恩智浦智能车四轮组– 1.电磁检测方案、运放选型

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2021年2月2日 09时05分

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电磁检测电路方案、运放选型

 

比赛场地是20kHZ的信号,使用LC并联谐振进行选频,放大电路放大,经过检波输出为直流信号,接入ADC。

 

LC并联谐振

 

LC并联谐振原理

 

LC并联谐振选频公式为:

 

在这里插入图片描述

 

看了不少报告、淘宝成品,基本用的都是:

 

10mH电感+6.8nF电容
严格来说,根据上述公式,将20kHZ代入,10mH应该对应6.33nF。
此外,电感和电容的Q值影响选频的精度,

 

在这里插入图片描述

 

Q 越大,振幅特性曲线越尖锐,在f=fo附近相频特性变化越快,选频性能越好。

 

另外,电感和电容的制造误差,会导致不对称的情况,有条件的话,最好人工选择参数较为一致的电感和电容。

 

以上两点,催生了淘宝上部分“天价电感”,声称高Q值,低误差等等…
(顺带吐槽一下,虽然我也小白,但坚决不交这个智商税…是不是智商税也不重要,但一个评级如此高的比赛有这样完整的产业链,让人难受。每年变动不大的命题,各种祖传代码,只要你有钞能力,这就是”调参大赛” |ps:更喜欢电赛)

 

我购进了几款10mH电感,之后测试效果会发出来供大家参考。

 

放大电路

 

有两种方案:
1.三极管放大
2.运放放大

 

二者区别:
三极管频率响应有先天的优势,适合高频,但线性度不如运放,存在零漂、温漂。

 

运放可以构成深度负反馈,但频率响应差一些,当然,如果你有“钞能力”,这些都不是问题,又好又贵的运放一大把。

 

综上,现在没有人用三级管了,不过用来参考学习还是可以的。

 

三极管放大

 

翻看古董资料的时候,看到一篇《电磁组竞赛车模路径检测设计参考方案》2010年组委会发布的,里面介绍的比较详细,我搬运一下:

 

感应电压只有几十个毫伏。在检测幅值之前必须进行有效的放大,放大倍数一般要大于 100 倍(40db)。

 

最简单的设计可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求,如下图所示:

 

在这里插入图片描述

 

上图中放大后直接输出,只要保证单片机的 AD 采集速率大于 20kHz 的 5-10 倍,连续采集 5-10 个周期的电压信号(大约 100 数据左右),就可以直接从采集的数据中最大值减去最小值获得信号的峰峰值,峰峰值越大,表示距离导线越近。

 

我打算使用的是stc8a系列单片机,它的AD采样频率:

 

在这里插入图片描述

 

最大为800kHZ,完全够用了。
以上就是最简单的办法了。

 

稍微进化一下,加入检波电路:

 

在这里插入图片描述

 

上面电路D1和D2进行半波检波,输出部分 C4, R3 是进行滤波作用,输出即为直流,接入单片机ADC即可。

 

使用运放放大

 

组委会早期的文档中使用三极管方案而不用运放的原因写的很清楚,这部分原因也是我们选择运放的指标:

 

 

我们没有使用运算放大器进行信号的放大,这主要由于常用到的运算放大器(op07, uF741, NJM4580, NJM072B, JNM2904 等等) 在 工作电源、输出范围、频率响应等方面不能够满足我们的要求。

 

(1)工作电源:一般运放需要正负供电电源,在车模电路设计中,往往无 法直接提供正负电源。
(2)输出范围:运放输出电压范围往往要比工作电源电压小 1-2V,这样就 大大限制了信号的范围。也有部分 CMOS
运放可以实现满工作电源的输出(Rail to Rail 输出),但是这类运放的频率响应不够。
(3)频率响应:普通的运放的频率响应特性由增益带宽乘积参数决定。该 参数一般在 1-5Mhz 左右,除了高速运放外。我们的信号频率为
20kHz,如果使 用增益带宽乘积参数为 1Mhz 的运放,它对于 20kHz 的最大增益已经减少到 50
倍左右了。此时,它的最大输出电压范围也会更加减少(主要受到输出电压转换 速率参数的影响)。此时运放电路增益已经不能够满足我们的需要。
如果使用运放进行信号的放大,需要仔细选择运放,使得它的工作参数能够 满足我们电路的需要。

 

根据上述需求,我们列一下运放的需要注意的参数:

 

  • 单电源供电
  • 必须是轨到轨运放
  • 一般LC谐振的峰峰值为几mV,放大到V级别,至少能保证20kHz下,100倍增益不失真,也就是说,增益带宽积至少为2MHz。
  • 由于输入只有几mV,运放的输入失调电压,应该尽量低。

 

下面列出几家智能车相关的淘宝店售卖的、部分队伍技术报告中出现的运放:

 

以下均为轨到轨运放:

 

 

运放 种类 20kHz时,最大增益 输入失调电压 价格(立创商城参考价)
OPA2350 通用运放 1500倍 典型值0.15mV,最大值0.5mV 双路运放 8.5¥/颗
OPA2340 零漂移运放 300倍 典型值0.15mV,最大值0.5mV 双路运放 9.5¥/颗
AD8629 零漂移运放 180倍 典型值0.001mV,最大值0.005mV 双路运放 10.5¥/颗
OPA4377 通用运放 300倍 典型值0.25mV,最大值1mV 4路运放 10¥/颗
AD620 仪放 200倍 最大值0.05mV 单路仪放 16¥/颗
TLV4316 通用运放 800倍 典型值0.75mV,最大值3mV 4路运放 6¥/颗
INA2332 仪放 500倍 典型值2mV,最大值8mV 双路仪放 13¥/颗

 

 

OPA2350,在智能车的相关店铺中比较常见,报告中也出现频繁,看参数是不错的选择。
OPA2350数据手册

 

OPA2340,零漂相较于OPA2350更小,但增益小一些,300倍也够用。
OPA2340数据手册

 

AD8629,低噪声、低漂移、低失调电压,但增益不是很高,如果所需增益在100倍左右,那么这个运放可以说是上表中参数最漂亮的了,当然,具体增益大小,需要实验。另外,有国产的替代IC:MS8629,价格更低,增益更高。
AD8629数据手册

 

OPA4377,在智能车店铺中有卖,性价比很高,它对应的双路运放型号为OPA2377,4路的型号价格更划算。
OPA4377数据手册

 

AD620,一款比较常见的仪放,外围电路非常简单,在前几年的技术报告中相当常见,除了最大增益偏低,其他各项参数都不错,但成本很高,我不打算使用。
AD620数据手册

 

TLV4316,在一篇设计报告中发现的,这个价格很吸引人,唯一的瑕疵是,失调电压最大值偏高。
TLV4316数据手册

 

INA2332,也是在一篇技术报告中发现,查阅手册时,发现失调电压有些高。
INA2332数据手册

 

给一点小建议,如果想多测试几种运放的话,最好选用双路通用运放,封装使用SOIC-8(这种封装的常用一些),这样打一块板子,可以测试多种运放。

 

在上表中,OPA2350、OPA2340、AD8629、TLV2316(TLV4316的双路型号)都可以使用同一块板子测试。

 

MULTISM仿真

 

打板前,用multism对OPA2350、OPA2340、OPA4377、AD8629做了仿真。

 

信号源:20kHz,峰峰值4mV
测试电路使用差分放大,2.5V偏置

 

OPA2350 100倍增益,效果良好:

 

在这里插入图片描述

 

OPA2350 1000倍增益,可以看到,设定1000倍增益下,这块运放依然坚挺,仅在低端出现了一点点的失真,效果很好:

 

在这里插入图片描述

 

OPA2340 仿真时,100倍增益就开始衰减了,设定300倍增益下,放大后理应峰峰值达到1.2V,结果只能到600mV,实际增益为150倍左右。

 

在这里插入图片描述

 

AD8629 带宽同样偏低,设定100倍增益时,实际增益只有75倍,设定300倍增益时,实际增益只有150倍。

 

在这里插入图片描述

 

OPA4377同样存在部分衰减,设定300倍增益时,实际增益为200倍左右。

 

在这里插入图片描述

 

从仿真效果上来看,OPA2350效果最佳,带宽超宽,20kHz下,可以达到1000倍增益,其余几款最大增益都被限制在200以内。

 

还有一款TLV4316,multism中没有模型,这款芯片带宽也挺宽的。(OPA2350是38M,TLV4316是10M)

 

OPA2350和TLV2316(TLV4316的双路型号)都是通用运放,可以互换。测试可以先测这两款。

 

其中TLV2316有国产替代型号:RS722,价格仅1.2¥/颗。
RS722有对应的更高带宽的型号,RS822,价格也不错。

 

个人比较偏向RS822,看参数很nice,价格是OPA2350的1/6。

 

实际测试

 

最终选用RS822,使用效果不错:
立创商城链接:
https://item.szlcsc.com/249384.html

 

电感使用了几家的黑皮10mH电感,发现:
只要是同批次的电感,差别不会太大。

 

只要保持电感、电容对称和一致即可,“高Q值”效果并不明显。

 

如果这篇博文看到现在,就踏踏实实自己准备电感吧,不必花那份冤枉钱,天价电感不是神仙。

 

NXP恩智浦智能车四轮组– 2.电磁检波电路、运放模块原理图:
https://blog.csdn.net/weixin_44578655/article/details/106211508

 

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