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01 選頻放大電路

 

1.電路設(shè)計(jì)目標(biāo)

 

設(shè)計(jì)這個(gè)150kHz選頻放大電路是為了將在 第十六屆全國大學(xué)智能汽車競賽[1] 中的節(jié)能信標(biāo)組中，用于電磁導(dǎo)航對于 無線充電信號[2] 進(jìn)行放大。

 

在 節(jié)能信標(biāo)無線感應(yīng)定位測試：200kHz[3] 中，在距離無線信標(biāo)1米左右的距離內(nèi)，對于幾種不同的電感接收無線信號進(jìn)行了初步測試，可以看到不同的電感接收方案所獲得的交流信號的幅值在幾十毫伏左右。那么如果距離遠(yuǎn)（比如在5米左右）這個(gè)電壓信號可能就會(huì)降低到幾百個(gè)微伏。因此需要對接收到的信號進(jìn)行有效的放大。

 

 ◎ 設(shè)計(jì)選頻放大器指標(biāo)：

 

   中心頻率：150kHz

   選頻帶寬：2kHz，對應(yīng)的選頻回路的Q值為75。

   信號增益：40dB以上，也就是能夠?qū)⒃?米距離處的感應(yīng)信號放大到幾百mV。

 

2.放大框架

 

雖然100kHz信號不算很高，借助于DSP器件可以完成軟件選頻信號處理。但是考慮到第16屆智能車競賽中用于節(jié)能信標(biāo)組的控制器是來自于Infineon公司的MCU，它對應(yīng)的ADC主頻采集以及處理能力與DSP還是有一定的差距，所以下面選擇使用全模擬電路實(shí)現(xiàn)選頻放大電路的設(shè)計(jì)。

 

為了簡單起見，測試基于高頻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(diào)中周[4] 加諧振電容的方式完成選頻放大。

 

由于電路的頻率較低，所以放大電路在 面包板上進(jìn)行測試[5] ，雖然 為什么面包板不能夠做射頻電路實(shí)驗(yàn)[6] ，但對于150kHz的放大器進(jìn)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(shè)置工作點(diǎn)Rb

 

調(diào)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(shí)驗(yàn)中9018的基本參數(shù)。

 

▲ 9018測量基本參數(shù)

 

根據(jù)測量9018三極管的的參數(shù)，可以大體計(jì)算在時(shí)，對應(yīng)的工作電阻的大小：

 

 

在實(shí)際電路中，選擇。

 

（2）諧振電容C2

 

調(diào)節(jié)中周，根據(jù) 超聲波測距測速升壓可調(diào)中周倒車?yán)走_(dá)變頻器傳感器1:10[3] ，可以知道中周的電感L1的調(diào)整范圍大約為  5mH～10mH 。所以選擇。根據(jù)，選擇100pf，51pf兩個(gè)電容并聯(lián)，形成C2。使用SmartTweezer實(shí)測并聯(lián)電容為154.4pF。失配的部分，通過調(diào)整中周來達(dá)到150kHz的諧振。

 

下圖是用于調(diào)整中周磁帽使得諧振發(fā)生在150kHz。

 

▲ 調(diào)整諧振的電路

 

使用 數(shù)字變成信號源DG1062[8] 輸出  145kHz～155kHz 正弦波掃描諧振回路。調(diào)整中周磁帽，使得輸出電壓達(dá)到最高。

 

調(diào)整完之后，通過掃描頻率測量諧振頻率曲線如下圖所示：

 

▲ 對于測試諧振回路掃頻結(jié)果

 

02 放大電路測試

 

1.搭建實(shí)驗(yàn)電路

 

在面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。

 

▲ 面包板上搭建的測試電路

 

（1）確定工作點(diǎn)

 

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(diǎn)：

 

   Vbe : 0.760V

   Vce: 4.86V

   Ic:8.4mA

 

下圖給出了實(shí)際測量到的工作電壓VCC，與Ic之間的關(guān)系：

 

▲ 不同的VCC與Ic之間的關(guān)系

 

使用線性擬合上面測量數(shù)據(jù)曲線：

 

2.測量輸入、輸出阻抗

 

（1）測量輸入阻抗

 

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

 

在150kHz下，對應(yīng)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(jìn)行阻抗匹配。使用 DG8SAQ 矢量網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)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(fù)載，測量輸出交流電壓。

 

●    設(shè)置工作電壓：+12V；

●    輸出負(fù)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(zhuǎn)換成直流信號，施加負(fù)載電阻為10kΩ。

 

▲ 進(jìn)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(xué)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(jié)能信標(biāo)無線感應(yīng)定位測試：200kHz: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113869198

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

[5]面包板上進(jìn)行測試: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106161919

[6]為什么面包板不能夠做射頻電路實(shí)驗(yàn): 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(wǎng)絡(luò)分析: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116189783

 

 

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