【導(dǎo)讀】通常情況下20kHz的低頻交變磁場信息是通過10mH的工字型電感，適配以6.2nF的諧振電容檢測的。該信號(hào)在經(jīng)過三極管或者普通運(yùn)放的放大之后送入檢波電路完成幅值的檢測。
對(duì)于電磁AI組別，如何能夠從車模周圍電磁傳感器獲得磁場精確信息是提高車模穩(wěn)定性的關(guān)鍵。
通常情況下20kHz的低頻交變磁場信息是通過10mH的工字型電感，適配以6.2nF的諧振電容檢測的。該信號(hào)在經(jīng)過三極管或者普通運(yùn)放的放大之后送入檢波電路完成幅值的檢測。
3.3V單電源20kHz諧振放大電路
在推文“是誰破壞了我的完美夏天”中介紹了關(guān)于電磁信號(hào)放大檢波中，檢波二極管的死區(qū)對(duì)于檢波信號(hào)的影響。
下圖對(duì)比了幾種典型的二極管對(duì)應(yīng)的檢波曲線，對(duì)于使用肖特基二極管進(jìn)行全波檢波電路，在感應(yīng)電壓大于0.1V之后，檢波電壓與交流信號(hào)復(fù)制之間線性很好。當(dāng)輸入信號(hào)的幅值小于0.1V時(shí)，檢波電壓出現(xiàn)明顯的衰減。
不同二極管進(jìn)行20kHz檢波曲線
為了消除二極管死去的影響，對(duì)于交流信號(hào)也可以直接進(jìn)行軟件采樣然再通過軟件完成幅值的檢測。
下圖是對(duì)20kHz的交變信號(hào)，通過單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換之后，通過DMA送入內(nèi)存之后的256個(gè)數(shù)據(jù)。
直接采樣得到20kHz的交流信號(hào)數(shù)據(jù)
對(duì)于采集的信號(hào)，通過計(jì)算信號(hào)中交流成分的能量，并開根號(hào)獲得信號(hào)的幅值信息。具體公式如下：
使用Fluke45萬用表的交流檔測量相同的信號(hào)，對(duì)照單片機(jī)通過上述方法計(jì)算出的數(shù)值，可以看到該方法檢測信號(hào)的精度。
控制信號(hào)源的強(qiáng)度，使得放大后的交流信號(hào)有效值從5mV開始增加，一直增加到0.9V左右，將Fluke45萬用表讀出的數(shù)據(jù)與單片機(jī)檢測數(shù)值繪制成圖表如下：
計(jì)算采集信號(hào)的能力來檢測信號(hào)的幅值
上圖顯示，直接使用軟件計(jì)算采集信號(hào)的能力，所得到的信號(hào)幅值沒有任何死區(qū)的影響，在弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)下，檢測數(shù)據(jù)線性程度很好。
下圖顯示了在同樣外部信號(hào)源的強(qiáng)度下，采集200數(shù)據(jù)顯示的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)方差為1.5左右。
直接對(duì)采集到的信號(hào)求交流分量的能量，數(shù)值包含了信號(hào)能力和噪聲的能量。
如果再利用信號(hào)本身已知的信息，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波，可以將疊加在信號(hào)中的噪聲進(jìn)一步衰減。
信號(hào)是20kHz的正弦波信號(hào)。可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算它在20kHz處的離散傅里葉變換，得到對(duì)應(yīng)20kHz基波的頻譜，舍去其它噪聲頻譜能量。
上面公式中，M代表在每個(gè)周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
為了能夠在每個(gè)周期內(nèi)采集到更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以使用欠采樣的方法，對(duì)ADC信號(hào)完成采集。下面的數(shù)據(jù)時(shí)每隔51us采集一次AD數(shù)值。可以獲得每個(gè)周期50個(gè)左右的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為273個(gè)。
使用欠采樣所獲得信號(hào)的波形數(shù)據(jù)
下面對(duì)比使用能量方法和離散傅里葉方法計(jì)算信號(hào)的幅值所得到的數(shù)據(jù)的方法。
下圖是直接使用能量方法在相同的磁場情況下，測量200個(gè)數(shù)據(jù)的方差，大小在2.2左右。
直接對(duì)欠采樣信號(hào)使用能量法所得到幅值的測量方差
下圖是使用離散傅里葉變換，對(duì)測量200個(gè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)所得到方差，大小在0.85左右。這比直接使用能量方法測量結(jié)果方差降低了3倍左右。
使用離散傅里葉變換計(jì)算欠采樣信號(hào)幅值的測量方差
如果想進(jìn)一步提高檢測精度，在單片機(jī)內(nèi)部內(nèi)存空間允許的情況下，采集更多的數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步降低噪聲對(duì)測量結(jié)果的影響。
下圖顯示了在不同的外部磁場下，使用Fluke45萬用表測量信號(hào)的幅值與單片機(jī)軟件檢測結(jié)果之間的線性曲線。
在不同外部磁場強(qiáng)度下對(duì)比Fluke45萬用表測量結(jié)果與單片機(jī)檢測結(jié)果
實(shí)驗(yàn)中，改變外部電磁信號(hào)強(qiáng)度是對(duì)所使用的數(shù)字電磁信號(hào)源進(jìn)行了改造。將控制輸出電流的限流電路MOS管柵極電壓，與電路板中控制單片機(jī)信號(hào)斷開，然后引出該控制端口，連接到外部程控制流電源上，通過計(jì)算機(jī)編程來逐步調(diào)整信號(hào)源輸出20kHz信號(hào)的電流強(qiáng)度。
改造20kHz交變信號(hào)源的輸出電流控制電路
使用前面的檢測電感放大電路，可以對(duì)在不同信號(hào)源電流強(qiáng)度下，空間中某一點(diǎn)的交變磁場進(jìn)行測量。
磁場信號(hào)放大電路
下圖顯示了在程控電壓源輸出不同的電壓下，磁場感應(yīng)信號(hào)的變化情況。交流信號(hào)可以在5mV至900mV范圍內(nèi)變化，可以滿足前面對(duì)軟件檢波實(shí)驗(yàn)的要求。
20kHz信號(hào)源限流MOS管的柵極電壓與檢測磁場信號(hào)之間的關(guān)系
