西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 趙 亮 魯 云 陳曉東 武 麗 何 杰

1.整體電路設(shè)計(jì)框圖

檢測(cè)線圈輸出的正弦波信號(hào)需要進(jìn)行放大和電壓抬高運(yùn)算。放大和電壓抬高電路輸出的信號(hào)一路送入移相電路，另一路送入采樣保持電路。移相后輸出的信號(hào)進(jìn)入電壓比較電路，產(chǎn)生的方波送往多諧振蕩電路，在方波的下降沿觸發(fā)多諧振蕩器動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)窄脈寬的低電位脈沖，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器，得到一個(gè)窄脈寬的高電位脈沖，用此脈沖信號(hào)控制采樣保持電路進(jìn)行采樣。最后輸出峰值檢波后的直流電壓信號(hào)。整體電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2.檢測(cè)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算

1）磁導(dǎo)航智能車(chē)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，波長(zhǎng)為10-100Km。賽道中心載流導(dǎo)線和小車(chē)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，電磁場(chǎng)輻射的能量很小，所以能感應(yīng)到電磁波的能量非常小。因此，可以將導(dǎo)線周?chē)兓拇艌?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?chē)拇艌?chǎng)分布，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。

由于賽道長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小車(chē)尺寸，因此，可將賽道中心線處的載流導(dǎo)線近似看作無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線。那么載流長(zhǎng)直導(dǎo)線周?chē)袘?yīng)磁場(chǎng)的分布是以導(dǎo)線為軸的一系列同心圓，圓上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B大小相同，方向?yàn)殡娏鱥的右手螺旋切向。距離導(dǎo)線r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

式中μ0為真空磁導(dǎo)率，i為長(zhǎng)直導(dǎo)線中的交變電流。

2）導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律變化時(shí)，導(dǎo)線周?chē)拇艌?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)。線圈內(nèi)部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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：

由于導(dǎo)線中通過(guò)的電流頻率較低，且線圈較小，令線圈中心到導(dǎo)線的距離為 ，認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為：

即線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離，其中常量K為線圈擺放方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得感應(yīng)線圈輸出的信號(hào)是以0V為基準(zhǔn)，隨著與載流導(dǎo)線位置關(guān)系變化而變化的正弦波信號(hào)。

3.正弦波峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

由于檢測(cè)線圈輸出的是以0V為基準(zhǔn)的正弦波信號(hào)。而單片機(jī)A/D輸入端要求0-5V之間的單極性電壓。為了把檢測(cè)線圈輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，可以在將檢測(cè)線圈輸出的信號(hào)放大適當(dāng)倍數(shù)的同時(shí)把基準(zhǔn)電壓抬高2.5V，使得原信號(hào)變成以2.5V為基準(zhǔn)，波峰低于5V的正弦波信號(hào)。然后由峰值檢波電路獲取當(dāng)前正弦波峰值電壓，輸出供單片機(jī)A/D端口采樣。

智能車(chē)供電電源來(lái)自一個(gè)電壓為7.2V的蓄電池，隨著工作時(shí)間持續(xù)，蓄電池電壓必定下降。同時(shí)，信號(hào)檢測(cè)電路中各器件工作電壓和參考電壓要求非常穩(wěn)定，所以在智能車(chē)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了5V和2.5V的穩(wěn)壓電路，確保信號(hào)檢測(cè)電路穩(wěn)定地工作。正弦波峰值檢測(cè)電路如圖2所示。

1)放大和電壓抬高電路

輸入信號(hào)放大和電壓抬高電路采用Burr-Brown公司生產(chǎn)的精密儀表放大器INA118，內(nèi)置輸入過(guò)壓保護(hù)，且可通過(guò)外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益（從1到1000）。由于其獨(dú)特的電流反饋結(jié)構(gòu)使得它在較高的增益下也能保持很高的頻帶寬度（G=100時(shí)帶寬為70KHz），因而完全能勝任于本設(shè)計(jì)。同時(shí)將其第5腳參考引腳接至2.5V，即能實(shí)現(xiàn)將信號(hào)基準(zhǔn)電壓抬高2.5V。

2)移相電路

移相電路采用了Burr-Brown公司生產(chǎn)的高精度，低噪聲運(yùn)算放大器OPA2227，由于運(yùn)放OPA2227的共模抑制比極高，典型值CMRR=138dB，所以在單電源條件下可正常工作。調(diào)整該電路阻容原件參數(shù)以控制正弦波移相角度在800-900范圍內(nèi)。

3)電壓比較電路

圖1 整體電路設(shè)計(jì)框圖

比較電路選用Philips公司的LM393，由于其具有精度高，失調(diào)電壓低（最大為2.0mV），即使在單電源供電時(shí)它的共模輸入電壓范圍接近地電平的特點(diǎn)，因此完全能滿(mǎn)足本電路的設(shè)計(jì)需求。將移相后的正弦波與參考電壓經(jīng)過(guò)比較器后產(chǎn)生一列規(guī)則的方波，并且該方波的下降沿產(chǎn)生在移相后所得正弦波的電壓幅值過(guò)2.5V時(shí)刻。

4)多諧振蕩電路

將555定時(shí)器的高觸發(fā)端TH和低觸發(fā)端TR連接在一起，控制端CON作為信號(hào)輸入端，即可構(gòu)成多諧振蕩器。在本設(shè)計(jì)中，其工作過(guò)程是：當(dāng)控制端CON輸入方波信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)觸發(fā)振蕩器動(dòng)作，并在輸出端OUT輸出一列周期等同于輸入端信號(hào)的低電位窄脈沖，脈沖的寬度可由電阻R6調(diào)節(jié)。把振蕩器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一路非門(mén)即可獲得一列周期不變的高電位窄脈沖。

5)采樣保持電路

采樣保持器由信號(hào)采樣和保持電路構(gòu)成，在本設(shè)計(jì)中，采樣開(kāi)關(guān)選擇Texas Instruments公司生產(chǎn)的高速，低功耗、高抗干擾傳輸門(mén)器件CD4016，其控制端C輸入高電平時(shí)觸發(fā)對(duì)應(yīng)端口I/O和O/I導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)中，在CD4016控制端C輸入高電平期間正好是放大和電壓抬高電路輸出正弦波的波峰時(shí)間，這樣即可把所需正弦波峰值電壓采集到信號(hào)保持電路。同時(shí)通過(guò)對(duì)阻容元件的充放電實(shí)現(xiàn)當(dāng)前電壓的輸出和保持功能，直到下一個(gè)波峰到來(lái)。這樣即可穩(wěn)定地輸出當(dāng)前信號(hào)經(jīng)放大和電壓抬高電路后的正弦波峰值電壓，實(shí)驗(yàn)證明，本電路輸出的電壓跟隨性極好。

4.正弦波峰值檢測(cè)電路各環(huán)節(jié)輸出波形

假定輸入的正弦波信號(hào)起始點(diǎn)為零，則電路各環(huán)節(jié)的輸出波形如圖3所示。

圖3 電路各個(gè)環(huán)節(jié)輸出波形圖

在圖3中，可通過(guò)調(diào)節(jié)移相電路中阻容元件的參數(shù)來(lái)控制移相角度在800-900范圍內(nèi)，使其經(jīng)過(guò)電壓比較器輸出方波的下降沿相位適當(dāng)，進(jìn)一步利用該方波的下降沿觸發(fā)多諧振蕩器動(dòng)作，產(chǎn)生一個(gè)窄脈寬的低電位脈沖，然后經(jīng)過(guò)反相器得到一個(gè)窄脈寬的高電位脈沖。從圖3中可以直觀地看出該高電位的窄脈沖正好在放大和電壓抬高電路輸出正弦波的波峰范圍內(nèi)，最后利用反相器輸出的高電位窄脈沖控制采樣保持器動(dòng)作，以獲得正弦波峰值電壓信號(hào)，并在下一次波峰到來(lái)之前保持和輸出該電位信號(hào)。同時(shí)，采樣保持器輸出的直流電壓大小和相位隨原始信號(hào)的變化而變化，跟隨性極好。

5.結(jié)論

以這種方法設(shè)計(jì)的峰值檢測(cè)電路首先利用自身的波形產(chǎn)生控制信號(hào)，再利用這個(gè)控制信號(hào)來(lái)控制采樣峰值，所以本設(shè)計(jì)既能夠有效地消除干擾，也能保證采樣信號(hào)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

圖2 正弦波峰值檢測(cè)電路圖

上述電路設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足磁導(dǎo)航智能車(chē)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，由于檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨著線圈與賽道載流導(dǎo)線的位置關(guān)系變化而變化，同時(shí)兼顧到電路制版面積和系統(tǒng)成本，本設(shè)計(jì)的潛在優(yōu)勢(shì)在于對(duì)任意多個(gè)同一系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)線圈，只需要一路完整的本電路來(lái)提供采樣脈沖，其余檢測(cè)線圈輸出信號(hào)則可省去移相、電壓比較、多諧振蕩和反相電路。因此，在整個(gè)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中，所有檢測(cè)線圈輸出信號(hào)經(jīng)放大和電壓抬高后在同一時(shí)刻被采樣，返回單片機(jī)各個(gè)A/D端口的則是同一時(shí)刻的路徑信號(hào)。以這種方法設(shè)計(jì)的電路板成功地實(shí)現(xiàn)了所需要的功能，并改善了原有系統(tǒng)的性能。這種正弦波峰值檢測(cè)方法也可用于儀器儀表中的峰值檢測(cè)功能。

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