測量交流信號的幅值

01 為什么測量交流信號的幅值

在全國大學(xué)生智能車競賽中，有組別是通過電磁導(dǎo)航完成賽道循跡。今年（第十五屆）增加了通過 人工智能完成電磁[1] 導(dǎo)航的組別。這些組別的基礎(chǔ)都需要能夠?qū)τ晒ぷ中?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%84%9F/">電感所檢測到賽道交變磁場信號進(jìn)行精確測量。雖然磁場有可能會受到各種環(huán)境 磁場屏蔽 的影響，發(fā)生變化，或者由 信號發(fā)生器的原因引起磁場變化 ，但對檢測到的交流磁場信號進(jìn)行精密幅度測量是為后面應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

在之前，通過博文討論了一些檢測 20kHz 交流磁場信號幅值的方法，包括：

• 高頻檢波[2]? ：對比通過二級管、單電源運(yùn)放進(jìn)行信號檢波的方法。精密軟件檢波[3] ：通過對交流信號進(jìn)行采樣，然后計算信號的幅度；

• 使用 AD8302 檢波[4]：這是利用 ADI 公司的 RF/IF 幅度和相位檢測 IC 來測量交流信號的幅值；

• 使用數(shù)字示波器測量交流信號的的幅值和相位[5]：利用可以聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字示波器完成高頻信號的采集，進(jìn)而通過軟件的方法來測量交流信號的幅值和相位。

靈活高效的電磁信號的檢測方法，可以提高實(shí)際工程應(yīng)用中的 電磁定位[6] 的精度。

02 基于 TPF111 測量幅值的原理

本文提到的 TPF111[7] 芯片原本是是一款專門針對消費(fèi)類應(yīng)用而設(shè)計的低成本視頻重構(gòu)濾波器。它本身是對輸入信號進(jìn)行 2 倍(6dB)的視頻放大的功能。如果通過電容耦合，可以實(shí)現(xiàn)對信號鉗位的功能，也就是能夠?qū)⑿盘柕淖畹椭颠M(jìn)行鉗位到 200mV 左右。利用這個特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對于輸入交流信號的幅值的測量。

下圖是 TPF111 內(nèi)部對輸入信號中視頻同步（行同步、場同步）電平（信號的最低電平）進(jìn)行鉗位的結(jié)構(gòu)示意。如果輸出信號通過電容耦合到輸入端，那么有內(nèi)部的電平比較和 MOS 管放電回路的作用，會使得信號的最低電平維持在一個固定的電位上。

▲ TPF111 同步頭鉗位電路

如果輸入是一個正弦信號。它的最低電平被維持在 Vclamp 上，那么輸出電壓的平均值就等于 E+Vclamp。因此由輸出信號的直流分量，減去固定的 Vclamp，就可以得到對應(yīng)信號的幅度 E 的大小。這就是 TPF111 完成正弦信號檢波的基本原理。

▲ 信號底部鉗位之后對應(yīng)的直流分量

關(guān)于 TPF111 的基本功能實(shí)驗(yàn)可以參考博文：TPF111 視頻信號放大器研究[8] 中的結(jié)果。

03 幅度可調(diào)的 20kHz 交流信號源

為了驗(yàn)證 TPF111 的上述對正弦信號幅度檢波的效果，需要建立一個幅值可以通過程序控制的 20kHz 交流信號源。這樣可以測量 TPF111 檢波的輸入輸出之間的關(guān)系。

1. 基本方法

在之前的博文中，給出了一些基本的交流信號源的實(shí)現(xiàn)方法，主要包括：

（1）使用交流信號源。在一般的交流信號源設(shè)備中，都具有對輸出信號幅度控制的功能。比如在 如何使用萬用表測量隨機(jī)噪聲[9] 介紹的 DS345 信號源。但是這類信號源改變輸出幅值缺少外部編程接口。

（2）使用機(jī)械變阻器。當(dāng)然，普通的電位器可以改變信號的幅值，但同樣缺少可編程接口。在博文 ?機(jī)械變阻器[10] 中介紹了使用步進(jìn)電機(jī)控制電位器的方式。但這種方法只能是大體給出信號變化的方向，缺少精確設(shè)定的方法。

（3）使用數(shù)字電位器。在之前的博文 X9C102，X9C103, X9C104[11] 以及 AD5272 數(shù)字變阻器 中介紹了兩類數(shù)字電位器、變阻器。但由于寄生電容的影響，使得這類器件對于信號的頻率有限制。

（4）使用 DAC 來改變交流信號的幅值。本實(shí)驗(yàn)中的 20kHz 交流信號源借用了在博文 ?DAC8830 可以當(dāng)做電位器來使用嗎？[12] 所給出的方法。

▲ 多種電解電容的極性標(biāo)示

2.DAC8830 可變幅值交流信號源

直接使用 DAC8830 改變交流信號的幅值，由于 DAC8830 輸出阻抗的影響，還需要外部增加運(yùn)放來提高 DAC8830 輸出帶負(fù)載的能力。下面使用 ?OPA4377[13] 作為 DAC8830 輸出緩沖，便可以帶動后面的各種對交流輸出信號的檢波負(fù)載。

▲ 基于 DAC8830 的可變幅值信號源實(shí)驗(yàn)電路板

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下面是使用 DAC8830 所獲得的輸出幅值可調(diào)的 20kHz 的信號源。它的輸出由 OPA4377 進(jìn)行緩沖，提高了帶負(fù)載的能力。

▲ 利用 DAC8830 輸出不同幅度的交流信號

?

下面三張圖分別顯示了 DAC8830 設(shè)定數(shù)值與輸出交流信號實(shí)測幅值之間的關(guān)系?？梢钥吹皆诖蠓秶?、小范圍，設(shè)定數(shù)值與輸出電壓幅值之間具有線性關(guān)系。只是在數(shù)值比較小的時候，輸出交流信號幅值會有一定的波動和非線性。

▲ 設(shè)置數(shù)值與輸出交流信號電壓

▲ 設(shè)置數(shù)值與輸出交流信號電壓

▲ 設(shè)置數(shù)值與輸出交流信號電壓

?

04 實(shí)驗(yàn)方案

利用 TPF111U 設(shè)計帶有電容耦合的放大電路，如下圖所示?？梢钥吹?TPF111 封裝很小，這就減少了檢波方案所占用的電路板的尺寸。

▲ 實(shí)驗(yàn) TPF111U 原理圖和實(shí)驗(yàn)電路板

注意：TPF111U 的封裝是 SC70

下圖顯示了輸入信號與 TPF111 輸出信號之間的關(guān)系?？梢钥吹捷敵鲂盘柺菍斎胄盘栠M(jìn)行了兩倍（6dB）的放大。而且輸出信號的最低值在這個過程中都基本上維持不變，表明了 TPF111 對于最低電位的鉗位功能。

當(dāng)輸入信號的幅度超過的 TPF111 工作電壓的一半的時候，輸出信號就會出現(xiàn)飽和失真。

▲ TPF111U 輸出與輸入信號之間的關(guān)系

?

05 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)輸入交流信號為 0:V 時，TPF111 輸出的偏置電壓為：0.437V。這就是 Vclamp。

下面通過 DAC8830 加入信號幅度可變的 20kHz 交變信號。通過萬用電壓的直流檔測量 TPF111 的輸出直流分量。下圖顯示了輸入交流信號的有效值與輸出信號直流分量之間的關(guān)系。

輸入信號有效值小于 0.85V 時，輸出與輸入之間基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系。當(dāng)輸入信號超過 0.85V，輸出電壓變緩，這是由于輸入信號峰值過大，使得 TPF111 出現(xiàn)飽和造成的。

▲ 輸入交流信號與 TPF111U 輸出直流信號之間的關(guān)系

下面將輸入信號小于 0.5V 時，輸入輸出之間的關(guān)系繪制出來，可以看到輸出的電壓基本上與輸入之間呈現(xiàn)增量線性的關(guān)系。消除了使用二極管進(jìn)行檢波時的死區(qū)的影響。

▲ 輸入交流信號與 TPF111U 輸出直流信號之間的關(guān)系

對于信號小于 0.05V 的時候，信號輸出呈現(xiàn)比較緩慢的趨勢。下面對于信號小楊說 0.01V 時的曲線進(jìn)行放大?？梢钥吹剑m然這部分的信號呈現(xiàn)更多的非線性，但仍然沒有明顯的死區(qū)。這就表明使用 TPF111 檢波有更強(qiáng)的靈敏性。

▲ 輸入交流信號與 TPF111U 輸出直流信號之間的關(guān)系

結(jié)論

TPF111 原本是用于視頻放大的電路，本文探討了利用它的低電平鉗位功能來對輸入正弦交流信號進(jìn)行檢波。通過實(shí)際信號的測量，表明使用 TPF111 輸出的直流分量來檢測輸入正弦波的幅值，基本上沒有死區(qū)的影響，檢波靈敏度很高。在高頻檢波[2] 博文中介紹使用單電源運(yùn)放 LMV321 進(jìn)行半波放大來進(jìn)行檢波，相比之下使用 TPF111 檢波有著更大的線性范圍。

由于 TPF111 的輸出有一個固定的直流分量，所以需要預(yù)先采集保存這個直流電壓數(shù)值。在最終的測量結(jié)果中將該分量減除，才能夠獲得與輸入交流信號幅值成正比的幅值信息。

參考資料

[1]人工智能完成電磁: https://editor.csdn.net/md/?articleId=105217365

[2]高頻檢波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134160

[3]精密軟件檢波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104133708

[4]使用 AD8302 檢波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104072612

[5]使用數(shù)字示波器測量交流信號的的幅值和相位: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106439663

[6]電磁定位: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134054

[7]TPF111: http://static6.arrow.com/aropdfconversion/83e613e5113d8114df532f9be20ae4aa058f7525/12tpf111_cn_rev2.2.pdf

[8]TPF111 視頻信號放大器研究: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106380404

[9]如何使用萬用表測量隨機(jī)噪聲: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104132063

[10]機(jī)械變阻器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104089780

[11]X9C102，X9C103, X9C104: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134132

[12]DAC8830 可以當(dāng)做電位器來使用嗎？: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106039173

[13]OPA4377: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106863330

公眾號留言

卓大大 看了留言 內(nèi)心很是低落，站到你的立場上 你可能也擔(dān)心今年今年比賽的效果會不好， 因?yàn)閺脑u論來看大家的準(zhǔn)備情況不太好。但我還是想和卓大大說 那可能只是一少部分人 我們學(xué)校返不了校 ，但都在認(rèn)真準(zhǔn)備著，只不過是換了個工作的地方 ，勁頭上和在學(xué)校是一樣的。

包括每天調(diào)車跳到很晚。只要比賽能如期舉辦 我相信競爭還是很激烈的，很精彩的。卓大大辛苦了。

卓卓老師，信標(biāo)組的麥輪可以自己在輪轂上再套一層橡膠嘛？

?

回復(fù)：這是允許的。

卓老師，我們是 AI 組別，我們車模的要求是不超過 20㎝，但是我們電感所在板子的長度大概是 30 左右， 請問這樣符合要求嗎？

?

回復(fù)：車模的寬度不超過 20 厘米，包括傳感器的尺寸。所以你們還需要進(jìn)一步減少傳感器左右寬度。

卓大大，我想問一下原來老 c 車車模的輪子可以用在節(jié)能車上面嗎，我量了一下，它直徑大了將近 2mm。

回復(fù)：規(guī)則中允許節(jié)能組直接使用 D,E 車模車輪。其中的 C 車模的輪子與 D 車模相同，也是可以使用在節(jié)能組的。

卓大大，節(jié)能組可以主控用 stc8g，然后用恩智浦或者其他芯片讀取陀螺儀角度嗎？(這樣恩智浦芯片就跟陀螺儀一起算成外設(shè)了)。

回復(fù)：你所說的這種情況會在車模技術(shù)檢查中引起誤會。所以還是建議你能夠直接使用 STC8G 完成傳感器數(shù)據(jù)的讀取。

卓大大，請問您的郵箱可以分享一下嘛？我向您提交一些舉報資料。不知道您是否還記得我之前向你反映的一個被人騙的情況，我知道那個人在閑魚上售賣信標(biāo)程序，就我已知的至少已經(jīng)賣出了 10 份以上。我覺得非常的惡心，不想讓他繼續(xù)這樣作惡下去，我就把他之前發(fā)給我的歷程發(fā)到了網(wǎng)上，結(jié)果他現(xiàn)在反咬一口，說我賣程序。

真的是惡心。我整理很多關(guān)于這個人的資料，以及售賣證據(jù)，想要發(fā)給您。

我可以忍受不公，但是我沒有辦法忍受污蔑。那個人還惡人先告狀說聶忠強(qiáng)賣程序賺錢，我沒有賣程序賺過一分錢，那個人騙了我 500 多，還說我騙人。

回復(fù)：就將信息直接發(fā)送如下郵箱吧：zhuoqing@tgsinghua.edu.cn?