2022年2022年飛思卡爾智能車比賽電磁組路徑檢測設(shè)計(jì)方案

1、精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載電磁組競賽車模路徑檢測設(shè)計(jì)參考方案（競賽秘書處2021-1,版本1.0）一. 前言第五屆全國高校生智能汽車競賽新增加了電磁組競賽；競賽車模需要能夠通 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)生的電磁場進(jìn)行路徑檢測；除此之外在賽道的起跑線處仍有永磁鐵標(biāo)志起跑線的位置；詳細(xì)要 求請(qǐng)參閱第五屆智能汽車競賽細(xì)就技術(shù)文檔；本文給出了一種簡便的交變磁場的檢測方案,目的為使得部分初次參與競賽的隊(duì)伍能夠盡快有一個(gè)設(shè)計(jì)方案,開頭制作和調(diào)試自己的車模；本方案通過微型 車模實(shí)際運(yùn)行,證明白它的可行性；微型車模運(yùn)行錄像參見競賽網(wǎng)站上視頻文件；二.設(shè)計(jì)原理1.導(dǎo)線四

2、周的電磁場依據(jù)麥克斯韋電磁場理論,交變電流會(huì)在四周產(chǎn)生交變的電磁場；智能汽車競賽使用路徑導(dǎo)航的溝通電流頻率為20khz,產(chǎn)生的電磁波屬于甚低頻（vlf ）電磁波；甚低頻頻率范疇處于工頻和低頻電磁破中間,為3khz30khz,波長為100km10km；如下圖所示：圖 1：電流四周的電磁場示意圖導(dǎo)線四周的電場和磁場,依據(jù)肯定規(guī)律分布；通過檢測相應(yīng)的電磁場的強(qiáng)度和方向可以反過來獲得距離導(dǎo)線的空間位置,這正為我們進(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,電磁場輻射能量很小（假如天線的長度l遠(yuǎn)小于電磁波長,在施加交變電壓后,電磁波輻射功率 正比于天線長度的四次方）,所以能夠感

3、應(yīng)到電磁波的能量特別?。粸榇?我們將導(dǎo)線四周變化的磁場近似緩變的磁場,依據(jù)檢測靜態(tài)磁場的方法獵取導(dǎo)線四周的磁場分布,從而進(jìn)行位置檢測；由畢奧 -薩伐爾定律知：通有穩(wěn)恒電流i長度為l 的直導(dǎo)線四周會(huì)產(chǎn)生磁場,距離導(dǎo)線距離為r處 p 點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 2 直線電流的磁場精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載由此得 : bb1 4rccos12；4rsin d 04 107 tma1 （1）精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載對(duì)于無限長直電流來說,上式中10 , 2,就有 b；4r圖 3：無限長導(dǎo)線四周的磁場強(qiáng)度在上面示意圖中,感應(yīng)

4、磁場的分布為以導(dǎo)線為軸的一系列的同心圓；圓上的磁場強(qiáng)度大小相同,并隨著距離導(dǎo)線的半徑r增加成反比下降；2.磁場檢測方法：人類對(duì)于磁場的熟悉和檢測起源很早,我國古代人民很早就通過自然磁鐵來精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載感知地球磁場的方向,從而創(chuàng)造了指南針；但為對(duì)于磁場定量精確的測量以及更多測量方法的發(fā)覺仍為在二十世紀(jì)初期才得到了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展；現(xiàn)在我們有許多測量磁場的方法,磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場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)；下面列出了一些測量原理以及相應(yīng)的傳感器：（1） 電磁感應(yīng)

5、磁場測量方法：電磁線磁場傳感器,磁通門磁場傳感器,磁阻抗磁場傳感器；（2） 霍爾效應(yīng)磁場測量方法：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 ）磁場測量方法；（4） 載流子自旋相互作用磁場測量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻.自旋閥三極管磁場傳感器.隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻；（5） 超導(dǎo)量子干涉（ squid ）磁場測量方法： squid薄膜磁敏元件；（6） 光泵磁場測量方法：光泵磁場傳感器；（7） 質(zhì)子磁進(jìn)動(dòng)磁場測量方法；（8） 光導(dǎo)纖維磁場測量方法；以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同,測量的磁場精度和范疇相差也很大, 10-11-107g；我們需要挑選適

6、合車模競賽的檢測方法,除了檢測磁場的精度之外,仍需要對(duì)于檢測磁場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；它具有原理簡潔.價(jià)格廉價(jià).體積?。ㄏ鄬?duì)?。?頻率響應(yīng)快.電路實(shí)現(xiàn)簡潔等特點(diǎn),適應(yīng)于初學(xué)者快速實(shí)現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案；通電導(dǎo)線四周的磁場為一個(gè)矢量場,場的分布如圖四所示；假如在通電直導(dǎo)線兩邊的四周豎直放置兩個(gè)軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈,就可以感應(yīng)磁場向量的兩個(gè)垂直重量,進(jìn)而可以獲得磁場的強(qiáng)度和方向；圖 4：導(dǎo)線四周的感應(yīng)電磁場精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載導(dǎo)線中的電流按肯定規(guī)律變

7、化時(shí),導(dǎo)線四周的磁場也將發(fā)生變化,就線圈中將感應(yīng)出肯定的電動(dòng)勢；依據(jù)法拉第定律,線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓e 與磁 場 bt .電磁線圈的圈數(shù)n .截面積a 的關(guān)系有：dbtdt 精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載e na 0r dtdt精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載感應(yīng)電動(dòng)勢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)為小范疇內(nèi)磁場分布為勻稱的；再依據(jù)圖 3 所示的導(dǎo)線四周磁場分布規(guī)律,就線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢可近似為：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載edt k dik

8、dtr dtr（2）精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載即線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢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,詳細(xì)的感應(yīng)電動(dòng)勢常量須實(shí)際測定來確定；3.雙水平線圈檢測方案不同的線圈軸線擺放方向,可以感應(yīng)不同的磁場重量；我們先爭論一種最簡單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測方案；在車模前上方水平方向固定兩個(gè)相距l(xiāng) 的線圈,兩個(gè)線圈的軸線為水平,高度為h ,如下圖所示：線圈引腳磁性10mh材料運(yùn)動(dòng)方向lh模型車電流/100ma賽道中心線圖5 雙水平線圈檢測方案為了爭論便利,我們?cè)谂艿郎辖⑷缦碌淖鴺?biāo)系,假設(shè)沿著

9、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軸滿意右手方向；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,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 ；由于磁場分布為以 z軸為中心的同心圓,所以在運(yùn)算磁場強(qiáng)度的時(shí)候我們僅僅考慮坐標(biāo) x、y ；由于線圈的軸線為水平的,所以感應(yīng)電動(dòng)勢反映了磁場的水平重量；依據(jù)公h精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載式（ 2）可以知道感應(yīng)電動(dòng)勢大小與2x2 成正比；h精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載車模前進(jìn)方向賽道yz中心x、hl導(dǎo)航

10、精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載x水平 線圈hx水平 線圈x-l、h電線交變電流100ma精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載0yz線圈精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載x圖6 感應(yīng)線圈的布置方案lhi/100max0精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載假設(shè) h5cm、 x15、15cm ,運(yùn)算感應(yīng)電動(dòng)勢eh隨著線圈水平位2精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載置 x 的變化取值,如下圖所示：0.220.20.180.16感應(yīng)電動(dòng)勢hx 2精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載0.14/

11、v0.12 e0.10.080.060.040.02-15-10-5051015x/cm圖 7 線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢與它距導(dǎo)線水平位置x 的函數(shù)假如只使用一個(gè)線圈,感應(yīng)電動(dòng)勢e 為位置 x 的偶函數(shù),只能夠反映到水平位置的肯定值x 的大小,無法辨論左右；為此,我們可以使用相距長度為l的兩精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載個(gè)感應(yīng)線圈,運(yùn)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢的差值：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載hede1e222hhx h2 xl2精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載下面假設(shè)l30cm ,運(yùn)算兩個(gè)線圈電動(dòng)勢差值ed 如下圖所示：0.20.150.10.05d/ve

12、0-0.05-0.1-0.15-0.2-505101520253035x/cm圖 8 感應(yīng)電動(dòng)勢差值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x15cm 的時(shí)候,此時(shí)兩個(gè)線圈的中心恰好處于跑道中心,感應(yīng)電動(dòng)勢差值ed 為0；當(dāng)線圈往左偏移,x15、30 ,感應(yīng)電動(dòng)勢差值小于零；反之,當(dāng)線圈往右偏移,x0、15 ,感應(yīng)電動(dòng)勢大于 零；因此在位移0 30cm 之間,電動(dòng)勢差值ed 與位移x 為一個(gè)單調(diào)函數(shù)；可以使用這個(gè)量對(duì)于小車轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋掌握,從而保證兩個(gè)線圈的中心位置跟蹤賽道的中心線；通過轉(zhuǎn)變線圈高度h 、線圈之間距離l 可以調(diào)整位置檢測范疇以及感應(yīng)電動(dòng)勢的大??；三.電路設(shè)

13、計(jì)原理從上面檢測原理可以知道,測量磁場核心為檢測線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢e 的幅值；下面將從感應(yīng)線圈.信號(hào)選頻放大.整流與檢測等幾個(gè)方面爭論電路設(shè)計(jì)的問題,最終給出電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖和實(shí)際電路；1.感應(yīng)磁場線圈：檢測線圈可以自行繞制,也可以使用市場上能夠比較便利購買的工字型10mh 的電感；如下圖所示；精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 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)四周交變的磁場；如下圖所示：磁場磁場線圈磁材料引腳圖 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)其四周的交變磁場感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢；這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢信號(hào)具有以下特點(diǎn)：（1

14、） 信號(hào)弱：感應(yīng)電壓只有幾十個(gè)毫伏；在檢測幅值之前必需進(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,四周存在著不同來源.不同變化頻率的磁場；如下表所示：表 1：典型的環(huán)境磁場強(qiáng)度范疇10 -10磁場環(huán)境磁場性質(zhì)磁場強(qiáng)度（高斯）家用電器四周一米范疇50hz-3-2地表面地球磁場恒定0.2-0.5工業(yè)電機(jī)和電纜四周十米范疇50hz1-10010 -10長波通訊> 30khz-6-3精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載-4-2賽道中心導(dǎo)線四周0.5 米范疇20khz10 -10精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載競賽挑選20khz

15、的交變磁場作為路徑導(dǎo)航信號(hào),在頻譜上可以有效地躲開 四周其它磁場的干擾,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：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載電路示意圖電感內(nèi)阻等效電路圖r0/10精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載lcvo諧振電容感應(yīng)線圈l/10mhevoc/6.8nf精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載感 應(yīng) 電動(dòng)勢圖 11：rlc并聯(lián)諧振電路上述電路中, e 為感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢,l為感應(yīng)

16、線圈的電感量, r0 為精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載電感的內(nèi)阻, c 為并聯(lián)諧振電容；上述電路諧振頻率為：f012lc；已知感精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載應(yīng)電動(dòng)勢的頻率f020khz ,感應(yīng)線圈電感為l10mh,可以運(yùn)算出諧振電容的容量為：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載1c22 f013 3220 10910 1036.33 10 f 精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載通常在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6.8nf, 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選頻電路的成效,我們對(duì)

17、比了在有和沒有諧振電容兩種情形 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,使用示波器測量輸出電壓波形；如下圖12 所示；精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載電流參考波形電感10mh感應(yīng)電壓距離h=5cm電感l(wèi)=10mh電流參考波形電感10mh感應(yīng)諧振電壓距離h=5cm電感l(wèi)=10mh 電容c=6.8nf精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載55s線圈感應(yīng)電壓55s 160mvpp線圈感應(yīng)諧振電壓 55s300mvpp55s精品學(xué)習(xí)資料

18、精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載(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)也特別小；這樣無論導(dǎo)線中的電流波形為否為正弦波,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,輸出總為20khz正弦波；為了能夠更加精確測量感應(yīng)電容式的電壓,仍需要將上述感應(yīng)電壓進(jìn)一步放大,一般情形下將電壓峰峰值放大到1-5v 左右,就可以進(jìn)行幅度檢測,所以需要放大電路具有100 倍左右的電壓增

19、益（ 40db）；最簡潔的設(shè)計(jì)可以只為用一階共射三極管放大電路就可以滿意要求,如下圖所示：+5v精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載20khz頻率l1c1r1 510kr2 5.1kc3/104放大輸出精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載10mh6.8nft1c2/1041815 d1>150vout精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 13：單管共射溝通放大電路當(dāng)然,也可以選用運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大；但為需要挑選單電源.低噪音.動(dòng)態(tài)范疇達(dá).高速運(yùn)放不太簡潔,所示不太舉薦使用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大；3.幅度測量測量放大后的感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值e 可以有多種方法

20、；最簡潔的方法就為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：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載+5v精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載r1 510kr2 5.1kc3/104d2檢波輸出vout精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載c2/104t11815 d1>150c40.1ufr3 51k精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 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溝通電壓信號(hào)峰峰值的直流信號(hào)；為了能夠

21、獲得更大的動(dòng)態(tài)范疇,倍壓檢波電路中的二極管舉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0.1-0.3v 左右,小于一般的硅二極管（ 0.7v）,可以增加輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范疇和增加整體電路的靈敏度；實(shí)際上,可以不使用檢波電路,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：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載20khz頻率l1c1r1510kr25.1k+5vc3/104單片ad 輸入機(jī)精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載10mh6.8nft1>150c2/1041815 d1精品學(xué)習(xí)資料精

22、選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 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)中最大值減去最精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載小值獲得信號(hào)的峰峰值；假設(shè)采集了128 個(gè)數(shù)據(jù)：xi 、 i1、 2、的峰峰值 vpp 可以有下式運(yùn)算：、128 ,運(yùn)算信號(hào)精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載xmaxmaxxi 、 i1、 2、 xminmin xi 、 i1、 2、 vppxmaxxmin、128、128精品學(xué)習(xí)

23、資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載上面運(yùn)算運(yùn)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)果簡潔受到噪聲的影響,所以仍可以通過運(yùn)算數(shù)據(jù)溝通信號(hào)的平均值.有效值反映信號(hào)的幅值：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載128xixi 18xix128i 12xi x精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載128 、xave、 xe128128精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載上面所運(yùn)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)行運(yùn)算位置差值信號(hào)；依據(jù)上面介紹,檢測電路框圖如下圖所示：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資

24、料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載+5v需要調(diào)整r2肖特基二極管精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載100ma交變電流l1 10mhc1 6.8nfr1 510kc2/1045.1kt1 8050>1502.5 vd2c3/104d1精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載20khz頻率轉(zhuǎn)磁場選頻放大檢波ad感應(yīng)換單片機(jī)精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載賽道中心線直接 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

25、口；精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 16：檢測電路系統(tǒng)框精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載四.實(shí)際電路與調(diào)試1.直接信號(hào)放大電路：如下圖所示：試驗(yàn)電路r1/510kc1/6.8nfc2/0.1uf+5vgnd vout精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載l1/10m ht1 181 5精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載+5v精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載20khz頻率r1 510kr2 5.1k精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載l1 10mhc1 6.8nfc2/104

26、t11815 d1>150放大輸出vout精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 17：直接放大電路電路焊接完畢后,只要調(diào)劑可調(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)線四周,使用示波器觀看電路的輸出與輸入信號(hào),如下圖所示：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載50s放大后電壓4.1vp p線圈感應(yīng)電壓50mvpp精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 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 4.10.0582 倍左右；所精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - -

27、 - 歡迎下載得的電壓信號(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輸入的溝通信號(hào)的平均值在2.5v,變化范疇在0-5v ,滿意單片機(jī)ad轉(zhuǎn)換的需要；2.放大檢波電路：如下圖所示：精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載試驗(yàn)電路板c1/6.8nfc2/0.1r1/510 kr2d2+5v gndvout精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載l1/10m ht1c3 181 5d1r5c4精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下

28、載+5v精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載20kh z頻率l1c1r1 510kr2 5.1kc3/104d2檢波輸出vout精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載10mh6.8nfc2/104t11815 d1>150c40.1ufr3 51k精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 19：放大檢波電路實(shí)際上,上述電路就為在直接放大電路的基礎(chǔ)上增加了倍壓檢波電路,可以得到與溝通信號(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1.6vpp50s精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)

29、資料 - - - 歡迎下載偏置電壓2.53v基極輸入電感感應(yīng)電壓；50mvpp-0.3 v倍壓整流波形1.6 vpp50s基極輸入電感感應(yīng)電壓；50mvpp精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載(a) 三極管集電極電壓波形b倍壓整流二極管d1 上的電壓波形精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載輸出直流電壓1.4vdc基極輸入電感感應(yīng)電壓；50mvpp50sc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溝通信號(hào)的峰峰值相等；在上面電路輸出部分c4、 r3 為進(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)可以削減輸

30、出信號(hào)的波紋,提高信號(hào)的信噪比, 但為會(huì)帶來檢波電路響應(yīng)速度變慢；假如濾波時(shí)間常數(shù)削減,雖然會(huì)提高電路的 響應(yīng)速度,但為輸出信號(hào)的波紋會(huì)增加；因此上,需要合理挑選濾波時(shí)間常數(shù)；假如一階濾波電路無法滿意需要,也可以再增加一級(jí)rc濾波來取得速度和濾波成效的折中；下圖給出了突加溝通信號(hào)和突減溝通信號(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.問題爭論：1.如何減小分布電容的

31、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,為了削減分布電容的影響,可以采納以下幾個(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量,從而使得分布電容對(duì)于諧振頻率影響減??；但為這樣做會(huì)精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載降低諧振回路的q 值,減小系統(tǒng)的靈敏度；（2） 削減引線的長度；可以將諧振回路與放大電路做在一起,如下圖所示：圖 22： 兩個(gè)檢測電路精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載l/10mhc1/6.8nf0.1uf精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎

32、下載c2/0.1uf0.1uf51k+5v gnd out精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載1815圖 23： 感應(yīng)線圈與選頻放大電路上面給出電路制作方法,可以防止分布電容的影響,電路輸出信號(hào)直接就為檢波后的直流信號(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；下圖為本方案最初進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),組裝的微型車模的情形；通過車模的運(yùn)行,驗(yàn)證了本方案的可行性；精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載圖 24： 安裝有水平感應(yīng)線圈的車模2.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)范疇,靜

33、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)電壓情形下,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 ,它們之間的比值就為三極管的電流放大倍數(shù)；一般情形下,電路的放大倍數(shù)取決于三極管的電流放大倍數(shù),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)在肯定范疇內(nèi)與靜態(tài)工作電流無關(guān),在這兒不做更多的爭論；影響電路最大的因素為靜態(tài)工作電流所對(duì)應(yīng)的電路的輸入輸出阻抗；一般情形下,靜態(tài)工作電流越小,電路的輸入.輸出阻抗越大,反

34、之,靜態(tài)工作電流越大,輸入.輸出阻抗越小；我們一般期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??；但為三極管的靜態(tài)工作電流對(duì)于輸入.輸出阻抗影響為同時(shí)增加.或者同時(shí)減??；所以挑選靜態(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；但為考慮到實(shí)際競賽所供應(yīng)的交變電源頻率為在一個(gè)很寬的范疇內(nèi)（ 18-22khz）,所以q 值也不能夠太高,一般建議在10 左右；假如太高了,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；一般情形下設(shè)置在2k-20k范疇內(nèi)都能夠滿意要求；一般情形下,為了保證放大電路的增益,在挑選三極管的時(shí)候,需要它的電流放大倍數(shù)最好大于150；假如一級(jí)放大電路增益不過,仍可以級(jí)聯(lián)一級(jí)三級(jí)管放大電路；精品學(xué)習(xí)資料精選學(xué)習(xí)資料 - - - 歡迎下載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