【導(dǎo)讀】智能車比賽電磁類組別中，導(dǎo)引車模運(yùn)行的是賽道上電磁導(dǎo)線。能夠準(zhǔn)確測量電磁導(dǎo)線中的交變電流是維持比賽環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和一致的基礎(chǔ)。為了簡化參賽隊(duì)伍制作電磁組別的信號(hào)源，組委會(huì)給出信號(hào)源的制作標(biāo)準(zhǔn)使用了20kHz的恒流方波電流源，制作方法。
在競賽規(guī)則中，給出了測量這類信號(hào)源電流值的標(biāo)準(zhǔn)：使用整流橋，將交流信號(hào)整流成直流信號(hào)變可以使用普通的直流電流表進(jìn)行測量了。如果電流信號(hào)是方波信號(hào)，測量的電流值就是方波信號(hào)的峰值電流。
在傳統(tǒng)的信號(hào)源中，還配有一個(gè)直流電流表顯示信號(hào)源的電流大小。由于這類電源中的恒流部分采用了MOS功率管在放大區(qū)間進(jìn)行穩(wěn)流控制，它受到功率管溫度影響，電流容易發(fā)生漂移。通過信號(hào)源上的設(shè)定電位器，可以修改信號(hào)源的大小。
如果電流波形是方波信號(hào)，實(shí)際上也可以直接使用交流電流表進(jìn)行測試。只是要求交流電流表是真有效值電流表。比如MC8218型號(hào)的萬用表，測量信號(hào)源在方波電流輸出的時(shí)候，顯示值就接近100mA。這是由于方波信號(hào)的有效值與其峰值是一致的。
但是UT58A萬用表測試相同的電流信號(hào)的時(shí)候，則顯示為91mA左右。
這是由于UT58A測量交流電流信號(hào)的時(shí)候，是假設(shè)信號(hào)為正弦信號(hào)。它通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流后，測量其平均值。然后再根據(jù)正弦信號(hào)的面積與它的有效值之間的比值為2sqrt(2)/pi= 0.9的關(guān)系，進(jìn)行換算后得到對(duì)應(yīng)的顯示值。這類萬用表只能對(duì)于波形接近于正弦波的信號(hào)顯示值與實(shí)際信號(hào)的有效值才相符合。所以，如果使用MC8218進(jìn)行信號(hào)源電流校正，可以獲得準(zhǔn)確的電流值。如果使用MT58A，進(jìn)行信號(hào)源的校正，那么實(shí)際上信號(hào)源的值比起標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源要大11%左右。
如果在輸出電路中，串聯(lián)一個(gè)電流取樣電阻（比如1歐姆電阻），使用真有效值的交流電壓檔進(jìn)行測量，然后再除以取樣電阻，也可以獲得實(shí)際輸出方波電流的峰值電流。
但是，實(shí)際情況，要比上述方波電流復(fù)雜。在前面推文中，有兩次進(jìn)行過相關(guān)的討論。當(dāng)賽道的面積比較大的時(shí)候，賽道電磁線存在比較大的電感感抗，這使得輸出電流波形不再是一個(gè)方波信號(hào)。下圖顯示波形分別對(duì)應(yīng)的賽道電感值從10uH變化到250uH左右的時(shí)候，輸出電流波形的變化情況。
根據(jù)信號(hào)分析理論，可以知道，信號(hào)的波形變化，會(huì)影響信號(hào)中各次諧波的大小。為了保證比賽中，磁場環(huán)境不受信號(hào)波形改變的影響，下面需要討論如何測量，才能夠使得不同電流波形下，信號(hào)所產(chǎn)生的磁場與方波電流信號(hào)相同。
根據(jù)之前推文中的討論，智能車實(shí)際使用的是信號(hào)源中20kHz的正弦基波信號(hào)完成車模導(dǎo)航。通過LC諧振選頻電路，可以濾除除了20kHz之外的其它干擾信號(hào)，可以大大提高檢測信號(hào)的信噪比。因此，為了使得比賽車模不受電流波形的影響，實(shí)際上，只要保證交流信號(hào)中，20kHz基波信號(hào)的幅值不變即可?？墒?，普通的萬用表，測量信號(hào)的時(shí)候，并不只是針對(duì)某一個(gè)頻率的信號(hào)進(jìn)行測量，而是測量信號(hào)中所有平均分量的綜合。
下面分析，使用真有效值萬用表MC8218和平均交流值萬用表UT58A進(jìn)行信號(hào)測量，會(huì)帶來的誤差。
首先分析UT58A萬用表進(jìn)行信號(hào)的校正。它測量的是交流信號(hào)的絕對(duì)值的平均值。如果使用UT58A對(duì)于信號(hào)源進(jìn)行校正，如果電流信號(hào)輸出為方波信號(hào)，根據(jù)前面分析，實(shí)際信號(hào)輸出值要比標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)大11%左右。
當(dāng)電流出現(xiàn)失真的情況，其中最嚴(yán)重的就是電感值很大，輸出電流值已經(jīng)呈現(xiàn)近似三角電流信號(hào)。如果維持信號(hào)的絕對(duì)值的平均值不變，三角波脈沖的基波分量比起方波信號(hào)的基波分量增加了4/pi=1.27倍。
同樣的分析，如果使用真有效值表MC8218進(jìn)校校正，在輸出為三角脈沖的情況下，仍然維持有效值為100mA，此時(shí)信號(hào)的峰值為sqrt(pi)*100=177mA，信號(hào)中基波分量與方波電流的基波分量的比值為2/sqrt(pi)=1.128。
通過上述分析，可以知道，如果使用真有效值萬用表進(jìn)行校正信號(hào)源，當(dāng)電流波形受到賽道電感影響變成三角脈沖信號(hào)的時(shí)候，基波分量會(huì)增加12.8%。如果使用普通的平均值萬用表進(jìn)行校正，基波分量會(huì)增加27.3%。
那么，如果根據(jù)信號(hào)源上的電流表的讀數(shù)進(jìn)行校正，則誤差會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述范圍，具體原因在上依次推文“再談磁場為何變大”中進(jìn)行了討論。
下面通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證上述分析。仍然使用比賽所使用的工字電感匹配諧振電容作為交變磁場測量傳感器。LC選頻得到的20kHz基波信號(hào)通過運(yùn)放隔離放大10倍之后，使用FLUKE45電壓表進(jìn)行測量。
使用本文一開始的模擬信號(hào)源，分別在輸出信號(hào)回路中傳入MC8218，UT58A進(jìn)行校準(zhǔn)測量。使用上述LC選頻放大電路測量輸出信號(hào)線附近固定位置的交流磁場強(qiáng)度。
實(shí)驗(yàn)第一步驟，在輸出信號(hào)線中不串入任何電感，分別在信號(hào)源模擬表，MC8218，UT58A顯示值為100mA左右，讀交流磁場強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)第二步，在輸出信號(hào)線中傳入250uH的電感，此時(shí)輸出電流值已經(jīng)為三角波形，然后分別在信號(hào)源的模擬表、MC8218，UT58A顯示值為100mA左右時(shí)，讀取交流磁場強(qiáng)度。數(shù)據(jù)如下表格所示：
從上面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格中可以看出，在信號(hào)線沒有串入電感的時(shí)候，使用MC8218萬用表讀出的交流值與信號(hào)源模擬表頭的值基本一致，都是100mA左右，而使用UT58A讀出的電流為101.8mA的時(shí)候，模擬表頭的數(shù)值需要增加到120mA左右，此時(shí)交流磁場強(qiáng)度也增加了20%左右。
如果外部串入250uH的電感，此時(shí)如果維持模擬電流表、MC8218、UT58A顯示在100mA左右不變，此時(shí)外部的交流磁場強(qiáng)度分別增加了48.7%, 10.1%, 28.3%。
對(duì)于信號(hào)源進(jìn)行簡單標(biāo)定的方法，就是使用一個(gè)能夠測量真有效值的萬用表，直接將萬用表傳入賽道電磁線中，當(dāng)讀數(shù)為100mA的時(shí)候，此時(shí)實(shí)際信號(hào)新中20kHz的基波分量的變化范圍最多只有10%左右。滿足規(guī)則所定義的電流強(qiáng)度變化20%的 要求。
如果使用普通的平均值交流萬用表或者信號(hào)源上的電流顯示值進(jìn)行標(biāo)定，則電流值的誤差范圍將會(huì)超過20%。
如何辨別所使用的萬用表測量電流是真有效值，還是平均值呢？ 可以將信號(hào)源直接連接萬用表的兩端進(jìn)行測量輸出電流。如果在信號(hào)源表頭顯示100mA的時(shí)候，萬用表讀數(shù)也是100mA，那么，該萬用表是真有效值測量表。如果小于100mA，則萬有表是測量交流信號(hào)的平均值。
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