2010飞思卡尔电磁组赛道检测(2)

。已知感

应电动势的频率f0=20kHz，感应线圈电感为L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为：

C=

1

1

(2πf0)

2

L

=

(2π×20×10)

33

×10×10 3

=6.33×10 9(F)

通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF，所以在实际电路中我们选用6.8nF的电容作为谐振电容。

为了验证RLC选频电路的效果，我们对比了在有和没有谐振电容两种情况下的电感输出的感应电压。在导线中通有20kHz左右，100mA左右方波电流，在距离导线50mm的上方放置垂直于导线的10mH电感，使用示波器测量输出电压波形。如下图12所示。

(A)没有谐振电容时感应电压输出(B)有谐振电容时感应电压输出

图12：测量感应线圈两端的感应电压。

从上面结果可以看出，增加有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应20KHz电压信号不仅幅度增加了，而且其它干扰信号也非常小。这样无论导线中的电流波形是否为正弦波，由于本身增加了谐振电容，所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉，只有基波20kHz信号能够发生谐振，输出总是20KHz正弦波。

为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1-5V左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。最简单的设计可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求，如下图所示：

图13：单管共射交流放大电路

当然，也可以选用运算放大器进行电压放大。但是需要选择单电源、低噪音、动态范围达、高速运放不太容易，所示不太推荐使用运算放大器进行信号放大。

3、幅度测量

最简单的方法就是使用 测量放大后的感应电动势的幅值E可以有多种方法。

二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号，然后再通过单片机的AD采集获得正比于感应电压幅值的数值。如下图所示：

图14：倍压检波电路

上图给出了倍压检波电路可以获得正比于交流电压信号峰峰值的直流信号。为了能够获得更大的动态范围，倍压检波电路中的二极管推荐使用肖特基二极管或者锗二极管。由于这类二极管的开启电压一般在0.1-0.3V左右，小于普通的硅二极管（0.7V），可以增加输出信号的动态范围和增加整体电路的灵敏度。

实际上，可以不使用检波电路，而直接将上述单管放大电路中，三极管集电极电压接入单片机的AD端口，使用单片机直接采样交变电压信号，如下图所示：

图15：直接采集放大信号

只要保证单片机的AD采集速率大于20kHz的5-10倍，连续采集5-10个周期的电压信号（大约100数据左右），就可以直接从采集的数据中最大值减去最小值获得信号的峰峰值。假设采集了128个数据：xi,i=1,2, ,128，计算信号的峰峰值Vp p可以有下式计算：

xmax=max(xi,i=1,2, ,128)xmin=min(xi,i=1,2, ,128) Vp p=xmax xmin

上面计算计算方法由于只用应用了数据的最大值、最小值，所得结果容易受到噪声的影响，所以还可以通过计算数据交流信号的平均值、有效值反映信号的幅值：

=

∑x

i=1

128

i

128

,

xave=

∑x ii=1

128

128

,xe=

∑(x )

i

i=1

128

2

128

上面所计算得到的xave,xe等都与信号的峰峰值成单调关系，所以也可以用来进行计算位置差值信号。

下图是采集到左右两侧各64个数据（10bit）。

图16 采集到左右两侧电压信号

根据上面介绍，检测电路框图如下图所示：

四、实际电路与调试

1、直接信号放大电路：如下图所示：

电路焊接完毕后，只要调节可调电阻R1，使得三极管集电极电压处于2.5V左右即可。

将上述放大电路的感应电感放在通有100mA、20kHz导线周围，使用示波器观察电路的输出与输入信号，如下图所示：

通过上图可以看出，放大电路的放大倍数大约为：A=

4.1

=82倍左右。所0.05

得的电压信号可以直接连入单片机的AD转换接口进行采集就可以。在接入单片机时，输出隔直电容C3需要去掉，这样AD输入的交流信号的平均值在2.5V，变化范围在0-5V，满足单片机AD转换的需要。

2、放大检波电路：如下图所示：

实际上，上述电路就是在直接放大电路的基础上增加了倍压检波电路，可以得到与交流信号峰峰值成正比的直流信号。电路的焊接完毕后，调整R1电位器，使得三极管集电极电压处于2.5V左右，即可。下图给出了电路各部分的波形：

图21：放大检波电路各部分的电压波形

从上图可以看出，电路的输出电压基本上与交流信号的峰峰值相等。

在上面电路输出部分C4, R3是进行检波滤波作用，它们的数值乘积对应滤波时间常数，增加滤波时间常数可以减少输出信号的波纹，提高信号的信噪比，但是会带来检波电路响应速度变慢。如果滤波时间常数减少，虽然会提高电路的响应速度，但是输出信号的波纹会增加。因此上，需要合理选择滤波时间常数。如果一阶滤波电路无法满足需要，也可以再增加一级RC滤波来取得速度和滤波效果的折中。

下图给出了突加交流信号和突减交流信号时，上述检波电路的输出信号。 图22：检波电路的单位阶跃函数响应

可以看出，检波电路在信号突增时向响应速度要比信号下降沿的速度快得多，因此此正常调试的时候，需要综合这两个时间确定电路的平均响应速度。

五、问题讨论：

1、如何减小分布电容的影响？

谐振回路的谐振频率与感应线圈的电感量、谐振电容以及引线的分布电容有关系，为了减少分布电容的影响，可以采用以下几个方式：

（1） 减小电感容量，比如使用4.7mH电感，这样可以增加谐振电容的

容量，从而使得分布电容对于谐振频率影响减小。但是这样做会

（2）

降低谐振回路的Q值，减小系统的灵敏度。

减少引线的长度。可以将谐振回路与放大电路做在一起，如下图所示：

图23： 两个检测电路

上面给出电路制作方法，可以避免分布电容的影响，电路输出信号直接就是检波后的直流信号，可以通过引线送到单片机的AD转换端口，而不必考虑引线的分布电容了。

下图是本方案最初进行验证时，组装的微型车模的情况。通过车模的运行，验证了本方案的可行性。

图25： 安装有水平感应线圈的车模

2、如何设计三极管放大电路的静态工作点？

三极管放大电路的静态工作点，包括静态工作电压和静态工作电流。一般为了获得最大的放大动态范围，静态工作电压（三极管的集电极电压）设定为电源电压的一半。

在保证上述静态电压情况下，静态工作电流Ic（三极管集电极电流）取决于集电极电阻。集电极电阻越大，静态工作电流越小。反之，集电极电阻越小，静态工作电流越大。同时，集电极大小取决于基极偏置电流Ib，它们之间的比值就是三极管的电流放大倍数。

一般情况下，电路的放大倍数取决于三极管的电流放大倍数β，三极管的输入电阻rb以及集电极电阻等因素都与静态电流有关系，最终电路的放大倍数在一定范围内与静态工作电流无关，在这儿不做更多 …… 此处隐藏：1700字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……