【導讀】通常情況下20kHz的低頻交變磁場(chǎng)信息是通過(guò)10mH的工字型電感，適配以6.2nF的諧振電容檢測的。該信號在經(jīng)過(guò)三極管或者普通運放的放大之后送入檢波電路完成幅值的檢測。
對于電磁AI組別，如何能夠從車(chē)模周?chē)姶艂鞲衅鳙@得磁場(chǎng)精確信息是提高車(chē)模穩定性的關(guān)鍵。
通常情況下20kHz的低頻交變磁場(chǎng)信息是通過(guò)10mH的工字型電感，適配以6.2nF的諧振電容檢測的。該信號在經(jīng)過(guò)三極管或者普通運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(shuí)破壞了我的完美夏天”中介紹了關(guān)于電磁信號放大檢波中，檢波二極管的死區對于檢波信號的影響。
下圖對比了幾種典型的二極管對應的檢波曲線(xiàn)，對于使用肖特基二極管進(jìn)行全波檢波電路，在感應電壓大于0.1V之后，檢波電壓與交流信號復制之間線(xiàn)性很好。當輸入信號的幅值小于0.1V時(shí)，檢波電壓出現明顯的衰減。
不同二極管進(jìn)行20kHz檢波曲線(xiàn)
為了消除二極管死去的影響，對于交流信號也可以直接進(jìn)行軟件采樣然再通過(guò)軟件完成幅值的檢測。
下圖是對20kHz的交變信號，通過(guò)單片機ADC轉換之后，通過(guò)DMA送入內存之后的256個(gè)數據。
直接采樣得到20kHz的交流信號數據
對于采集的信號，通過(guò)計算信號中交流成分的能量，并開(kāi)根號獲得信號的幅值信息。具體公式如下：
使用Fluke45萬(wàn)用表的交流檔測量相同的信號，對照單片機通過(guò)上述方法計算出的數值，可以看到該方法檢測信號的精度。
控制信號源的強度，使得放大后的交流信號有效值從5mV開(kāi)始增加，一直增加到0.9V左右，將Fluke45萬(wàn)用表讀出的數據與單片機檢測數值繪制成圖表如下：
計算采集信號的能力來(lái)檢測信號的幅值
上圖顯示，直接使用軟件計算采集信號的能力，所得到的信號幅值沒(méi)有任何死區的影響，在弱信號和強信號下，檢測數據線(xiàn)性程度很好。
下圖顯示了在同樣外部信號源的強度下，采集200數據顯示的信號標準方差為1.5左右。
直接對采集到的信號求交流分量的能量，數值包含了信號能力和噪聲的能量。
如果再利用信號本身已知的信息，對其進(jìn)行數字濾波，可以將疊加在信號中的噪聲進(jìn)一步衰減。
信號是20kHz的正弦波信號?？梢詫Σ杉降臄祿嬎闼?0kHz處的離散傅里葉變換，得到對應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)周期內采集數據的個(gè)數。
為了能夠在每個(gè)周期內采集到更多的數據點(diǎn)，可以使用欠采樣的方法，對ADC信號完成采集。下面的數據時(shí)每隔51us采集一次AD數值?？梢垣@得每個(gè)周期50個(gè)左右的采集數據點(diǎn)。數據個(gè)數為273個(gè)。
使用欠采樣所獲得信號的波形數據
下面對比使用能量方法和離散傅里葉方法計算信號的幅值所得到的數據的方法。
下圖是直接使用能量方法在相同的磁場(chǎng)情況下，測量200個(gè)數據的方差，大小在2.2左右。
直接對欠采樣信號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，對測量200個(gè)結果，統計所得到方差，大小在0.85左右。這比直接使用能量方法測量結果方差降低了3倍左右。
使用離散傅里葉變換計算欠采樣信號幅值的測量方差
如果想進(jìn)一步提高檢測精度，在單片機內部?jì)却婵臻g允許的情況下，采集更多的數據可以進(jìn)一步降低噪聲對測量結果的影響。
下圖顯示了在不同的外部磁場(chǎng)下，使用Fluke45萬(wàn)用表測量信號的幅值與單片機軟件檢測結果之間的線(xiàn)性曲線(xiàn)。
在不同外部磁場(chǎng)強度下對比Fluke45萬(wàn)用表測量結果與單片機檢測結果
實(shí)驗中，改變外部電磁信號強度是對所使用的數字電磁信號源進(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信號斷開(kāi)，然后引出該控制端口，連接到外部程控制流電源上，通過(guò)計算機編程來(lái)逐步調整信號源輸出20kHz信號的電流強度。
改造20kHz交變信號源的輸出電流控制電路
使用前面的檢測電感放大電路，可以對在不同信號源電流強度下，空間中某一點(diǎn)的交變磁場(chǎng)進(jìn)行測量。
磁場(chǎng)信號放大電路
下圖顯示了在程控電壓源輸出不同的電壓下，磁場(chǎng)感應信號的變化情況。交流信號可以在5mV至900mV范圍內變化，可以滿(mǎn)足前面對軟件檢波實(shí)驗的要求。
20kHz信號源限流MOS管的柵極電壓與檢測磁場(chǎng)信號之間的關(guān)系
