基于幅频自校准的高精度LVDT模拟器设计
基于ARM的嵌入式高精度频率计的设计
嵌入式技术 电 子 测 量 技 术 EL ECTRON IC M EASU REM EN T TECHNOLO GY 第32卷第1期2009年1月 基于ARM的嵌入式高精度频率计的设计吕运朋1 李海威1 张全法1 蒋华勤2(1.郑州大学物理工程学院 郑州 450052;2.黄河科技学院 郑州 450052)摘 要:利用石英晶体微天平测量微量元素时,设计一种高分辨率的频率计至关重要。
通过改进硬件电路,解决了多周期同步测频方法在实际应用中并未完全消除+1误差的问题,彻底消除了被测信号的±1量化误差。
采用高精度有源晶振作为基准频率,利用ARM7微控制器L PC2220实现频率的计算、校准、闸门智能切换等,提高了频率计精度,频率测量分辨率达到0.1Hz以上,尤其适用于实时、高速、高精度测量等场合。
在QCM微量元素分析仪中的应用表明,此方案稳定可靠,测量快速,结果精确。
关键词:ARM;QCM;频率测量;智能化;L PC2220中图分类号:TP368 文献标识码:BDesign of high resolution frequency meter based on ARMLv Yunpeng1 Li Haiwei1 Zhang Quanfa1 Jiang Huaqin2(1.College of Physical Science and Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou450052;2.Huanghe S&T College,Zhengzhou450052)Abstract:Designing a high precision cymometer is very important when measuring microelement using QCM(Quartz Crystal Microbalance)instrument.Conventional equal precision frequency measuring principle doesnπt remedy the±1 err in f ull.Designed a new circuit to eliminate the±1err completely.A higher Resolution of0.1Hz is achieved,by way of using a high precision oscillator as the clock benchmark,an ARM7micro controller L PC2220to calculate, calibrate and switch the strobe intelligently.It fits for the microelement measuring,especially in real time,high speed, high2precision applications.The result came out to be accurate,quick,high reliability and in low cost,verified in the QCM microelement measurement equipment.K eyw ords:ARM;QCM;frequency measure;intelligent;L PC22200 引 言在电子技术各参数中,频率测量的精确度是最高的(10-14),因而人们常利用某种确定的函数关系把其他电参数的精确测量转换为频率的测量。
10.1 高精度LCOS动态星模拟器的光学系统设计_陈启梦
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ｉ ｌ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｈ ｏ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕｍ ｅ ｎ ｔ ｓ， Ｊ Ｅ Ｒ Ｃ ｏ Ｐ Ｍ ＆Ｃ Ｉ ｇ ｇ ｆ Ｃ Ｊ ｈ ａ ｎ ｃ ｈ ｕ ｎ， ｉ ｌ ｉ ｎ１ ３ ０ ０ ２ ２ ｇ
中 国 激 光
动态星模拟器就是一种对星敏感器进行功能测 试 的 设 备， 可以实现对星敏感器观测天空的实时模 拟 。 现有的动态星模拟器多采用薄膜晶体管液晶显 和数字微镜器件 （ 组件显示星 示屏 （ Ｌ Ｆ Ｔ Ｃ Ｄ） ＤＭＤ） Ｔ － ： 、 光能利用率低 图， 其中 Ｔ Ｌ Ｆ Ｔ Ｃ Ｄ 的对比度为 ６ ０ ０ １ － 无法达到多星等的模拟要求 ， 于１ 星等模拟范围 ０ ％， 多在 ２～６ 等 星 ； 而 ＤＭＤ 的 单 个 微 反 射 镜 尺 寸 为 相邻微镜间缝隙为 １μ 很难实现星 ４μ ｍ× １ ４μ ｍ、 １ ｍ， 点位置的高精度模拟 ， 相关资料表明星间角距精度只
（
２
１
长春理工大学光电工程学院 ，吉林 长春 １ ３ ０ ０ ２ ２
吉林省光电测控仪器工程技术研究中心 ，吉林 长春 １ ３ ０ ０ ２ ２
）
摘要 针对高精 度 星 敏 感 器 对 其 功 能 测 试 设 备 精 确 模 拟 星 点 位 置 和 星 等 的 实 际 要 求 ， 设计了一种硅基液晶 （ ） 型高精度动态星模拟器的光学系统 。 分析星模 拟 器 准 直 与 照 明 光 学 系 统 的 任 务 需 求 并 给 出 了 设 计 方 案 。 Ｌ Ｃ Ｏ Ｓ 为提高模拟器的成像精度 ， 提出了 Ｌ 详 细 设 计 了 大 视 场、 大 相 对 孔 径、 大出瞳距离的准直光 Ｃ Ｏ Ｓ 的光学拼接 方 法 ， 对照明光学系统进行了详 学系统并进行了像质评价 ； 为同时满足显示器件的照明条 件 和 －１～７ 等 星 的 准 确 模 拟 ， 细设计并给出了仿真结果 。 提出了一种动态星模拟器 星 点 位 置 修 正 方 法 ， 通 过 实 验 测 试， 动态星模拟器的星间角 ， 距误差优于 １ 精确模拟 －１～７ 等星 ， 满足当前对高精度星敏感器的检测需要 。 ２ ″ 关键词 光学设计 ；星模拟器 ；硅基液晶 ；光学拼接 ；复眼照明 ： ／ 中图分类号 Ｖ ２ ４ ９． ４ 文献标识码 Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ７ ８ ８ Ｃ Ｊ Ｌ ２ ０ １ ４ ４ １． ０ ７ １ ６ ０ ０ ３
基于嵌入式微处理器和FPGA的高精度测频设计
基于嵌入式微处理器和FPGA的高精度测频设计董婧;陈昊【摘要】根据等精度测频原理,设计实现了基于嵌入式微处理器SEP 3203和FPGA的测频系统,给出了系统的硬件组成和软件设计流程.在一片FPGA上实现宽范围、高集成度、高速、高精度和高可靠性的频率测量和数据处理,并和嵌入式微处理器SEP 3203实现通信,达到了将嵌入式微处理器灵活的控制功能与FPGA器件的有机结合.最后给出该设计方案的实际测量结果,达到了较高的频率测量精度.该系统已经应用于一款无纸记录仪中.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)020【总页数】3页(P160-162)【关键词】频率测量;FPGA;高精度;嵌入式微处理器【作者】董婧;陈昊【作者单位】东南大学,集成电路学院,江苏,南京,210096;东南大学,集成电路学院,江苏,南京,210096【正文语种】中文【中图分类】TM9351 引言本课题来源于一个无纸记录仪的项目。
在该项目中要求无纸记录仪中有一路通道将工业现场采集到的频率信号测量并显示出来。
传统的测频系统大多采用单片机加逻辑器件构成，而这类测频系统存在测频速度慢、准确度低、可靠性差的缺点，故而使测量仪表达不到工业现场的要求。
鉴于此，本文设计了一种基于嵌入式微处理器SEP 3203和FPGA的测频系统。
将嵌入式微处理器灵活的控制功能与FPGA的设计灵活、高速和高可靠性的特点有机结合，从而达到工业现场的实时测量要求，而且该测频系统具有可重构性。
2 测频原理常用的直接测频方法主要有测频法和测周期法2种。
测频法就是在确定的闸门时间tw 内,记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx，被测信号的频率为fx =Nx/tw 。
测周期法需要有标准信号的频率f s,在待测信号的一个周期内tx,记录标准频率的周期数Ns，被测信号的频率为fx = f s/ Ns 。
这2种方法的计数值会产生±1 个字的误差,并且测试精度与计数器中记录的数值Nx或Ns有关。
基于Maxwell环境的LVDT传感器仿真设计
基于Maxwell环境的LVDT传感器仿真设计作者：***来源：《机电信息》2020年第12期摘要：LVDT（Liner Variable Differential Transformer）传感器是一种差动变压器式传感器，用于将机械位移信号转换成电信号，具有工作环境适应性强、可靠性高、输出精度高、线性度好等显著特点。
现以Maxwell为基础，分析LVDT传感器电磁性能仿真过程，以提高LVDT传感器产品设计效率。
关键词：LVDT;电磁性能;仿真设计0 引言随着5G时代到来，航空航天领域信息化、自动化水平进一步提高，LVDT传感器也凭借其灵敏度高、线性度好、分辨率高、使用寿命长等优点而得到广泛使用。
LVDT传感器主要由线圈架、铁芯、初级线圈、次级线圈以及闭磁筒等零部件组成。
受磁性材料、线圈绕制等因素影响，“计算—试制—测试—重新计算—再试制—再测试”的传统设计方式已无法满足产品迭代更新和高质量要求。
随着计算机技术的发展，CAD/CAE技术在产品设计中得到了推广使用，利用Ansys系统中Maxwell模块进行传感器线圈电磁性能仿真计算，可提高工作效率及产品质量。
1 LVDT工作原理LVDT传感器采用差动变压器原理设计，根据电磁感应原理，将机械位移信号转换成电信号。
如图1所示，差动变压器结构由1个初级线圈、2个次级线圈及铁芯组成。
根据电磁感应原理，当在初级线圈施加激励交流电壓Ui时，次级线圈上产生感应电压，将2个次级线圈反极性串接，由于2个次级线圈输出电压U1、U2相位相反，将二者叠加后，在两个次级线圈产生电位差U0。
当铁芯处于中心位置时，U1=U2，叠加后的输出电位U0=0;而当铁芯随被测物移动产生位移时，U0产生变化。
在一定的范围内，U0的大小与铁芯距离中心对称位置的位移量成正比，该区间为传感器的有效行程工作区间。
据此，通过检测U0输出值的大小，便可得知铁芯位移变化量。
2 传感器输出特性计算LVDT传感器电气原理图如图1所示，为了便于分析计算，将线位移传感器看作是一个理想变压器，忽略铁损、耦合电容和涡流损耗对传感器性能的影响。
LVDT校正技术研究
LVDT校正技术研究阮健;朱兆良;李胜;刘奎【摘要】鉴于当前LVDT校正技术研究的不足,提出了一种基于支持向量机的LVDT校正技术,该项技术在全量程的范围内,提高传感器的线性度;同时消除LVDT 的激励频率、物理参数和工作温度对LVDT输出的影响.在不同位置下,将不同激励频率、不同物理参数、不同工作温度与对应的输出信号作为训练数据,并将训练得到的基于支持向量机的校正模型取代传统的校正电路以实现校正目的.结果表明:此技术实现了预定的目标,以0～10 mm为全量程范围,其最大误差为0.125％.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2016(044)002【总页数】5页(P184-188)【关键词】LVDT;校正;支持向量机【作者】阮健;朱兆良;李胜;刘奎【作者单位】浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,浙江杭州310014;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,浙江杭州310014;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,浙江杭州310014;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TH137差动变压器式位移传感器( 简称为LVDT) 是把直线位移转换为模拟电压的传感器，能进行非接触式位移测量，具有结构简单、响应速度快、分辨率高和使用寿命长等优点，因此被广泛应用于工业控制场合.LVDT的体积越大其线性范围越大，通过适当的算法可以有效的改善线性范围，从而在选择LVDT的型号时可以选择体积更小的LVDT，有利于在狭小空间上的应用.为了克服非线性特性，数字信号处理算法、离散模拟电路、傅立叶变换和人工神经网络技术等方式被用来改善LVDT的线性范围[1-5]，数字信号处理算法、离散模拟电路和傅立叶变换等方法没有实现全量程范围内的线性化，且精度不高.人工神经网络技术虽然具有很强的非线性逼近能力, 但是其训练速度慢、容易陷入局部最小点、存在过拟合现象以及泛化能力较差等局限性使其难以达到预期精度.此外，LVDT的输出还受到LVDT的物理参数、激励频率和工作温度等参数的影响[6-8].为了克服已有研究的局限性，提出了一种基于支持向量机的LVDT校正技术，支持向量机是一种机器学习方法[9]，建立在统计学习理论的基础上，采用结构风险最小化原则，提高了泛化能力，保证全局最优解，能够较好地解决小样本、非线性的问题，能在全量程范围内实现LVDT的线性化，且能消除LVDT的物理参数、激励频率和工作温度对LVDT输出的影响.LVDT被用于测量直线位移，它的工作原理类似于变压器.如图1所示，LVDT主要由铁芯、一个初级线圈和两个次级线圈组成，初级线圈与次级线圈间的互感量随铁芯位移的改变而改变，LVDT的两个次级线圈采样反向串接的方式，输出差动电压信号[10].图2为LVDT的截面图，LVDT之间的关系式[9]分别为式中：Ip为初级线圈电流；np为初级线圈匝数；ns为次级线圈匝数；f为激励频率.差分电压U为U=b)L12令铁芯在中位时，则当铁芯移动Δx位移时，有，代入式(1)，可得U式中：μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7；vp为激励电压幅值；lp为初级线圈电感；Rp为初级线圈电阻.线圈电感随环境温度的变化关系式为式中：Lt为t ℃时的电感值；Lt0为t0℃时的电感值；α为温度系数.通过仿真说明目前LVDT测量技术所存在的问题，设3种不同的激励频率f分别为4,，5，6 kHz；3种不同的r2与r1之比分别为2，3，4；3种不同的初级线圈匝数np分别为150，200，250；3种不同的次级线圈匝数ns分别150，200，250；3种不同的工作温度t分别为0，30，60 ℃，LVDT量程范围为0～10 mm.借助MATLAB来仿真上述参数的变化对LVDT输出的影响,其结果分别如图3～7所示.为了克服上述问题，提出了基于支持向量机的LVDT校正技术，其原理如图8所示，该技术通过添加训练得到的SVM校正模型以实现校正.基于支持向量机的LVDT校正技术，其实质是回归问题分析.支持向量机为回归问题的分析提供了框架，支持向量机校正模型的原理是：利用非线性映射将输入的数据映射到高维空间，在高维空间变换后进行回归分析[11-13]，建立输入IN，f，r2/r1，np，ns，t和输出P的函数关系，因此LVDT校正可定义为如下的SVM 回归问题.设采集的LVDT数据样本集为{xi,yi}，i=1，2，…，n，其中，输入xi∈RN，需要求解的回归函数可表示为式中：w·φ(x)为w和φ(x)的内积；w为高维空间中的向量；φ(x)为SVM模型的输入函数；b∈R，为阀值.为求解w与b，在实际应用中引入松弛变量ξ,ξ*≥0，将式(2)转换为优化问题：约束条件为式中：i=1，2，…，n；C为惩罚系数，C越大表示对训练误差大于ε的数据样本的惩罚越大；ε规定了回归函数与输出的误差要求，ε越小，回归函数与输出的误差越小，估计精度越高.在求解式(3)所述优化问题时，引入Lagrange算子α和α*，将式(3)的优化问题转换为其对偶形式进行求解[14-15]，即maxw(αi,αi*)=(αj-αj*)〈φ(xi)·φ(xj)〉-约束条件为式中〈φ(xi)·φ(xj)〉为高维空间的点积运算，函数φ是未知的高维函数.SVM只考虑高维特征空间的点积运算K(xi,xj)=〈φ(xi)·φ(xj)〉，不直接使用函数φ，从而有效地解决了这个问题.K(xi,xj)称为核函数，满足Mercer条件的对称函数均可作为核函数.笔者选用的是径向基核函数(RBF).求得α值有确定回归函数为根据Karush-Kuhn-Tucker条件，计算得式(3)中C的大小直接影响到误差的大小，而C值的选择很难用理论方法确定[16-17].笔者采用的调节参数的准则是：检查某特定加权的修正是否确实减小了误差，如果产生了超调，那么C就减小；若连续几步迭代都是降低误差，则C值就增加一个量.C参数调节自适应关系式为式中：Δe为每次迭代的误差变化；a，b均为常数.当SVM训练结束后，用训练得到的SVM校正模型来测试模型效果，令位移实际值(输入量)范围为0～10 mm，参数f，r2/r1，np，ns，t在各自范围内随机选取，其中参数f限定范围在4～6 kHz,r2/r1 限定范围在2～4,np限定范围在150～250, ns限定范围在150～250,t限定范围在0～60 ℃，在参数随机选取下，位移测量值(输出量)与位移实际值(输入量)之间的关系如图9所示，位移测量值(输出量)与位移实际值(输入量)的误差与位移实际值的关系如图10所示，表1为LVDT校正技术部分的仿真结果.由图10和表1可知：在以0～10 mm 为全量程范围，参数f，r2/r1，np，ns，t 在各自范围内随机选取的情况下，基于支持向量机的LVDT校正技术的最大误差为0.125%，故此技术不仅能实现全量程范围内的线性化，而且能消除参数f，r2/r1，np，ns，t对LVDT输出的影响，能很好的实现目标要求.目前，研究者们所提出的校正技术的有效性仅限于部分的量程范围，另外，当LVDT的物理参数、激励频率或者工作温度发生变化时，都得进行重新校准而笔者所提出的基于支持向量机的校正技术能够在全量程的范围内，提高LVDT的线性度；另外，当LVDT的物理参数、激励频率和工作温度发生变化时，测量系统依然能保持测量的准确度，故此技术对工程应用具有重要的参考价值.【相关文献】[1]FORD R M, WEISSBACH R S, LOKER D R. A novel DSP-based LVDT signal conditioner[J]. Instrumentation & measurement IEEE transactions on,2001,50(3):768-773.[2]MISHRA S K, PANDA G. A novel method for designing LVDT and its comparison with conventional design[C]//Sensors Applications Symposium. Proceedings of the 2006 IEEE. Houston: IEEE,2006:129-134.[3]DRUMEA A, VASILE A, COMES M, et al. System on chip signal conditioner for LVDT sensors[C]// Electronics Systemintegration Technology Conference. Dresden:IEEE,2006:629-634.[4]WANG Z, DUAN Z. The research of LVDT nonlinearity data compensation based on RBF neural network[C] // World Congress on Intelligent Control & Automation.Chongqing:IEEE,2008:4591-4594.[5]WANG L, WANG X, SUN Y. Intelligent acquisition module for differential transformer position sensor[C]//Intelligent System Design and Engineering Application：2010 International Conference on IEEE.Changsha: IEEE,2010:878-883.[6]YUN D, HAM S, PARK J, et al. Analysis and design of LVDT[C]// Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI)：2011 8th International Conference.Incheon: IEEE,2011:836-837.[7]MACIONE J, NESBITT S, PANDIT V, et al. Design and analysis of a novel mechanical loading machine for dynamic in vivo axial loading[J]. Review of scientific instruments,2012,83(2):225-235.[8]GROSZKOWSKI J. The temperature coefficient of inductance[J]. Radio engineers proceedings of the institute,1937,25(4):448-464.[9]张学工.关于统计学习理论与支持向量机[J].自动化学报,2000,26(1):32-42.[10]刘志才.LVDT位移传感器数字信号处理算法及电路研究[D].杭州：浙江大学,2012.[11]白鹏,张喜斌,陈长兴.基于支持向量机的压力传感器校正模型[J].空军工程大学学报(自然科学版),2007(5):37-40.[12]CHANG C C, LIN C J. LIBSVM: a library for support vector machines[J]. Transactions on intelligent systems & technology,2007,2(3):389-396.[13]SUYKENS J A K, VANDEWALLE J. Least squares support vector machine classifiers[J]. Neural processing letters,1999,9(3):293-300.[14]GESTEL T V, SUYKENS J A K, BAESENS B, et al. 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采用LVDT位移传感器的高温阀位置伺服系统设计
采用LVDT位移传感器的高温阀位置伺服系统设计
张立娟;程相;左哲清;陈祖希
【期刊名称】《重庆理工大学学报:自然科学》
【年(卷),期】2022(36)4
【摘要】为解决传统数字阀驱动复杂、控制器体积大、可靠性差等问题,设计了一种高温阀位置伺服系统控制器。
该控制驱动器采用LVDT位移传感器进行高温阀阀芯位移的检测,通过控制前置级偏心拨杆阀,实现对主功率级高温阀的位置控制。
介绍了伺服系统的总体方案、硬件设计、Simulink仿真模型,控制技术等,并对系统样机进行了实验。
证明了该伺服控制器体积小、动态高、分辨率高,实现了对高温阀流量输出的精确控制。
【总页数】6页(P313-318)
【作者】张立娟;程相;左哲清;陈祖希
【作者单位】北京精密机电控制设备研究所航天伺服驱动与传动技术实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TM921.541
【相关文献】
1.伺服阀分辨率影响电液位置伺服系统低速性能的研究
2.基于LVDT的微小位置测量系统设计
3.LVDT位移传感器在伺服阀测试中的应用
4.阀控对称液压缸电液位置伺服系统设计与故障模拟
5.LVDT传感器在2D压力伺服阀中的应用
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基于FPGA的高精度等效采样系统的设计与实现
• 192•提出了一个宽范围、高频率顺序等效采样的实现方案。
本文阐述了顺序等效采样技术的原理，采用该技术，提出了通过500MHz 的频率去逼近待测信号频率，从而产生所需要的触发时刻与下一采样时刻的时间间隔的方法，并利用FPGA 开发板和10MSPS 12bit ADC 芯片实现了对0.1Hz 至100MHz 的周期信号的量化，最后在示波器上成功显示采样后的波形。
一般情况下，ADC 芯片的输入带宽是采样频率的十分之一或者更低，然而，由于电路速度和器件失配的限制，采样频率越高的ADC 的分辨率越低。
因此，在实时采样的限制下，对高速信号进行高精度的量化是难以实现的。
但是，对于周期性的高速信号，可以采用等效采样的方法，以低采样频率高分辨率的ADC 对其量化，然后通过波形重构的方式得到输入信号的数字化信息。
这是一种非实时的量化方法，其等效采样频率等于系统可精确控制的最短时间的倒数。
基于外围数字电路的辅助，高精度ADC 可以量化比自己采样频率高得多用具有关断功能的4.5ns 轨至轨高速比较器TLV3501，主要负责将输入的正弦信号转换为方波信号，为了让FPGA 更好地识别信号的高低电平。
信号发生器产生正弦波信号，然后通过比较器将正弦波装换成方波，再通过频率计得出该信号的频率，根据周期的大小来选择采样的方式——低于1MHz 的信号采用实时采样方式，高于1MHz 的信号通过ADC 采用等效采样的方式，最后通过DA 转换模块将采样后的波形显示在示波器上。
频率计和ADC 由FPGA 内部的锁相环（PLL ）提供100MHz 的时钟。
2 频率计本实验的频率计采用等精度测量的方法。
不同于标准频率比较法，等精度测量引入了D 触发器，所以计数器不会随着闸门门限的变化而变化，而是随着待测信号的变化而变化。
也就是说，闸门门限的上升沿和下降沿是否到来并不会影响计数器的工作情况，而是根据待测信号来判断是否让计数器开始或者停止工作，从而保证了计数器计的数刚好是待测信号周期数的整数倍。
一种LVDT信号调理电路的设计
一种LVDT信号调理电路的设计作者：李阳程陶然来源：《电脑知识与技术》2019年第10期摘要：该文介绍了一种五线制LVDT信号调理电路的设计方案，其中包括正弦波激励电路、整流电路以及滤波电路。
通过对该电路方案进行功能测试，结果表明该设计方案具有较高的测试精度，并且在理论上可用于其他类型LVDT传感器信号的调理，实用性强。
关键词：LVDT传感器；整流电路；调理电路中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2019）10-0246-02開放科学（资源服务）标识码（OSID）：1 概述线性可调差动变压器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）是一种常见类型的位移传感器，可将以机械方式耦合的物体的直线运动转换为对应的电气信号，其主要由铁芯、初级线圈和次级线圈等部件组成，在工业控制和航空发动机控制等领域得到了广泛应用[1]，其特点是原理和结构简单、性能可靠、精度和灵敏度较高、具有较强的适用性等特点，线性可调差动变压器的输出信号为两个线圈的差动电压信号，能够实时地、高准确性地将机械位移信号转化成电信号。
LVDT传感器信号调理电路一般包括正弦波激励信号、LVDT传感器、全波整流电路以及滤波电路等。
本文介绍了一种五线制LVDT传感器信号调理电路的设计。
2 五线制LVDT传感器五线制LVDT 传感器是一种常用的LVDT传感器，其结构如图1所示，整个传感器主要由铁芯、初级线圈、次级线圈等组成，工作原理为通过次级线圈VA和VB的振幅来计算铁芯的位移。
当铁芯处于中间时，VA 和VB的感应电动势相等，此时输出电压为0。
当铁芯在线圈内部来回移动时，VA和VB的感应电动势不相同，铁芯位移的大小决定了VA和VB差值的大小，同时VA与VB振幅之间的差和铁芯位移大小具有线性关系，所以在实际应用中通过VA和VB感应电动势的振幅差值即可计算出铁芯的在传感器内部的位移变化值[2] [3]。
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基于幅频自校准的高精度LVDT模拟器设计何宴辉;汪理虎;刘涛【摘要】电路模拟LVDT传感器在航空发动机测试中有着广泛的应用,相对于机械传感器其降低了使用难度和维护费用;传统模拟器由于电路中变压器的影响,仿真精度较差导致系统测试准确性降低,研制高精度LVDT模拟器存在着较大的工程需求;文章从LVDT传感器工作原理出发,基于乘法型DAC芯片实现了电路合成模拟LVDT传感器;同时在模拟器中设计自动校准单元,利用离线拟合并存储到FPGA中的模板曲线对不同通道进行在线校准,消除了变压器幅频响应的影响,提高了模拟器在宽频率范围内的仿真精度;文章通过理论推导证明了模板曲线的有效性,通过测试数据验证了该模拟器在0.36～10 kHz范围内可达到优于0.1％的设计精度;该模拟器能够逼真模拟LVDT传感器的电气行为,已成功应用于某型号发动机控制系统的地面仿真测试平台中,达到了预期效果.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2016(024)007【总页数】4页(P268-271)【关键词】LVDT模拟器;校准;幅频响应【作者】何宴辉;汪理虎;刘涛【作者单位】上海航天电子技术研究所,上海201109;上海航天技术研究院,上海201109;中国商用航空发动机有限责任公司,上海 201108【正文语种】中文【中图分类】TN919LVDT 传感器(linear variable differential transformer)，即线性可变差动变压器，是一种机械—电信号传感器，具有结构简单、动态特性好、精度高、可靠性高等优点。
LVDT传感器由一个初级线圈和两个反向串联的次级线圈以及铁芯组成，铁芯可在一定的线性范围内自由移动，通过铁芯的移动将被测位移量转换为传感器互感的变化，使次级线圈感应电压也产生相应变化[1]。
LVDT 传感器在航空发动机控制系统等多个行业中被用作精密的位移检测部件。
但在发动机的仿真测试等应用场合，如果使用真实的LVDT传感器，其运行和校准需要配备复杂的位移运动机构，增加了使用难度和维护费用，所以使用电路合成方法来模拟LVDT传感器是自动化测试与仿真技术中的一个发展方向。
LVDT模拟器实现中一般需要进行通道间或激励与响应间的电气隔离，变压器是不可或缺的部件，众所周知，变压器存在幅频响应，其变换信号幅值会随频率而改变，导致传统LVDT模拟器只能在某一固定频率点上保证设计精度，为克服上述问题，本文基于乘法型DAC并结合一种幅频自校准方法，实现了0.36 kHz～10 kHz 宽频率范围内LVDT模拟器0.1%的输出仿真精度。
LVDT工作时，外部对传感器提供激励信号p=A*sin(ωt)，则响应信号为s1=k*A**sin(ωt)，和s2=k*A**sin(ωt)，其中x表示位置信号，取值0～x0，k是LVDT的变压比。
根据LVDT传感器激励与响应公式，采用乘法器即可实现模拟LVDT传感器的功能，乘法器的一项为欲设定的位置信息，另一项为激励信号，输出相当于位置信息与激励信号的乘积。
另外使用中对于LVDT模拟器仿真精度具有0.1%的要求，所以必须配置自校准电路以消除电路误差，同时为了保证仿真信号质量，输入和输出以及各个通道之间必须进行电气隔离方式。
模拟器系统构成原理如图1。
模拟器主要由LVDT信号实现单元，自校准单元以及FPGA控制单元组成，其中LVDT信号实现单元是LVDT功能模拟通道，用于根据激励输出响应信号，包含激励信号调理模块、乘法器模块、响应信号调理模块等。
自校准单元包括校准频率源、模拟/校准的切换控制电路和信号采集模块，用于实现LVDT模拟器各通道的自动在线校准，保证仿真精度。
FPGA控制单元主要完成LVDT位置信号到乘法器输入的变换，校准算法实现以及和上位机通信等功能，如在FPGA中可以利用USB IP核实现USB接口的LVDT模拟器等。
外部提供的激励信号经过激励信号调理模块转换为单端信号后，进入乘法器模块，FPGA控制单元根据需要模拟的位置信息，将位置数据转换为乘法器的一项输入，与激励信号相乘产生需要的A相、B相电压信号，同时为了实现LVDT信号通道间以及激励与响应的隔离引入电流互感器进行隔离，变压器输出的弱信号经过输出信号调理电路成为模拟器的输出。
为保证模拟器精度，模拟器在出厂时必须进行校准，必要时用户也可以自行进行校准，上位计算机通过FPGA单元控制继电器将模拟器切换至校准状态，校准时模拟器自动产生一个标准频率信号，该信号同时输入校准单元的有效值变换模块和待校准通道信号实现单元内的激励模块，如图1。
将乘法器模块设置到1倍放大输出状态，经响应信号调理模块和有效值转换模块变换后，交流信号变为直流信号。
FPGA单元将上述两个不同途径获得的直流信号进行比较，可得到此通道的误差校准参数，然后将该参数在FPGA的配置芯片内进行存储，正常使用时FPGA控制单元自动按照这个参数对设定的位移参数进行校准。
信号实现单元是LVDT模拟功能的实现部分，通过上位机向模拟器注入期望的位置信息，经过解算后，模拟器根据位置信息和输入的激励信号输出期望的响应值。
激励信号调理模块和响应信号调理模块均为放大器调理电路，其中激励调理模块将模拟器外部提供的差分激励信号转换为单端信号，同时进行阻抗变换，以增强模拟器对外部输入信号的适应性。
响应信号调理模块通过单端到差分的转换提高输出信号的共模抑制比并实现输出信号阻抗变换，并通过在输出端设计防浪涌二极管等保护措施，增强LVDT模拟器的可靠性[2]。
乘法器模块是实现LVDT模拟器的核心电路，乘法器在工程中有两种实现方式，第一种是采用专门的模拟乘法器芯片实现，如AD734等，根据模拟乘法器的输出公式，该类器件比较适合于两项模拟量相乘的情况，而LVDT模拟器中预设的位置信息一般为数字量，所以还要经过一级模数转换才能实现功能，会导致LVDT模拟器成本提高、精度下降。
另一种是采用乘法型DAC，该类器件的激励与响应关系为VREF，其中D为DAC的数字量输入，VREF为DAC的基准输入。
由上可知，乘法型DAC能够完成外加基准电压和数字设置增益之积形式的输出，即它可以将高分辨率数字增益施加到可变频率的模拟信号上，比较适合用来模拟LVDT传感器。
本设计中采用乘法型DAC芯片DAC5545来实现乘法器功能，该芯片的乘法运算带宽为10 MHz，转换精度为16 bit，可满足使用要求，应用时将模拟器的输入激励信号作为乘法型DAC的VREF，预设的位置信息作为DAC的数字输入D。
LVDT传感器作为变压器的一种，它的初级激励信号和次级响应信号是完全隔离的，LVDT模拟器工作的测试环境中，为增加系统抗干扰能力和模拟真实环境，LVDT模拟器的信号线与电源地线及各个通道间一般都是电气隔离的，为此在模拟器实现过程中需要采用变压器实现激励与响应、各通道间的电气隔离。
一般的变压器非线性较差，为了达到较好的设计精度，本文采用毫安级的精密电流互感器实现电气隔离，变压器隔离电路如图2所示。
电流互感器系数为1:1，额定输入电流和额定输出电流均为2 mA，乘法器的输出信号为电压信号，利用压流转换电路实现电压到电流的变换，其变换公式为i=Vi/R′，电流信号由变压器的初级线圈等比例传输到次级线圈，因LVDT模拟器的输出要求为电压信号，所以在互感器后级需要设计流压转换电路实现电流到电压信号的变换，其输出公式为 Vo=-i·R，i为互感器中的电流。
在应用中结合模拟器输出需要实现最高2倍变压比的需求，将R选取为R=2R′，可知 V0=2 Vi，在工程中R的值可按照V0/0.002进行选取，电容C1及可调电阻r'用来补偿相位，建议C1取约为65/R(μF)，r选取为200 KΩ。
电容C2和C3取400至1 000 pF，用来去耦和滤波，两个反接的二极管可保护运算放大器，使用性能较好的运算放大器，较容易达到较高的精度和较好的稳定性。
工程应用中，LVDT模拟器的精度对使用至关重要，应用中需要根据情况进行校准以满足使用要求。
校准分为自动校准和外部校准两种，显然自动校准具有更广泛的应用性，如发动机测试系统应用中就需要LVDT模拟器在不连接外部激励时实现自校准。
根据图1可知，LVDT模拟器的主要误差来源包括：激励和响应信号调理模块的线性误差、乘法器的转换误差、变压器模块的线性放大误差及频率响应非线性误差、校准电路中有效值转换模块和ADC采集模块的固定误差。
为消除上述误差的影响，设计如图1的校准电路以保证各通道的仿真精度。
在模拟器上设计一个校准激励源，该校准源可以产生一个标准的3 kHz的正弦波信号，当LVDT模拟器处于校准状态下，继电器开关由正常模式切换至校准模式，LVDT 模拟器的输入接入自动校准电路中，由板载的校准源来驱动待校准的LVDT通道，同时该校准源的信号也经过有效值转换模块和ADC采集模块被转换为固定的数字量。
板载校准源信号经过待校准的LVDT通道实现信号转换后输出到自动校准电路中，同时设置校准通道的放大倍数为1，响应信号经过同样的有效值转换模块和ADC模块转换为数字量，如实现校准只要将两个数字量做比值即可完成。
根据原理框图及校准原理，输入与输出的关系如下：Out=K1·K2·K(f)·K3·K4·In校准时In为模拟器的校准源激励，Out为校准源经过待校准的LVDT通道后的响应。
K1为乘法型DAC的变换参数，它的值是模拟器位置信息的反映，通过调节K1，模拟器可以模拟不同位置，它的值受DAC的输入数字量控制，在校准时该参数为固定值，即1/2。
K2为乘法型DAC的转换误差，对于每一个固定的DAC，K2的值是固定的，该参数由DAC器件保证，由于设计中使用了高精度DAC，该误差可忽略不计。
K(f)为精密电流互感器的放大倍数，设计中采用的是1:1的电流互感器，其标称值为1，工程实际中K(f)为频率的函数，其放大倍数会跟随频率变化。
K3为变压器两端电压-电流变换和电流-电压变换系数，其标称值为2，其值由图2中匹配电阻R和R′决定，根据电阻特性，可知该误差为线性误差。
K4为校准模块中有效值转换模块和ADC采集模块的固定误差系数，由校准原理和公式(1)知，激励和响应信号都经过了有效值转换模块和ADC采集模块，即采集到的校准源信号中也包含该误差，所以该部分引入的固定误差会在校准中会自动抵消。
由上述可知：其中，Dout，Din为激励和响应所对应的数字量。
如不考虑变压器的频率响应，即将K(f)作为常数，按照公式(2)，在进行通道校准时，将Dout与Din做比值即可得到该通道的校准参数。
但实际中绝大部分变压器K(f)与频率是相关的，它是频率的函数，如图3。