高频检波

在第十四届全国大学生智能车竞赛全国总决赛中，有一支队伍感觉到自己的完美的夏天被破坏了。

他们参加的室外电磁组的比赛，他提到破坏了今年完美夏天的元凶是比赛场地中的电磁信号变弱了。他们原来在自己室外调试场地实验好好地电路，在总决赛室内比赛场地上，突然由于场地信号变弱而无法工作了。

电磁组是依靠若干个感应线圈检测交变磁场的相对强弱来计算车模相对赛道偏差的。如果仅仅从信号相对大小关系来看，整体赛道磁场强度对于计算车模偏差并没有影响，它仅仅是所有检测信号数值的一个比例系数。

如果仅仅是一个比例系数，那么谁造成了控制软件中磁场强度检测信息的丢失呢？

这其中的“元凶”来自于电子控制系统中的两个非线性环节：信号检波死区和采集量化误差。下面仅就“检波死区”进行讨论。

赛道中20kHz的交变磁场通过工字型10mH的电感感应之后，通过匹配的谐振电容，选取其中的20kHz的信号，经过放大检波之后，便可以送到控制系统中的单片机AD转换器进行采集。对于交变20kHz的信号进行检波可以可以采用半波检波，或者倍压检波。

下图是倍压整流的基本实验电路，电路中所使用的检波二极管是硅二极管1N4148。

^{倍压整流电路}

下图显示随着输入交流信号的负值增加，倍压检波输出的直流信号的变化情况。

当输入信号的有效值小于0.2V之前，输出的电压几乎为零0。当输入信号有效值大于0.25V之后，检波输出电压就迅速上升，后面的输出电压渐渐随着输入信号的增加而线性递增。

^{检波输出电压与输入信号幅值之间的关系}

从前面实验中可以看出当输入交流信号赋值小于一定阈值时，检波输出几乎没有变化，这个输入信号的阈值就是检波电路的“

检波死区”。

检波死区是由于实际二极管的非理想单向导通特性引起的，从上图的检波特性曲线来看，它与二极管单向导通特性是一致的。

检波也可以采用半波整流的方式，如下图所示：

^{半波检波电路}

半波检波的输出与倍压检波很相似，只是输出的电压会降低一半左右。

^{半波检波电路输入输出之间的关系曲线}

对比一下前面的倍压整流和半波整流的检波输出曲线，它们所显示的检波死区电压大约0.3V。

当输入信号的幅度落入“检波死区”之内，检波电路输出就几乎不发生变化，从而使得信号中的信息就被检波电路阻碍住，即使后面的电路和软件进行相应的放大和补偿，也无法回复被截掉的信号中的信息。

^{硅二极管检波倍压整流和半波整流对比}

因此，为了防止在赛道磁场强度减弱的情况下，赛道信息被“检波死区”截掉，就需要尽可能减小检波死区的大小。

检波死区电压与实际二极管导通电压有关系，因此采用肖特基二极管、锗二极管等，它们具有更小的导通电压，可以有效降低检波死区。

下面是采用肖特基二极管1N5819组成的检波电路获得的检波特性曲线。

^{肖特基二极管1S5819的检波特性曲线}

下图是1N5819在倍压和半波整流下的检波特性曲线。可以看到对应的检波死区电压为0.14V左右，比起1N4148减小了一倍左右。

^{基于肖特基二极管的检波特性曲线}

有一种用于电路端口钳位保护器件BAT54，它是在SOT23管脚里封装了两个肖特基二极管。使用它组成倍压检波电路可以简化电路的设计。

^{BAT54封装及其内部原理图}

下图显示了基于BAT54的倍压检波电路的输出特性曲线。

^{基于BAT54倍压检波特性曲线}

对比BAT54，1N5819的检波特性，可以看到BAT54的检波死区更小。

使用锗二极管进行检波也可以降低检波死区电压。下图是使用高频锗检波二极管组成的倍压检波电路的检波特性曲线。可以看到它的死区电压只有0.11V左右。

^{使用锗二极管倍压检波特性曲线}

现在我手边的二极管的种类就这么多了。下面将它们的倍压检波电路的特性曲线绘制在一起，对比一下对应的检波死区范围。

^{四种用于检波的二极管}

从它们的检波特性曲线来看，使用锗二极管1N66和肖特基端口保护二极管BAT54的检波特性很接近，肖特基二极管1N5819的死区稍微大一些。最大的是硅二极管1N4148.

^{四种检波二极管组成的倍压检波电路特性曲线}

是否还可以进一步降低检波电路的死区电压范围呢？

如果不改变所使用的检波二极管的特性的话，可以利用偏置电压电路来进一步降低检波电路的死区范围。

偏置电路是给检波二极管一个初始的正向偏置电压，使得二极管处在微微导通的状态，这样便可以减小死区电压。如下图所示：

^{带有偏置电压的检波电路}

上图中的R2,R3所组成的检波偏置电压电路，它使得检波电路在没有输入信号的情况下，两个肖特基二极管处在弱导通状态。此时电路的输出大约在0.08V。

下图显示了输入信号与输出剑波电流之间的关系：

^{带有偏置电压的肖特基倍压检波电路传输特性}

上图显示，检波电路的输出几乎没有了截止电压了。

下图对比了同样的倍压检波电路，在有偏置和没有偏置下的传输特性曲线。可以看出带有偏置电压的检波电路的死区电压只有0.045V。

由于使用了偏置电压，检波电路输出就会有一个零偏电压，即在没有输入信号的情况下的固定输出电压。这个电压需要在后期处理中进行减除掉。

^{对比偏置电压和非偏置电压的检波电路特性曲线}

除了使用偏置电压之外，还可以直接利用Rail-to-Rail单电源放大电路的单向放大特性进行检波。

下图显示了使用LMV358集成电路工作了单电源3.3V情况下，在零偏置时，组成的同相跟随电压放大电对输入信号的半波检波放大信号。

^{LMV358半波放大特性}

因此，只要将输出信号进行RC滤波，便可以获得信号的半波检波直流信号了。

下图显示了该电路的直流输出与输入信号幅值之间的关系。

^{LMV358单向检波放大特性曲线}

LMV358工作在零偏置下，在输入信号的一半周期内是线性放大，一半周期是截止，输入输出之间是非线性关系。

由LMV358组成的检波电路传输曲线呈现两个工作区间。在第一个工作区间，检波增益较小；在第二个工作区间，检波增益增加了。

从上面曲线来看，由LMV358组成的检波电路几乎没有检波死区。只是输入输出之间的关系非线性增加了。这需要在后期的软件中加以补偿。

前面讨论了是基于硬件检波获取交变信号的幅值方法，为了彻底消除检波死区所带来的影响，也可以直接对放大后的交变信号进行采样，使用软件检波的方法来获得交流信号的幅值。具体方法在推文“

”中有介绍。

除了检波死区会在磁场小的情况下带来麻烦之外，信号采集“量化误差”也会影响信息采样结果，特别是在小信号的情况下。对于如何减少量化误差的影响，今后会在专门进行讨论。

文章来源: zhuoqing.blog.csdn.net，作者：卓晴，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

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