음을 제공합니다:

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

방정식 2.

단순화:

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

괄호 안의 첫 번째 항은 DC이지만 두 번째 항은 여기 주파수의 두 배입니다. 따라서 좁은 저역 통과 필터는 두 번째 항을 제거할 수 있으며 다음과 같습니다.

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

방정식 3.

이것은 코어 변위 x에 비례하는 DC 전압을 제공합니다.

구형파 곱셈을 통한 동기 복조

아날로그 승수를 사용하여 LVDT 출력에 여기 사인파를 곱할 수 있습니다(방정식 2). 그러나 아날로그 승수는 비싸고 선형성 제한이 있습니다. 사인파를 곱하는 대신 여기 입력과 동기된 구형파를 신호에 곱할 수 있습니다.

사인파 대신 구형파를 어떻게 사용할 수 있는지 궁금할 것입니다. ±1 사이에서 토글하는 구형파는 구형파 주파수의 홀수 고조파에서 사인파의 무한 합으로 표현될 수 있습니다. 따라서 주파수 \[f_p\]의 구형파는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

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

LVDT 출력(\[f_p\]의 정현파)에 구형파를 곱하면 구형파의 기본 구성 요소 \[(\frac{4}{\pi}\sin(2\pi \times f_p \ 곱하기 t))\]는 \[2f_p\]에서 DC 성분과 고주파 성분을 생성합니다. 고주파 성분은 이전 섹션에서 설명한 것처럼 저역 통과 필터에 의해 억제되고 원하는 DC 성분이 출력에 나타납니다.

구형파의 고차 고조파를 곱하면 \[f_p\]의 짝수 배수에서 고주파 성분이 생성됩니다. 따라서 DC 성분은 신호에 사인파를 곱한 경우와 마찬가지로 필터 출력에 나타나는 유일한 성분입니다. 구형파를 곱하는 주요 이점은 복조기의 회로 구현을 크게 단순화할 수 있다는 것입니다.

동기 복조기의 회로 구현

구형파 기반 동기 복조기는 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4. 구형파 기반 동기 복조기

이 경우 LVDT 출력의 증폭된 버전은 여기 사인파가 아닌 구형파로 곱해집니다. 구형파는 여기 입력과 동기되며 위의 블록 다이어그램과 같이 "Zero-Crossing Detector"를 통해 얻습니다.

구형파 곱셈을 수행하기 위해 신호 체인의 이득은 \[±A_{amp}\] 사이에서 주기적으로 변경됩니다(\[A_{amp}\]는 증폭기 이득). 더 낮은 경로는 -1의 이득을 통합합니다. 이것은 구형파를 사용하여 상위 경로와 하위 경로 사이의 신호 경로를 변경하는 스위치 SW를 구동함으로써 달성됩니다. 이것은 증폭기 출력에 구형파를 곱하는 것과 사실상 동일합니다.

마지막으로 저역 통과 필터는 출력의 DC 항을 유지하고 고주파 성분을 억제하는 데 사용됩니다.

LVDT 동기 복조기의 장점

동기식 복조의 주요 장점은 잡음 성능입니다. 위에서 설명한 것처럼 동기 복조 주파수는 LVDT 출력을 DC로 이동하고 저역 통과 필터를 사용하여 이 DC 구성 요소를 유지합니다. 저역 통과 필터는 통과 대역 밖의 모든 잡음 성분을 억제합니다.

원하는 신호가 DC에 있으므로 좁은 저역 통과 필터를 사용할 수 있습니다. 이것은 시스템 대역폭을 제한하고 복조기가 LVDT 출력에 결합하는 잡음의 상당 부분을 크게 억제할 수 있도록 합니다. 또한 동기식 복조로 4-와이어 LVDT를 사용할 수 있습니다.

LVDT 동기 복조기의 단점

동기 복조는 정류기형 복조기에 비해 더 높은 잡음 내성을 제공할 수 있지만 출력은 여기 전압의 진폭에 따라 달라집니다(식 3의 \[A_p\]). 따라서 동기 복조에서는 여기 입력의 진폭 안정성이 중요합니다.

또 다른 문제는 복조기 출력이 LVDT 전달 함수(방정식 3의 \[\cos(\phi)\])의 위상 편이에 의존한다는 것입니다. 이 위상 변화는 이상적으로는 매우 작아야 합니다. 그러나 일정하지 않으며 작동 지점에 따라 변경될 수 있습니다. 실제 복조기 회로는 일반적으로 생성된 구형파의 위상을 조정하기 위해 위상 보상 네트워크를 사용합니다. 보상 네트워크는 복조기의 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

그러나 이렇게 증가된 복잡성으로 인해 회로는 정류기형 복조기에 비해 비교적 긴 케이블에 적합합니다. 이는 위상 변이 항을 사용하여 배선으로 인한 지연을 고려할 수 있기 때문입니다. 따라서 위상 보상 회로를 사용하여 케이블 지연을 보상하고 회로를 더 긴 전선에 적합하게 만들 수도 있습니다.

기타 복조 기술

동기 복조는 더 높은 노이즈 내성을 제공하며 4개의 전기 연결만 필요합니다. 그러나 여기 입력의 진폭에 대한 의존성 및 위상 편이 문제와 같은 자체 제한 사항이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 몇 가지 다른 복조 기술이 있습니다. 이러한 기술은 일반적으로 동기식 복조기의 한계를 피하기 위해 비율 측정 개념과 DSP 기반 방법을 사용합니다.

다른 센서 유형에 적용될 때 동기 복조에 대한 자세한 설명은 다음 문서를 참조하십시오.

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동기 복조 소개

아날로그 곱셈기와 스위치 기반 곱셈기를 사용한 동기 복조

동기 복조기의 아날로그 및 디지털 구현

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