CN117128841A - 一种基于dds的lvdt调制解调电路及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DDS的LVDT调制解调电路及其测量方法，利用数字信号处理器根据调制指令生成调制信号指令发送至调制电路；调制电路对调制信号进行幅值调节、信号过滤后传输至线性可变差动变压器；线性可变差动变压器根据信号过滤后的调制信号产生差分电压信号至解调电路；解调电路根据线性可变差动变压器产生的差分电压信号进行信号解调处理获取解调信号，并将解调信号输入至数字信号处理器；采用直接数字频率合成器直接产生线性可变差动变压器初级线圈的激励信号直接数字频率合成器具有频率分辨率高、输出频点多的优点；同时具有频率切换速度快的优点，且频率切换时相位保持连续，有效避免了激励信号抖动、调频等现象，大大提高了测量精度和调节稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及LVDT测量技术领域，具体涉及一种基于DDS的LVDT调制解调电路及其测量方法。
背景技术
线性可变差动变压器(linear variabledifferential transformer，LVDT)是一种直线位移传感器，它由初级线圈，次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。其工作原理为当初级线圈供给一定频率的交变电压时(由调制电路产生)，铁芯在线圈内移动就改变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出(由解调电路产生)。由于它具备无摩擦测量，接近无限的机械寿命，良好的可重复性及环境适应性等优点。LVDT被广泛用来测量物体的直线位移、振幅、物体厚薄程度和膨胀度等精确数据。
而现有技术中，LVDT的调制解调电路普遍采用分立元件或专用调制解调芯片实现，此类电路具有以下缺点：
1)LVDT初级线圈需要一定频率的激励信号才能工作，现有技术实现的激励产生电路，其频率分辨率较低、变换速度慢且输出相位不连续，特别是在有频率变换需求时，必然会产生不同程度的跳频现象，造成激励信号抖动，影响测量精度和调节稳定性。
2)普通的调制和解调电路集成度低，需大量外围电路，特别是实现激励信号频率和幅值调节功能的电路繁杂，PCB(印制电路板)占用空间大，不利于小型化设计，且整体功耗偏高。
3)调制电路的激励信号一般为正弦波或方波，目前普遍存在相位噪声高的情况，即激励信号在各种噪声的作用下容易引起相位的随机变化，相位噪声偏高则会造成调制误码率增加，频率稳定性变差，直接影响调节精度，从而降低系统的灵敏度和线性度。
4)调制解调电路中存在众多分立元件，这些元件的引入会在温度变化时会造成很大的温漂，使得测量精度下降，由此硬件引起的测量误差从软件上难以校正。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DDS的LVDT调制解调电路及其测量方法，以克服现有可信DCS中LVDT调制解调电路测量频率分辨率低、变换速度慢、相位不连续、集成度低及相位噪声高的问题。
一种基于DDS的LVDT调制解调电路，包括线性可变差动变压器、数字信号处理器、调制电路和解调电路；
数字信号处理器根据调制指令生成调制信号指令发送至调制电路；
调制电路对调制信号进行幅值调节、信号过滤后传输至线性可变差动变压器；
线性可变差动变压器根据信号过滤后的调制信号产生差分电压信号至解调电路；
解调电路根据线性可变差动变压器产生的差分电压信号进行信号解调处理获取解调信号，并将解调信号输入至数字信号处理器；
数字信号处理器根据解调信号计算线性可变差动变压器位置信息数据并输出。
优选的，所述线性可变差动变压器包括初级线圈和次级线圈，初级线圈连接至调制电路的输出端，次级线圈连接至解调电路的输入端，初级线圈用于接收调制电路产生的调制信号，并根据调制信号产生的磁通量经由铁心耦合至次级线圈，次级线圈用于输出差分电压信号至解调电路的输入端。
优选的，所述调制电路包括依次连接的直接数字频率合成器、幅值放大电路、数字电位器、隔直电路和差分驱动电路；直接数字频率合成器产生的激励信号依次经过幅值放大电路和数字电位器进行幅值调节，再由隔直电路去除幅值调节后的激励信号中的直流分量，去除直流分量后的激励信号经差分驱动电路输入至线性可变差动变压器。
优选的，所述数字信号处理器包括模数转换器、第一通讯接口和第二通讯接口，第一通讯接口和第二通讯接口均连接至模数转换器，模数转换器连接至解调电路的输出端，模数转换器用于获取解调电路进行信号解调处理后的解调信号，同时根据获取的解调信号计算线性可变差动变压器的位置信息数据。
优选的，所述解调电路包括依次连接的仪表放大器、精密整流电路、累加器电路和低通滤波器，所述线性可变差动变压器的次级线圈连接至仪表放大器的输入端，线性可变差动变压器产生的差分电压信号在仪表放大器中进行阻抗匹配和幅值调节后，由精密整流电路进行交流-直流的信号转换，经过精密整流电路交流-直流信号转换后的信号通过累加器电路进行累加计算，进行累加计算后的信号经低通滤波器进行滤波处理得到解调信号。
一种基于DDS的LVDT调制解调电路控制方法，所述LVDT调制解调电路包括线性可变差动变压器、数字信号处理器、调制电路和解调电路；
具体包括以下步骤：
根据调制指令通过数字信号处理器生成调制信号指令发送至调制电路；
利用调制电路对调制信号进行幅值调节和信号过滤；
通过线性可变差动变压器对信号过滤后的调制信号产生差分电压信号；
通过解调电路对差分电压信号进行信号解调处理得到解调信号；
利用数字信号处理器根据解调信号计算线性可变差动变压器位置信息数据并输出。
优选的，所述线性可变差动变压器包括初级线圈和次级线圈，调制电路对调制信号进行幅值调节和信号过滤产生激励信号传输至初级线圈，初级线圈根据激励信号产生的磁通量经由铁心耦合至次级线圈，次级线圈输出差分电压信号至解调电路的输入端。
优选的，所述调制电路包括依次连接的直接数字频率合成器、幅值放大电路、数字电位器、隔直电路和差分驱动电路；直接数字频率合成器产生的激励信号依次经过幅值放大电路和数字电位器进行幅值调节，再由隔直电路去除幅值调节后的激励信号中的直流分量，去除直流分量后的激励信号经差分驱动电路输入至线性可变差动变压器。
优选的，所述数字信号处理器包括模数转换器、第一通讯接口和第二通讯接口，第一通讯接口和第二通讯接口均连接至模数转换器，模数转换器连接至解调电路的输出端，模数转换器用于获取解调电路进行信号解调处理后的解调信号，同时根据获取的解调信号计算线性可变差动变压器的位置信息数据。
优选的，所述解调电路包括依次连接的仪表放大器、精密整流电路、累加器电路和低通滤波器，所述线性可变差动变压器的次级线圈连接至仪表放大器的输入端，线性可变差动变压器产生的差分电压信号在仪表放大器中进行阻抗匹配和幅值调节后，由精密整流电路进行交流-直流的信号转换，经过精密整流电路交流-直流信号转换后的信号通过累加器电路进行累加计算，进行累加计算后的信号经低通滤波器进行滤波处理得到解调信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种基于DDS的LVDT调制解调电路，利用数字信号处理器根据调制指令生成调制信号指令发送至调制电路；调制电路对调制信号进行幅值调节、信号过滤后传输至线性可变差动变压器；线性可变差动变压器根据信号过滤后的调制信号产生差分电压信号至解调电路；解调电路根据线性可变差动变压器产生的差分电压信号进行信号解调处理获取解调信号，并将解调信号输入至数字信号处理器；数字信号处理器根据解调信号计算线性可变差动变压器位置信息数据并输出，采用直接数字频率合成器直接产生线性可变差动变压器初级线圈的激励信号直接数字频率合成器具有频率分辨率高、输出频点多的优点；同时具有频率切换速度快的优点，且频率切换时相位保持连续，有效避免了激励信号抖动、调频等现象，大大提高了测量精度和调节稳定性。
采用了直接数字频率合成器和数字电位器来实现激励信号频率和幅值调节功能，全数字化实现，不需要增加任何外围电路，系统集成度显著提高，线性可变差动变压器、调制电路和解调电路集成后的PCB占用面积减小，整体功耗降低，同时也有效减小了分立元件温漂造成的影响，测量精度大幅提高。调制电路的激励信号由直接数字频率合成器产生，具有极低的输出相位噪声，大幅增强了激励信号的频率稳定性，提高了系统的灵敏度和线性度。
附图说明
图1为本发明实施例中调制解调电路结构示意图。
图2为本发明实施例中调制解调电路控制方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，在本发明的实施例中提供一种基于DDS的LVDT调制解调电路，包括线性可变差动变压器(LVDT)6、数字信号处理器(DSP)11、调制电路和解调电路；
数字信号处理器11根据调制指令生成调制信号指令发送至调制电路；
调制电路对调制信号进行幅值调节、信号过滤后传输至线性可变差动变压器6；
调制电路对调制信号进行幅值调节、信号过滤后产生调制信号(激励信号)，调制信号作为激励源进入线性可变差动变压器6。
线性可变差动变压器6根据信号过滤后的调制信号产生差分电压信号至解调电路；
解调电路根据线性可变差动变压器6产生的差分电压信号进行信号解调处理获取解调信号，并将解调信号输入至数字信号处理器11；
数字信号处理器11根据解调信号计算线性可变差动变压器6位置信息数据并输出。
具体的，在本发明实施例中，如图1所示，所述线性可变差动变压器6包括初级线圈和次级线圈，初级线圈连接至调制电路的输出端，次级线圈连接至解调电路的输入端，初级线圈用于接收调制电路产生的调制信号，并根据调制信号产生的磁通量经由铁心耦合至次级线圈，次级线圈用于输出差分电压信号至解调电路的输入端。
所述数字信号处理器11包括模数转换器(ADC)13、第一通讯接口12和第二通讯接口14，第一通讯接口12和第二通讯接口14均连接至模数转换器(ADC)13，模数转换器13连接至解调电路的输出端，模数转换器13用于获取解调电路进行信号解调处理后的解调信号，同时根据获取的解调信号计算线性可变差动变压器(LVDT)6的位置信息数据；数字信号处理器11的第一通讯接口12连接至调制电路的输入端，用于发送调制信号指令；数字信号处理器11的第二通讯接口14用于将解调后的线性可变差动变压器(LVDT)6的位置信息数据外送。
所述调制电路包括依次连接的直接数字频率合成器(DDS)1、幅值放大电路2、数字电位器3、隔直电路4和差分驱动电路5；直接数字频率合成器(DDS)1作为调制电路的输入端，连接至数字信号处理器11的第一通讯接口12。线性可变差动变压器6的初级线圈的激励信号由直接数字频率合成器1产生，由直接数字频率合成器1产生的激励信号依次经过幅值放大电路2和数字电位器3进行幅值调节，再由隔直电路4去除幅值调节后的激励信号中的直流分量，去除直流分量后的激励信号经差分驱动电路5输入至线性可变差动变压器的初级线圈，产生幅度和频率可调的正弦波信号。
具有的，幅值放大电路2用于对直接数字频率合成器1产生的激励信号的幅值进行放大后输出至数字电位器3，数字电位器3对幅值放大后的激励信号进行再次调节；通过隔直电路4去再次调节后的激励信号中的直流分量，去除直流分量的激励信号经差分驱动电路5输入至线性可变差动变压器的初级线圈；利用差分驱动电路5提供足够高的开关速度的激励信号调节，可以在数微秒内完成频率变换，经过幅值放大以及直流分量后的激励信号，在差分驱动电路5作用下能够提高频率切换的稳定性，避免了跳频现象，同时能够保证激励信号的稳定性，从而能够确保测量精度和调节稳定性。
本申请实施例调制电路中的直接数字频率合成器(DDS)1、幅值放大电路2、数字电位器3、隔直电路4和差分驱动电路5可集成度高，能够对线性可变差动变压器6产生稳定的激励信号；同时调制电路和解调电路可集成度高。
解调电路包括依次连接的仪表放大器7、精密整流电路8、累加器电路9和低通滤波器10，解调电路用于处理线性可变差动变压器6次级线圈的差分电压信号。所述线性可变差动变压器6的次级线圈连接至仪表放大器7的输入端，差分电压信号在仪表放大器7中进行阻抗匹配和幅值调节后，由精密整流电路8进行交流-直流的信号转换，经过精密整流电路8交流-直流信号转换后的信号通过累加器电路9进行累加计算，进行累加计算后的信号经低通滤波器10进行滤波处理得到解调信号，解调信号通过模数转换器13的接口进入数字信号处理器11。
本发明用于上述LVDT调制解调电路的控制方法，针对LVDT产生激励信号并进行解调，具体包括以下方法：
S1，根据调制指令通过数字信号处理器11生成调制信号指令发送至调制电路；
S2，利用调制电路对调制信号进行幅值调节和信号过滤；
S3，通过线性可变差动变压器6对信号过滤后的调制信号产生差分电压信号；
S4，通过解调电路对差分电压信号进行信号解调处理得到解调信号；
S5，利用数字信号处理器11根据解调信号计算线性可变差动变压器6位置信息数据并输出。
本发明采用直接数字频率合成器直接产生线性可变差动变压器(LVDT)初级线圈的激励信号直接数字频率合成器具有频率分辨率高(可达0.004Hz)、输出频点多的优点；同时具有频率切换速度快的优点(可达us量级)，且频率切换时相位保持连续，有效避免了激励信号抖动、调频等现象，大大提高了测量精度和调节稳定性。
采用了直接数字频率合成器1和数字电位器3来实现激励信号频率和幅值调节功能，全数字化实现，不需要增加任何外围电路，系统集成度显著提高，线性可变差动变压器(LVDT)6、调制电路和解调电路集成后的PCB占用面积减小，整体功耗降低，同时也有效减小了分立元件温漂造成的影响，测量精度大幅提高。调制电路的激励信号由直接数字频率合成器1产生，具有极低的输出相位噪声，大幅增强了激励信号的频率稳定性，提高了系统的灵敏度和线性度。
Claims (10)
1.一种基于DDS的LVDT调制解调电路，其特征在于，包括线性可变差动变压器(6)、数字信号处理器(11)、调制电路和解调电路；
数字信号处理器(11)根据调制指令生成调制信号指令发送至调制电路；
调制电路对调制信号进行幅值调节、信号过滤后传输至线性可变差动变压器(6)；
线性可变差动变压器(6)根据信号过滤后的调制信号产生差分电压信号至解调电路；
解调电路根据线性可变差动变压器(6)产生的差分电压信号进行信号解调处理获取解调信号，并将解调信号输入至数字信号处理器(11)；
数字信号处理器(11)根据解调信号计算线性可变差动变压器(6)位置信息数据并输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路，其特征在于，所述线性可变差动变压器(6)包括初级线圈和次级线圈，初级线圈连接至调制电路的输出端，次级线圈连接至解调电路的输入端，初级线圈用于接收调制电路产生的调制信号，并根据调制信号产生的磁通量经由铁心耦合至次级线圈，次级线圈用于输出差分电压信号至解调电路的输入端。
3.根据权利要求1所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路，其特征在于，所述调制电路包括依次连接的直接数字频率合成器(1)、幅值放大电路(2)、数字电位器(3)、隔直电路(4)和差分驱动电路(5)；直接数字频率合成器(1)产生的激励信号依次经过幅值放大电路(2)和数字电位器(3)进行幅值调节，再由隔直电路(4)去除幅值调节后的激励信号中的直流分量，去除直流分量后的激励信号经差分驱动电路(5)输入至线性可变差动变压器(6)。
4.根据权利要求1所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路，其特征在于，所述数字信号处理器(11)包括模数转换器(13)、第一通讯接口(12)和第二通讯接口(14)，第一通讯接口(12)和第二通讯接口(14)均连接至模数转换器(13)，模数转换器(13)连接至解调电路的输出端，模数转换器(13)用于获取解调电路进行信号解调处理后的解调信号，同时根据获取的解调信号计算线性可变差动变压器(6)的位置信息数据。
5.根据权利要求2所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路，其特征在于，所述解调电路包括依次连接的仪表放大器(7)、精密整流电路(8)、累加器电路(9)和低通滤波器(10)，所述线性可变差动变压器(6)的次级线圈连接至仪表放大器(7)的输入端，线性可变差动变压器(6)产生的差分电压信号在仪表放大器(7)中进行阻抗匹配和幅值调节后，由精密整流电路(8)进行交流-直流的信号转换，经过精密整流电路(8)交流-直流信号转换后的信号通过累加器电路(9)进行累加计算，进行累加计算后的信号经低通滤波器(10)进行滤波处理得到解调信号。
6.一种基于DDS的LVDT调制解调电路控制方法，其特征在于，所述LVDT调制解调电路包括线性可变差动变压器(6)、数字信号处理器(11)、调制电路和解调电路；
具体包括以下步骤：
根据调制指令通过数字信号处理器(11)生成调制信号指令发送至调制电路；
利用调制电路对调制信号进行幅值调节和信号过滤；
通过线性可变差动变压器(6)对信号过滤后的调制信号产生差分电压信号；
通过解调电路对差分电压信号进行信号解调处理得到解调信号；
利用数字信号处理器(11)根据解调信号计算线性可变差动变压器(6)位置信息数据并输出。
7.根据权利要求6所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路控制方法，其特征在于，所述线性可变差动变压器(6)包括初级线圈和次级线圈，调制电路对调制信号进行幅值调节和信号过滤产生激励信号传输至初级线圈，初级线圈根据激励信号产生的磁通量经由铁心耦合至次级线圈，次级线圈输出差分电压信号至解调电路的输入端。
8.根据权利要求6所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路控制方法，其特征在于，所述调制电路包括依次连接的直接数字频率合成器(1)、幅值放大电路(2)、数字电位器(3)、隔直电路(4)和差分驱动电路(5)；直接数字频率合成器(1)产生的激励信号依次经过幅值放大电路(2)和数字电位器(3)进行幅值调节，再由隔直电路(4)去除幅值调节后的激励信号中的直流分量，去除直流分量后的激励信号经差分驱动电路(5)输入至线性可变差动变压器(6)。
9.根据权利要求6所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路控制方法，其特征在于，所述数字信号处理器(11)包括模数转换器(13)、第一通讯接口(12)和第二通讯接口(14)，第一通讯接口(12)和第二通讯接口(14)均连接至模数转换器(13)，模数转换器(13)连接至解调电路的输出端，模数转换器(13)用于获取解调电路进行信号解调处理后的解调信号，同时根据获取的解调信号计算线性可变差动变压器(6)的位置信息数据。
10.根据权利要求6所述的一种基于DDS的LVDT调制解调电路控制方法，其特征在于，所述解调电路包括依次连接的仪表放大器(7)、精密整流电路(8)、累加器电路(9)和低通滤波器(10)，所述线性可变差动变压器(6)的次级线圈连接至仪表放大器(7)的输入端，线性可变差动变压器(6)产生的差分电压信号在仪表放大器(7)中进行阻抗匹配和幅值调节后，由精密整流电路(8)进行交流-直流的信号转换，经过精密整流电路(8)交流-直流信号转换后的信号通过累加器电路(9)进行累加计算，进行累加计算后的信号经低通滤波器(10)进行滤波处理得到解调信号。
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2023
- 2023-08-28 CN CN202311092542.1A patent/CN117128841A/zh active Pending
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