在競(jìng)賽規(guī)則中，給出了測(cè)量這類(lèi)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(cè)量了。如果電流信號(hào)是方波信號(hào)，測(cè)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(lèi)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(guò)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(cè)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(wàn)用表，測(cè)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(wàn)用表測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流后，測(cè)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(lèi)萬(wàn)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(cè)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(guò)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(chǎng)環(huán)境不受信號(hào)波形改變的影響，下面需要討論如何測(cè)量，才能夠使得不同電流波形下，信號(hào)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與方波電流信號(hào)相同。

 

根據(jù)之前推文中的討論，智能車(chē)實(shí)際使用的是信號(hào)源中20kHz的正弦基波信號(hào)完成車(chē)模導(dǎo)航。通過(guò)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(cè)信號(hào)的信噪比。因此，為了使得比賽車(chē)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。可是，普通的萬(wàn)用表，測(cè)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(cè)量，而是測(cè)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(wàn)用表MC8218和平均交流值萬(wàn)用表UT58A進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，會(huì)帶來(lái)的誤差。

 

首先分析UT58A萬(wàn)用表進(jìn)行信號(hào)的校正。它測(cè)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(guò)上述分析，可以知道，如果使用真有效值萬(wàn)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(wàn)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(chǎng)為何變大”中進(jìn)行了討論。

 

下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(chǎng)測(cè)量傳感器。LC選頻得到的20kHz基波信號(hào)通過(guò)運(yùn)放隔離放大10倍之后，使用FLUKE45電壓表進(jìn)行測(cè)量。

 

 

使用本文一開(kāi)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(cè)量。使用上述LC選頻放大電路測(cè)量輸出信號(hào)線附近固定位置的交流磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(méi)有串入電感的時(shí)候，使用MC8218萬(wàn)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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)單標(biāo)定的方法，就是使用一個(gè)能夠測(cè)量真有效值的萬(wàn)用表，直接將萬(wàn)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(wàn)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(guò)20%。

 

如何辨別所使用的萬(wàn)用表測(cè)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(wàn)用表的兩端進(jìn)行測(cè)量輸出電流。如果在信號(hào)源表頭顯示100mA的時(shí)候，萬(wàn)用表讀數(shù)也是100mA，那么，該萬(wàn)用表是真有效值測(cè)量表。如果小于100mA，則萬(wàn)有表是測(cè)量交流信號(hào)的平均值。

 

 

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