基于STC32檢測(cè) 20kHz電磁導(dǎo)航信號(hào)

01、電磁導(dǎo)航信號(hào)

一、前言

在電子錐桶設(shè)計(jì)中，需要使用電磁導(dǎo)航信號(hào)對(duì)電子錐桶進(jìn)行復(fù)位，前期測(cè)試了基于LM567檢測(cè)電磁信號(hào)的方案，發(fā)現(xiàn)它的檢測(cè)靈敏度會(huì)受到電路中的電阻和電容精度的影響，昨天測(cè)試了基于 STC32 ADC檢測(cè)方案，無(wú)論是精度還是靈敏度都大大提高了。下面對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。

二、基本原理

STC32F 單片機(jī)中的 ADC 在12位下，數(shù)據(jù)手冊(cè)要求不能夠高于800kHz。下面利用程序，對(duì)轉(zhuǎn)換函數(shù)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。前后通過(guò)對(duì) LED 管腳單片的改變，可以得到ADC所消耗的時(shí)間。這是示波器顯示 LED 脈沖波形?？梢钥吹?，高電平時(shí)間為3.22微秒，這是實(shí)際 STC32F 單片機(jī)采集時(shí)間。

這是 STC32F 數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的ADC轉(zhuǎn)換速度公式，根據(jù)軟件中的設(shè)置，可以計(jì)算出ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘數(shù)量為52，在 24MHz下，對(duì)應(yīng)2.2微秒的轉(zhuǎn)換時(shí)間。實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.2微秒。

這是通過(guò)循環(huán)連續(xù)采集2000個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)繪制出的波形。信號(hào)峰峰值為 100mV。頻率為 20kHz。由于采樣周期在3微秒左右，所以每個(gè)周期所采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)只有15個(gè)左右，數(shù)據(jù)波形也存在較大的失真。為了解決采集速度的問(wèn)題，下面采用欠采樣方法來(lái)提高信號(hào)采樣精度。

三、欠采樣

使用欠采樣來(lái)采集周期高頻信號(hào)波形，設(shè)置采樣周期比信號(hào)周期的整數(shù)倍數(shù)略高，或者略低，便可以獲得與原信號(hào)相同波形的數(shù)據(jù)。下面測(cè)量一下定時(shí)器4中斷的頻率，就是前面定時(shí)器4中斷內(nèi)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的脈沖信號(hào)的頻率，是10.055kHz，這個(gè)數(shù)值比 20kHz 信號(hào)頻率一半略微高一些，可以利用這個(gè)方式完成信號(hào)的欠采樣。下面來(lái)看一下采集到的數(shù)據(jù)波形。

▲圖1.3.1采集到2000個(gè)數(shù)據(jù)的信號(hào)波形

這是采集到的2000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了表明數(shù)據(jù)波形的穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)中間還有橙色正弦曲線，可以看到它們之間的相位非常穩(wěn)定。采樣頻率為 f0，信號(hào)頻率為 f1。那么可以求得各自的周期，t0，t1。采樣周期比兩倍信號(hào)周期少了 delta t。對(duì)應(yīng)信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為 Ns。代入數(shù)據(jù)可以計(jì)算出大約為91.4。?由此，可以得到數(shù)據(jù)正弦信號(hào)，每個(gè)采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的相位差為 delta θ。按照這個(gè)相位差繪制出橙色曲線，理論正弦信號(hào)與實(shí)際采樣信號(hào)之間對(duì)應(yīng)非常完美。

四、信號(hào)幅度

這是峰峰值為 5mV，20kHz 的導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)過(guò)采集之后的波形。下面給出計(jì)算其中正弦波形的公式。這是根據(jù)采樣頻率和信號(hào)頻率計(jì)算出數(shù)據(jù)采樣周期，對(duì)于采樣數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出數(shù)據(jù)與 sine、cosine 信號(hào)的內(nèi)積，然后計(jì)算出信號(hào)的幅值。

這是計(jì)算出信號(hào)的幅值，可以看到信號(hào)幅值計(jì)算值為1，上下偏差在0.1之間。這能夠表明信號(hào)的存在。

這是輸入信號(hào)峰峰值為 100mV時(shí)，采集到的信號(hào)波形。這里給出了500次測(cè)量結(jié)果，計(jì)算數(shù)值在20左右波動(dòng)。

五、實(shí)測(cè)導(dǎo)航信號(hào)

仿照前面利用 LM567 檢測(cè)電磁信號(hào)中的電路，采用一個(gè)三極管對(duì)來(lái)自 LC 并聯(lián)諧振電磁感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大，然后連接到 STC32 ADC通道。這個(gè)電路就在面包板上搭建。三極管集電極放大信號(hào)直接引入單片機(jī)，三極管集電極均值電壓在2.3V 左右。經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以看到在旁邊1米附近，如果有電磁導(dǎo)航線圈，便可以引起單片機(jī)檢測(cè)信號(hào)觸發(fā)。如果檢測(cè)到 20kHz 信號(hào)幅值超過(guò)2，便點(diǎn)亮 LED 指示燈。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了利用單片機(jī)檢測(cè)電磁信號(hào)的高靈敏性和可靠性。

※ 總結(jié) ※

本文介紹了基于STC32檢測(cè)電磁導(dǎo)航信號(hào)的方法。實(shí)驗(yàn)證明了該電路的可靠性。

參考資料

[1]利用STC32F12 ADC 檢測(cè) 20kHz 導(dǎo)航信號(hào): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/133141100

[2]基于LM567 音頻信號(hào)檢測(cè)功能初步測(cè)試: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/132830117

[3]基于LM567制作的反射式紅外檢測(cè)電路，用于節(jié)能信標(biāo)檢測(cè)電路: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/120317194

[4]單個(gè)晶體管音頻放大電路: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/132842254

[5]基于LM567的 20kHz 導(dǎo)航電磁信號(hào)檢測(cè)方案: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/132849781