智能车磁导航中的信号调理电路设计(2)

尹继武智能车磁导航中的信号调理电路设计

超过１０％。但电流范围５０—１５０ｒｎＡ，变化可达３倍，这将对线圈输出的感应电动势产生很大影响。

若取Ｎ＝２０，弘。－－４ｗｘｌ０。７

Ｎ／Ａ２，Ｓ＝Ｏ．００２

ｍ２，ｆ＝２０

ｋＨｚ，忙

１５０ｍＡ。ａ＝Ｏ．０３

ｍ。则可估算出感应电动势的幅值Ｅ＝５

ｍＶ，

但这只是一个数量级估算，实际上．若线圈偏离载流导线。或载流导线中的激磁电流减小。或采用尺寸更小的检测线圈时，感应电动势的幅值将迅速减小。

在小车寻道前进过程中，小车和固定在小车上的检测线圈总会左右偏离载流导线，检测电路的任务就是要随时判断出小车与载流线赛道的相对位置．以便根据小车偏离赛道的程度和小车的速度控制小车上舵机的转向角度。而要实现小车与载流线赛道的相对定位。就必须在小车上排列多个相同的检测线圈．与此对应，每个检测线圈都配接相同的信号调理电路．只有位于载流线赛道正上方的线圈对应的电路输出信号最大。

也就是说，小车与载流线赛道的相对位置由多路检测线圈中输出信号的相对最大值决定．而与每个检测线圈输出的信号大小无直接关系。找出各路线圈中感应电动势的最大值，就可知赛道在该线圈下方。尽管激励电流频率和幅值的变化会显著影响线圈输出的感应电动势。但这些冈素对所有检测线圈的影响相同，上述“找最大”实现赛道定位的思路则不受影响，从而提高检测电路对赛道的适应性。

检测线圈输出的感应电动势必须经过放大和必要的处理。最后提供给智能车的单片机进行Ａ／Ｄ转换采样。以获取赛道的位置信息。智能车的单片机刖Ｄ输入端需要∞５Ｖ之间的单极性电压１４１，对此，可以为单片机提供两种不同的信号类型。单片机采用不同的方式采样。

方式１：将检测线圈输出的频率２０ｋＨｚ、大约毫伏级的信号进行放大，放大倍数约ｌ０００倍（６０ｄＢ），然后进行幅度检波转换为直流电压．单片机对每路检测信号只采样一次就可知道信号大小。巡回采集多路电压进行比较。通过“找最大”就能实现赛道定位。

方式２：直接采集放大后的２０ｋＨｚ信号（迭加在直流偏置电压上），但要求单片机的～Ｄ采集速率远大于２０

ｋＨｚ，

单片机连续采集多个周期的电压，根据信号的周期性从采集的数据中找出最大值和最小值。根据二者的差值获得交流信号的峰峰值。此方式中。单片机对每路信号要快速采样很多次才能获取该路信号的大小。同样．要巡回采集多路电压，通过“找最大”实现赛道定位。

为了实现小车与载流线赛道的准确定位。采用多个检测线圈是必然的选择，赛制规定，最多可使用１６个检测传感器【ｌ】。比较上述两种方式。方式２的信号处理电路无需检波功能，但占用单片机大量的工作时间，因此。方式１是合理的选择。

万方数据

３信号调理电路设计

由前面的分析可见，‘信号调理电路的任务和工作条件

是：１）带宽和增益．对２０ｋＨｚ、毫伏级的信号放大约１０００

倍，且动态范围较大；２）供电电源，车载电池供电，使用单电源放大电路，电池额定电压为７．２Ｖ；３）信号转换，对放大后的信号进行幅度检波。

使用分立元件搭建电路虽然能实现该功能．但电路复杂，调试不方便，并且电路性能会随电池电压的波动而变化。常见的通用运放如ＯＰ０７、ＬＭ３２４、ＬＭ３５８等，对于２０ｋＨｚ信号无法满足带宽和增益的要求，同时，其输出摆幅较小。近年来出现的一些新的集成运算放大器能很好地承担上述任务。

如０ＰＡ２２８系列运放、ＭＡＸ４４５１系列运放。特别是ＭＡＸ４４５１双运放阎，一３ｄＢ带宽达２１０ＭＨｚ，可以在“．５一＋ｌｌＶ单电源

条件下工作，输出摆幅大，具有轨到轨输出，开环增益大于５０ｄＢ。使用两级放大外加负反馈完全能胜任。实际电路如图ｌ

所示。

图ｌ信号调理电路

智能车是靠电池驱动的，随着工作时间持续．电池电压必然下降。由于运放ＭＡＸ４４５１的共模抑制比极高，典型值

ＣＭＲＲ＝９５ｄＢ，所以在单电源条件下可正常工作．并且，电池

电压的波动基本不影响运放的工作性能。

图ｌ中￡。是检测线圈。Ｒ。、Ｒ：分压为运放提供输入偏置电压，适当调节Ｒ２可改变放大器的输入偏置电压。由于第２

级放大电路的增益设定为（尺担。）＝３０倍，可根据检测线圈厶

输出感应电动势的大小。适当选择尺，改变第ｌ级的放大倍数。从而使总增益满足要求。引入尺，是为了降低第１级放大电路的直流增益。从而提高静态工作点的稳定性。但尺，的引人降低了第ｌ级电路的交流放大能力，故接入Ｃ４－－－－０．４７“Ｆ实现交流旁路。ＶＤ．、风和ｃ３构成幅度检波电路，Ｖ肼选择压降较小的高频锗二极管，检波电路的时间常数ｒ＝Ｒ６ｃ３一般选择为激磁电流（／＇－－２０ｋＨｚ）周期的３—５倍，ｃ３的容量越大。输出到单片机Ａ／Ｄ端的直流电压中的２０ｋＨｚ波纹越小，但ｃ３的容量过大将导致电路响应时间长，对智能车与赛道的偏离反应迟钝，ｃ３的实际取值应在此估算的基础上通过测试确定。

此外，按常理，Ｒ。胡：分压为运放提供输入偏置应该为电

源电压ＶＣＣ的一半［６１，约３．６Ｖ。但由于Ｖｍ、风和Ｃ，构成的是正半周峰值包络检波电路，检测线圈厶的感应电动势越大，检波电路输出的直流电位越高。如前所述，线圈输出的感应电动势受多种因素影响变化范围较大，为增大此电路的输出

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２智能车控制电路对检测信号的要求