测量150kHz接收电路的主要的一些特性：扫频，线性，工作电压影响

Posted 2021-05-24 卓晴

简 介： 测试了基于JFET再生放大检波的一些主要工作特性，包括它的幅频特性、工作电压影响。

关键词： 工字型电感，导航信号，150kHz，智能车竞赛，再生放大，品质因子

 

§01 工字型铁氧体

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  在 如何能够得到灵敏度更高的150kHz导航信号检测板？ 利用了工字型电感（14×19）制作了150kHz导航信号接收板。其中的工字型电感使用Litz线进行了手工绕制。在TB 购买到的工字型铁氧体 用于制作电感，测试不同绕制电感在接收150kHz导航信号方面的特性。

1、绕制电感

  工字型的铁氧磁芯的参数如下：

   工字型磁芯参数：

外径（OD）： 14 mm，中柱：8 mm
高（HT）：19 mm

^{▲ 使用Litz线绕制的两个电感}

  分别使用 0.1×10 、0.1×25 两种不同的Litz线绕制两个线圈。它们的参数分别为：

   绕制电感1的参数：

匝数：150
Litz线型号： 0.1×10
电感(@150kHz)：1.232mH
电阻（@150kHz)：44.29Ω
品质因子（Q）：26.23

   绕制电感2的参数：

匝数：68
Litz线型号：0.1×25
电感(@150kHz)：238.86uH
电阻（@150kHz)：3.78Ω
品质因子（Q）：15.77

  上面测量了利用新购买的工字型电感制作的两种电感的基本参数，但是对比了在 测试基于2SK241的150kHz的导航信号高频放大器 所绕制 的电感，主要差异在其品质因子（Q）相差很大。下面重新测量之前所使用的工字电感的基本参数。

   之前的工字型电感参数：

Litz线信号：0.1×10
电感（@150kHz）：1059.7uH
电阻（@150kHz）：24.11
品质因子（Q）：41.43

  重新测的结果也显示出了原来所使用的工字型的绕制的电感的品质因子也是比现在绕制的电感品质因子大。这说明，这次购买到的电感可能属于低频电感，而不适合工作150kHz。

2、对比三个电感参数

电感种类	电感（uH）	电阻（Ω）	品质因子	150kHz谐振电容（nF）
电感1	1232	44.29	26.23	0.9138
电感2	238.86	3.78	15.77	4.713
之前的电感	1059.9	24.11	41.43	1.062

 

§02 测试接收导航信号

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  仍然使用在 如何能够得到灵敏度更高的150kHz导航信号检测板？ 相同的接收电路板，查看这三个线圈在接收信号方面的性能。

^{▲ 测试电感电路板}

  测试的时候，将150kHz导航信号发送线圈（也就无线电能发送线圈）放置在附近2米的距离。

^{▲ 接收电路板的原理图}

1.测试接收信号

  由于接收输出信号与板上的电感L1，L2之间的再生量（正反馈比例）有关系。所以下面给出三个电感测试过程的一些记录。

（1）原先的电感

  首先使用原来的电感进行测试，大体可可以获得4V左右的比较稳定的输出电压。转动接收小板，输出的信号随之减少，这样可以证明接收电路是稳定。

  谐振电容使用了固定102电容。

（2）使用电感1

  由于电感为$L_0=1.232mH$，所以对于谐振频率，$f_0=150kHz$对应的谐振电容为：$C_0=0.9138nF$。

  使用两个电容 102 ， 103 串联形成 0.909nF电容作为谐振电容。

  调试可变电容，可以获得大约2V左右的输出信号。这与原来的电感相比小了近 两倍 。这与该电感的品质因数比原来的电感小了两倍相比，衰减的比例差不多。

2、测试接收板的带宽

  使用一个10mH 色环电感作为DG1062数控信号源的输出的负载，利用 色环电感外部磁场泄露 去激励接收电路板的天线，利用它们之间的松散的耦合来完成150kHz导航信号的注入。

^{▲ 发送10mH色码电感与接收板}

  改变发送信号的频率与幅度，可以获得接收电路板频带宽度以及动态。下面分别测试在两种不同的扫频范围测量接收板的幅频特性。

（1）扫频范围： 125-175kHz

^{▲ 接收电路板的扫频曲线}

（2）扫频范围： 145 - 155kHz

^{▲ 扫频电路板接收曲线}

  通过上述接收曲线，它最大输出电压$U_{\max }=5.2V$，安装衰减到$1/\sqrt{2}{U}_{\max }=3.68V$对应的频率范围为 { 150.2 k H z ,    152.48 k H z } \\left\\{ {150.2kHz,\\,\\,152.48kHz} \\right\\} {150.2kHz,152.48kHz}，频率带宽为：2.28kHz。因此初步估计接收电路板的带通的品质因子：$$Q=\frac{f_0}{\Delta f}=\frac{150}{2.28}=65.8$$

  上面的品质因子大于电感的品质因子，这说明在使用了再生之后，系统的带宽会变的更窄。

（3）调整谐振电容

  调整谐振电容，使得写真的中心频率接近150kHz。在信号源给出150kHz，调整谐振电容使得输出幅值达到最大。此时在进行扫片测试。

^{▲ 接收电路板的扫频得到的幅频特性}

（4）减少再生量后的频率特性

  改变电路板上的L2与L1之间的夹角，减少再生量，使得在150kHz的输出降低到0.7V左右，重新测量接收板的幅频特性。

  第一次扫频得到的数据如下图所示。不知为何原因，在频率大于152kHz之后，输出的电压出现较大的波动？是否此时电路板内部机械不稳，噪声电路出现震荡，或者反馈量出现了变化。

^{▲ 接收板扫频获得的幅频特性}

  重新再做一次实验，此次在相同的扫频范围内，扫描点数从原来的100降低到50。所得到结果如下图所示，居然特性一样？ 这就是在是太奇怪了！！

^{▲ 接收板扫频获得的幅频特性}

3、测试接收线性

  改变DG1062的输出150kHz信号的幅值，测量接收板输出直流电压的变化。

^{▲ 信号的强度与输出电压之间的关系}

  从上面结果来看，在接收板中存在一定的死区特性，这个特性是由倍压整流肖特基二极管的导通电压所引起的。

  为了验证该接收电路在大信号方面的特性，将发送色码电感距离接收天线更近，重新测量测量输出与激励信号幅值之间的关系。

^{▲ 将发送线圈靠近接收工字型电感天线}

^{▲ 信号的强度与输出电压之间的关系}

4、工作电源与输出电压

  改变电路的工作电压，从0V一直增加12V，测量在相同的外部施加信号下检测电路的输出。

^{▲ 不同的工作电压下对应的检测输出}

  可以看该电路工作电压在3V直到12V输出电压大体相同。

  提问： 为什么在3V左右，输出电压会出现一个小的提升？ 这个原因也许可以从JFET在该电压附近引起输入电容的变化。这需要进一步证实。

 

※ 实验小结 ※

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  本文开始验证了最新购置的铁氧体工字型磁芯绕制的电感的性能，通过对比可以看到与之前绕制的电感在品质因子方面有了近一半降低。反映到后面用作接收电路的天线方面，输出信号的幅度也下降了大约一半。

  通过色环电感在电线附近激励电磁场，分别测量接收电路的幅频特性以及与工作电源之间的关系。利用的再生反馈，提高的电路的灵敏度，同时降低接收板的带宽（提高了Q值）。工作电源在3V到12V都能够正常工作。

 

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  ■ 相关文献链接:

• 如何能够得到灵敏度更高的150kHz导航信号检测板？
• 购买到的工字型铁氧体
• 测试基于2SK241的150kHz的导航信号高频放大器
• 色环电感外部磁场泄露

 

▌附件程序

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1、扫频测量程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
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# TEST2.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-05-23
#
# Note:
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from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *

dg1062open()

setf = linspace(125, 175, 50)

outv = []

dg1062freq(1, setf[0]*1000)
time.sleep(2)

for f in setf:
    dg1062freq(1, f*1000)
    time.sleep(2)
    meter = meterval()

    outv.append(meter[0])

    printff(f, meter[0])

    tspsave('measure2', setf=setf, outv=outv)

plt.plot(setf, outv)
plt.xlabel("Frequency(kHz)")
plt.ylabel("Output Voltage(V)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST2.PY
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