Demodulasi LVDT Dijelaskan: Teknik Tipe Pengatur versus Sinkron
Pelajari bagaimana dua metode demodulasi dibandingkan: demodulasi sinkron dan demodulasi tipe pengatur. Di sini kami membahas kelebihan, kekurangan, dan aplikasi yang tepat dari setiap metode.
Dalam artikel sebelumnya, kami membahas operasi dan tantangan dari demodulator pengatur dioda. Dalam artikel ini, kami akan terlebih dahulu melihat keterbatasan demodulator tipe pengatur secara umum. Kemudian, kami akan melihat bahwa demodulator sinkron dapat mengatasi beberapa masalah ini. Akhirnya, kami akan melihat kekurangan demodulasi sinkron dalam aplikasi LVDT.
Keterbatasan Demodulator Tipe Pengatur
Meskipun pengatur presisi dapat mengatasi tantangan pengatur dioda sederhana, demodulator tipe pengatur memiliki beberapa kekurangan secara umum. Dengan demodulator tipe pengatur, kita perlu mengakses center tap dari sekunder LVDT untuk mengatur tegangan di setiap gulungan sekunder. Oleh karena itu, jenis demodulasi ini hanya berlaku untuk LVDT 5-kabel (Gambar 1(b)).
Gambar 1. (a) LVDT 4-kabel dan (b) LVDT 5-kabel.
Ada metode demodulasi lainnya yang tidak memerlukan akses ke center tap dan dapat menentukan posisi inti dengan memproses selisih tegangan antara kedua sekunder. Demodulator ini memungkinkan kita untuk menggunakan LVDT 4-kabel seperti yang digambarkan dalam Gambar 1(a).
Apakah benar-benar penting untuk memiliki jumlah koneksi listrik minimum?
Ada banyak aplikasi di mana sirkuit kondisi berada pada jarak yang jauh dari sensor. Contoh yang baik adalah melakukan pengukuran dalam lingkungan yang sulit aplikasi radiasi di mana sirkuit kondisi harus ditempatkan di area aman, bahkan hingga beberapa ratus meter dari LVDT. Dalam kasus ini, dapat menantang untuk mentransmisikan kedua tegangan sekunder melalui jarak jauh dengan konfigurasi 5-kabel. Dengan modul kondisi yang terletak jauh dari LVDT, diperlukan kabel yang seimbang dengan kapasitansi terdistribusi rendah. Ini berarti peningkatan signifikan dalam biaya kabel.
Kekurangan lain dari demodulator tipe pengatur adalah penolakan noise yang terbatas. Pertimbangkan sensor LVDT dengan perpindahan inti yang mengikuti gelombang sinus pada 250 Hz. Kurva merah dalam Gambar 2 menunjukkan output demodulasi LVDT ini yang diperoleh menggunakan pengatur dioda tipikal.
Gambar 2.
Dalam gambar ini, kurva hijau menunjukkan perpindahan inti x. Seperti yang Anda lihat, output sinyal terlihat seperti versi yang diperkuat dari x kecuali bahwa ada perubahan tiba-tiba yang sesuai dengan beberapa komponen frekuensi tinggi.
Untuk menghilangkan komponen frekuensi tinggi yang tidak diinginkan ini, kita dapat menggunakan filter low-pass dengan frekuensi cut-off sedikit lebih tinggi dari bandwidth mekanis sistem (250 Hz). Oleh karena itu, bahkan dengan filter low-pass ideal, semua komponen frekuensi hingga 250 Hz akan melewati filter tanpa direduksi. Maka, komponen noise di bawah 250 Hz yang menyambung ke output sensor akan muncul di output demodulator juga.
Performa noise yang buruk adalah kelemahan utama dari demodulator tipe pengatur. Keterbatasan ini menjadi lebih jelas dengan kabel panjang. Performa noise bersama dengan persyaratan konfigurasi 5-kabel membuat rangkaian ini tidak cocok untuk jalur kabel panjang ke lokasi jarak jauh. Demodulasi sinkron yang dibahas di bawah ini dapat mengatasi kedua masalah ini.
Demodulasi Sinkron
Pertimbangkan LVDT yang ditunjukkan dalam Gambar 3. Asumsikan bahwa kita memiliki \[V_{EXC} = A_p\cos(2\pi \times f_p \times t)\].
Gambar 3. Contoh LVDT
Output diferensial (V_{out}) adalah sinyal amplitudo-modulasi dan dapat diekspresikan sebagai:
\[V_{out} = A_s \times x \times \cos(2\pi \times f_p \times t + \phi)\]
Persamaan 1.
di mana x adalah perpindahan inti dan \[A_s\] adalah faktor penskala yang memberikan amplitudo output keseluruhan untuk x tertentu. Istilah fase \[\phi\] adalah perbedaan fase yang disebabkan oleh LVDT antara tegangan primer dan sekunder. Pergeseran fase ini seharusnya sangat kecil, terutama pada frekuensi tertentu yang diberikan oleh produsen. Namun, kita biasanya perlu mempertimbangkan pergeseran fase ini.
Teknik demodulasi sinkron mengalikan output diferensial LVDT dengan sinyal excitasi (atau sinyal yang sinkron dengan sinyal excitasi secara umum). Ini menghasilkan:
\[V_{demod} = V_{out} \times V_{EXC} = A_s \times x \times \cos(2\pi \times f_p \times t + \phi) \times A_p\cos(2\pi \times f_p \times t)\]
Persamaan 2.
yang menyederhanakan menjadi:
\[V_{demod} = \frac{1}{2} \times A_s \times x \times A_p [\cos(\phi) + \cos(2\pi \times 2f_p \times t + \phi)]\]
Istilah pertama di dalam kurung siku adalah DC, namun istilah kedua berada pada dua kali frekuensi excitasi. Oleh karena itu, filter low-pass sempit dapat menghapus istilah kedua dan kita memiliki:
\[V_{filtered} = \frac{1}{2} \times A_s \times x \times A_p\cos(\phi)\]
Persamaan 3.
Ini memberikan kita tegangan DC yang proporsional terhadap perpindahan inti x.
Demodulasi Sinkron melalui Perkalian dengan Gelombang Persegi
Kita dapat menggunakan pengali analog untuk mengalikan output LVDT dengan gelombang sinus excitasi (Persamaan 2); namun, pengali analog mahal dan memiliki keterbatasan linearitas. Sebaliknya mengalikan dengan gelombang sinus, kita dapat mengalikan sinyal dengan gelombang persegi yang sinkron dengan input excitasi.
Anda mungkin bertanya-tanya bagaimana gelombang persegi dapat digunakan sebagai gantinya? Gelombang persegi yang bergeser antara ±1 dapat diekspresikan sebagai jumlah tak terhingga dari sinusoida pada harmoni ganjil dari frekuensi gelombang persegi. Oleh karena itu, gelombang persegi dengan frekuensi \[f_p\] dapat diekspresikan sebagai:
\[v_{squarewave}(t) = \sum_{n=1, 3, 5}^{\infty}\frac{4}{n\pi}\sin(2\pi \times nf_p \times t)\]
Ketika output LVDT (sinusoida pada \[f_p\]) dikalikan dengan gelombang persegi, komponen dasar dari gelombang persegi \[(\frac{4}{\pi}\sin(2\pi \times f_p \times t))\] menghasilkan komponen DC serta komponen frekuensi tinggi pada \[2f_p\]. Komponen frekuensi tinggi akan direduksi oleh filter low-pass seperti yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya dan komponen DC yang diinginkan akan muncul di output.
Perkalian dengan harmoni yang lebih tinggi dari gelombang persegi akan menghasilkan komponen frekuensi tinggi pada kelipatan genap dari \[f_p\]. Oleh karena itu, komponen DC adalah satu-satunya yang muncul di output filter sama seperti dalam kasus mengalikan sinyal dengan sinusoida. Keuntungan utama dari perkalian dengan gelombang persegi adalah bahwa itu dapat secara signifikan menyederhanakan implementasi rangkaian demodulator.
Implementasi Rangkaian Demodulator Sinkron
Demodulator sinkron berbasis gelombang persegi ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4. Demodulator sinkron berbasis gelombang persegi
Dalam hal ini, versi yang diperkuat dari output LVDT dikalikan dengan gelombang persegi bukan dengan gelombang sinus excitasi. Gelombang persegi sinkron dengan input excitasi dan diperoleh melalui “Zero-Crossing Detector” seperti yang ditunjukkan dalam diagram blok di atas.
Untuk melakukan perkalian dengan gelombang persegi, gain rantai sinyal secara periodik diubah antara \[±A_{amp}\] (\[A_{amp}\] adalah gain penguat). Perhatikan bahwa jalur bawah menyatukan gain -1. Ini dicapai dengan menggunakan gelombang persegi untuk mendrive switch SW yang mengubah jalur sinyal antara jalur atas dan jalur bawah. Ini secara efektif setara dengan mengalikan output penguat dengan gelombang persegi.
Akhirnya, filter low-pass digunakan untuk menjaga istilah DC dari output dan menekan komponen frekuensi tinggi.
Kelebihan Demodulator Sinkron LVDT
Keuntungan utama dari demodulasi sinkron adalah performa noise-nya. Seperti yang dibahas di atas, demodulasi sinkrom memindahkan output LVDT ke DC dan menggunakan filter low-pass untuk menjaga komponen DC ini. Filter low-pass akan menekan semua komponen noise di luar passband-nya.
Karena sinyal yang diinginkan berada di DC, kita dapat menggunakan filter low-pass yang sempit. Ini akan membatasi bandwidth sistem dan memungkinkan demodulator untuk menekan secara signifikan sebagian besar noise yang menyambung ke output LVDT. Selain itu, dengan demodulasi sinkron, kita dapat menggunakan LVDT 4-kabel.
Kekurangan Demodulator Sinkron LVDT
Meskipun demodulasi sinkron dapat menawarkan kekebalan noise yang lebih tinggi dibandingkan demodulator tipe pengatur, output-nya bergantung pada amplitudo tegangan excitasi (\[A_p\] dalam Persamaan 3). Oleh karena itu, dengan demodulasi sinkron, stabilitas amplitudo input excitasi sangat penting.
Masalah lain adalah output demodulator bergantung pada pergeseran fase dari fungsi transfer LVDT (\[\cos(\phi)\] dalam Persamaan 3). Pergeseran fase ini seharusnya sangat kecil; namun, ini tidak konstan dan dapat berubah dengan titik operasi. Rangkaian demodulator praktis umumnya menggunakan jaringan kompensasi fase untuk menyesuaikan fase gelombang persegi yang dihasilkan. Jaringan kompensasi dapat meningkatkan kompleksitas demodulator.
Namun, kompleksitas yang meningkat ini membuat rangkaian cocok untuk kabel yang relatif lebih panjang dibandingkan dengan demodulator tipe pengatur. Ini karena istilah pergeseran fase \[\phi\] dapat digunakan untuk mengambil penundaan yang disebabkan oleh kabel ke dalam akun. Oleh karena itu, rangkaian kompensasi fase juga dapat digunakan untuk mengompensasi penundaan kabel dan membuat rangkaian cocok untuk kabel yang lebih panjang.
Teknik Demodulasi Lainnya
Demodulasi sinkron menawarkan kekebalan noise yang lebih tinggi dan memerlukan hanya empat koneksi listrik; namun, ia memiliki keterbatasan sendiri seperti ketergantungan pada amplitudo input excitasi serta masalah pergeseran fase. Untuk mengatasi masalah ini, ada beberapa teknik demodulasi lainnya. Teknik-teknik ini biasanya menggunakan konsep pengukuran ratiometrik dan metode berbasis DSP untuk mengatasi keterbatasan demodulator sinkron.
Untuk diskusi yang lebih detail tentang demodulasi sinkron saat diterapkan pada jenis sensor lain, silakan merujuk pada artikel berikut:
- Pengenalan Demodulasi Sinkron
- Demodulasi Sinkron Menggunakan Pengali Analog versus Pengali Berbasis Switch
- Implementasi Analog dan Digital dari Demodulator Sinkron
Untuk melihat daftar lengkap artikel saya, silakan kunjungi halaman ini.
