微距测量——巧用振荡器

背景知识

涡流，由一个变化的磁场跟金属体相交，或者移动的金属体跟磁场相交，从而在导体内部产生感应电流的现象。铁质金属体靠近电感后，由于铁的导磁性，会改变电感磁力线的分布，从而改变电感的感值。并且涡流会产生感应磁场，也会改变电感磁力线分布，改变电感值。由于导体内部的电阻，涡流会产生热量，所以涡流也会改变谐振电路的幅度。利用涡流的这个特点，开发出了涡流探伤仪，电磁炉，涡流焊机，涡流测距，涡流测速等等，多种电子仪器。

关键字：LC运放振荡器，整流滤波，涡流，正向放大器，调零

方案分析

使用运放构成LC振荡器，外部的可移动铁片可以调节距离电感L的远近。这样振荡器的正弦波幅度会由于涡流改变而发生改变。将振荡器的正弦波经过二极管整流滤波转换为直流。直流经过调零和放大后送给电压表头（万用表用的电压档），定标调节放大器的增益就可以用电压来表示测试的微小距离。

实物图

下面分步来分析每一级电路。

LC的谐振特性

使用硬木课堂bode图（扫频仪）功能时的连接方法。HSS信号源提供扫频信号，AIN1接输入，AIN2接输出。

Bode图配置。起始频率10KHz，终止频率100KHz。每十倍频程选20点。信号幅度500mVpp。点击绿色箭头，开始扫频。可以看到LC有一个谐振频点，在这个频点，输出比输入达到最大。由于单独测试LC谐振时的寄生参数跟将LC接入运放电路的寄生参数有差别，所以这个谐振频点会有变化。但是大致是在这个频点附近。

LC运放振荡器

运放电路从A点进入是反向放大器，从B点进入是正向放大器。运放的输出作为LC的激励。所以第一个问题是LC的输出接A还是接B？

运放振荡器需要交流通路是正反馈，直流通路是负反馈。这样交流可以起振，并且直流不会偏到电源轨。如果Out接A点，B点接GND，这时直流是负反馈。如果out接B点，A点接GND，则直流是正反馈，运放输出会偏到电源轨。所以out应该接A点，B点接GND。

用示波器双综观察振荡信号的相位差，并且使用XY模式画图。点击示波器上的“水平”按钮，左下角选择“XY模式”。可以看到两个信号不是反向放大器的180度相位差，而是132度相位差。这样运放就不再是工作在深负反馈状态。由于LC的相位延时，加入了正反馈，发生振荡。

单次捕获观察起振

设置触发源为CH1，触发位置为2。去掉LC中的一个电容，然后点击“单次捕获”。示波器开始等待触发信号。然后插上这个电容，信号开始出现，达到触发电平后被抓取一屏。

整流滤波

选用1N60二极管来进行整流。将振荡器的输出转换为直流。用HSS发测试信号，示波器双综观察整流滤波的效果。

频率低的时候，高频没有完成滤除，AIN2是直流叠加高频波动。

高频时，滤波效果很好，直流稳定。

调零和增益分析

将整流滤波跟振荡器连接起来。就可以测试铁片距离变化产生的直流变化。国标3mm的螺丝，转一圈是移动0.5mm（500um）。旋柄带动螺丝进而带动铁片移动。在铁片上画上刻度，可以区别1/8圈。

先看一下刻度0时的直流，和刻度1圈时的直流。这时用到硬木课堂的万用表功能。万用表COM接GND，V端接整流滤波的输出。

0刻度时

转1圈时

可以看到，0刻度时的基础DC是1.4V，调零就是要把这个基础DC调节为接近0V。并且，1圈和0刻度时的电压差是0.2V，电压表的显示5V对应0.5mm，所以需要25倍增益将0.2V放大到5V。

根据上面分析，设计最后一级放大器时，P1需要调节为48KΩ，才可以得到25倍放大。S1需要设置的DC要满足 DC* 24 = 1.4*25，DC=1.458V。设置好这两个初始值，然后再细调。

设置好P1电位器的48KΩ

调零过程
初始值的DC输出

细调后的DC输出

增益定标

旋转1圈后进行增益定标。这样旋转1圈对应到5V。

P1电位器48KΩ时

细调P1使输出达到5V

联调测试

刻度举例

0刻度

1/8刻度

5/8刻度

测试表格

铁片圈数	移动距离 um	直流值 mV
0	0.00	-2
0.125	62.50	594
0.25	125.00	1230
0.375	187.50	1787
0.5	250.00	2425
0.625	312.50	3050
0.75	375.00	3579
0.875	437.50	4185
1	500.00	5005

将距离和直流值画出曲线

总结：简易的微距测量达到了不错的线性效果。通过这个电子制作，覆盖到了运放LC振荡器，二极管整流滤波，放大器，调零计算和增益计算。并且进行了整体的调零和定标。为后续的电子电路综合设计打下基础。