Démodulation LVDT :type redresseur vs démodulation synchrone

Découvrez comment se comparent deux méthodes de démodulation :la démodulation synchrone et la démodulation de type redresseur. Nous discutons ici des avantages, des inconvénients et des applications appropriées de chaque méthode.

Dans un article précédent, nous avons discuté du fonctionnement et des défis d'un démodulateur redresseur à diodes. Dans cet article, nous examinerons d'abord les limitations des démodulateurs de type redresseur en général. Ensuite, nous verrons qu'un démodulateur synchrone peut résoudre certains de ces problèmes. Enfin, nous examinerons les inconvénients de la démodulation synchrone dans les applications LVDT.

Limites des démodulateurs de type redresseur

Bien qu'un redresseur de précision puisse remédier aux défis d'un simple redresseur à diode, les démodulateurs de type redresseur présentent en général plusieurs inconvénients. Avec un démodulateur de type redresseur, nous avons besoin d'accéder à la prise centrale du secondaire LVDT pour redresser la tension aux bornes de chacun des enroulements secondaires. Par conséquent, ce type de démodulation n'est applicable qu'aux LVDT à 5 fils (Figure 1(b)).

Figure 1. (a) 4 fils et (b) LVDT à 5 fils.

Il existe d'autres méthodes de démodulation qui n'ont pas besoin d'accéder à la prise centrale et peuvent déterminer la position du noyau en traitant la différence de tension entre les deux secondaires. Ces démodulateurs nous permettent d'utiliser un LVDT à 4 fils comme illustré sur la figure 1(a).

Est-ce vraiment important d'avoir le minimum de branchements électriques ?

Il existe de nombreuses applications où le circuit de conditionnement est situé à une grande distance du capteur. Un bon exemple est la réalisation de mesures dans des environnements difficiles d'applications radioactives où les circuits de conditionnement doivent être placés dans des zones sûres, même jusqu'à plusieurs centaines de mètres du LVDT. Dans ces cas, il peut être difficile de transmettre les deux tensions secondaires sur une longue distance via une configuration à 5 fils. Le module de conditionnement étant situé à l'écart du LVDT, il est nécessaire d'avoir un câblage bien équilibré avec une faible capacité distribuée. Cela signifie une augmentation considérable du coût du câblage.

Un autre inconvénient d'un démodulateur de type redresseur est sa réjection de bruit limitée. Considérons un capteur LVDT avec le déplacement du noyau suivant une forme d'onde sinusoïdale à 250 Hz. La courbe rouge de la figure 2 montre la sortie démodulée de ce LVDT obtenue à l'aide d'un redresseur à diode typique.

Figure 2.

Sur cette figure, la courbe verte montre le déplacement du noyau x. Comme vous pouvez le voir, le signal de sortie ressemble à la version amplifiée de x, sauf qu'il présente des changements brusques correspondant à certains composants haute fréquence.

Pour se débarrasser de ces composantes hautes fréquences indésirables, on peut utiliser un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure légèrement supérieure à la bande passante mécanique du système (250 Hz). Par conséquent, même avec un filtre passe-bas idéal, toutes les composantes de fréquence jusqu'à 250 Hz passeront le filtre sans être atténuées. Par conséquent, toute composante de bruit inférieure à 250 Hz qui se couple à la sortie du capteur apparaîtra également à la sortie du démodulateur.

Les mauvaises performances de bruit sont un inconvénient majeur des démodulateurs de type redresseur. Cette limitation devient encore plus prononcée avec des câbles longs. Les performances de bruit ainsi que l'exigence de configuration à 5 fils rendent ce circuit inadapté aux longs câbles vers des emplacements éloignés. La démodulation synchrone discutée ci-dessous peut résoudre ces deux problèmes.

Démodulation synchrone

Considérons le LVDT illustré à la figure 3. Supposons que nous ayons \[V_{EXC} =A_p\cos(2\pi \times f_p \times t)\].

Figure 3. Un exemple LVDT

La sortie différentielle (\[V_{out}\]) est un signal modulé en amplitude et peut être exprimée sous la forme :

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

Équation 1.

où x est le déplacement du noyau et \[A_s\] est un facteur d'échelle qui donne l'amplitude de sortie globale pour un x donné. Le terme de phase \[\phi\] est la différence de phase causée par le LVDT entre les tensions primaire et secondaire. Ce déphasage doit être idéalement très faible, notamment autour d'une fréquence précise donnée par le constructeur. Cependant, nous devons généralement prendre en compte ce déphasage.

La technique de démodulation synchrone multiplie la sortie différentielle LVDT par le signal d'excitation (ou un signal synchrone avec le signal d'excitation en général). Cela donne :

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

Équation 2.

qui se simplifie en :

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

Le premier terme entre parenthèses est DC, cependant, le second terme est à deux fois la fréquence d'excitation. Par conséquent, un filtre passe-bas étroit peut supprimer le deuxième terme et nous avons :

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

Équation 3.

Cela nous donne une tension continue proportionnelle au déplacement du noyau x.

Démodulation synchrone par multiplication par une onde carrée

Nous pouvons utiliser un multiplicateur analogique pour multiplier la sortie LVDT par l'onde sinusoïdale d'excitation (Équation 2); cependant, les multiplicateurs analogiques sont chers et ont des limitations de linéarité. Au lieu de multiplier par une onde sinusoïdale, nous pouvons multiplier le signal par une onde carrée synchrone avec l'entrée d'excitation.

Vous vous demandez peut-être comment utiliser une onde carrée à la place d'une sinusoïdale ? Un basculement d'onde carrée entre ±1 peut être exprimé comme une somme infinie de sinusoïdes aux harmoniques impaires de la fréquence d'onde carrée. Par conséquent, une onde carrée de fréquence \[f_p\] peut être exprimée sous la forme :

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

Lorsque la sortie LVDT (une sinusoïdale à \[f_p\]) est multipliée par l'onde carrée, la composante fondamentale de l'onde carrée \[(\frac{4}{\pi}\sin(2\pi \times f_p \ fois t))\] produit une composante continue ainsi qu'une composante haute fréquence à \[2f_p\]. La composante haute fréquence sera supprimée par un filtre passe-bas comme expliqué dans la section précédente et la composante continue qui est celle souhaitée apparaîtra à la sortie.

La multiplication par les harmoniques d'ordre supérieur de l'onde carrée produira des composantes haute fréquence à des multiples pairs de \[f_p\]. Ainsi, la composante continue est la seule qui apparaît à la sortie du filtre tout comme dans le cas de la multiplication du signal par une sinusoïdale. Le principal avantage de la multiplication par une onde carrée est qu'elle peut simplifier considérablement la mise en œuvre du circuit du démodulateur.

Implémentation du circuit d'un démodulateur synchrone

Le démodulateur synchrone à onde carrée est illustré à la figure 4.

Figure 4. Un démodulateur synchrone à onde carrée

Dans ce cas, la version amplifiée de la sortie LVDT est multipliée par une onde carrée plutôt que par l'excitation sinusoïdale. L'onde carrée est synchrone avec l'entrée d'excitation et est obtenue grâce à un « détecteur de passage à zéro » comme indiqué dans le schéma fonctionnel ci-dessus.

Afin d'effectuer la multiplication par une onde carrée, le gain de la chaîne de signal est périodiquement modifié entre \[±A_{amp}\] (\[A_{amp}\] est le gain de l'amplificateur). Notez que le chemin inférieur intègre un gain de -1. Ceci est réalisé en utilisant l'onde carrée pour piloter le commutateur SW qui modifie le chemin du signal entre le chemin supérieur et le chemin inférieur. Cela équivaut effectivement à multiplier la sortie de l'amplificateur par l'onde carrée.

Enfin, un filtre passe-bas est utilisé pour conserver le terme DC de la sortie et supprimer les composants haute fréquence.

Les avantages des démodulateurs synchrones LVDT

Le principal avantage de la démodulation synchrone est sa performance de bruit. Comme indiqué ci-dessus, la fréquence de démodulation synchrone décale la sortie LVDT vers le courant continu et utilise un filtre passe-bas pour conserver cette composante continue. Le filtre passe-bas supprimera tous les composants de bruit en dehors de sa bande passante.

Étant donné que notre signal souhaité est en courant continu, nous pouvons utiliser un filtre passe-bas étroit. Cela limitera la bande passante du système et permettra au démodulateur de supprimer de manière significative une grande partie du bruit qui se couple à la sortie LVDT. De plus, avec la démodulation synchrone, on peut utiliser un LVDT 4 fils.

Les inconvénients des démodulateurs synchrones LVDT

Bien que la démodulation synchrone puisse offrir une immunité au bruit plus élevée par rapport aux démodulateurs de type redresseur, sa sortie dépend de l'amplitude de la tension d'excitation (\[A_p\] dans l'équation 3). Par conséquent, avec la démodulation synchrone, la stabilité d'amplitude de l'entrée d'excitation est critique.

Un autre problème est que la sortie du démodulateur dépend du déphasage de la fonction de transfert LVDT (\[\cos(\phi)\] dans l'équation 3). Ce déphasage doit être idéalement très faible; cependant, il n'est pas constant et peut changer avec le point de fonctionnement. Les circuits démodulateurs pratiques emploient généralement un réseau de compensation de phase pour ajuster la phase de l'onde carrée produite. Le réseau de compensation peut augmenter la complexité du démodulateur.

Cependant, cette complexité accrue rend le circuit adapté à des câbles relativement plus longs par rapport aux démodulateurs de type redresseur. Ceci est dû au fait que le terme de déphasage \[\phi\] peut être utilisé pour prendre en compte le retard causé par le câblage. Par conséquent, le circuit de compensation de phase peut également être utilisé pour compenser le retard du câble et rendre le circuit adapté aux fils plus longs.

Autres techniques de démodulation

La démodulation synchrone offre une immunité au bruit plus élevée et ne nécessite que quatre connexions électriques; cependant, il a ses propres limitations telles que la dépendance à l'amplitude de l'entrée d'excitation ainsi que le problème du déphasage. Pour résoudre ces problèmes, il existe plusieurs autres techniques de démodulation. Ces techniques utilisent généralement des concepts de mesure ratiométrique et des méthodes basées sur le DSP pour contourner la limitation des démodulateurs synchrones.

Pour une discussion plus détaillée de la démodulation synchrone lorsqu'elle est appliquée à d'autres types de capteurs, veuillez vous reporter aux articles suivants :

• Introduction à la démodulation synchrone
• Démodulation synchrone à l'aide de multiplicateurs analogiques et de multiplicateurs à commutation
• Implémentation analogique et numérique d'un démodulateur synchrone

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