作者:卓晴博士，清华大学自动化系 更新时间：2020-09-03 Thursday  

 

■ 背景

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在全国大学生智能车竞赛中有一个传统的赛车引导的模式，就是使用电磁线引导车模运行。在 信号源 驱动铺设在赛道上电磁线（漆包线），产生方波电流。电流的频率为20kHz， 电流峰值约为100mA 。

参赛同学制作的车模使用工字型电感（10mH）配合适当的谐振电容（6.8nF）来感应赛道周围的交变准稳态磁场，通过磁场的大小（多个传感器可以检测到电磁场的方向）来获得赛道的信息。

特别是今年（2020年第十五届）引入了 AI电磁组 根据安装在车模上前后多个传感器，通过训练多层前馈神经网络来控制车模的运行。

本质上，驱动赛道电流是否是正弦波对于车模检测来讲并不是特别的重要。因为电磁检测基本上都采用了前端LC谐振回路来测量交表磁场的强度。但是在传统的信号源驱动大型赛道（特别是赛道铺设两圈电磁线）就会引信号源输出电流大小发生波动。为了解决这个问题，出现了两种方案：

设计制作的能够稳定输出信号基波的信号源；允许比赛同学现场对信号源进行改动，包括更换自己的信号源。

在 傅里叶，请再帮我们一次吧… 介绍了使用单片机软件来稳定信号源基波的方法。实际上，也可以直接通过硬件（LC滤波）来提取输出信号的基波，并进行稳定。

^{▲ 开源的信号源在加电工作状态}

下面是佟超（原北京科技大学参赛队员）设计的一款 开源正弦波20kHz信号发生器 V2 ，广受参赛同学们的喜欢。

前几天佟超给我寄送过几块制作的电路板。并将相关的 信号源开源下载信息 发送给我。下面来分析一下这款电源的基本工作原理。

 

01电源原理图

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总的电路图可以从前面开关下载信息中看到。下面分别对于电路的几个主要部分进行分析。

电路的核心是一款基于 LGT8F684P （据说这款单片机现在已经停产了）的8位单片机。MCU的主要功能：

产生20kHz的SPWM信号（P1A,P1B）驱动后面的MOS桥电路。读取输出信号驱动级工作电压，反映信号输出的情况。驱动板上工作LED（绿色）指示工作状态：如果绿色熄灭，表示输出阻抗过小（输出短路了）。

^{▲ MCU及其工作电源电路}

下图测量了MCU输出的P1A，P1B上的SPWM波形。SPWM频率大约是500kHz。每个周期（20kHz，50us）有25个脉冲输出。

^{▲ MCU产生的SPWM互补的波形}

由于后期是直接驱动互补N-P沟道MOS管半桥输出信号。为了避免上下直通，所以在输出的两路SPWM脉冲之间留有死区时间。也就是保证上管先关断，下管再导通。

^{▲ 上下SPWM波形之间留有死区时间}

通过示波器可以看到这个死区时间大约是180ns左右。

^{▲ 测量上下波形之间的死区时间大约180ns}

这个电路板的精彩之处在后面的滤波以及恒流控制部分。

MCU产生的SPWM信号通过 EG27324 MOS驱动芯片驱动 WSP4606 （N-P互补功率MOS管，30V/7A-6A）输出功率信号。

输出信号先经过L3（150uH）和C7（100nF）低通滤波。L3 ，C7，C8的谐振频率为： $$f_{L3C7C8}=\frac{1}{2\pi \sqrt{L3\left(C_7+C_8\right)}}$$

代入实际数值L=150uH, C7,C8=100nF，可以计算：$f_{L3C7C8}=29.057kHz$。

^{▲ 输出正弦波电路以及硬件恒流控制}

^{▲ 经过低通滤波后的正弦波}

输出的电压在经过L2,C15,C8的低通滤波，最后输出正弦电压波形。

输出信号电流通过R5,R6并联之后，形成电流反馈电压。该电压经过D9(BAV99)倍压整流之后，C4滤波形成U1(TPS61040D)开关升压电源的反馈电压。

TPS61040D是一款开关BOOST控制芯片，将工作5V电压升压到5~15V，提供U4桥电路作为工作电压。

电路图中的疑问： U3的工作电压的标示？U4的工作电压？不可能有D10反向给出？

由于VCC5-15V升压的高低反映了输出阻抗的情况。当输出阻抗越大，VCC5-15越高，该电压经过分压之后有单片机读取，可以判断试试负载是否断路，或者断路。

 

02电路小结

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1.电路的优点

该电路由于输出就是正弦波，所以通过电流采样进行峰峰倍压整流之后的电压与输出信号的幅值（基波）成正比。这一点与使用方波输出信号来比，对于基波的幅值测量更加精准。对于普通的方波输出，特别是电流波形变形之后，需要获得基波，则需要通过离散傅里叶变换（DFT）才能够检测到。

对于输出电流的恒流控制是由TPS61040D完成，就不需要单片机进行横流控制，这使得输出电流波动更加的平稳。

2.改进之处

为了简洁，这款信号源没有增加关于输出电流的精确显示，只能大体上通过LED的表示线路是否断路或者断路。在有的情况下，可能需要对电流源的大小根据环境的 影响进行适当的调整（增加或者减少），电路还缺少对输出电流设置的功能。

电路对于恒流控制使用了TPS61040内部闭环控制，当外部道路的电磁线圈电抗发生较大变化，特别是电感分量增，这会增加电流闭环回路的时间常数，在极端情况下，也会使得恒流变得不稳定。

最后一点，那就是电路所使用的单片机现在已经停产，因此本电路需要能够采用新一代的MCU进行更新。

最后，感谢佟超对于这款信号源的开源共享。

  ■ 相关文献链接:

信号源 AI电磁组 傅里叶，请再帮我们一次吧… 开源正弦波20kHz信号发生器 V2 LGT8F684P EG27324 WSP4606