信號調理電路設計

　　信號調理電路的任務和工作條件是：1）帶寬和增益，對20 kHz、毫伏級的信號放大約1 000倍，且動態范圍較大；2）供電電源，車載電池供電，使用單電源放大電路，電池額定電壓為7．2 V；3）信號轉換，對放大后的信號進行幅度檢波。使用分立元件搭建電路雖然能實現該功能，但電路復雜，調試不方便，并且電路性能會隨電池電壓的波動而變化。常見的通用運放如OP07、LM324、 LM358等，對于20 kHz信號無法滿足帶寬和增益的要求，同時，其輸出擺幅較小。近年來出現的一些新的集成運算放大器能很好地承擔上述任務。如OPA228系列運放、 MAX445l系列運放。特別是MAX4451雙運放，-3 dB帶寬達210 MHz，可以在+4．5～+11 V單電源條件下工作，輸出擺幅大，具有軌到軌輸出，開環增益大于50 dB，使用兩級放大外加負反饋完全能勝任。實際電路如圖1所示。

　　智能車是靠電池驅動的，隨著工作時間持續，電池電壓必然下降。由于運放MAX4451的共模抑制比極高，典型值CMRR=95 dB，所以在單電源條件下可正常工作，并且，電池電壓的波動基本不影響運放的工作性能。

　　圖 1中L1是檢測線圈。R1、R2分壓為運放提供輸入偏置電壓，適當調節R2可改變放大器的輸入偏置電壓。由于第2級放大電路的增益設定為 （R5／R4）=30倍，可根據檢測線圈L1輸出感應電動勢的大小，適當選擇R3改變第1級的放大倍數，從而使總增益滿足要求。引入R7是為了降低第1級放大電路的直流增益，從而提高靜態工作點的穩定性。但R7的引入降低了第1級電路的交流放大能力，故接人C4=0．47μF實現交流旁路。VD1、R6和 C3構成幅度檢波電路，VD4選擇壓降較小的高頻鍺二極管，檢波電路的時間常數τ=R6C3一般選擇為激磁電流（f=20 kHz）周期的3～5倍，C3的容量越大，輸出到單片機A／D端的直流電壓中的20 kHz波紋越小，但C3的容量過大將導致電路響應時間長，對智能車與賽道的偏離反應遲鈍．C3的實際取值應在此估算的基礎上通過測試確定。

　　此外，按常理，R1=R2分壓為運放提供輸入偏置應該為電源電壓VCC的一半，約3．6 V。但由于VD1、R6和C3構成的是正半周峰值包絡檢波電路，檢測線圈L1的感應電動勢越大，檢波電路輸出的直流電位越高。如前所述，線圈輸出的感應電動勢受多種因素影響變化范圍較大，為增大此電路的輸出擺幅，選擇R1=20 kΩ，R2=5．1kΩ，使運放同相端的輸入偏置電壓降低到約1．8 V，以降低檢波電路輸出端的初始直流電位，增大電路的動態范圍。