飛思卡爾智能車比賽電磁組路徑檢測(cè)設(shè)計(jì)方案

1、電磁組競(jìng)賽車模路徑檢測(cè)設(shè)計(jì)參考方案（競(jìng)賽秘書處 2010-1，版本 1.0）一、 前言第五屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽新增加了電磁組比賽。競(jìng)賽車模需要能夠通過自動(dòng)識(shí)別賽道中心線位置處由通有 100mA 交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行路徑檢測(cè)。除此之外在賽道的起跑線處還有永磁鐵標(biāo)志起跑線的位置。具體要求請(qǐng)參閱第五屆智能汽車競(jìng)賽細(xì)則技術(shù)文檔。本文給出了一種簡(jiǎn)便的交變磁場(chǎng)的檢測(cè)方案，目的是使得部分初次參加比賽的隊(duì)伍能夠盡快有一個(gè)設(shè)計(jì)方案，開始制作和調(diào)試自己的車模。本方案通過微型車模實(shí)際運(yùn)行，證明了它的可行性。微型車模運(yùn)行錄像參見競(jìng)賽網(wǎng)站上視頻文件。二、設(shè)計(jì)原理1、導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論

2、，交變電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。智能汽車競(jìng)賽使用路徑導(dǎo)航的交流電流頻率為 20kHz，產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（VLF）電磁波。甚低頻頻率范圍處于工頻和低頻電磁破中間，為 3kHz30kHz，波長(zhǎng)為100km10km。如下圖所示：圖 1：電流周圍的電磁場(chǎng)示意圖導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，按照一定規(guī)律分布。通過檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過來獲得距離導(dǎo)線的空間位置，這正是我們進(jìn)行電磁導(dǎo)航的目的。由于賽道導(dǎo)航電線和小車尺寸 l 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng) ë ，電磁場(chǎng)輻射能量很小（如果天線的長(zhǎng)度 l 遠(yuǎn)小于電磁波長(zhǎng)，在施加交變電壓后，電磁波輻射功率正比于天線長(zhǎng)度的四次方），所以能夠感應(yīng)到電磁

3、波的能量非常小。為此，我們將導(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)近似緩變的磁場(chǎng)，按照檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。由畢奧-薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流 I 長(zhǎng)度為 L 的直導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，距離導(dǎo)線距離為 r 處 P 點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：圖 2 直線電流的磁場(chǎng)è 4ð r由此得: B = cosè4ð r對(duì)于無限長(zhǎng)直電流來說，上式中è1 = 0 ，è 2 = ð ，則有 B =（1）。圖 3：無限長(zhǎng)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度在上面示意圖中，感應(yīng)磁場(chǎng)的分布是以導(dǎo)線為軸的一系列的同心圓。圓上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，并隨著距離導(dǎo)線的

4、半徑 r 增加成反比下降。2、磁場(chǎng)檢測(cè)方法：人類對(duì)于磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和檢測(cè)起源很早，我國(guó)古代人民很早就通過天然磁鐵來B = sin è dè (ì0 = 4ð ×107 TmA1 )( cosè1 2 ) 。4ð r感知地球磁場(chǎng)的方向，從而發(fā)明了指南針。但是對(duì)于磁場(chǎng)定量精確的測(cè)量以及更多測(cè)量方法的發(fā)現(xiàn)還是在二十世紀(jì)初期才得到了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。現(xiàn)在我們有很多測(cè)量磁場(chǎng)的方法，磁場(chǎng)傳感器利用了物質(zhì)與磁場(chǎng)之間的各種物理效應(yīng)：磁電效應(yīng)（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁致電阻效應(yīng)）、磁機(jī)械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng)。下面列出

5、了一些測(cè)量原理以及相應(yīng)的傳感器：（1） 電磁感應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：電磁線磁場(chǎng)傳感器，磁通門磁場(chǎng)傳感器，磁阻抗磁場(chǎng)傳感器。（2） 霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。（3） 各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場(chǎng)測(cè)量方法。（4） 載流子自旋相互作用磁場(chǎng)測(cè)量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場(chǎng)傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。（5） 超導(dǎo)量子干涉（SQUID）磁場(chǎng)測(cè)量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。（6） 光泵磁場(chǎng)測(cè)量方法：光泵磁場(chǎng)傳感器。（7） 質(zhì)子磁進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)測(cè)量方法。（8） 光導(dǎo)纖維磁場(chǎng)測(cè)量方法。以上各種磁場(chǎng)測(cè)量方法所依據(jù)的原理各不相同，測(cè)量的磁場(chǎng)精度和范圍相差也很大

6、，10-11-107G。我們需要選擇適合車模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。在下面所介紹的檢測(cè)方法中，我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈的方案。它具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積?。ㄏ鄬?duì)小）、頻率響應(yīng)快、電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適應(yīng)于初學(xué)者快速實(shí)現(xiàn)路經(jīng)檢測(cè)的方案。通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，場(chǎng)的分布如圖四所示。如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周圍豎直放置兩個(gè)軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場(chǎng)向量的兩個(gè)垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。圖 4：導(dǎo)線周圍的感應(yīng)電磁場(chǎng)導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)

7、線周圍的磁場(chǎng)也將發(fā)生變化，則線圈中將感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場(chǎng)傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓 E 與磁場(chǎng) B(t ) 、電磁線圈的圈數(shù) N 、截面積 A 的關(guān)系有：E = ( NA) × (ì0 ìr )dB(t) d Ö(t )dt dt感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可以用楞次定律來確定。由于本設(shè)計(jì)中導(dǎo)線中通過的電流頻率較低，為 20kHz，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為 r ，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的。再根據(jù)圖 3 所示的導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為：d Ö(t ) k dI Kdt r dt r（2）即線圈中感應(yīng)電

8、動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。其中常量 K 為與線圈擺放方法、線圈面積和一些物理常量有關(guān)的一個(gè)量，具體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常量須實(shí)際測(cè)定來確定。3、雙水平線圈檢測(cè)方案不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場(chǎng)分量。我們先討論一種最簡(jiǎn)單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測(cè)方案。在車模前上方水平方向固定兩個(gè)相距L 的線圈，兩個(gè)線圈的軸線為水平，高度為 h ，如下圖所示：線圈引腳運(yùn)動(dòng)方向模型車hL電流/100mA賽道中心線圖5 雙水平線圈檢測(cè)方案為了討論方便，我們?cè)谂艿郎辖⑷缦碌淖鴺?biāo)系，假設(shè)沿著跑道前進(jìn)的方向?yàn)閦軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為x軸。xyz軸滿足

9、右手方向。假設(shè)在車模前方安裝兩個(gè)水平的線圈。這兩個(gè)線圈的間隔為L(zhǎng)，線圈的高度為h，參見下圖5所示。左邊的線圈的坐標(biāo)為（x,h,z），右邊的線圈的位置(x-L,h,z)。由于磁場(chǎng)分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。由于線圈的軸線是水平的，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映了磁場(chǎng)的水平分量。根據(jù)公hx + h=E = = =式（2）可以知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與 2 2 成正比。車模前進(jìn)y方向賽道zx(x,h)水平 線圈hL交變電流中心導(dǎo)航電線x水平 線圈(x-L,h)(100mA)0Yz線圈hLX圖6 感應(yīng)線圈的布置方案xI/100mA0假設(shè) h = 5cm, x (15,

10、 +15)cm ，計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E =置 x 的變化取值，如下圖所示：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)0.220.20.180.160.140.120.10.080.060.042h隨著線圈水平位0.02-15-10-5051015x/cm圖 7 線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與它距導(dǎo)線水平位置 x 的函數(shù)如果只使用一個(gè)線圈，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 是位置 x 的偶函數(shù)，只能夠反映到水平位置的絕對(duì)值 x 的大小，無法分辨左右。為此，我們可以使用相距長(zhǎng)度為 L 的兩E/Vh + x 2個(gè)感應(yīng)線圈，計(jì)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值：Ed = E1 E2 =2 2h h下面假設(shè) L = 30cm ，計(jì)算兩個(gè)線圈電動(dòng)勢(shì)差值 Ed 如下圖所示：0.

11、20.150.10.050-0.05-0.1-0.15-0.2-505101520253035x/cm圖 8 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值 Ed 與距離 x 之間的函數(shù)從上圖可以看出，當(dāng)左邊線圈的位置 x = 15cm 的時(shí)候，此時(shí)兩個(gè)線圈的中心恰好處于跑道中央，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值 Ed 為0。當(dāng)線圈往左偏移， x (15,30) ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值小于零；反之，當(dāng)線圈往右偏移， x (0,15) ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于零。因此在位移 0 30cm 之間，電動(dòng)勢(shì)差值 Ed 與位移 x 是一個(gè)單調(diào)函數(shù)?？梢允褂眠@個(gè)量對(duì)于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制，從而保證兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線。通過改變線圈高度 h ,線圈之間距

12、離 L 可以調(diào)整位置檢測(cè)范圍以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。三、電路設(shè)計(jì)原理從上面檢測(cè)原理可以知道，測(cè)量磁場(chǎng)核心是檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E 的幅值。下面將從感應(yīng)線圈、信號(hào)選頻放大、整流與檢測(cè)等幾個(gè)方面討論電路設(shè)計(jì)的問題，最后給出電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖和實(shí)際電路。1、感應(yīng)磁場(chǎng)線圈：檢測(cè)線圈可以自行繞制，也可以使用市場(chǎng)上能夠比較方便購(gòu)買的工字型10mH 的電感。如下圖所示。Ed/Vh + x h2 + ( x L)2圖 9 幾種 10mH 電感這類電感體積小，Q 值高，具有開放的磁芯，可以感應(yīng)周圍交變的磁場(chǎng)。如下圖所示：磁場(chǎng)磁場(chǎng)線圈磁材料引腳圖 10 工字磁材電感2、信號(hào)選頻放大使用電感線圈可以對(duì)其周圍的交變磁場(chǎng)

13、感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)具有以下特點(diǎn)：（1） 信號(hào)弱：感應(yīng)電壓只有幾十個(gè)毫伏。在檢測(cè)幅值之前必須進(jìn)行有效的放大，放大倍數(shù)一般要大于 100 倍（40db）。（2） 噪聲多：一般環(huán)境下，周圍存在著不同來源、不同變化頻率的磁場(chǎng)。如下表所示：表 1：典型的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍比賽選擇 20kHz 的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開周圍其它磁場(chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得 20kHz 的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。可以使用 LC 串并聯(lián)電路來實(shí)現(xiàn)選頻電路（帶通電路），如下圖所示：磁場(chǎng)環(huán)境 磁場(chǎng)性質(zhì)磁場(chǎng)強(qiáng)度（高斯）家用電器周圍一米范圍50Hz

14、-3 -210 -10地表面地球磁場(chǎng)恒定工業(yè)電機(jī)和電纜周圍十米范圍50Hz1-100長(zhǎng)波通訊> 30kHz-6 -310 -10賽道中心導(dǎo)線周圍 0.5 米范圍20kHz-4 -210 -10電路示意圖電感內(nèi)阻等效電路圖R0/10L感應(yīng)線圈CVo諧振電容EL/10mHVoC/6.8nf感應(yīng) 電動(dòng) 勢(shì)圖 11：RLC 并聯(lián)諧振電路上述電路中，E 是感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，L 是感應(yīng)線圈的電感量，R0 是電感的內(nèi)阻，C 是并聯(lián)諧振電容。上述電路諧振頻率為： f0 =12ð LC。已知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率 f0 = 20kHz ，感應(yīng)線圈電感為 L = 10mH ，可以計(jì)算出諧振電容的容

15、量為：C =1( 2ð f0 )2L=13 3×10 ×1039通常在市場(chǎng)上可以購(gòu)買到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為 6.8nF，所以在實(shí)際電路中我們選用 6.8nF 的電容作為諧振電容。為了驗(yàn)證 RLC 選頻電路的效果，我們對(duì)比了在有和沒有諧振電容兩種情況下的電感輸出的感應(yīng)電壓。在導(dǎo)線中通有 20kHz 左右，100mA 左右方波電流，在距離導(dǎo)線 50mm 的上方放置垂直于導(dǎo)線的 10mH 電感，使用示波器測(cè)量輸出電壓波形。如下圖 12 所示。( 2ð × 20 ×10 )= 6.33 ×10 (F )電感10mH感

16、應(yīng)電壓距離h=5cm電感L=10mH電感10mH感應(yīng)諧振電壓距離h=5cm電感L=10mH電容C=6.8nF55s線圈感應(yīng)電壓55s線圈感應(yīng)諧振電壓 55s300mVpp55s160mVpp(A)沒有諧振電容時(shí)感應(yīng)電壓輸出(B)有諧振電容時(shí)感應(yīng)電壓輸出圖 12：測(cè)量感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電壓。從上面結(jié)果可以看出，增加有諧振電容之后，感應(yīng)線圈兩端輸出感應(yīng) 20KHz電壓信號(hào)不僅幅度增加了，而且其它干擾信號(hào)也非常小。這樣無論導(dǎo)線中的電流波形是否為正弦波，由于本身增加了諧振電容，所以除了基波信號(hào)之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波 20kHz 信號(hào)能夠發(fā)生諧振，輸出總是 20KHz 正弦波。為了能夠更加

17、準(zhǔn)確測(cè)量感應(yīng)電容式的電壓，還需要將上述感應(yīng)電壓進(jìn)一步放大，一般情況下將電壓峰峰值放大到 1-5V 左右，就可以進(jìn)行幅度檢測(cè)，所以需要放大電路具有 100 倍左右的電壓增益（40db）。最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以只是用一階共射三極管放大電路就可以滿足要求，如下圖所示：+5VL110mHC16.8nFR1510kR25.1kT1C3/104放大輸出VoutC2/1041815 D1>150圖 13：?jiǎn)喂芄采浣涣鞣糯箅娐樊?dāng)然，也可以選用運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大。但是需要選擇單電源、低噪音、動(dòng)態(tài)范圍達(dá)、高速運(yùn)放不太容易，所示不太推薦使用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大。3、幅度測(cè)量測(cè)量放大后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值 E 可

18、以有多種方法。最簡(jiǎn)單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號(hào)檢波形成直流信號(hào)，然后再通過單片機(jī)的 AD采集獲得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值。如下圖所示：+5VR1510kR25.1kC3/104D2檢波輸出VoutC2/104T11815 D1>150C40.1ufR351k圖 14：倍壓檢波電路上圖給出了倍壓檢波電路可以獲得正比于交流電壓信號(hào)峰峰值的直流信號(hào)。為了能夠獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍，倍壓檢波電路中的二極管推薦使用肖特基二極管或者鍺二極管。由于這類二極管的開啟電壓一般在 左右，小于普通的硅二極管（0.7V），可以增加輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和增加整體電路的靈敏度。實(shí)際上，可以不使用檢波電路

19、，而直接將上述單管放大電路中，三極管集電極電壓接入單片機(jī)的 AD 端口，使用單片機(jī)直接采樣交變電壓信號(hào)，如下圖所示：+5V20kHzL110mH頻率C16.8nFR1510kR25.1kC3/104T1AD輸入單片機(jī)C2/1041815 D1>150圖 15：直接采集放大信號(hào)只要保證單片機(jī)的 AD 采集速率大于 20kHz 的 5-10 倍，連續(xù)采集 5-10 個(gè)周期的電壓信號(hào)（大約 100 數(shù)據(jù)左右），就可以直接從采集的數(shù)據(jù)中最大值減去最小值獲得信號(hào)的峰峰值。假設(shè)采集了 128 個(gè)數(shù)據(jù)： xi , i = 1, 2,的峰峰值Vp p 可以有下式計(jì)算：,128 ，計(jì)算信號(hào)xmax = m

20、ax( xi , i = 1, 2,xmin = min( xi , i = 1, 2,128),128)Vp p = xmax xmin上面計(jì)算計(jì)算方法由于只用應(yīng)用了數(shù)據(jù)的最大值、最小值，所得結(jié)果容易受到噪聲的影響，所以還可以通過計(jì)算數(shù)據(jù)交流信號(hào)的平均值、有效值反映信號(hào)的幅值：x =128i =1128,xave =128i =1xi x128, xe =128i =1xi x1282上面所計(jì)算得到的 xave , xe 等都與信號(hào)的峰峰值成單調(diào)關(guān)系，所以也可以用來進(jìn)行計(jì)算位置差值信號(hào)。根據(jù)上面介紹，檢測(cè)電路框圖如下圖所示： xi ( )+5VL110mHC16.8nF需要調(diào)整R1510kR

21、25.1k2.5 VC3/104肖特基二極管D2100mA交變電流20kHz頻率C2/104T18050>150D1磁場(chǎng)感應(yīng)選頻放大檢波AD轉(zhuǎn)換單片機(jī)賽道中心線圖 16：檢測(cè)電路系統(tǒng)框直接AD采樣>200ksps注：直接波形采集的時(shí)候，信號(hào)直接從三極管的集電極引入單片機(jī)的AD端口。四、實(shí)際電路與調(diào)試1、直接信號(hào)放大電路：如下圖所示：實(shí)驗(yàn)電路C1/6.8n FC2/0.1ufR1/510K+5VGNDVOUTL1/10m HT1181 5+5V20kHz頻率R1510kR25.1kL110mHC16.8nFC2/104T11815 D1>150放大輸出Vout圖 17：直接放大

22、電路電路焊接完畢后，只要調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 R1，使得三極管集電極電壓處于 2.5V左右即可。將上述放大電路的感應(yīng)電感放在通有 100mA、20kHz 導(dǎo)線周圍，使用示波器觀察電路的輸出與輸入信號(hào)，如下圖所示：50s放大后電壓4.1Vp p線圈感應(yīng)電壓50mVpp圖 18：放大電路的輸入、輸出波形通過上圖可以看書，放大電路的放大倍數(shù)大約為： A =4.10.05= 82 倍左右。所得的電壓信號(hào)可以直接連入單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行采集就可以。在接入單片機(jī)時(shí)，輸出隔直電容 C3 需要去掉，這樣 AD 輸入的交流信號(hào)的平均值在 2.5V，變化范圍在 0-5V，滿足單片機(jī) AD 轉(zhuǎn)換的需要。2、放大檢波

23、電路：如下圖所示：實(shí)驗(yàn)電路板C2/0.1R1/510 kC1/6.8n fR2D2+5VGNDVoutL1/10m HT1181 5C3D1R5C4+5V20kH z頻率R1510kR25.1kC3/104D2檢波輸出VoutL110mHC16.8nFC2/104T11815 D1>150C40.1ufR351k圖 19：放大檢波電路實(shí)際上，上述電路就是在直接放大電路的基礎(chǔ)上增加了倍壓檢波電路，可以得到與交流信號(hào)峰峰值成正比的直流信號(hào)。電路的焊接完畢后，調(diào)整 R1 電位器，使得三極管集電極電壓處于 2.5V 左右，即可。下圖給出了電路各部分的波形：集電極波形1.6Vpp50s50s基極輸

24、入電感感應(yīng)電壓。50mVpp(A) 三極管集電極電壓波形(B) 倍壓整流二極管 D1 上的電壓波形輸出直流電壓1.4VDC基極輸入電感感應(yīng)電壓。50mVpp50s(C) 電路輸出電壓波形圖 20：放大檢波電路各部分的電壓波形從上圖可以看出，電路的輸出電壓基本上與交流信號(hào)的峰峰值相等。在上面電路輸出部分 C4, R3 是進(jìn)行檢波濾波作用，它們的數(shù)值乘積對(duì)應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)，增加濾波時(shí)間常數(shù)可以減少輸出信號(hào)的波紋，提高信號(hào)的信噪比，但是會(huì)帶來檢波電路響應(yīng)速度變慢。如果濾波時(shí)間常數(shù)減少，雖然會(huì)提高電路的響應(yīng)速度，但是輸出信號(hào)的波紋會(huì)增加。因此上，需要合理選擇濾波時(shí)間常數(shù)。如果一階濾波電路無法滿足需要，也

25、可以再增加一級(jí) RC 濾波來取得速度和濾波效果的折中。下圖給出了突加交流信號(hào)和突減交流信號(hào)時(shí)，上述檢波電路的輸出信號(hào)。關(guān)閉信號(hào)源26ms打開信號(hào)源(A) 突加信號(hào)時(shí)電路輸出(B) 突減信號(hào)時(shí)電路輸出圖 21：檢波電路的單位階躍函數(shù)響應(yīng)可以看出，檢波電路在信號(hào)突增時(shí)向響應(yīng)速度要比信號(hào)下降沿的速度快得多，因此此正常調(diào)試的時(shí)候，需要綜合這兩個(gè)時(shí)間確定電路的平均響應(yīng)速度。五、問題討論：1、如何減小分布電容的影響？諧振回路的諧振頻率與感應(yīng)線圈的電感量、諧振電容以及引線的分布電容有關(guān)系，為了減少分布電容的影響，可以采用以下幾個(gè)方式：（1） 減小電感容量，比如使用 4.7mH 電感，這樣可以增加諧振電容的容

26、量，從而使得分布電容對(duì)于諧振頻率影響減小。但是這樣做會(huì)降低諧振回路的 Q 值，減小系統(tǒng)的靈敏度。（2）減少引線的長(zhǎng)度?？梢詫⒅C振回路與放大電路做在一起，如下圖所示：圖 22： 兩個(gè)檢測(cè)電路L/10mHC1/6.8nfC2/0.1uf0.1uf51k0.1uf+5VGNDOUT1815圖 23： 感應(yīng)線圈與選頻放大電路上面給出電路制作方法，可以避免分布電容的影響，電路輸出信號(hào)直接就是檢波后的直流信號(hào)，可以通過引線送到單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換端口，而不必考慮引線的分布電容了。下圖是本方案最初進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，組裝的微型車模的情況。通過車模的運(yùn)行，驗(yàn)證了本方案的可行性。圖 24： 安裝有水平感應(yīng)線圈的車模2、

27、如何設(shè)計(jì)三極管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)？三極管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，包括靜態(tài)工作電壓和靜態(tài)工作電流。一般為了獲得最大的放大動(dòng)態(tài)范圍，靜態(tài)工作電壓（三極管的集電極電壓）設(shè)定為電源電壓的一半。在保證上述靜態(tài)電壓情況下，靜態(tài)工作電流 I c（三極管集電極電流）取決于集電極電阻。集電極電阻越大，靜態(tài)工作電流越小。反之，集電極電阻越小，靜態(tài)工作電流越大。同時(shí)，集電極大小取決于基極偏置電流 I b ，它們之間的比值就是三極管的電流放大倍數(shù)。一般情況下，電路的放大倍數(shù)取決于三極管的電流放大倍數(shù) â ，三極管的輸入電阻 rb 以及集電極電阻等因素都與靜態(tài)電流有關(guān)系，最終電路的放大倍數(shù)在一定范圍內(nèi)與靜態(tài)工

28、作電流無關(guān)，在這兒不做更多的討論。影響電路最大的因素是靜態(tài)工作電流所對(duì)應(yīng)的電路的輸入輸出阻抗。一般情況下，靜態(tài)工作電流越小，電路的輸入、輸出阻抗越大，反之，靜態(tài)工作電流越大，輸入、輸出阻抗越小。我們一般希望電路的輸入阻抗大、輸出阻抗小，從而保證電路對(duì)于前后級(jí)的影響小。但是三極管的靜態(tài)工作電流對(duì)于輸入、輸出阻抗影響是同時(shí)增加、或者同時(shí)減小。所以選擇靜態(tài)電流需要兼顧這兩方面的指標(biāo)。在本電路中，輸入阻抗會(huì)影響 LC 諧振電路的 Q 值，繼而影響電路的選頻特性。但是考慮到實(shí)際競(jìng)賽所提供的交變電源頻率是在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)（18-22kHz），所以 Q 值也不能夠太高，一般建議在 10 左右。如果太高了，

29、當(dāng)信號(hào)頻率變化時(shí)，會(huì)對(duì)電路增益產(chǎn)生較大的影響。所以調(diào)整電路的 Q 值，實(shí)際上可以通過調(diào)整放大電路的靜態(tài)電流而達(dá)到。輸出阻抗會(huì)影響到后面的檢波和 AD 轉(zhuǎn)換電路。一般情況下設(shè)置在 2k-20k范圍內(nèi)都能夠滿足要求。一般情況下，為了保證放大電路的增益，在選擇三極管的時(shí)候，需要它的電流放大倍數(shù)最好大于 150。如果一級(jí)放大電路增益不過，還可以級(jí)聯(lián)一級(jí)三級(jí)管放大電路。3、為何不使用運(yùn)算放大器？在前面介紹的參考電路中，我們沒有使用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)的放大，這主要由于常用到的運(yùn)算放大器（op07, uF741, NJM4580, NJM072B, JNM2904 等等）在工作電源、輸出范圍、頻率響應(yīng)等方面不能夠滿足我們的要求。（1）工作電源：一般運(yùn)放需要正負(fù)供電電源，在車模電路設(shè)計(jì)中，往往無法直接提供正負(fù)電源。（2）輸出范圍：運(yùn)放輸出電壓范圍往往要比工作電源