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01 为什么测量交流信号的幅值
在全国大学生智能车竞赛中，有组别是通过电磁导航完成赛道循迹。今年（第十五届）增加了通过 人工智能完成电磁[1] 导航的组别。这些组别的基础都需要能够对由工字型电感所检测到赛道交变磁场信号进行精确测量。虽然磁场有可能会受到各种环境 磁场屏蔽 的影响，发生变化，或者由 信号发生器的原因引起磁场变化 ，但对检测到的交流磁场信号进行精密幅度测量是为后面应用打下基础。
在之前，通过博文讨论了一些检测 20kHz 交流磁场信号幅值的方法，包括：
- 使用 AD8302 检波[4]：这是利用 ADI 公司的 RF/IF 幅度和相位检测 IC 来测量交流信号的幅值；
灵活高效的电磁信号的检测方法，可以提高实际工程应用中的 电磁定位[6] 的精度。
02 基于 TPF111 测量幅值的原理
本文提到的 TPF111[7] 芯片原本是是一款专门针对消费类应用而设计的低成本视频重构滤波器。它本身是对输入信号进行 2 倍(6dB)的视频放大的功能。如果通过电容耦合，可以实现对信号钳位的功能，也就是能够将信号的最低值进行钳位到 200mV 左右。利用这个特点，可以实现对于输入交流信号的幅值的测量。
下图是 TPF111 内部对输入信号中视频同步（行同步、场同步）电平（信号的最低电平）进行钳位的结构示意。如果输出信号通过电容耦合到输入端，那么有内部的电平比较和 MOS 管放电回路的作用，会使得信号的最低电平维持在一个固定的电位上。
▲ TPF111 同步头钳位电路
如果输入是一个正弦信号。它的最低电平被维持在 Vclamp 上，那么输出电压的平均值就等于 E+Vclamp。因此由输出信号的直流分量，减去固定的 Vclamp，就可以得到对应信号的幅度 E 的大小。这就是 TPF111 完成正弦信号检波的基本原理。
▲ 信号底部钳位之后对应的直流分量
关于 TPF111 的基本功能实验可以参考博文：TPF111 视频信号放大器研究[8] 中的结果。
03 幅度可调的 20kHz 交流信号源
为了验证 TPF111 的上述对正弦信号幅度检波的效果，需要建立一个幅值可以通过程序控制的 20kHz 交流信号源。这样可以测量 TPF111 检波的输入输出之间的关系。
1. 基本方法
在之前的博文中，给出了一些基本的交流信号源的实现方法，主要包括：
（1）使用交流信号源。在一般的交流信号源设备中，都具有对输出信号幅度控制的功能。比如在 如何使用万用表测量随机噪声[9] 介绍的 DS345 信号源。但是这类信号源改变输出幅值缺少外部编程接口。
（2）使用机械变阻器。当然，普通的电位器可以改变信号的幅值，但同样缺少可编程接口。在博文 机械变阻器[10] 中介绍了使用步进电机控制电位器的方式。但这种方法只能是大体给出信号变化的方向，缺少精确设定的方法。
（3）使用数字电位器。在之前的博文 X9C102，X9C103, X9C104[11] 以及 AD5272 数字变阻器 中介绍了两类数字电位器、变阻器。但由于寄生电容的影响，使得这类器件对于信号的频率有限制。
（4）使用 DAC 来改变交流信号的幅值。本实验中的 20kHz 交流信号源借用了在博文 DAC8830 可以当做电位器来使用吗？[12] 所给出的方法。
▲ 多种电解电容的极性标示
2.DAC8830 可变幅值交流信号源
直接使用 DAC8830 改变交流信号的幅值，由于 DAC8830 输出阻抗的影响，还需要外部增加运放来提高 DAC8830 输出带负载的能力。下面使用 OPA4377[13] 作为 DAC8830 输出缓冲，便可以带动后面的各种对交流输出信号的检波负载。
▲ 基于 DAC8830 的可变幅值信号源实验电路板
下面是使用 DAC8830 所获得的输出幅值可调的 20kHz 的信号源。它的输出由 OPA4377 进行缓冲，提高了带负载的能力。
▲ 利用 DAC8830 输出不同幅度的交流信号
下面三张图分别显示了 DAC8830 设定数值与输出交流信号实测幅值之间的关系。可以看到在大范围、小范围，设定数值与输出电压幅值之间具有线性关系。只是在数值比较小的时候，输出交流信号幅值会有一定的波动和非线性。
▲ 设置数值与输出交流信号电压
▲ 设置数值与输出交流信号电压
▲ 设置数值与输出交流信号电压
04 实验方案
利用 TPF111U 设计带有电容耦合的放大电路，如下图所示。可以看到 TPF111 封装很小，这就减少了检波方案所占用的电路板的尺寸。
▲ 实验 TPF111U 原理图和实验电路板
注意：TPF111U 的封装是 SC70
下图显示了输入信号与 TPF111 输出信号之间的关系。可以看到输出信号是对输入信号进行了两倍（6dB）的放大。而且输出信号的最低值在这个过程中都基本上维持不变，表明了 TPF111 对于最低电位的钳位功能。
当输入信号的幅度超过的 TPF111 工作电压的一半的时候，输出信号就会出现饱和失真。
▲ TPF111U 输出与输入信号之间的关系
05 实验结果
当输入交流信号为 0:V 时，TPF111 输出的偏置电压为：0.437V。这就是 Vclamp。
下面通过 DAC8830 加入信号幅度可变的 20kHz 交变信号。通过万用电压的直流档测量 TPF111 的输出直流分量。下图显示了输入交流信号的有效值与输出信号直流分量之间的关系。
输入信号有效值小于 0.85V 时，输出与输入之间基本上呈现线性关系。当输入信号超过 0.85V，输出电压变缓，这是由于输入信号峰值过大，使得 TPF111 出现饱和造成的。
▲ 输入交流信号与 TPF111U 输出直流信号之间的关系
下面将输入信号小于 0.5V 时，输入输出之间的关系绘制出来，可以看到输出的电压基本上与输入之间呈现增量线性的关系。消除了使用二极管进行检波时的死区的影响。
▲ 输入交流信号与 TPF111U 输出直流信号之间的关系
对于信号小于 0.05V 的时候，信号输出呈现比较缓慢的趋势。下面对于信号小杨说 0.01V 时的曲线进行放大。可以看到，虽然这部分的信号呈现更多的非线性，但仍然没有明显的死区。这就表明使用 TPF111 检波有更强的灵敏性。
▲ 输入交流信号与 TPF111U 输出直流信号之间的关系
结论
TPF111 原本是用于视频放大的电路，本文探讨了利用它的低电平钳位功能来对输入正弦交流信号进行检波。通过实际信号的测量，表明使用 TPF111 输出的直流分量来检测输入正弦波的幅值，基本上没有死区的影响，检波灵敏度很高。在高频检波[2] 博文中介绍使用单电源运放 LMV321 进行半波放大来进行检波，相比之下使用 TPF111 检波有着更大的线性范围。
由于 TPF111 的输出有一个固定的直流分量，所以需要预先采集保存这个直流电压数值。在最终的测量结果中将该分量减除，才能够获得与输入交流信号幅值成正比的幅值信息。
参考资料
[1]人工智能完成电磁: https://editor.csdn.net/md/?articleId=105217365
[2]高频检波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134160
[3]精密软件检波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104133708
[4]使用 AD8302 检波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104072612
[5]使用数字示波器测量交流信号的的幅值和相位: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106439663
[6]电磁定位: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134054
[7]TPF111: http://static6.arrow.com/aropdfconversion/83e613e5113d8114df532f9be20ae4aa058f7525/12tpf111_cn_rev2.2.pdf
[8]TPF111 视频信号放大器研究: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106380404
[9]如何使用万用表测量随机噪声: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104132063
[10]机械变阻器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104089780
[11]X9C102，X9C103, X9C104: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134132
[12]DAC8830 可以当做电位器来使用吗？: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106039173
[13]OPA4377: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106863330
公众号留言
卓大大 看了留言 内心很是低落，站到你的立场上 你可能也担心今年今年比赛的效果会不好， 因为从评论来看大家的准备情况不太好。但我还是想和卓大大说 那可能只是一少部分人 我们学校返不了校 ，但都在认真准备着，只不过是换了个工作的地方 ，劲头上和在学校是一样的。
包括每天调车跳到很晚。只要比赛能如期举办 我相信竞争还是很激烈的，很精彩的。卓大大辛苦了。
卓卓老师，信标组的麦轮可以自己在轮毂上再套一层橡胶嘛？
回复：这是允许的。
卓老师，我们是 AI 组别，我们车模的要求是不超过 20㎝，但是我们电感所在板子的长度大概是 30 左右， 请问这样符合要求吗？
回复：车模的宽度不超过 20 厘米，包括传感器的尺寸。所以你们还需要进一步减少传感器左右宽度。
卓大大，我想问一下原来老 c 车车模的轮子可以用在节能车上面吗，我量了一下，它直径大了将近 2mm。
回复：规则中允许节能组直接使用 D,E 车模车轮。其中的 C 车模的轮子与 D 车模相同，也是可以使用在节能组的。
卓大大，节能组可以主控用 stc8g，然后用恩智浦或者其他芯片读取陀螺仪角度吗？(这样恩智浦芯片就跟陀螺仪一起算成外设了)。
回复：你所说的这种情况会在车模技术检查中引起误会。所以还是建议你能够直接使用 STC8G 完成传感器数据的读取。
卓大大，请问您的邮箱可以分享一下嘛？我向您提交一些举报资料。不知道您是否还记得我之前向你反映的一个被人骗的情况，我知道那个人在闲鱼上售卖信标程序，就我已知的至少已经卖出了 10 份以上。我觉得非常的恶心，不想让他继续这样作恶下去，我就把他之前发给我的历程发到了网上，结果他现在反咬一口，说我卖程序。
真的是恶心。我整理很多关于这个人的资料，以及售卖证据，想要发给您。
我可以忍受不公，但是我没有办法忍受污蔑。那个人还恶人先告状说聂忠强卖程序赚钱，我没有卖程序赚过一分钱，那个人骗了我 500 多，还说我骗人。
回复：就将信息直接发送如下邮箱吧：zhuoqing@tgsinghua.edu.cn
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