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01為什么測量交流信號的幅值
在全國大學生智能車競賽中，有組別是通過電磁導航完成賽道循跡。今年（第十五屆）增加了通過 人工智能完成電磁[1] 導航的組別。這些組別的基礎都需要能夠?qū)τ晒ぷ中碗姼兴鶛z測到賽道交變磁場信號進行精確測量。雖然磁場有可能會受到各種環(huán)境 磁場屏蔽 的影響，發(fā)生變化，或者由 信號發(fā)生器的原因引起磁場變化 ，但對檢測到的交流磁場信號進行精密幅度測量是為后面應用打下基礎。
在之前，通過博文討論了一些檢測20kHz交流磁場信號幅值的方法，包括：
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高頻檢波 [2] ： 對比通過二級管、單電源運放進行信號檢波 的方法。 -
精密軟件檢波 [3] ： 通過對交流信號進行采樣，然后計算信號的幅度；
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使用AD8302檢波 [4]： 這是利用ADI公司的RF/IF幅度和相位檢測IC來測量交流信號的幅值；
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使用數(shù)字示波器測量交流信號的的幅值和相位 [5]： 利用可以聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字示波器完成高頻信號的采集，進而通過軟件的方法來測量交流信號的幅值和相位。
靈活高效的電磁信號的檢測方法，可以提高實際工程應用中的 電磁定位[6] 的精度。
02基于TPF111測量幅值的原理
本文提到的 TPF111[7] 芯片原本是是一款專門針對消費類應用而設計的低成本視頻重構濾波器。它本身是對輸入信號進行2倍(6dB)的視頻放大的功能。如果通過電容耦合，可以實現(xiàn)對信號鉗位的功能，也就是能夠?qū)⑿盘柕淖畹椭颠M行鉗位到200mV左右。利用這個特點，可以實現(xiàn)對于輸入交流信號的幅值的測量。
下圖是TPF111內(nèi)部對輸入信號中視頻同步（行同步、場同步）電平（信號的最低電平）進行鉗位的結構示意。如果輸出信號通過電容耦合到輸入端，那么有內(nèi)部的電平比較和MOS管放電回路的作用，會使得信號的最低電平維持在一個固定的電位上。
如果輸入是一個正弦信號。它的最低電平被維持在Vclamp上，那么輸出電壓的平均值就等于E+Vclamp。因此由輸出信號的直流分量，減去固定的Vclamp，就可以得到對應信號的幅度E的大小。這就是TPF111完成正弦信號檢波的基本原理。
關于TPF111的基本功能實驗可以參考博文：TPF111視頻信號放大器研究[8] 中的結果。
03幅度可調(diào)的20kHz交流信號源
為了驗證TPF111的上述對正弦信號幅度檢波的效果，需要建立一個幅值可以通過程序控制的20kHz交流信號源。這樣可以測量TPF111檢波的輸入輸出之間的關系。
1.基本方法
在之前的博文中，給出了一些基本的交流信號源的實現(xiàn)方法，主要包括：
（1）使用交流信號源。在一般的交流信號源設備中，都具有對輸出信號幅度控制的功能。比如在 如何使用萬用表測量隨機噪聲[9] 介紹的 DS345信號源。但是這類信號源改變輸出幅值缺少外部編程接口。
（2）使用機械變阻器。當然，普通的電位器可以改變信號的幅值，但同樣缺少可編程接口。在博文 機械變阻器[10] 中介紹了使用步進電機控制電位器的方式。但這種方法只能是大體給出信號變化的方向，缺少精確設定的方法。
（3）使用數(shù)字電位器。在之前的博文 X9C102，X9C103, X9C104[11] 以及 AD5272數(shù)字變阻器 中介紹了兩類數(shù)字電位器、變阻器。但由于寄生電容的影響，使得這類器件對于信號的頻率有限制。
（4）使用DAC來改變交流信號的幅值。本實驗中的20kHz交流信號源借用了在博文 DAC8830可以當做電位器來使用嗎？[12] 所給出的方法。
2.DAC8830可變幅值交流信號源
直接使用DAC8830改變交流信號的幅值，由于DAC8830輸出阻抗的影響，還需要外部增加運放來提高DAC8830輸出帶負載的能力。下面使用 OPA4377[13] 作為DAC8830 輸出緩沖，便可以帶動后面的各種對交流輸出信號的檢波負載。
下面是使用DAC8830所獲得的輸出幅值可調(diào)的20kHz的信號源。它的輸出由OPA4377進行緩沖，提高了帶負載的能力。
下面三張圖分別顯示了DAC8830設定數(shù)值與輸出交流信號實測幅值之間的關系。可以看到在大范圍、小范圍，設定數(shù)值與輸出電壓幅值之間具有線性關系。只是在數(shù)值比較小的時候，輸出交流信號幅值會有一定的波動和非線性。
04實驗方案
利用TPF111U設計帶有電容耦合的放大電路，如下圖所示?？梢钥吹絋PF111封裝很小，這就減少了檢波方案所占用的電路板的尺寸。
注意：TPF111U的封裝是SC70
下圖顯示了輸入信號與TPF111輸出信號之間的關系?？梢钥吹捷敵鲂盘柺菍斎胄盘栠M行了兩倍（6dB）的放大。而且輸出信號的最低值在這個過程中都基本上維持不變，表明了TPF111對于最低電位的鉗位功能。
當輸入信號的幅度超過的TPF111工作電壓的一半的時候，輸出信號就會出現(xiàn)飽和失真。
05實驗結果
當輸入交流信號為0:V時，TPF111輸出的偏置電壓為：0.437V。這就是Vclamp。
下面通過DAC8830加入信號幅度可變的20kHz交變信號。通過萬用電壓的直流檔測量TPF111的輸出直流分量。下圖顯示了輸入交流信號的有效值與輸出信號直流分量之間的關系。
輸入信號有效值小于0.85V時，輸出與輸入之間基本上呈現(xiàn)線性關系。當輸入信號超過0.85V，輸出電壓變緩，這是由于輸入信號峰值過大，使得TPF111出現(xiàn)飽和造成的。
下面將輸入信號小于0.5V時，輸入輸出之間的關系繪制出來，可以看到輸出的電壓基本上與輸入之間呈現(xiàn)增量線性的關系。消除了使用二極管進行檢波時的死區(qū)的影響。
對于信號小于0.05V的時候，信號輸出呈現(xiàn)比較緩慢的趨勢。下面對于信號小楊說0.01V時的曲線進行放大?？梢钥吹剑m然這部分的信號呈現(xiàn)更多的非線性，但仍然沒有明顯的死區(qū)。這就表明使用TPF111檢波有更強的靈敏性。
■ 結論
TPF111原本是用于視頻放大的電路，本文探討了利用它的低電平鉗位功能來對輸入正弦交流信號進行檢波。通過實際信號的測量，表明使用TPF111輸出的直流分量來檢測輸入正弦波的幅值，基本上沒有死區(qū)的影響，檢波靈敏度很高。在高頻檢波[2] 博文中介紹使用單電源運放LMV321進行半波放大來進行檢波，相比之下使用TPF111檢波有著更大的線性范圍。
由于TPF111的輸出有一個固定的直流分量，所以需要預先采集保存這個直流電壓數(shù)值。在最終的測量結果中將該分量減除，才能夠獲得與輸入交流信號幅值成正比的幅值信息。
參考資料
人工智能完成電磁: https://editor.csdn.net/md/?articleId=105217365
[2]高頻檢波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134160
[3]精密軟件檢波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104133708
[4]使用AD8302檢波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104072612
[5]使用數(shù)字示波器測量交流信號的的幅值和相位: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106439663
[6]電磁定位: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134054
[7]TPF111: http://static6.arrow.com/aropdfconversion/83e613e5113d8114df532f9be20ae4aa058f7525/12tpf111_cn_rev2.2.pdf
[8]TPF111視頻信號放大器研究: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106380404
[9]如何使用萬用表測量隨機噪聲: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104132063
[10]機械變阻器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104089780
[11]X9C102，X9C103, X9C104: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134132
[12]DAC8830可以當做電位器來使用嗎？: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106039173
[13]OPA4377: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106863330
公眾號留言
卓大大 看了留言 內(nèi)心很是低落，站到你的立場上 你可能也擔心今年今年比賽的效果會不好， 因為從評論來看大家的準備情況不太好。但我還是想和卓大大說 那可能只是一少部分人 我們學校返不了校 ，但都在認真準備著，只不過是換了個工作的地方 ，勁頭上和在學校是一樣的。
包括每天調(diào)車跳到很晚。只要比賽能如期舉辦 我相信競爭還是很激烈的，很精彩的。卓大大辛苦了。
卓卓老師，信標組的麥輪可以自己在輪轂上再套一層橡膠嘛？
回復：這是允許的。
卓老師，我們是AI組別，我們車模的要求是不超過20㎝，但是我們電感所在板子的長度大概是30左右， 請問這樣符合要求嗎？
回復：車模的寬度不超過20厘米，包括傳感器的尺寸。所以你們還需要進一步減少傳感器左右寬度。
卓大大，我想問一下原來老c車車模的輪子可以用在節(jié)能車上面嗎，我量了一下，它直徑大了將近2mm。
回復：規(guī)則中允許節(jié)能組直接使用D,E車模車輪。其中的C車模的輪子與D車模相同，也是可以使用在節(jié)能組的。
卓大大，節(jié)能組可以主控用stc8g，然后用恩智浦或者其他芯片讀取陀螺儀角度嗎？(這樣恩智浦芯片就跟陀螺儀一起算成外設了)。
回復：你所說的這種情況會在車模技術檢查中引起誤會。所以還是建議你能夠直接使用STC8G完成傳感器數(shù)據(jù)的讀取。
卓大大，請問您的郵箱可以分享一下嘛？我向您提交一些舉報資料。不知道您是否還記得我之前向你反映的一個被人騙的情況，我知道那個人在閑魚上售賣信標程序，就我已知的至少已經(jīng)賣出了10份以上。我覺得非常的惡心，不想讓他繼續(xù)這樣作惡下去，我就把他之前發(fā)給我的歷程發(fā)到了網(wǎng)上，結果他現(xiàn)在反咬一口，說我賣程序。
真的是惡心。我整理很多關于這個人的資料，以及售賣證據(jù)，想要發(fā)給您。
我可以忍受不公，但是我沒有辦法忍受污蔑。那個人還惡人先告狀說聶忠強賣程序賺錢，我沒有賣程序賺過一分錢，那個人騙了我500多，還說我騙人。
回復：就將信息直接發(fā)送如下郵箱吧：
zhuoqing@tgsinghua.edu.cn
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