01 選頻放大電路

 

1.電路設計目標

 

設計這個150kHz選頻放大電路是為了將在 第十六屆全國大學智能汽車競賽[1] 中的節能信標組中，用於電磁導航對於 無線充電信號[2] 進行放大。

 

在 節能信標無線感應定位測試：200kHz[3] 中，在距離無線信標1米(mi)左(zuo)右(you)的(de)距(ju)離(li)內(nei)，對(dui)於(yu)幾(ji)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)感(gan)接(jie)收(shou)無(wu)線(xian)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)了(le)初(chu)步(bu)測(ce)試(shi)，可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)感(gan)接(jie)收(shou)方(fang)案(an)所(suo)獲(huo)得(de)的(de)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)值(zhi)在(zai)幾(ji)十(shi)毫(hao)伏(fu)左(zuo)右(you)。那(na)麼(me)如(ru)果(guo)距(ju)離(li)遠(yuan)（比如在5米左右）這個電壓信號可能就會降低到幾百個微伏。因此需要對接收到的信號進行有效的放大。

 

 ◎ 設計選頻放大器指標：

 

   中心頻率：150kHz

   選頻帶寬：2kHz，對應的選頻回路的Q值為75。

   信號增益：40dB以上，也就是能夠將在5米距離處的感應信號放大到幾百mV。

 

2.放大框架

 

雖然100kHz信號不算很高，借助於DSP器件可以完成軟件選頻信號處理。但是考慮到第16屆智能車競賽中用於節能信標組的控製器是來自於Infineon公司的MCU，它對應的ADC主頻采集以及處理能力與DSP還是有一定的差距
，所以下麵選擇使用全模擬電路實現選頻放大電路的設計。

 

為了簡單起見
，測試基於高頻NPN晶體管 9018的小型號高頻放大電路。選頻回路采用 超聲波測距升壓可調中周[4] 加諧振電容的方式完成選頻放大。

 

由於電路的頻率較低，所以放大電路在 麵包板上進行測試[5] ，雖然 為什麼麵包板不能夠做射頻電路實驗[6] ，但對於150kHz的放大器進行測試還是可以的。

 

3.基本放大電路

 

利用NPN高頻小功率放大晶體管9018組成選頻放大電路。

 

（1）設置工作點Rb

 

調整Rb使得T1的工作電流在10mA左右。

 

▲ 基本放大電路

 

下圖是使用 測試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測試顯示模塊[7] 測量實驗中9018的基本參數。

 

▲ 9018測量基本參數

 

根據測量9018三極管的的參數
，可以大體計算在時，對應的工作電阻的大小：

 

 

在實際電路中，選擇。

 

（2）諧振電容C2

 

調節中周
，根據 超聲波測距測速升壓可調中周倒車雷達變頻器傳感器1:10[3] 
，可以知道中周的電感L1的調整範圍大約為  5mH～10mH 。所以選擇。根據，選擇100pf，51pf兩個電容並聯
，形成C2。使用SmartTweezer實測並聯電容為154.4pF。失配的部分，通過調整中周來達到150kHz的諧振。

 

下圖是用於調整中周磁帽使得諧振發生在150kHz。

 

▲ 調整諧振的電路

 

使用 數字變成信號源DG1062[8] 輸出  145kHz～155kHz 正弦波掃描諧振回路。調整中周磁帽，使得輸出電壓達到最高。

 

調整完之後
，通過掃描頻率測量諧振頻率曲線如下圖所示：

 

▲ 對於測試諧振回路掃頻結果

 

02 放大電路測試

 

1.搭建實驗電路

 

在麵包板上搭建了測試電路。電路中的晶體管為9018， 基級電阻為51kΩ。

 

▲ 麵包板上搭建的測試電路

 

（1）確定工作點

 

施加+5V的工作電流，可以測量到工作電流：8.4mA。

 

 ◎ 電路的工作點：

 

   Vbe : 0.760V

   Vce: 4.86V

   Ic:8.4mA

 

下圖給出了實際測量到的工作電壓VCC，與Ic之間的關係：

 

▲ 不同的VCC與Ic之間的關係

 

使用線性擬合上麵測量數據曲線：

 

2.測量輸入
、輸出阻抗

 

（1）測量輸入阻抗

 

使用 DG8SAQ矢量網絡分析[9] 儀測試放大電路輸入阻抗。使用1uF電容連接矢量網絡分析端口與9018的輸入。

 

在150kHz下
，對應的阻抗為：

 

 ◎ 150kHz輸入阻抗：

   

   

▲ 輸入阻抗測試

 

（2）測量輸出阻抗

 

將330歐姆通過1uF連接到地，對輸入端口進行阻抗匹配。使用 DG8SAQ 矢量網絡分析[8] 測量中周副線圈的阻抗。

 

 ◎ 150kHz阻抗：

   

   

▲ 輸出阻抗曲線（140 ~ 160kHz）

 

3.測量放大增益

 

（1）無輸入輸出匹配

 

直接將DG1062產生的150kHz正弦信號

，通過1uF施加在9018基極。在中周輸出直接施加1.2k歐姆負載，測量輸出交流電壓。

 

●    設置工作電壓：+12V；

●    輸出負載：1.2k

 

▲ 輸入電壓與輸出電壓

 

▲ 輸入信號與增益

 

（2）倍壓檢波

 

在副邊使用倍壓整流將接收到的信號轉換成直流信號，施加負載電阻為10kΩ。

 

▲ 進行倍壓整流

 

▲ 輸入電壓與倍壓整流輸出電壓

 

4.測量幅頻特性

 

▲ 不同頻率下輸出電壓

 

參考資料

 

[1]第十六屆全國大學智能汽車競賽: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[2]無線充電信號: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115040882

[3]節能信標無線感應定位測試：200kHz: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113869198

[4]超聲波測距升壓可調中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062

[5]麵包板上進行測試: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106161919

[6]為什麼麵包板不能夠做射頻電路實驗: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106103762

[7]測試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測試顯示模塊: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109223139

[8]DG1062: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110824422

[9]DG8SAQ矢量網絡分析: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116189783

 

 

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