基于超外差原理EAS檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

(徽商職業(yè)學(xué)院電子信息系，安徽 合肥 231201)

0 引 言

EAS系統(tǒng)根據(jù)工作原理分為四種：聲磁EAS、射頻EAS、微波EAS和電磁EAS。射頻EAS系統(tǒng)和聲磁EAS系統(tǒng)采用比較多,但還存在著一些問(wèn)題，諸如：①檢測(cè)靈敏度低；②抗干擾能力差；③誤報(bào)率高等。設(shè)計(jì)基于超外差原理的EAS檢測(cè)器不僅在工作原理和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行創(chuàng)新提高檢測(cè)距離和靈敏度，同時(shí)在CPU外圍增加時(shí)序同步芯片，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)檢測(cè)器的工作同步，能夠有效防止多臺(tái)檢測(cè)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生干擾。

1 超外差原理EAS檢測(cè)器方案分析

超外差技術(shù)因本振頻率和信號(hào)頻率不一致，兩者之間將會(huì)上變頻(或者下變頻)成一個(gè)中頻信號(hào)(IF)；設(shè)計(jì)的中頻(IF)信號(hào)的頻率選用455kHz，掃頻信號(hào)在7.7MHz～8.7MHz，能夠有效的抑制鏡頻干擾；同時(shí)設(shè)置455kHz5%晶體濾波器，能夠有效避免本振泄露造成的誤觸發(fā)的發(fā)生。設(shè)計(jì)的電路包括三個(gè)部分：發(fā)射電路、接收通道和數(shù)字信號(hào)處理模塊及外圍電路[1]。發(fā)射電路信號(hào)源與接收通道的本振信號(hào)源均是由DDS產(chǎn)生。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

發(fā)射電路主要由信號(hào)發(fā)生器、功率控制電路、射頻放大器及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。信號(hào)發(fā)生器選用可編程功能的DDS(AD9834)集成芯片，電子標(biāo)簽中心頻率存在±5%離散誤差，因此掃頻帶寬在7.7MHz～8.7MHz。接收通道選用帶寬是30kHz晶體濾波器，需設(shè)置32個(gè)掃頻點(diǎn)均分1MHz帶寬中，使用頻率4kHz調(diào)制信號(hào)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。同步信號(hào)以32個(gè)頻點(diǎn)作為一個(gè)發(fā)射周期，頻率62.5Hz占空比50%的方波。使其多臺(tái)檢測(cè)器同發(fā)同收，避免多臺(tái)機(jī)器工作不同步，產(chǎn)生互擾。

圖1 超外差技術(shù)EAS檢測(cè)器系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

2.1 線圈模型選擇及信號(hào)發(fā)生電路

射頻EAS檢測(cè)器需要對(duì)外發(fā)射掃頻信號(hào)，用該信號(hào)激勵(lì)處于檢測(cè)空間區(qū)域內(nèi)的電子標(biāo)簽，然后通過(guò)接收電子標(biāo)簽的諧振信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和判斷空間中是否存在電子標(biāo)簽[2]。采用收發(fā)一體式檢測(cè)線圈即單線圈監(jiān)測(cè)模型。

使用單一線圈實(shí)現(xiàn)收發(fā)一體式工作機(jī)制，對(duì)掃頻信號(hào)頻率精確度和波形完整性的要求更高,該系統(tǒng)需要使用兩個(gè)DDS芯片提供信號(hào)源，一個(gè)是作為射頻信號(hào)的發(fā)射源，另一個(gè)作為混頻信號(hào)的本振源，輸出455kHz中頻信號(hào)。

2.2 DDS發(fā)射電路設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生電路使用兩個(gè)DDS芯片產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)和本振信號(hào)，由于本振信號(hào)邏輯時(shí)序較為單一，將重點(diǎn)闡述發(fā)射電路中使用的DDS產(chǎn)生掃頻信號(hào)流程及實(shí)現(xiàn)過(guò)程[3]。圖2為發(fā)射電路DDS信號(hào)的流程框圖。

圖2 發(fā)射電路流程框圖

發(fā)射電路采用兩個(gè)線圈作為發(fā)射天線分別是CH1和CH2，每個(gè)通道又分成A、B兩路互反信號(hào)，使用比較器LM339D將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，送入高速雙通道N-MOSFET驅(qū)動(dòng)器(LT1693-1)，放大后為發(fā)射提供較大的能量。選用CPU產(chǎn)生信號(hào)配合進(jìn)行工作，通道1與通道2是交替工作，均包含32個(gè)頻點(diǎn)；每個(gè)通道中A、B兩路信號(hào)除了反向以外，其余特性均相同。

2.3 DDS前端濾波和功率放大電路設(shè)計(jì)

AD9834由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致掃頻輸出信號(hào)存在豐富的高頻噪聲，采用五階巴特沃斯帶通濾波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理[4]。選用自帶低通濾波功能LTC6600-10芯片對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)一步放大處理，傳遞至功率放大器。根據(jù)平衡原則，接地端輸入引腳與地之間串聯(lián)同樣的阻值，實(shí)現(xiàn)5倍信號(hào)放大，將600mV信號(hào)放大至3.1V左右。

圖3 一組掃頻點(diǎn)

圖3為一組放大后掃頻頻點(diǎn)，經(jīng)過(guò)前級(jí)電路進(jìn)行濾波放大達(dá)到設(shè)計(jì)要求；圖4為其中一點(diǎn)的波形，信號(hào)放大滿(mǎn)足理論分析要求。

圖4 單點(diǎn)波形

功率放大電路采用凌力爾特(Linear)公司LTC1693-1芯片，將信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的CH1-A和CH1-B(或CH2-A和CH2-B)連接到芯片的輸入端。驅(qū)動(dòng)輸出電壓的最大幅值與芯片的供電電壓一致(12V)，將方波輸出信號(hào)放大到12V，電路原理圖如圖5所示。

圖5 第一級(jí)功率放大電路

經(jīng)過(guò)T1變壓器，將A、B兩路進(jìn)行分時(shí)操作耦合到下一級(jí)，下一級(jí)電路對(duì)信號(hào)再次放大，升壓到300V。LT1693-1輸出波形見(jiàn)圖6所示。

圖6 LT1693-1 輸出波形

圖7 D1正向端電壓

第一級(jí)功率放大電路對(duì)兩路信號(hào)同時(shí)放大，芯片5管腳和7管腳輸出的8.2MHz方波信號(hào)，輸出的方波信號(hào)是相反方向。LT1693-1輸出的峰峰值12V信號(hào)，作為控制信號(hào)控制高頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器(Q1、Q2)的觸發(fā)信號(hào)，每個(gè)通道中的信號(hào)是相互反向，能夠使得Q1導(dǎo)通時(shí)，Q2關(guān)閉。由于LT1693-1輸出信號(hào)是一個(gè)方波信號(hào)，占空比50%，該信號(hào)能夠使得Q1、Q2導(dǎo)通。在該器件上級(jí)連接有二極管，二極管正向端連接24V電壓，因此導(dǎo)通后該信號(hào)基準(zhǔn)電壓被抬高到24V，圖7是D1(或D2)正向端信號(hào)波形。

2.4 接收端高頻信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用收發(fā)一體式單線圈，使用高速電子模擬開(kāi)關(guān)(ADG734)作為接收與接收標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)入檢測(cè)通道的閘門(mén)，選用低噪聲放大芯片AD8132。通過(guò)調(diào)整外圍電阻值設(shè)置目標(biāo)增益；其獨(dú)特的內(nèi)部反饋特性，能夠在10MHz時(shí)提供與-68dB的輸出增益和相位匹配平衡，能夠抑制共模噪聲及干擾，將動(dòng)態(tài)范圍提高兩倍，并且通過(guò)平衡信號(hào)提高總體性能[5]。

2.5 混頻電路設(shè)計(jì)

混頻電路設(shè)計(jì)選用LT5560芯片作為下混頻芯片，采用一個(gè)單端LO電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，僅需-2dBm的LO功率。設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是能使LO到輸出泄露完全，同時(shí)良好的隔離能夠?qū)O與IN之間沒(méi)有信號(hào)串?dāng)_發(fā)生。電路如圖8所示。

數(shù)據(jù)分析如下：

輸出端：輸出端連接晶體濾波器，因此需要將LT5560雙端輸出差分信號(hào)變換為單端信號(hào)。使用上拉電阻R6和R7在集電極開(kāi)路IF輸出上使用。運(yùn)算放大器提供了增益的同時(shí)并把混頻器差分輸出轉(zhuǎn)換至單端，在LT6203上的兩端的反饋電阻是R8與R9，根據(jù)運(yùn)放電壓計(jì)算公式：

(1)

式(1)計(jì)算電路的增益為5dBm；在LT6203輸出端有一個(gè)RC簡(jiǎn)易濾波電路構(gòu)成，選用值為：R12=51?；祛l器的輸入端，采用變壓器提供混頻器的輸入信號(hào)，不但能將前級(jí)電路與混頻器內(nèi)阻進(jìn)行阻抗匹配，同時(shí)還能夠?qū)⒈３植罘中盘?hào)特性，為混頻器提供一個(gè)分別率較高的信源。

圖8 混頻電路原理圖

本振輸入是采用平衡原則，LO-與LO+均是采用10nF電容進(jìn)行隔離，能夠再次濾除DDS產(chǎn)生本振信號(hào)中帶有的高頻成分，防止外界無(wú)用信號(hào)串入引起鏡像干擾。

圖9 晶體檢波輸出波形

圖10 真實(shí)電子標(biāo)簽功率檢波器輸出信號(hào)

2.6 檢測(cè)通道數(shù)據(jù)分析

電路使用LTM455BW作為晶體濾波器，能夠獲取多個(gè)峰值，因此不會(huì)遺漏信號(hào)。使用信號(hào)源分別模擬本振信號(hào)(8.655MHz)和電子標(biāo)簽(8.2MHz)的檢波波形，圖9晶體檢波輸出波形：

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)大量數(shù)據(jù)和波形分步驗(yàn)證超外差原理的可行性，分析得出超外差技術(shù)能夠完成整個(gè)檢測(cè)通道工作任務(wù)。驗(yàn)證實(shí)際工作特性使用一個(gè)真實(shí)的電子標(biāo)簽測(cè)試，收集數(shù)據(jù)進(jìn)一步提供該方案的可行性依據(jù)。

首先，將外置24V直流開(kāi)關(guān)電源打開(kāi)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電。然后，將一個(gè)硬標(biāo)簽放在檢測(cè)的檢測(cè)范圍內(nèi)，由遠(yuǎn)及近逐漸靠近檢測(cè)器。最后選取一個(gè)具有代表性的距離(90cm)，采集檢波器輸出的波形。使用示波器觀測(cè)功率檢波器(LT5507)輸出信號(hào)，圖10真實(shí)電子標(biāo)簽功率檢波輸出信號(hào)波形，波形兩個(gè)較高(真實(shí)標(biāo)簽諧振點(diǎn)偏移)的波峰對(duì)應(yīng)檢測(cè)電子標(biāo)簽諧振信號(hào)。

可得出不在電子標(biāo)簽諧振頻點(diǎn)時(shí)，檢波器輸出的信號(hào)同樣存在峰值的波動(dòng)，將該信號(hào)稱(chēng)為基底噪聲。通過(guò)對(duì)比測(cè)試關(guān)斷檢測(cè)通道與天線連接和打開(kāi)連接兩種狀態(tài)，檢測(cè)基底噪聲是否繼續(xù)存在。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)基于超外差原理的EAS系統(tǒng)，靈活的將超外差原理運(yùn)用到檢測(cè)通道中。下混頻技術(shù)的使用，能夠有效降低高頻噪聲的介入。較市面中其他的射頻EAS檢測(cè)系統(tǒng)而言，具有性?xún)r(jià)比更高、檢測(cè)距離更遠(yuǎn)、使用更穩(wěn)定、誤報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)。