信号调理电路设计

信号调理电路的任务和工作条件是：1）带宽和增益，对20 kHz、毫伏级的信号放大约1 000倍，且动态范围较大；2）供电电源，车载电池供电，使用单电源放大电路，电池额定电压为7．2 V；3）信号转换，对放大后的信号进行幅度检波。使用分立元件搭建电路虽然能实现该功能，但电路复杂，调试不方便，并且电路性能会随电池电压的波动而变化。常见的通用运放如OP07、LM324、 LM358等，对于20 kHz信号无法满足带宽和增益的要求，同时，其输出摆幅较小。近年来出现的一些新的集成运算放大器能很好地承担上述任务。如OPA228系列运放、 MAX445l系列运放。特别是MAX4451双运放，-3 dB带宽达210 MHz，可以在+4．5～+11 V单电源条件下工作，输出摆幅大，具有轨到轨输出，开环增益大于50 dB，使用两级放大外加负反馈完全能胜任。实际电路如图所示。

智能车是靠电池驱动的，随着工作时间持续，电池电压必然下降。由于运放MAX4451的共模抑制比极高，典型值CMRR=95 dB，所以在单电源条件下可正常工作，并且，电池电压的波动基本不影响运放的工作性能。

图中L1是检测线圈。R1、R2分压为运放提供输入偏置电压，适当调节R2可改变放大器的输入偏置电压。由于第2级放大电路的增益设定为 （R5／R4）=30倍，可根据检测线圈L1输出感应电动势的大小，适当选择R3改变第1级的放大倍数，从而使总增益满足要求。引入R7是为了降低第1级放大电路的直流增益，从而提高静态工作点的稳定性。但R7的引入降低了第1级电路的交流放大能力，故接人C4=0．47μF实现交流旁路。VD1、R6和 C3构成幅度检波电路，VD4选择压降较小的高频锗二极管，检波电路的时间常数τ=R6C3一般选择为激磁电流（f=20 kHz）周期的3～5倍，C3的容量越大，输出到单片机A／D端的直流电压中的20 kHz波纹越小，但C3的容量过大将导致电路响应时间长，对智能车与赛道的偏离反应迟钝．C3的实际取值应在此估算的基础上通过测试确定。

此外，按常理，R1=R2分压为运放提供输入偏置应该为电源电压VCC的一半，约3．6 V。但由于VD1、R6和C3构成的是正半周峰值包络检波电路，检测线圈L1的感应电动势越大，检波电路输出的直流电位越高。如前所述，线圈输出的感应电动势受多种因素影响变化范围较大，为增大此电路的输出摆幅，选择R1=20 kΩ，R2=5．1kΩ，使运放同相端的输入偏置电压降低到约1．8 V，以降低检波电路输出端的初始直流电位，增大电路的动态范围。