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(guó)大學(xué)智能汽車(chē)競(jìng)賽[1] 中的節(jié)能信標(biāo)組中，用于電磁導(dǎo)航對(duì)于 無(wú)線充電信號(hào)[2] 進(jìn)行放大。

 

在 節(jié)能信標(biāo)無(wú)線感應(yīng)定位測(cè)試：200kHz[3] 中，在距離無(wú)線信標(biāo)1米左右的距離內(nèi)，對(duì)于幾種不同的電感接收無(wú)線信號(hào)進(jìn)行了初步測(cè)試，可以看到不同的電感接收方案所獲得的交流信號(hào)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(hào)可能就會(huì)降低到幾百個(gè)微伏。因此需要對(duì)接收到的信號(hào)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(duì)應(yīng)的選頻回路的Q值為75。

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

 

2.放大框架

 

雖然100kHz信號(hào)不算很高，借助于DSP器件可以完成軟件選頻信號(hào)處理。但是考慮到第16屆智能車(chē)競(jìng)賽中用于節(jié)能信標(biāo)組的控制器是來(lái)自于Infineon公司的MCU，它對(duì)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(jiǎn)單起見(jiàn)，測(cè)試基于高頻NPN晶體管 9018的小型號(hào)高頻放大電路。選頻回路采用 超聲波測(cè)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(cè)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(duì)于150kHz的放大器進(jìn)行測(cè)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(cè)試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測(cè)試顯示模塊[7] 測(cè)量實(shí)驗(yàn)中9018的基本參數(shù)。

 

▲ 9018測(cè)量基本參數(shù)

 

根據(jù)測(cè)量9018三極管的的參數(shù)，可以大體計(jì)算在時(shí)，對(duì)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(cè)距測(cè)速升壓可調(diào)中周倒車(chē)?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(cè)并聯(lián)電容為154.4pF。失配的部分，通過(guò)調(diào)整中周來(lái)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(hào)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(guò)掃描頻率測(cè)量諧振頻率曲線如下圖所示：

 

▲ 對(duì)于測(cè)試諧振回路掃頻結(jié)果

 

02 放大電路測(cè)試

 

1.搭建實(shí)驗(yàn)電路

 

在面包板上搭建了測(cè)試電路。電路中的晶體管為9018， 基級(jí)電阻為51kΩ。

 

▲ 面包板上搭建的測(cè)試電路

 

（1）確定工作點(diǎn)

 

施加+5V的工作電流，可以測(cè)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(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)曲線：

 

2.測(cè)量輸入、輸出阻抗

 

（1）測(cè)量輸入阻抗

 

使用 DG8SAQ矢量網(wǎng)絡(luò)分析[9] 儀測(cè)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(duì)應(yīng)的阻抗為：

 

 ◎ 150kHz輸入阻抗：

   

   

▲ 輸入阻抗測(cè)試

 

（2）測(cè)量輸出阻抗

 

將330歐姆通過(guò)1uF連接到地，對(duì)輸入端口進(jìn)行阻抗匹配。使用 DG8SAQ 矢量網(wǎng)絡(luò)分析[8] 測(cè)量中周副線圈的阻抗。

 

 ◎ 150kHz阻抗：

   

   

▲ 輸出阻抗曲線（140 ~ 160kHz）

 

3.測(cè)量放大增益

 

（1）無(wú)輸入輸出匹配

 

直接將DG1062產(chǎn)生的150kHz正弦信號(hào)，通過(guò)1uF施加在9018基極。在中周輸出直接施加1.2k歐姆負(fù)載，測(cè)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(hào)與增益

 

（2）倍壓檢波

 

在副邊使用倍壓整流將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，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(cè)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(guó)大學(xué)智能汽車(chē)競(jìng)賽: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[2]無(wú)線充電信號(hào): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115040882

[3]節(jié)能信標(biāo)無(wú)線感應(yīng)定位測(cè)試：200kHz: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113869198

[4]超聲波測(cè)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(cè)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(cè)試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測(cè)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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