差动变压器测量与调理电路设计.docx
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差动变压器测量与调理电路设计
差动变压器的测量与调理电路设计
摘要
本文设计了一个由差动放大器、移相器、相敏检波器和低通滤波器组成的对差动变压器的输出信号进行放大、移相、检波和滤波的信号测量与调理电路。
实现了对差动变压器的输出电压信号从-5V到+5V连续线性变化的测量。
关键字：
差动变压器，信号测量，信号调理
1.引言
把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。
这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。
可以直接用于位移的测量，还可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。
差动变压器式传感器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁拉移的大小，而不能反映移动方向，同时其测量值中将包含零点残余电压。
故在实际测量时，通常采用差动整流电路和相敏检波电路。
本文用到的差动变压器为绕于有机玻璃上的双层线圈，中间为软磁铁氧体。
线性范围：
3mm。
频率范围1KHz～10KHz。
图1-1参考原理框图
2.差动变压器式传感器结构及工作原理
差动变压器式传感器在测量时，能将被测位移量转换成线圈间的互感变化，其典型结构原理如图2-l所示:
1是输入线圈（称一次侧线圈）；2是绕在同一线框上两组结构对称的线圈（称二次侧线圈），它们反向串联组成差动输出形式；3是衔铁，与测量端相连，它的位置变化反映被测位移的变化。
理想差动变压器的原理如图2-2所示。
当一次侧线圈加人激励电源后，其二次侧线圈N21、N22产生感应电动势U21、U22，
式中
表示激励电源角频率；M1、M2表示一次侧线圈N1与与二次侧线圈N21、N22之间的互感；I1表示一次侧线圈的激励电流。
由于N21、N22反向串联，所示二次侧线圈空载时的输出电压U0为
互感系数M1、M2的大小与衔铁位置有关，当衔铁处于中间位置时M1=M2=M，所以U0=0。
当衔铁偏离中间位置向上移动时，N21互感增大，M1=M+△M，N22互感减小，M2=M-△M，所以
，同理，当衔铁偏离中间位置向下移动时，有
。
图2-1差动变压器结构示意图图2-2差动变压器原理图
1一次侧线圈2二次侧线圈3衔铁4测杆
3.差动放大器的设计
3.1设计要求
设计一个集成运算放大器OP07组成的增益可调的交直流放大器，可接成同相反相差动结构，增益可调范围为1～100倍。
3.2电路设计方案比较
方案一：
经典四电阻式差动放大器
图3-1经典四电阻式差动放大器原理图
方案二：
零漂、增益可调差动放大器
图3-2零漂、增益可调差动放大器原理图
将差动放大器的
、
输入端接地，通过调节滑动变阻器W5可以调节差动放大器的零点残余电压至零。
通过调节滑动变阻器W2可以调节差动放大器的放大倍数，实现1～100倍增益可调。
方案一结构简单，但零漂和增益均不可调，所以选择方案二。
3.3电路调试结果
图3-3差动放大器仿真图
图3-4差动放大器输入信号（刻度50mV/Div）
图3-5差动放大器输出信号（刻度5V/Div）
差动放大器的输入信号为50mV/1kHz，相位相差180。
的两路正弦波，输出信号为5V的正弦波。
由图3-4和图3-5可知，输入信号被放大了100倍。
4.移相器的设计
4.1设计要求
其允许输入电压大于10Vpp，允许输入频率大于10KHz，移相范围<20°（5KHz）（随频率而变化），增益为1。
4.2电路设计方案比较
方案一：
RC串联移相电路
图4.1所示所示RC串联电路，设输入正弦信号，其相量
。
若电容C为一定值，则有R从零至无穷大变化，相位从900到00变化。
图4.1RC串联移相电路及其相量图
另一种RC串联电路如图4.2所示。
图4.2RC串联移相电路及其相量图
同样，输出电压的大小及相位，在输入信号角频率一定时，随电路参数的不同而改变。
若电容C值不变，R从零至无穷大变化，则相位从00到-900变化。
方案二：
有源移相器
图4-3有源移相器原理图
通过调节滑动变阻器W1、W2均可以实现对输入信号相位的调节。
方案一结构简单，但当信号源角频率一定时，输出电压的有效值与相位均随电路元件参数的变化而不同，因为希望得到输出电压的有效值与输入电压的有效值相等，所以选择方案二。
4.3电路调试结果
图4-4移相器仿真图
图4-5移相器输入信号与输出信号对比
由图4-5可知，输出信号相对输入信号发生了相移。
5.相敏检波器的设计
5.1设计要求
设计一极性反转电路构成的检测电路。
允许最大输入电压小于10Vpp，所需最小参考电压：
0.5Vpp，可检波电压频率大于10kHZ。
5.2电路设计方案比较
方案一：
全波相敏检波器
图5-1全波相敏检波器原理图
方案二：
开关式全波相敏检波电路
图5-2开关式全波相敏检波电路原理图
选择方案二。
5.3电路调试结果
图5-3相敏检波器仿真图
图5-4相敏检波器仿真结果图
当相敏检波器的输入与参考输入端的信号同相时，输出为正极性半波；反之，当相敏检波器的输入与参考输入端的信号反相时，输出为负极性的半波。
6.低通滤波器的设计
6.1设计要求
设计一个由50Hz陷波器和RC电路组成的有源滤波器。
6.2电路设计方案比较
方案一：
无源低通滤波器
图6-1无源低通滤波器原理图
方案二：
有源低通滤波器
图6-2有源低通滤波器原理图
有源滤波器在通频带内对信号进行了放大，使滤波器具有更大的灵活性，并且有源滤波器的Q值优于无源滤波器。
并且，有源滤波器的截止频率的理论值跟实验值偏差很小，而无源滤波器的截止频率的理论值跟实验值偏差比较大。
所以选择方案二。
6.3电路调试结果
图6-3低通滤波器仿真图
图6-4输入信号分别为10Hz、50Hz、100Hz和500Hz时的输出信号对比
由图6-4可知，该低通滤波器对50Hz的信号和高频信号有较好的抑制作用。
7.系统总体PCB图
元器件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
宽带运算放大器
OP07
1
2
宽带运算放大器
LF353
4
3
二极管
1N4148
1
4
电容
若干
5
电阻
若干
实习心得
一周的实习让我看到了自身的不足，也收获了宝贵的经验教训。
从设计一个小型系统时要考虑的方方面面到真正动手搭接面包板时需要注意的各个细节，电子设计的每一个环节都是整体中密不可分的一部分，必须经过全局考虑和仔细思索，这里面还有很多知识值得虚心学习。
除了知识方面启发，这次实习也让我看到了自己的不足。
我们的团队分工合作不够明朗，导致我们浪费了许多时间。
这主要是因为队员之间的交流不够，造成彼此分工不明确，工作效率低下。
这些都是我在后续学习中需要注重改进提高的。
最后，本次实习给我的启发是：
要想真正掌握电气专业的知识技能，仅仅依靠现行的课堂学习是远远不够的，不能仅仅满足于掌握理论知识，还应该在课后学习一些专业软件，用它们来做仿真测试，加深自己对于知识的理解；同时还要多动手，多调试一些电路，熟悉各种元器件的特性，积累设计和分析电路时的经验。
总而言之，非常感谢这次实习给我的反思与启发，让我有机会提高自己的专业技能。
略带戏谑地说，实习就是这样一个过程：
谁不曾感觉过苦恼，谁不曾放弃过自己原先的设想，我们总是在检线无果狠狠失望过一回，然后突然醒悟般地发现问题所在。
我们终究还是做到了，做到了超越昨天的自我。
参考文献
[1]叶伟国.差动变压器式传感器信号调理电路[J].电子测量技术,2002,2002（3）:
34-35
[2]计延忠.差动相敏检波电路的分析[J].湖州师范学院学报,2000,22（增刊）:
20-21
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