作者/虞蘇璞，高源，龔思洋，張穩(wěn)通訊作者/吳彥春，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

武漢理工大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃論文項目編號: 20151049704011

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飛思卡爾智能車電磁導(dǎo)線的寬壓檢測方案

作者/虞蘇璞，高源，龔思洋，張穩(wěn)
通訊作者/吳彥春，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

武漢理工大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃論文項目編號: 20151049704011

文章摘要：飛思卡爾智能車競賽電磁組中，車輛要檢測賽道中心通有交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行路徑識別。本研究以實驗室原本電磁信號檢測方案為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行改進(jìn)，使放大后的信號幅值可在0V～12V范圍內(nèi)變化。放大后的信號即使超過5V也不會失真，電感接近中心線時，直流電壓值變化更明顯。

關(guān)鍵詞：飛思卡爾；智能車；電磁檢測；方案；改進(jìn)

1.電感電容配對

智能車通過LC并聯(lián)諧振選頻電路可以選中電磁導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場。比賽的交變磁場頻率為20kHz，因此要先選頻得到20kHz的初始信號。選頻可以使用LC串并聯(lián)電路來實現(xiàn)，電路諧振頻率為：已知感應(yīng)電動勢的頻率，感應(yīng)線圈電感為mH L= 10，可以計算出諧振電容的容量為：

市場上可以購買到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為6.82nF，所以在實際電路中我們選用6.82nF的電容作為諧振電容。市場上電容種類有很多，但作為智能車選頻電路的電容性能最好的是校對電容和滌綸電容。在本研究中選取的是6.82nF校對電容作為選頻電路電容。

由于制造工藝的限制，電容的容值存在精度誤差，誤差通常在20%以內(nèi)，而校對電容的精度誤差則更小。由于誤差的存在，不同電容電感配對的LC諧振電路與賽道中心導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場諧振強(qiáng)度也不同，諧振強(qiáng)度與實際電感值和實際電容值的乘積有關(guān)。由公式：可以得到LC標(biāo)準(zhǔn)值為：

一般情況下，智能車上安裝電感的方式是對稱分布的，要求LC選頻電路得到的初始信號要有很高的一致性，即對稱分布的兩對電容電感值的乘積要非常接近，選頻得到的初始信號幅值要高度一致。本研究中使用電容電感逐一配對的方法來解決由于制造誤差導(dǎo)致兩對電容電感值的乘積有差別的問題。

先選取一對電容電感貼近賽道表面且離導(dǎo)線5cm的位置測得其選頻信號的幅值為40mV并將其作為基準(zhǔn)，再取下一對電容電感在距離導(dǎo)線相同的位置檢測其選頻信號的幅值，如果幅值相差在2mV以內(nèi)則兩對電容電感可以配對。

2.信號放大電路的改進(jìn)

■2.1原信號放大電路方案

圖1　原信號放大電路

實驗室原本的信號處理方案是用運(yùn)算放大器TLV2462將原始正弦信號放大為0V～5V之間的半波正弦信號。該半波正弦型號通過一個100nF的濾波電容濾波，得到一個直流信號。該方案的不足有兩點(diǎn)：一是在電感接近中心導(dǎo)線處時，信號被放大到5V以上，大于5V的部分都會變成5V，放大波形會被“削頂”產(chǎn)生5V區(qū)。當(dāng)5V區(qū)存在時，即使電感和導(dǎo)線的相對位置發(fā)生改變，濾波后的直流電壓值會在1.9V上下輕微變化；二是如果降低放大系數(shù)使信號不失真，則當(dāng)電感離導(dǎo)線超過20cm時，直流電壓值會降到300mV以下，該值變化也不明顯。所以原方案在電感接近中心導(dǎo)線和遠(yuǎn)離中心導(dǎo)線時都不能充分反映電感和中心導(dǎo)線的距離關(guān)系。

為了克服以前使用的信號放大電路方案的兩點(diǎn)不足，我們設(shè)計了三種不同的技術(shù)方案。

■2.2整流電橋反轉(zhuǎn)負(fù)半波

方案一是將整流橋加在初始輸入信號和運(yùn)算放大器的輸入端之間，可以將初始的輸入信號的負(fù)半波翻轉(zhuǎn)到正電壓區(qū)域，這樣放大后信號經(jīng)電容濾波得到的直流電壓值會變成未加整流橋時的2倍，而其電壓變化量也會變成2倍；再調(diào)節(jié)電阻使信號的放大系數(shù)降低保證放大后的信號在0～5V以內(nèi)，不會失真。由于原方案是半波濾波，濾波后的直流電壓最大只有1.5V，而現(xiàn)在是對翻轉(zhuǎn)放大后的波形濾波，理論上濾波后的直流電壓最大值會變?yōu)?V。

但是該方案忽視了一個問題：整流電橋在正向?qū)ǖ臅r候存在幾百毫伏到幾伏不等的壓降，該壓降因電橋的種類不同而不同，然而LC選頻得到的初始信號在0～50毫伏之間，如果將電橋加在初始輸入信號和運(yùn)算放大器的輸入端之間，電橋根本無法導(dǎo)通，就算導(dǎo)通也會造成很大的信號減損，使初始信號失真。所以該方案被排除。

■2.3更換運(yùn)算放大器

圖2　整流電橋方案

方案二是將原來的普通運(yùn)算放大器換成寬壓運(yùn)算放大器，然后改變原方案的可變電阻阻值，使運(yùn)放的放大范圍在1到250倍可調(diào)。普通音頻運(yùn)放的電壓放大范圍為在-5V～+5V之間，而寬壓運(yùn)放的電壓放大范圍一般都大于-12V～+12V，有些寬壓運(yùn)放電壓放大范圍甚至能達(dá)到-36V～+36V。假設(shè)原始信號幅值為50mV，則普通運(yùn)算放大器只能將信號放大100倍，超過100倍后信號就會失真；而寬壓運(yùn)放則可以將信號放大200多倍仍保證信號不失真。

但是該方案要給運(yùn)算放大器提供12V或是更高的恒壓電源，不過智能車上的電源模塊已經(jīng)有穩(wěn)定的12V電源了，所以該方案可行性大；此外該方案對原方案的改動比較少，電路也十分簡單，信號放大減損小。

■2.4正負(fù)電源供電加整流橋

方案三是將運(yùn)算放大器的GND接口接一個-5V的負(fù)電源，這樣初始信號可以在-5V～+5V之間全波放大，然后在運(yùn)算放大器輸出接口和濾波電容之間加一個整流電橋，通過電橋?qū)⒎糯蠛蟮呢?fù)半波翻轉(zhuǎn)到正電壓區(qū)域，與第一種方案效果類似，翻轉(zhuǎn)后信號經(jīng)電容濾波后得到直流電壓也將近是原來方案的2倍。

圖3　更換運(yùn)放方案

圖4　正負(fù)電源加整流電橋方案

但是這種方案要提供正負(fù)電源，在智能車上做出-5V電源，但是負(fù)電源帶負(fù)載能力弱，加上負(fù)載后壓降大，而且供電和輸出電流不穩(wěn)定，且需要重新設(shè)計電源，在智能車上不太適用；此外放大后的正弦信號經(jīng)過整流橋后會有壓降而產(chǎn)生半波間的0電壓區(qū)，信號同樣也會因為整流電橋產(chǎn)生失真，所以所以該方案被排除。

■2.5總結(jié)

方案一，整流電橋反轉(zhuǎn)負(fù)半波因為壓降過大不能滿足要求；方案三，正負(fù)電源供電加整流橋的方法實際中可以提供-5V電源，但是相比于第二種方案，其存在輸出穩(wěn)定性不足和要額外增加電源方案的缺點(diǎn)，綜合比對，我們選擇了更換運(yùn)放的方案，不僅了解決原方案存在的問題，而且硬件電路最簡單改動最少。

3.寬壓運(yùn)算放大器的選擇

原方案運(yùn)放選用的是TLV2462的精密運(yùn)算放大器，該運(yùn)放的帶寬增益積（GBW）為5.2MHz、電壓轉(zhuǎn)換速率（Slew rate）為1.6V/us、共模抑制比（CMRR）為66dB。該放大器在0V～5V范圍內(nèi)能滿足小車信號檢測的要求。因此，以該運(yùn)放的參數(shù)為參考選擇寬壓運(yùn)放。

經(jīng)篩選，我們選擇了TLE2142作為新方案的寬壓運(yùn)放，該運(yùn)放各項參數(shù)見表1。該運(yùn)放電壓轉(zhuǎn)換速率為為42V/us，比TLV2462要大很多倍，所以其放大信號轉(zhuǎn)化速度也要比TLV2462快很多。

4.改進(jìn)電路效果對比

為比較原方案和新方案在放大效果上的差別，本研究進(jìn)行了實物測試。兩種方案的實際效果對比如下：

■4.1原方案信號放大效果

用原方案電路將電感放在貼近賽道表面且離導(dǎo)線5cm的位置測得初始信號為40mV，將放大倍數(shù)調(diào)整為300倍測得其放大后波形已經(jīng)失真，濾波后的直流電壓為1.92V。

圖5　原方案放大后波形和濾波后電壓

■4.2新方案信號放大效果

新方案同樣將電感放在貼近賽道表面且離導(dǎo)線5cm的位置測得初始信號為40mV，將放大倍數(shù)調(diào)整為300倍測得其放大后波形未失真，峰值為12V，濾波后的直流電壓為3.68V，比原方案的電壓值增大將近一倍且不失真。

圖6　新方案放大后波形和濾波后電壓

5.研究總結(jié)

新的方案能讓檢測到的信號在放大到5V以后沒有失真，比原方案在電感靠近中心線時電壓變化更加明顯、精確、靈敏。新方案是對舊方案不斷優(yōu)化改進(jìn)中得到的，整個設(shè)計過程鍛煉了研究者方案設(shè)計和動手實驗的能力。該新方案在智能車電磁導(dǎo)航方面有較廣泛的應(yīng)用前景。

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