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一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

作者:王鑫, 賴曉錚, 朱海龍,賴聲禮
來源:電子技術(shù)應(yīng)用
日期:2017-10-24 14:26:37
摘要:設(shè)計分析了125kHz閱讀器硬件電路部分,從理論與調(diào)試方法上對發(fā)射功放及后級匹配電路進(jìn)行了細(xì)致探討,采用了基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的調(diào)試方法調(diào)試匹配電路,并給出示波器與網(wǎng)絡(luò)分析儀的調(diào)試結(jié)果。
關(guān)鍵詞:閱讀器低頻通信電路

  RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。RFID被列為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一,已成為IT行業(yè)的一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域,它有著巨大的市場潛力和價值[1]。

  現(xiàn)已開發(fā)出RFID系統(tǒng)的4個通信頻段(系統(tǒng)工作頻率)[2],這些頻段是:①低頻段(最高到135kHz);②13.56MHz頻段;③900MHz頻段;④2.4GHz頻段。許多低價RFID系統(tǒng)的工作距離會受從閱讀器到無源電子標(biāo)簽的功率傳輸大小的限制。在短距離條件下,由于工作在近場耦合區(qū)域,低頻工作下從閱讀器到應(yīng)答器的傳輸功率更大。因此,低頻條件下更有利于能量的耦合。工作于低頻條件下(125kHz)的RFID系統(tǒng)的優(yōu)點在于:

  (1)很好的場穿透特性:可以穿透非磁性材料,比如水、混凝土、塑膠等。

  (2)有限與可精確控制的工作距離。在有限的工作距離下,這是個較大的優(yōu)點,例如,在門禁控制、汽車監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域等。

  (3)可實現(xiàn)低功耗設(shè)計,尤其在接收端。

  (4)低頻設(shè)計技術(shù)(相比于射頻電路設(shè)計)允許設(shè)計者使用低頻模擬工具與模塊。設(shè)計者可使用成熟的運(yùn)算放大器、比較器和通用示波器。

  (5)價格較低。可以加入LC諧振電路到微控制器來實現(xiàn)低價收發(fā)器[3]。

  1 長距離125kHz閱讀器結(jié)構(gòu)

  圖1為長距離125kHz閱讀器的結(jié)構(gòu)框架,它包括高頻接口與控制電路兩部分。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  高頻接口部分由發(fā)射與接收電路兩部分組成。發(fā)射電路作為RFID系統(tǒng)的一個重要部分,其核心部分是D類功率放大器及其后級匹配電路與天線驅(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路。接收電路主要由包絡(luò)檢波" title="包絡(luò)檢波">包絡(luò)檢波電路與后級帶通放大" title="帶通放大">帶通放大電路兩部分組成。

  控制電路的核心是AVR單片機(jī),它主要完成四個功能,圖1的注釋已寫明。

  2 發(fā)射電路的設(shè)計與分析

  圖1上部分的四個方框表示發(fā)送電路。在設(shè)計發(fā)送電路的過程中,主要目標(biāo)是提高發(fā)送功率,設(shè)計分析功率放大器及后級匹配與天線驅(qū)動電路,以達(dá)到閱讀器與電子標(biāo)簽更遠(yuǎn)距離識別的目的。

  2.1 功率放大器選型與理論分析

  A、B、C類功率放大器效率較低,D類功率放大器的效率理論上可達(dá)到100%,并且工作于開關(guān)模式下,損耗小,發(fā)射功率易得到提升,因此選用D類放大器。

  其優(yōu)勢在于:①互補(bǔ)的兩個功放管推挽工作——“開”態(tài)(一個三極管飽和導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通)時:Ic很大但Vc很小;“關(guān)”態(tài)(截止)時,Ic趨于零而Vc很大,兩者的乘積都很小,即Pc很小,從而實現(xiàn)了高效率放大。②集電極輸出電壓(或)電流為矩形波,諧波成分豐富,因而輸出級需加選頻網(wǎng)絡(luò),選出基頻分量,濾除不需要的諧波分量。這樣,在負(fù)載上就可以得到所需要的基頻電壓或電流。③兩管電流在等效負(fù)載電阻RL上的流向相反,輸出電壓的偶次諧波互相抵消,輸出的最低諧波是三次,負(fù)載上的波形比較好。綜上所述,D類功率放大器適合作為發(fā)射電路功率放大器[4]。

  電壓開關(guān)型晶體管D類放大器效率?濁與集電極輸出功率分別為:

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  晶體管的飽和壓降VCES愈小,電源電壓愈高,放大器效率與輸出功率愈高。同時,完成輸出電路的調(diào)諧也是提高輸出功率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一旦放大器輸出回路失諧,會對放大器的輸出功率產(chǎn)生不良影響甚至燒壞功放管。

  實際設(shè)計調(diào)試要選用晶體管飽和壓降比較小的管子,同時盡量提高電源電壓,這樣可以提高D類功放的工作效率與輸出功率。

  2.2 功放硬件實現(xiàn)與調(diào)試結(jié)果

  功率放大器原理圖如圖2所示,5V方波正脈沖輸入時,經(jīng)過限流電阻R1,耦合電容C1、C2濾除低頻分量,再通過二極管與電阻并聯(lián)回路后,到達(dá)三極管的基極,這時,Q2基極電壓接近9V,Q2管截止,Q1導(dǎo)通。D1、D2和D3、D4用于穩(wěn)定功放管基極。R4、R5為發(fā)射極限流電阻。兩基極并聯(lián)C3以提高功放管開關(guān)速度,降低由開關(guān)工作轉(zhuǎn)換不理想帶來的損耗。輸出級接選頻網(wǎng)絡(luò),諧振頻率為125kHz。5V方波負(fù)脈沖(0V)輸入的情況與此剛好相反,Q2導(dǎo)通,Q1截止,輸出高電平(9V)。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  調(diào)試結(jié)果:Q1與Q2的基極波形如圖3;功放輸出(集電極)的波形如圖4。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  實際調(diào)試當(dāng)中可得出以下結(jié)論:①功放管在開關(guān)瞬間會有不理想的情況,要選擇開關(guān)特性好、導(dǎo)通電流大、互補(bǔ)特性好的功放三極管來提升功放性能;②實際調(diào)試過程中,主要通過更換互補(bǔ)的功放三極管,觀測波形好壞來調(diào)試;③適當(dāng)減小加速電容C3也可以加快功放開關(guān)管的開關(guān)速度。

  2.3 功放后級匹配電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  匹配網(wǎng)絡(luò)連接功放輸出端與天線,對整個發(fā)送電路的影響起到重要作用。其主要功能有:①在功放輸出級達(dá)到最大功率傳輸;②將功放輸出的方波變?yōu)檎也虞d在天線上,并完成濾波作用。實際使用的功放后級匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  圖5中,L1、L2、C1構(gòu)成功放輸出級匹配電路(T型網(wǎng)絡(luò)),C2、C3、C4與外接天線(ANT1、ANT2接天線兩端)構(gòu)成天線驅(qū)動電路,其中C2是微調(diào)電容,用于調(diào)諧天線諧振狀態(tài)。

  使用Agilent 8753ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試。先斷開前級,測量天線驅(qū)動電路部分的S(1,1)參數(shù),調(diào)整微調(diào)電容C2將S(1,1)調(diào)整為在125kHz下為一純阻,使天線驅(qū)動電路諧振在125kHz頻率上。圖6為經(jīng)過電容微調(diào)后得到的S(1,1)參數(shù)(掃頻范圍100kHz~150kHz)[5]。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  然后,將網(wǎng)絡(luò)分析儀接到功放匹配電路(T型網(wǎng)絡(luò))輸入端,調(diào)整電感值L1,將S(1,1)調(diào)整為在125kHz下為一純阻,得到的Smith圓圖如圖7所示。

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  完成阻抗匹配的調(diào)節(jié)后,天線輸出電壓幅度達(dá)到最大,天線一端(另一端相位相反)輸出電壓峰峰值可達(dá)到61.2V,輸出功率已接近2W,發(fā)射功率足夠大。

  3 接收電路的設(shè)計

  3.1 包絡(luò)檢波電路

  包絡(luò)檢波電路原理圖如圖8所示。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  R1、D2、C1、R2構(gòu)成基本的包絡(luò)檢波電路,C2是耦合電容,R3是負(fù)載電阻,D3與D4為保護(hù)二極管。輸出接到帶通放大電路。

  3.2 帶通放大電路

  這部分使用集成運(yùn)放芯片構(gòu)成通用的帶通濾波放大器。為了提高系統(tǒng)性能,使用了兩級放大。其中一級電路(另一級結(jié)構(gòu)相同)圖如圖9。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  在運(yùn)放同相輸入端,電阻R2和R3構(gòu)成電源分壓電路,為同相輸入端提供比較電壓。R3的兩端并聯(lián)了電容C2,起到了相位補(bǔ)償?shù)淖饔?,提高了電路的工作穩(wěn)定性,同時R2和C2構(gòu)成了局部的阻容低通濾波電路,可以在一定程度上濾除高頻分量。運(yùn)放輸出級接入了由R5和C4構(gòu)成的阻容低通濾波電路,可以濾除高頻分量,可使送入單片機(jī)的標(biāo)簽返回信號波形更加清晰,高頻分量小。

  使用ADS仿真得到電路的帶通特性如圖10,由圖可知通帶中心頻率為1.6kHz,電路設(shè)計完成[6]。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  圖11是在閱讀器旁邊放置了EM4026電子標(biāo)簽后,再經(jīng)運(yùn)放輸出級的波形。其中左圖顯示為碼型頭部的波形,右圖為碼型尾部。

一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

  本文設(shè)計并實現(xiàn)了長距離低頻125kHz閱讀器硬件電路,使用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真驗證,采用獨特的基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的調(diào)試方法調(diào)試發(fā)射匹配電路,并給出調(diào)試結(jié)果。設(shè)計與調(diào)試完成后,系統(tǒng)發(fā)送功率達(dá)到了1.5W以上,閱讀器識別距離達(dá)到了70cm,實現(xiàn)了長距離識別的目的。