問題提出

遇到了一個(gè)問題可以請(qǐng)教您么？我們電磁運(yùn)放使用的是opa2350，自己不愿意去抄板就自己設(shè)計(jì)了一個(gè)電路。通過Multisim仿真出來波形是正確的，整流后波形也是正確的；自己焊接出來測(cè)試的時(shí)候到我整流輸出波形也沒問題，整流后就是一個(gè)很平整的高電平。但是當(dāng)我將這個(gè)輸出接到單片機(jī)的ad采集口時(shí)，波形就變成了類三角波的形狀！

信號(hào)二極管檢波示意圖

起初以為是程序出問題了，但是自己直接給單片機(jī)的ad采集口接一個(gè)高電平時(shí)波形和采集的值都是正確的，沒有變化。所以現(xiàn)在就很困惑，自己的電路到底是哪兒出問題，已經(jīng)在這一塊折磨了四天了，希望卓大大您能幫我分析一下問題可能出在哪兒，謝謝大大。

原理講解

上面的問題，實(shí)際上是電信號(hào)在電路系統(tǒng)之間傳遞過程中，由于信號(hào)源的內(nèi)阻與負(fù)載阻抗的存在所產(chǎn)生的線性衰減和非線性失真現(xiàn)象。解決方法也很簡(jiǎn)單，后面會(huì)給出。但不如趁此機(jī)會(huì)，我們一起探討一下這個(gè)問題背后更為多樣的解決方案。

1. 信號(hào)檢測(cè)與解調(diào)

使用一個(gè)工字型電感（通常采用10mH配合6.2nF的電容）感知賽道上交變磁場(chǎng)信息，信號(hào)的大小與電感在賽道上的方位有關(guān)系。簡(jiǎn)化一下，假設(shè)電感的方向始終保持水平且與賽道法線平行，輸出感應(yīng)電壓p(x,y)就只與位置有關(guān)系。

電磁導(dǎo)航電感位置

經(jīng)過信號(hào)放大之后所得到的電壓信號(hào)V(t)由下圖表示：

接收信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式

從這兒可以看出，信號(hào)實(shí)際上相當(dāng)于被位置信息幅度調(diào)制后的調(diào)幅信號(hào)。因此，為了獲得實(shí)際的p(x,y)信號(hào)，就需要對(duì)該調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。當(dāng)然，從p(x,y)怎么得到電感的位置，則是另外一個(gè)問題，以后再進(jìn)行討論。

信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)最初是玩無線電的同學(xué)感興趣的話題，對(duì)于普通學(xué)習(xí)自動(dòng)化專業(yè)的同學(xué)這個(gè)問題比較生疏。但這種對(duì)于信號(hào)的處理方式的確在信號(hào)與系統(tǒng)中具有重要的地位。這里就針對(duì)這個(gè)話題展開一下。

對(duì)于普通的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的方式有兩大類：一類是同步解調(diào)，另外一類是包絡(luò)線解調(diào)，這兩種方式在信號(hào)與系統(tǒng)，或者無線電通信課程中都有專門的介紹，在這兒就不再累述。

下面將從數(shù)學(xué)上進(jìn)行推導(dǎo)，給出更多解調(diào)信號(hào)的方式。

2. 移相解調(diào)

如果能夠得到V(t)移相90°的信號(hào)，那么求取這兩個(gè)信號(hào)的對(duì)應(yīng)實(shí)部與虛部的復(fù)數(shù)的模，便是解調(diào)后的信號(hào)。具體如下式所示：

移相解調(diào)原理

對(duì)于一般信號(hào)進(jìn)行移相90°，可以采用希爾伯特變換。信號(hào)與其的希爾伯特變換組成的復(fù)數(shù)成為該信號(hào)的解析信號(hào)。求解析信號(hào)的模便等于信號(hào)的的包絡(luò)線。這一內(nèi)容屬于高級(jí)信號(hào)處理方式，限于篇幅就省去5000字的描述。

對(duì)于實(shí)際電磁信號(hào)，可以通過單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，完成上面移項(xiàng)解調(diào)。在相鄰時(shí)間為T的兩次采集，或者該信號(hào)本身以及它的延時(shí)信號(hào)的采樣。只要T等于信號(hào)的載波周期的整數(shù)倍數(shù)再多出四分之一，或者四分之三周期，那么這兩次采集信號(hào)從相位上便相差90°。求出它們的均方根便可以獲得解調(diào)信號(hào)。

3. 非線性解調(diào)

如果求V(t)信號(hào)的平方項(xiàng)，則可以看出結(jié)果中存在著兩個(gè)成分：

調(diào)幅信號(hào)的平方相包含低頻信息

一個(gè)成分是沒有調(diào)制信號(hào)的低頻信號(hào)部分，另外一個(gè)是兩倍頻的調(diào)試信號(hào)。因此，通過低通濾波器可以獲得前面的低頻信號(hào)，然后再將該信號(hào)進(jìn)行開放便可以得到解調(diào)信號(hào)。

實(shí)現(xiàn)信號(hào)的平方運(yùn)算，可以使用硬件模擬乘法器，或者經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后由軟件進(jìn)行計(jì)算。除此之外，還可以將信號(hào)通過任意一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，都可以獲得信號(hào)的平方項(xiàng)。根據(jù)函數(shù)的Talor級(jí)數(shù)展開，可以看出，至少在級(jí)數(shù)的二次項(xiàng)中就包含了信號(hào)的平方項(xiàng)。

非線性傳遞函數(shù)的Talor級(jí)數(shù)展開

所以將通過非線性環(huán)節(jié)的信號(hào)再經(jīng)過低通濾波，便可以獲得待解調(diào)信號(hào)的低頻部分，再經(jīng)過去除常量、適當(dāng)進(jìn)行開方、倍乘等可以恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)。

在電子線路中，常見到的電子元器件，二極管、三極管、運(yùn)放等實(shí)際上都是非線性 元器件。如果這些元器件配合阻容器件組成信號(hào)放大電路，則需要通過設(shè)置正確的工作點(diǎn)以及負(fù)反饋，盡可能實(shí)現(xiàn)線性放大。但如果用于信號(hào)解調(diào)，則在電路設(shè)計(jì)上就需要 有意設(shè)計(jì)成非線性工作。因此，一個(gè)設(shè)計(jì)糟糕的放大電路在普通的模擬電子課程中只能得10分，但在信號(hào)解調(diào)中是一個(gè)非常優(yōu)秀的電路可以的到100分。

4. 非線性解調(diào)電路

（1）二極管檢波電路

利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕梢孕纬啥O管包絡(luò)線檢波電路。后面的電阻和電容配合的二極管完成充電和放電，最后在電路的輸出得到調(diào)幅波的包絡(luò)線信號(hào)。

二極管檢波電路

上述過程講述的太天真的，符合幅值高的信號(hào)的建波過程。實(shí)際中二極管存在著導(dǎo)通電壓，正向?qū)娮瑁呀?jīng)反向漏電流等特性，使得弱小高頻信號(hào)在檢波時(shí)損失較大，甚至無法完成檢波。此外，這種檢波方式還有輸出阻抗較大，帶負(fù)載能力小等弱點(diǎn)。

二極管轉(zhuǎn)移特性與高頻二極管

提高對(duì)于高頻弱信號(hào)的檢波的方法：

使用導(dǎo)通電壓較小的鍺二極管、肖特基二極管；

對(duì)于二極管進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠茫?/p>

使用倍壓檢波；

提高建波效率的兩個(gè)方法：倍壓檢波和偏置檢波

如果還希望增加檢波效率，那就是使用三極管完成建波。

（2）三極管、MOS檢波電路

利用三極管、MOS在小的偏置下的非線性，可以完成信號(hào)的檢波。它相當(dāng)于帶有偏置的二極管檢波+三極管放大電路，所以這種檢波效率高，增益更大，輸出阻抗變小。下圖所示的為兩級(jí)MOS，BJT晶體管高頻檢波電路。

晶體管檢波電路

（3）運(yùn)放檢波電路

設(shè)置運(yùn)算放大器的工作點(diǎn)處于臨界截止?fàn)顟B(tài)，也可以完成對(duì)于調(diào)幅信號(hào)的檢波。這種電路可以同時(shí)完成信號(hào)的放大與檢波，輸出的阻抗小。

運(yùn)放檢波電路

上面的電路摘抄自競(jìng)賽組委會(huì)發(fā)布的電磁車模設(shè)計(jì)指南中的電路。

問題分析

針對(duì)不同的檢波電路，電路的輸出阻抗和濾波形式是不同的。本文開始的問題主要原因?yàn)椋?/p>

信號(hào)在實(shí)際系統(tǒng)傳遞的時(shí)候，需要考慮到信號(hào)輸出系統(tǒng)的內(nèi)阻以及信號(hào)輸入端口的輸入阻抗；

信號(hào)整流輸出信號(hào)源的內(nèi)阻隨著信號(hào)的幅度不同呈現(xiàn)出比較大的變化，特別是對(duì)于弱小信號(hào)，二極管檢波輸出阻抗很大；

檢波電路的R,C的取值對(duì)于輸出信號(hào)波形影響很大，往往取RC乘積對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)等于載波周期T的一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的倍數(shù)。

檢波電路的時(shí)間常數(shù)，還需要考慮到負(fù)載的 影響。如果負(fù)載電阻小，則同樣會(huì)減小時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而造成輸出波形呈現(xiàn)出很大的波動(dòng)。

普通單片機(jī)的IO口大都是多種功能復(fù)用，因此AD輸入端口就有可能具有原來IO口的上拉或者下拉偏置電阻。如果在MCU端口功能設(shè)置不當(dāng)，就有可能使得AD輸入端口的阻抗變小。

MCU復(fù)合端口內(nèi)部電路示意圖

因此，本文開始同學(xué)提出的二極管建波之后，一旦接入MCU的AD轉(zhuǎn)換端口，出現(xiàn)波形不平滑?？赡茏钪饕脑蚓褪荕CU的AD輸入端打開了偏置電阻，使得輸入電阻變小，進(jìn)而影響到檢波電路的濾波器時(shí)間常數(shù)。

硬件解決方法：

設(shè)置MCU的AD輸入端口，使其處于高阻狀態(tài)；

增加二極管檢波電路的電容C，增加R值，使得濾波時(shí)間長(zhǎng)度達(dá)到幾個(gè)ms，等于20kHz載波周期的幾十倍。

在整流電路與AD之間增加一級(jí)電壓跟隨器，隔離MCU的AD輸入電阻對(duì)于檢波電路的影響；

更換成集成電路非線性檢波，提高檢波電路的帶載能力。

軟件解決方法：

根據(jù)前面介紹的移項(xiàng)檢波方式，還可以不進(jìn)行硬件的信號(hào)檢波，直接將放大后的調(diào)幅信號(hào)經(jīng)過電平平移之后，送到AD轉(zhuǎn)換口，使用軟件完成信號(hào)包絡(luò)線的計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)1：提問同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

大大，您剛才所說的ad口設(shè)置不當(dāng)會(huì)引起我所述說的問題，剛剛我去測(cè)試了加了一級(jí)電壓跟隨器完美的解決了我的問題。

那么除了加電壓跟隨器還有別的辦法解決這個(gè)問題么？ad轉(zhuǎn)換口設(shè)置不當(dāng)是芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)的問題么？如果是ad轉(zhuǎn)換設(shè)置不當(dāng)，那為什么使用386不需要加電壓跟隨器也不會(huì)發(fā)生我所述說的情況呢？

關(guān)于后面的提問回答，可以參見原理說明中給出的方案。

實(shí)驗(yàn)2：信號(hào)的移項(xiàng)檢波

這個(gè)實(shí)驗(yàn)來自于前面關(guān)于超聲波信號(hào)導(dǎo)航（在公眾號(hào)中輸入信標(biāo)導(dǎo)航？便可以查到這個(gè)推文）關(guān)于超聲波包括線的解調(diào)。

超聲波的頻率為40kHz,采樣頻率為53.33kHz。采用的周期等于信號(hào)載波周期的3/4，因此相鄰兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)在載波相位上相差-90°（270°），因此計(jì)算相鄰兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)的均方根便可以得到信號(hào)的包絡(luò)線。

移相檢波數(shù)據(jù)

從上面圖中可以看到，計(jì)算出的包絡(luò)線完美的再現(xiàn)了信號(hào)的調(diào)制信號(hào)。

請(qǐng)注意，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，采集數(shù)據(jù)需要首先減去AD轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)的平均直流信號(hào)量。

實(shí)驗(yàn)三：倍壓檢波電路

這是一個(gè)用于檢測(cè)高頻信號(hào)的檢波電路，它本質(zhì)上是一個(gè)倍壓檢波電路。

倍壓檢波電路原理圖

為了能夠適應(yīng)高頻信號(hào)，整個(gè)電路制作的非常小巧，所有的元器件都最終封裝在一個(gè)金屬屏蔽盒中。

倍壓檢波電路實(shí)際外觀

整個(gè)電路在很大的頻率范圍內(nèi)都可以基本保持檢波性能。由于二極管的導(dǎo)通電壓的 影響，所以在輸入信號(hào)非常微弱的情況下（小于幾十毫伏）輸出檢波電壓偏小。但當(dāng)輸入信號(hào)的幅度大于100mV之后，檢波器的輸入輸出呈現(xiàn)比較好的顯性關(guān)系。

倍壓檢波電路的輸入輸出關(guān)系曲線

倍壓檢波電路用于解調(diào)高頻調(diào)幅信號(hào)

總結(jié)延伸

本文核心內(nèi)容討論了信號(hào)解調(diào)的數(shù)學(xué)原理和基本方案，但開始同學(xué)遇到的問題則是基本的電路中信號(hào)傳遞的問題。選擇不同的條件方式，影響了信號(hào)的傳輸特性。影響工程實(shí)現(xiàn)的因素是多方面的，需要在實(shí)驗(yàn)中抓住問題的本質(zhì)。

信號(hào)的檢波在某種程度上與信號(hào)整流是一致的。但在電源AC-DC整流變換中，則更多的是大電壓、大電流的低頻功率信號(hào)，此時(shí)為了提高系統(tǒng)的效率，大多采用橋式全波整流方式。但在信號(hào)檢波中，由于信號(hào)為弱小的高頻信號(hào)，因此采用半波、或者倍壓整流提高檢波輸出的效率。結(jié)合后續(xù)的濾波電路等方式，可以進(jìn)一步分離檢波后輸出信號(hào)中摻雜的直流、高頻信號(hào)燈。

信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)是基本的信號(hào)處理方法。在理解了其中的基本原理之后，可以分別通過不同的硬件電路或者軟件算法完成信號(hào)的處理， 在不同的場(chǎng)合發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。

在實(shí)踐中不僅大家需要總結(jié)所獲得的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)需要進(jìn)一步思考其背后的原理，在將來學(xué)習(xí)和實(shí)踐中可以走的更遠(yuǎn)。如果大家想了解智能車制作過程背后的更多原理的話，就請(qǐng)大家多多提出更好的問題。
編輯：hfy