■ 背景

在全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)競(jìng)賽中有一個(gè)傳統(tǒng)的賽車(chē)引導(dǎo)的模式，就是使用電磁線引導(dǎo)車(chē)模運(yùn)行。在 信號(hào)源^[1] 驅(qū)動(dòng)鋪設(shè)在賽道上電磁線（漆包線），產(chǎn)生方波電流。電流的頻率為20kHz， 電流峰值約為100mA 。

參賽同學(xué)制作的車(chē)模使用工字型電感（10mH）配合適當(dāng)?shù)闹C振電容（6.8nF）來(lái)感應(yīng)賽道周?chē)慕蛔儨?zhǔn)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)的大小（多個(gè)傳感器可以檢測(cè)到電磁場(chǎng)的方向）來(lái)獲得賽道的信息。

特別是今年（2020年第十五屆）引入了 AI電磁組^[2] 根據(jù)安裝在車(chē)模上前后多個(gè)傳感器，通過(guò)訓(xùn)練多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制車(chē)模的運(yùn)行。

本質(zhì)上，驅(qū)動(dòng)賽道電流是否是正弦波對(duì)于車(chē)模檢測(cè)來(lái)講并不是特別的重要。因?yàn)殡姶艡z測(cè)基本上都采用了前端LC諧振回路來(lái)測(cè)量交表磁場(chǎng)的強(qiáng)度。但是在傳統(tǒng)的信號(hào)源驅(qū)動(dòng)大型賽道（特別是賽道鋪設(shè)兩圈電磁線）就會(huì)引信號(hào)源輸出電流大小發(fā)生波動(dòng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了兩種方案：

• 設(shè)計(jì)制作的能夠穩(wěn)定輸出信號(hào)基波的信號(hào)源；
• 允許比賽同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)信號(hào)源進(jìn)行改動(dòng)，包括更換自己的信號(hào)源。

在推文 傅里葉，請(qǐng)?jiān)賻臀覀円淮伟?...^[3] 介紹了使用單片機(jī)軟件來(lái)穩(wěn)定信號(hào)源基波的方法。實(shí)際上，也可以直接通過(guò)硬件（LC濾波）來(lái)提取輸出信號(hào)的基波，并進(jìn)行穩(wěn)定。

下面是佟超（原北京科技大學(xué)參賽隊(duì)員）設(shè)計(jì)的一款 開(kāi)源正弦波20kHz信號(hào)發(fā)生器 V2^[4] ，廣受參賽同學(xué)們的喜歡。

前幾天，佟超給我寄送過(guò)幾塊制作的電路板。并將相關(guān)的 信號(hào)源開(kāi)源下載信息^[4] 發(fā)送給我。下面來(lái)分析一下這款電源的基本工作原理。

01電源原理圖

總的電路圖可以從前面開(kāi)源下載信息中看到。下面分別對(duì)于電路的幾個(gè)主要部分進(jìn)行分析。

電路的核心是一款基于 LGT8F684P^[5] （據(jù)說(shuō)這款單片機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)停產(chǎn)了）的8位單片機(jī)。MCU的主要功能：

• 產(chǎn)生20kHz的SPWM信號(hào)（P1A,P1B）驅(qū)動(dòng)后面的MOS橋電路。
• 讀取輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(jí)工作電壓，反映信號(hào)輸出的情況。
• 驅(qū)動(dòng)板上工作LED（綠色）指示工作狀態(tài)：如果綠色熄滅，表示輸出阻抗過(guò)?。ㄝ敵龆搪妨耍?。

測(cè)量MCU輸出的P1A，P1B上的SPWM波形。SPWM頻率大約是500kHz。每個(gè)周期（20kHz，50us）有25個(gè)脈沖輸出。

由于后期是直接驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)N-P溝道MOS管半橋輸出信號(hào)。為了避免上下直通，所以在輸出的兩路SPWM脈沖之間留有死區(qū)時(shí)間。也就是保證上管先關(guān)斷，下管再導(dǎo)通。

通過(guò)示波器可以看到，這個(gè)死區(qū)時(shí)間大約是180ns左右。

這個(gè)電路板的精彩之處在后面的濾波以及恒流控制部分。

MCU產(chǎn)生的SPWM信號(hào)通過(guò) EG27324^[6] MOS驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng) WSP4606 （N-P互補(bǔ)功率MOS管，30V/7A-6A）輸出功率信號(hào)。

輸出信號(hào)先經(jīng)過(guò)L3（150uH）和C7（100nF）低通濾波。

輸出的電壓在經(jīng)過(guò)L2,C15,C8的低通濾波，最后輸出正弦電壓波形。

輸出信號(hào)電流通過(guò)R5,R6并聯(lián)之后，形成電流反饋電壓。該電壓經(jīng)過(guò)D9(BAV99)倍壓整流之后，C4濾波形成U1(TPS61040D)開(kāi)關(guān)升壓電源的反饋電壓。

TPS61040D是一款開(kāi)關(guān)BOOST控制芯片，將工作5V電壓升壓到5~15V，提供U4橋電路作為工作電壓。

當(dāng)然，原始電路圖還存在一些疑問(wèn)：U3的工作電壓？U4的工作電壓？不可能有D10反向給出？

由于VCC5-15V升壓的高低反映了輸出阻抗的情況。當(dāng)輸出阻抗越大，VCC5-15越高，該電壓經(jīng)過(guò)分壓之后有單片機(jī)讀取，可以判斷試試負(fù)載是否斷路，或者斷路。

02電路小結(jié)

1.電路的優(yōu)點(diǎn)

該電路由于輸出就是正弦波，所以通過(guò)電流采樣進(jìn)行峰峰倍壓整流之后的電壓與輸出信號(hào)的幅值（基波）成正比。這一點(diǎn)與使用方波輸出信號(hào)來(lái)比，對(duì)于基波的幅值測(cè)量更加精準(zhǔn)。對(duì)于普通的方波輸出，特別是電流波形變形之后，需要獲得基波，則需要通過(guò)離散傅里葉變換（DFT）才能夠檢測(cè)到。

對(duì)于輸出電流的恒流控制是由TPS61040D完成，就不需要單片機(jī)進(jìn)行橫流控制，這使得輸出電流波動(dòng)更加的平穩(wěn)。

2.改進(jìn)之處

為了簡(jiǎn)潔，這款信號(hào)源沒(méi)有增加關(guān)于輸出電流的精確顯示，只能大體上通過(guò)LED的表示線路是否斷路或者斷路。在有的情況下，可能需要對(duì)電流源的大小根據(jù)環(huán)境的 影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整（增加或者減少），電路還缺少對(duì)輸出電流設(shè)置的功能。

電路對(duì)于恒流控制使用了TPS61040內(nèi)部閉環(huán)控制，當(dāng)外部道路的電磁線圈電抗發(fā)生較大變化，特別是電感分量增，這會(huì)增加電流閉環(huán)回路的時(shí)間常數(shù)，在極端情況下，也會(huì)使得恒流變得不穩(wěn)定。

最后一點(diǎn)，那就是電路所使用的單片機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)停產(chǎn)，因此本電路需要能夠采用新一代的MCU進(jìn)行更新。

最后，感謝佟超對(duì)于這款信號(hào)源的開(kāi)源共享。

參考資料