■ 背景

在全國大學生智能車競賽中有一個傳統的賽車引導的模式，就是使用電磁線引導車模運行。在 信號源^[1] 驅動鋪設在賽道上電磁線（漆包線），產生方波電流。電流的頻率為20kHz， 電流峰值約為100mA 。

參賽同學制作的車模使用工字型電感（10mH）配合適當的諧振電容（6.8nF）來感應賽道周圍的交變準穩態磁場，通過磁場的大小（多個傳感器可以檢測到電磁場的方向）來獲得賽道的信息。

特別是今年（2020年第十五屆）引入了 AI電磁組^[2] 根據安裝在車模上前后多個傳感器，通過訓練多層前饋神經網絡來控制車模的運行。

本質上，驅動賽道電流是否是正弦波對于車模檢測來講并不是特別的重要。因為電磁檢測基本上都采用了前端LC諧振回路來測量交表磁場的強度。但是在傳統的信號源驅動大型賽道（特別是賽道鋪設兩圈電磁線）就會引信號源輸出電流大小發生波動。為了解決這個問題，出現了兩種方案：

• 設計制作的能夠穩定輸出信號基波的信號源；
• 允許比賽同學現場對信號源進行改動，包括更換自己的信號源。

在推文 傅里葉，請再幫我們一次吧....^[3] 介紹了使用單片機軟件來穩定信號源基波的方法。實際上，也可以直接通過硬件（LC濾波）來提取輸出信號的基波，并進行穩定。

下面是佟超（原北京科技大學參賽隊員）設計的一款 開源正弦波20kHz信號發生器 V2^[4] ，廣受參賽同學們的喜歡。

前幾天佟超給我寄送過幾塊制作的電路板。并將相關的 信號源開源下載信息^[4] 發送給我。下面來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源下載信息中看到。下面分別對于電路的幾個主要部分進行分析。

電路的核心是一款基于 LGT8F684P^[5] （據說這款單片機現在已經停產了）的8位單片機。MCU的主要功能：

• 產生20kHz的SPWM信號（P1A,P1B）驅動后面的MOS橋電路。
• 讀取輸出信號驅動級工作電壓，反映信號輸出的情況。
• 驅動板上工作LED（綠色）指示工作狀態：如果綠色熄滅，表示輸出阻抗過小（輸出短路了）。

下圖測量了MCU輸出的P1A，P1B上的SPWM波形。SPWM頻率大約是500kHz。每個周期（20kHz，50us）有25個脈沖輸出。

由于后期是直接驅動互補N-P溝道MOS管半橋輸出信號。為了避免上下直通，所以在輸出的兩路SPWM脈沖之間留有死區時間。也就是保證上管先關斷，下管再導通。

通過示波器可以看到這個死區時間大約是180ns左右。

這個電路板的精彩之處在后面的濾波以及恒流控制部分。

MCU產生的SPWM信號通過 EG27324^[6] MOS驅動芯片驅動 WSP4606 （N-P互補功率MOS管，30V/7A-6A）輸出功率信號。

輸出信號先經過L3（150uH）和C7（100nF）低通濾波。L3 ，C7的諧振頻率為：

代入實際數值，可以計算： 。

輸出的電壓在經過L2,C15,C8的低通濾波，最后輸出正弦電壓波形。

輸出信號電流通過R5,R6并聯之后，形成電流反饋電壓。該電壓經過D9(BAV99)倍壓整流之后，C4濾波形成U1(TPS61040D)開關升壓電源的反饋電壓。

TPS61040D是一款開關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。

當然，原始電路圖還存在一些疑問：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。當輸出阻抗越大，VCC5-15越高，該電壓經過分壓之后有單片機讀取，可以判斷試試負載是否斷路，或者斷路。

02電路小結

1.電路的優點

該電路由于輸出就是正弦波，所以通過電流采樣進行峰峰倍壓整流之后的電壓與輸出信號的幅值（基波）成正比。這一點與使用方波輸出信號來比，對于基波的幅值測量更加精準。對于普通的方波輸出，特別是電流波形變形之后，需要獲得基波，則需要通過離散傅里葉變換（DFT）才能夠檢測到。

對于輸出電流的恒流控制是由TPS61040D完成，就不需要單片機進行橫流控制，這使得輸出電流波動更加的平穩。

2.改進之處

為了簡潔，這款信號源沒有增加關于輸出電流的精確顯示，只能大體上通過LED的表示線路是否斷路或者斷路。在有的情況下，可能需要對電流源的大小根據環境的 影響進行適當的調整（增加或者減少），電路還缺少對輸出電流設置的功能。

電路對于恒流控制使用了TPS61040內部閉環控制，當外部道路的電磁線圈電抗發生較大變化，特別是電感分量增，這會增加電流閉環回路的時間常數，在極端情況下，也會使得恒流變得不穩定。

最后一點，那就是電路所使用的單片機現在已經停產，因此本電路需要能夠采用新一代的MCU進行更新。

最后，感謝佟超對于這款信號源的開源共享。

參考資料