問題提出

遇到了一個問題可以請教您么？我們電磁運放使用的是opa2350，自己不愿意去抄板就自己設計了一個電路。通過Multisim仿真出來波形是正確的，整流后波形也是正確的；自己焊接出來測試的時候到我整流輸出波形也沒問題，整流后就是一個很平整的高電平。但是當我將這個輸出接到單片機的ad采集口時，波形就變成了類三角波的形狀！

信號二極管檢波示意圖

起初以為是程序出問題了，但是自己直接給單片機的ad采集口接一個高電平時波形和采集的值都是正確的，沒有變化。所以現在就很困惑，自己的電路到底是哪兒出問題，已經在這一塊折磨了四天了，希望卓大大您能幫我分析一下問題可能出在哪兒，謝謝大大。

原理講解

上面的問題，實際上是電信號在電路系統之間傳遞過程中，由于信號源的內阻與負載阻抗的存在所產生的線性衰減和非線性失真現象。解決方法也很簡單，后面會給出。但不如趁此機會，我們一起探討一下這個問題背后更為多樣的解決方案。

1. 信號檢測與解調

使用一個工字型電感（通常采用10mH配合6.2nF的電容）感知賽道上交變磁場信息，信號的大小與電感在賽道上的方位有關系。簡化一下，假設電感的方向始終保持水平且與賽道法線平行，輸出感應電壓p(x,y)就只與位置有關系。

電磁導航電感位置

經過信號放大之后所得到的電壓信號V(t)由下圖表示：

接收信號數學表達式

從這兒可以看出，信號實際上相當于被位置信息幅度調制后的調幅信號。因此，為了獲得實際的p(x,y)信號，就需要對該調幅信號進行解調。當然，從p(x,y)怎么得到電感的位置，則是另外一個問題，以后再進行討論。

信號的調制與解調最初是玩無線電的同學感興趣的話題，對于普通學習自動化專業的同學這個問題比較生疏。但這種對于信號的處理方式的確在信號與系統中具有重要的地位。這里就針對這個話題展開一下。

對于普通的調幅信號進行解調的方式有兩大類：一類是同步解調，另外一類是包絡線解調，這兩種方式在信號與系統，或者無線電通信課程中都有專門的介紹，在這兒就不再累述。

下面將從數學上進行推導，給出更多解調信號的方式。

2. 移相解調

如果能夠得到V(t)移相90°的信號，那么求取這兩個信號的對應實部與虛部的復數的模，便是解調后的信號。具體如下式所示：

移相解調原理

對于一般信號進行移相90°，可以采用希爾伯特變換。信號與其的希爾伯特變換組成的復數成為該信號的解析信號。求解析信號的模便等于信號的的包絡線。這一內容屬于高級信號處理方式，限于篇幅就省去5000字的描述。

對于實際電磁信號，可以通過單片機進行AD采樣，完成上面移項解調。在相鄰時間為T的兩次采集，或者該信號本身以及它的延時信號的采樣。只要T等于信號的載波周期的整數倍數再多出四分之一，或者四分之三周期，那么這兩次采集信號從相位上便相差90°。求出它們的均方根便可以獲得解調信號。

3. 非線性解調

如果求V(t)信號的平方項，則可以看出結果中存在著兩個成分：

調幅信號的平方相包含低頻信息

一個成分是沒有調制信號的低頻信號部分，另外一個是兩倍頻的調試信號。因此，通過低通濾波器可以獲得前面的低頻信號，然后再將該信號進行開放便可以得到解調信號。

實現信號的平方運算，可以使用硬件模擬乘法器，或者經過AD轉換后由軟件進行計算。除此之外，還可以將信號通過任意一個非線性環節，都可以獲得信號的平方項。根據函數的Talor級數展開，可以看出，至少在級數的二次項中就包含了信號的平方項。

非線性傳遞函數的Talor級數展開

所以將通過非線性環節的信號再經過低通濾波，便可以獲得待解調信號的低頻部分，再經過去除常量、適當進行開方、倍乘等可以恢復出調制信號。

在電子線路中，常見到的電子元器件，二極管、三極管、運放等實際上都是非線性 元器件。如果這些元器件配合阻容器件組成信號放大電路，則需要通過設置正確的工作點以及負反饋，盡可能實現線性放大。但如果用于信號解調，則在電路設計上就需要 有意設計成非線性工作。因此，一個設計糟糕的放大電路在普通的模擬電子課程中只能得10分，但在信號解調中是一個非常優秀的電路可以的到100分。

4. 非線性解調電路

（1）二極管檢波電路

利用二極管的單向導通特性，可以形成二極管包絡線檢波電路。后面的電阻和電容配合的二極管完成充電和放電，最后在電路的輸出得到調幅波的包絡線信號。

二極管檢波電路

上述過程講述的太天真的，符合幅值高的信號的建波過程。實際中二極管存在著導通電壓，正向導通電阻，已經反向漏電流等特性，使得弱小高頻信號在檢波時損失較大，甚至無法完成檢波。此外，這種檢波方式還有輸出阻抗較大，帶負載能力小等弱點。

二極管轉移特性與高頻二極管

提高對于高頻弱信號的檢波的方法：

使用導通電壓較小的鍺二極管、肖特基二極管；

對于二極管進行適當的偏置；

使用倍壓檢波；

提高建波效率的兩個方法：倍壓檢波和偏置檢波

如果還希望增加檢波效率，那就是使用三極管完成建波。

（2）三極管、MOS檢波電路

利用三極管、MOS在小的偏置下的非線性，可以完成信號的檢波。它相當于帶有偏置的二極管檢波+三極管放大電路，所以這種檢波效率高，增益更大，輸出阻抗變小。下圖所示的為兩級MOS，BJT晶體管高頻檢波電路。

晶體管檢波電路

（3）運放檢波電路

設置運算放大器的工作點處于臨界截止狀態，也可以完成對于調幅信號的檢波。這種電路可以同時完成信號的放大與檢波，輸出的阻抗小。

運放檢波電路

上面的電路摘抄自競賽組委會發布的電磁車模設計指南中的電路。

問題分析

針對不同的檢波電路，電路的輸出阻抗和濾波形式是不同的。本文開始的問題主要原因為：

信號在實際系統傳遞的時候，需要考慮到信號輸出系統的內阻以及信號輸入端口的輸入阻抗；

信號整流輸出信號源的內阻隨著信號的幅度不同呈現出比較大的變化，特別是對于弱小信號，二極管檢波輸出阻抗很大；

檢波電路的R,C的取值對于輸出信號波形影響很大，往往取RC乘積對應的時間常數等于載波周期T的一個數量級以上的倍數。

檢波電路的時間常數，還需要考慮到負載的 影響。如果負載電阻小，則同樣會減小時間常數，進而造成輸出波形呈現出很大的波動。

普通單片機的IO口大都是多種功能復用，因此AD輸入端口就有可能具有原來IO口的上拉或者下拉偏置電阻。如果在MCU端口功能設置不當，就有可能使得AD輸入端口的阻抗變小。

MCU復合端口內部電路示意圖

因此，本文開始同學提出的二極管建波之后，一旦接入MCU的AD轉換端口，出現波形不平滑。可能最主要的原因就是MCU的AD輸入端打開了偏置電阻，使得輸入電阻變小，進而影響到檢波電路的濾波器時間常數。

硬件解決方法：

設置MCU的AD輸入端口，使其處于高阻狀態；

增加二極管檢波電路的電容C，增加R值，使得濾波時間長度達到幾個ms，等于20kHz載波周期的幾十倍。

在整流電路與AD之間增加一級電壓跟隨器，隔離MCU的AD輸入電阻對于檢波電路的影響；

更換成集成電路非線性檢波，提高檢波電路的帶載能力。

軟件解決方法：

根據前面介紹的移項檢波方式，還可以不進行硬件的信號檢波，直接將放大后的調幅信號經過電平平移之后，送到AD轉換口，使用軟件完成信號包絡線的計算。

實驗驗證

實驗1：提問同學的實驗結果。

大大，您剛才所說的ad口設置不當會引起我所述說的問題，剛剛我去測試了加了一級電壓跟隨器完美的解決了我的問題。

那么除了加電壓跟隨器還有別的辦法解決這個問題么？ad轉換口設置不當是芯片內部設計的問題么？如果是ad轉換設置不當，那為什么使用386不需要加電壓跟隨器也不會發生我所述說的情況呢？

關于后面的提問回答，可以參見原理說明中給出的方案。

實驗2：信號的移項檢波

這個實驗來自于前面關于超聲波信號導航（在公眾號中輸入信標導航？便可以查到這個推文）關于超聲波包括線的解調。

超聲波的頻率為40kHz,采樣頻率為53.33kHz。采用的周期等于信號載波周期的3/4，因此相鄰兩個采樣數據在載波相位上相差-90°（270°），因此計算相鄰兩個采樣數據的均方根便可以得到信號的包絡線。

移相檢波數據

從上面圖中可以看到，計算出的包絡線完美的再現了信號的調制信號。

請注意，在這個實驗中，采集數據需要首先減去AD轉換時信號的平均直流信號量。

實驗三：倍壓檢波電路

這是一個用于檢測高頻信號的檢波電路，它本質上是一個倍壓檢波電路。

倍壓檢波電路原理圖

為了能夠適應高頻信號，整個電路制作的非常小巧，所有的元器件都最終封裝在一個金屬屏蔽盒中。

倍壓檢波電路實際外觀

整個電路在很大的頻率范圍內都可以基本保持檢波性能。由于二極管的導通電壓的 影響，所以在輸入信號非常微弱的情況下（小于幾十毫伏）輸出檢波電壓偏小。但當輸入信號的幅度大于100mV之后，檢波器的輸入輸出呈現比較好的顯性關系。

倍壓檢波電路的輸入輸出關系曲線

倍壓檢波電路用于解調高頻調幅信號

總結延伸

本文核心內容討論了信號解調的數學原理和基本方案，但開始同學遇到的問題則是基本的電路中信號傳遞的問題。選擇不同的條件方式，影響了信號的傳輸特性。影響工程實現的因素是多方面的，需要在實驗中抓住問題的本質。

信號的檢波在某種程度上與信號整流是一致的。但在電源AC-DC整流變換中，則更多的是大電壓、大電流的低頻功率信號，此時為了提高系統的效率，大多采用橋式全波整流方式。但在信號檢波中，由于信號為弱小的高頻信號，因此采用半波、或者倍壓整流提高檢波輸出的效率。結合后續的濾波電路等方式，可以進一步分離檢波后輸出信號中摻雜的直流、高頻信號燈。

信號的調制與解調是基本的信號處理方法。在理解了其中的基本原理之后，可以分別通過不同的硬件電路或者軟件算法完成信號的處理， 在不同的場合發揮各自的優點。

在實踐中不僅大家需要總結所獲得的經驗，同時需要進一步思考其背后的原理，在將來學習和實踐中可以走的更遠。如果大家想了解智能車制作過程背后的更多原理的話，就請大家多多提出更好的問題。
編輯：hfy