基於TPF111芯片的交流信號幅值檢測

01爲什麼測量交流信號的幅值

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在全國大學生智能車競賽中，有組別是通過電磁導航完成賽道循跡。今年（第十五屆）有增加了通過 人工智能完成電磁 導航的組別。這些組別的基礎都需要能夠對由工字型電感所檢測到賽道交變磁場信號進行精確測量。雖然磁場有可能會受到各種環境 磁場屏蔽 的影響，發生變化，或者由 信號發生器的原因引起磁場變化 ，但對檢測到的交流磁場信號進行精密幅度測量是爲後面應用打下基礎。

在之前，通過博文討論了一些檢測20kHz交流磁場信號幅值的方法，包括：

• 高頻檢波
  對比通過二級管、單電源運放進行信號檢波的方法。
• 精密軟件檢波
  通過對交流信號進行採樣，然後計算信號的幅度；
• 使用AD8302檢波
  這是利用ADI公司的RF/IF幅度和相位檢測IC來測量交流信號的幅值；
• 使用數字示波器測量交流信號的的幅值和相位
  利用可以聯網的數字示波器完成高頻信號的採集，進而通過軟件的方法來測量交流信號的幅值和相位。

靈活高效的電磁信號的檢測方法，可以提高實際工程應用中的 電磁定位 的精度。

 

02基於TPF111測量幅值的原理

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本文提到的 TPF111 芯片原本是是一款專門針對消費類應用而設計的低成本視頻重構濾波器。它本身是對輸入信號進行2倍(6dB)的視頻放大的功能。如果通過電容耦合，可以實現對信號鉗位的功能，也就是能夠將信號的最低值進行鉗位到200mV左右。利用這個特點，可以實現對於輸入交流信號的幅值的測量。

下圖是TPF111內部對輸入信號中視頻同步（行同步、場同步）電平（信號的最低電平）進行鉗位的結構示意。如果輸出信號通過電容耦合到輸入端，那麼有內部的電平比較和MOS管放電迴路的作用，會使得信號的最低電平維持在一個固定的電位上。

^{▲ TPF111同步頭鉗位電路}

如果輸入是一個正弦信號。它的最低電平被維持在Vclamp上，那麼輸出電壓的平均值就等於E+Vclamp。因此由輸出信號的直流分量，減去固定的Vclamp，就可以得到對應信號的幅度E的大小。這就是TPF111完成正弦信號檢波的基本原理。

^{▲ 信號底部鉗位之後對應的直流分量}

關於TPF111的基本功能實驗可以參考博文： TPF111視頻信號放大器研究 中的結果。

 

03幅度可調的20kHz交流信號源

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爲了驗證TPF111的上述對正弦信號幅度檢波的效果，需要建立一個幅值可以通過程序控制的20kHz交流信號源。這樣可以測量TPF111檢波的輸入輸出之間的關係。

1.基本方法

在之前的博文中，給出了一些基本的交流信號源的實現方法，主要包括：

（1）使用交流信號源。在一般的交流信號源設備中，都具有對輸出信號幅度控制的功能。比如在 如何使用萬用表測量隨機噪聲 介紹的 DS345信號源。但是這類信號源改變輸出幅值缺少外部編程接口。
（2）使用機械變阻器。當然，普通的電位器可以改變信號的幅值，但同樣缺少可編程接口。在博文 機械變阻器 中介紹了使用步進電機控制電位器的方式。但這種方法只能是大體給出信號變化的方向，缺少精確設定的方法。
（3）使用數字電位器。在之前的博文 X9C102，X9C103, X9C104 以及 AD5272數字變阻器 中介紹了兩類數字電位器、變阻器。但由於寄生電容的影響，使得這類器件對於信號的頻率有限制。

（4）使用DAC來改變交流信號的幅值。本實驗中的20kHz交流信號源借用了在博文 DAC8830可以當做電位器來使用嗎？ 所給出的方法。

^{▲ 多種電解電容的極性標示}

2.DAC8830可變幅值交流信號源

直接使用DAC8830改變交流信號的幅值，由於DAC8830輸出阻抗的影響，還需要外部增加運放來提高DAC8830輸出帶負載的能力。下面使用 OPA4377 作爲DAC8830 輸出緩衝，便可以帶動後面的各種對交流輸出信號的檢波負載。

^{▲ 基於DAC8830的可變幅值信號源實驗電路板}

stm32cmd(‘set 7fff’)

下面是使用DAC8830所獲得的輸出幅值可調的20kHz的信號源。它的輸出有OPA4377進行緩衝，提高了帶負載的能力。

^{▲ 利用DAC8830輸出不同幅度的交流信號}

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2020-06-20
#
# Note:
#============================================================
from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *
#------------------------------------------------------------
gifid = 5
#------------------------------------------------------------
printf(meterval())
tspgiffirst(gifid)
step = 100
for i in range(step):
    setnum = int(0xffff * i / step)
    stm32cmd('set %x'%setnum)
    time.sleep(.2)
    tspgifappend(gifid)
printf('\a')
#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

下面三張圖分別顯示了DAC8830設定數值與輸出交流信號實測幅值之間的關係。可以看到在大範圍、小範圍，設定數值與輸出電壓幅值之間具有線性關係。只是在數值比較小的時候，輸出交流信號幅值會有一定的波動和非線性。

^{▲ 設置數值與輸出交流信號電壓}

^{▲ 設置數值與輸出交流信號電壓}

^{▲ 設置數值與輸出交流信號電壓}

 

04實驗方案

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利用TPF111U設計帶有電容耦合的放大電路，如下圖所示。可以看到TPF111封裝很小，這就減少了檢波方案所佔用的電路板的尺寸。

^{▲ 實驗TPF111U原理圖和實驗電路板}

注意： TPF111U的封裝是SC70

下圖顯示了輸入信號與TPF111輸出信號之間的關係。可以看到輸出信號是對輸入信號進行了兩倍（6dB）的放大。而且輸出信號的最低值在這個過程中都基本上維持不變，表明了TPF111對於最低點爲的鉗位功能。

當輸入信號的幅度超過的TPF111工作電壓的一半的時候，輸出信號就會出現飽和失真。

^{▲ TPF111U輸出與輸入信號之間的關係}

 

05實驗結果

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當輸入交流信號爲0:V時，TPF111輸出的偏置電壓爲：0.437V。這就是Vclamp。

下面通過DAC8830加入信號幅度可變的20kHz交變信號。通過萬用電壓的直流檔測量TPF111的輸出直流分量。下圖顯示了輸入交流信號的有效值與輸出信號直流分量之間的關係。

輸入信號有效值小楊說0.85V時，輸出與輸入之間基本上呈現線性關係。當輸入信號超過0.85V，輸出電壓變緩，這是由於輸入信號峯值過大，使得TPF111出現飽和造成的。

^{▲ 輸入交流信號與TPF111U輸出直流信號之間的關係}

下面將輸入信號小於0.5V時，輸入輸出之間的關係繪製出來，可以看到輸出的電壓基本上與輸入之間呈現增量線性的關係。消除了使用二極管進行檢波時的死區的影響。

^{▲ 輸入交流信號與TPF111U輸出直流信號之間的關係}

對於信號小於0.05V的時候，信號輸出呈現比較緩慢的趨勢。下面對於信號小楊說0.01V時的曲線進行放大。可以看到，雖然這部分的信號呈現更多的非線性，但仍然沒有明顯的死區。這就表明使用TPF111檢波有更強的靈敏性。

^{▲ 輸入交流信號與TPF111U輸出直流信號之間的關係}

 

■ 結論

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TPF111原本是用於視頻放大的電路，本文探討了利用它的低電平鉗位功能來對輸入正弦交流信號進行檢波。通過實際信號的測量，表明使用TPF111輸出的直流分量來檢測輸入正弦波的幅值，基本上沒有死區的影響，檢波靈敏度很高。在高頻檢波 博文中介紹使用單電源運放LMV321進行半波放大來進行檢波，相比之下使用TPF111檢波有着更大的線性範圍。

由於TPF111的輸出有一個固定的直流分量，所以需要預先採集保存這個直流電壓數值。在最終的測量結果中將該分量減除，才能夠獲得與輸入交流信號幅值成正比的幅值信息。