在智能车比赛的电磁类中,赛道上的电磁线是用来引导车模的。电磁线中交流电的准确测量是保持比赛环境的规范性和一致性的基础。为了简化团队对电磁信号源的制作,组委会给出了信号源使用20kHz恒流方波电流源的制作标准和制作方法。
竞赛规则中给出了测量该类信号源电流值的标准:用整流桥将交流信号整流成DC信号,用普通直流电流表即可测量。如果电流信号是方波信号,则测量的电流值是方波信号的峰值电流。
在传统的信号源中,还有一个直流电流表来显示信号源的电流。由于这类电源的恒流部分采用MOS功率管控制放大区间的电流,受功率管温度影响,电流容易漂移。信号源的大小可以通过设置信号源上的电位计来修改。
如果电流波形是方波信号,其实也可以用交流电流表直接测试。只要求交流安培计是真正的rms安培计。比如型号为MC8218的万用表,当测量信号源输出方波电流时,显示值接近100mA。这是因为方波信号的有效值与其峰值一致。
但UT58A万用表测试同样的电流信号时,显示的是91mA左右。
这是因为当UT58A测量交流电流信号时,假设该信号是正弦信号。它通过整流来测量信号的平均值。然后根据正弦信号的面积与其有效值的比值为2sqrt(2)/pi=0.9的关系,转换后得到相应的显示值。这种万用表只能将实际信号的有效值与波形接近正弦波的信号匹配。因此,如果用MC8218进行信号源电流校正,可以得到准确的电流值。如果用MT58A校正信号源,信号源的数值实际上比标准信号源大11%左右。
如果在输出电路中串联一个电流采样电阻(例如1欧姆电阻),用真有效值的交流电压进行测量,再用采样电阻分压,也可以得到实际输出方波电流的峰值电流。
然而,实际情况比上述方波电流更复杂。在之前的推文中,有两条相关的讨论。当轨道面积比较大时,轨道电磁线中存在比较大的感抗,使得输出电流波形不再是方波信号。下图显示了波形对应的走线电感值从10uH变化到约250uH时输出电流波形的变化。
根据信号分析理论,我们可以知道信号波形的变化会影响信号中各次谐波的大小。为了保证比赛中磁场环境不受信号波形变化的影响,需要讨论如何测量,使信号产生的磁场与不同电流波形下的方波电流信号相同。
根据之前推文中的讨论,智能车实际上是利用信号源中20kHz的正弦基波信号来完成车辆模型导航的。通过LC谐振选频电路,可以滤除20kHz以外的其他干扰信号,大大提高检测信号的信噪比。所以,要想让赛车模型不受电流波形的影响,其实只要保证交流信号中20kHz基波信号的幅度不变就行了。但是,普通万用表在测量信号时,不仅仅是测量某一频率的信号,还要测量信号中所有平均分量的合成。
下面分析,用真有效值万用表MC8218和一般交流万用表UT58A进行信号测量,会带来误差。
首先对UT58A万用表进行分析,修正信号。它测量交流信号绝对值的平均值。如果UT58A用于校正s
电流失真时,最严重的是电感值很大,输出电流值已经呈现出近似三角形的电流信号。如果信号绝对值的平均值保持不变,则与方波信号的基波分量相比,三角波脉冲的基波分量增加了4/=1.27倍。
在同一分析中,如果真有效值表MC8218用于校准,当输出为三角脉冲时,有效值仍保持在100mA。此时信号的峰值为sqrt(pi)*100=177mA,信号的基波分量与方波电流的基波分量之比为2/sqrt(pi)=1.128。
从上面的分析我们可以知道,如果用真RMM万用表校准信号源,当电流波形被轨道的电感变成三角脉冲信号时,基波分量会增加12.8%。如果用普通的普通万用表校正,基波分量会增加27.3%。
那么如果根据信号源上电流表的读数进行修正,误差会远大于上述范围,具体原因在之前的推文中“为什么磁场又变大了”已经讨论过了。
实验验证了上述分析。比赛中使用的I型电感匹配谐振电容仍作为交变磁场测量传感器。LC选频得到的20kHz基波信号通过运放隔离放大10倍,然后用FLUKE45电压表测量。
利用本文开头的模拟信号源,将MC8218和UT58A分别送入输出信号回路进行校准测量。使用LC选频放大器电路测量输出信号线附近固定位置的交流磁场强度。
实验第一步,输出信号线中不串联电感,信号源模拟表、MC8218、UT58A显示的数值分别为100mA左右,读取交流磁场强度。实验第二步,在输出信号线引入250uH的电感,输出电流值为三角形。然后,当信号源的模拟表、MC8218、UT58A显示值约为100mA时,读取交流磁场强度。数据如下表所示:
从上面的实验数据表可以看出,当信号线没有串联电感时,MC8218万用表读取的交流值与信号源的模拟表头基本相同,约为100mA,而当UT58A读取的电流为101.8mA时,模拟表头的值需要增加到120mA左右,交流磁场强度也增加了20%左右。
如果串联250uH的外部电感,此时,如果模拟电流表和MC8218、UT58A保持恒定在100mA左右,则外部交流磁场强度分别增加48.7%、10.1%和28.3%。
信号源的简易校准方法是使用能够测量真实有效值的万用表,将万用表直接传输到轨道的电磁线中。当读数为100mA时,实际信号中新的20kHz的基波分量的变化范围最多只有10%左右。满足规则规定的电流强度变化20%的要求。
如果用普通的交流万用表或信号源上的电流显示值进行校准,电流值的误差范围会超过20%。
如何区分万用表测得的电流是真实有效值还是平均值?信号源可以直接接在万用表两端,测量输出电流。如果当信号源表显示100mA时万用表读数为100mA,那么万用表就是一个真正的RMS表。如果小于100mA,万用表就是测得的交流信号的平均值。hfy