[VadymEngineer 0]

Доброго времени суток.

Некоторое время назад занимался разработкой и интеграцией считывателя 125 кГц карт в СКУД. Сделав реверс-инжиниринг некоторых готовых устройств, потрепавшись на форумах и посмотрев на готовые схемы различных умельцев моя больная фантазия родила что-то такое:

Катушка L1(антенна) и конденсатор C1 создают колебательный контур на который из усилителя на Q2 Q1 подаётся несущая 125 кГц (меандр с выхода МК). R3 C2 и D1 - простейший детектор АМ - сигнала. X1 и X2 - ОУ LM324. На X1 собрано какое-то подобие неинвертирующего усилителя (на инв. вход подаётся сигнал с C4 пропущеный через фильтр нижних частот R6 C5, а на неинвертирующий - неотфильтрованый сигнал с C4, на выходе получаем усиленную разность сигналов). На X2 собран формирователь импульсов на чём-то вроде триггера Шмидта. Опять-таки гистерезис задаётся относительно сигнала полученого с ФНЧ R9 C6. Все эти извраты нужны были для того, чтобы обеспечить более-менее стабильное функционирование устройства, так как по шине питания проходило много низкочастотных помех, которые мешали декодированию карт, смешиваясь с выходным сигналом. Сигнал с выхода m_out поступает на МК для декодирования.

Сейчас предстоит разработка новой версии устройства. Кроме считывателя EM-Marin там будут также присутствовать считыватель Mifare(PN532) и NFC-тэг(RF430CL330) для работы со смартфонами. Причём расположение антенн будет приблизительно такое:

Поскольку все антенны расположены очень плотно, то включаться они будут по очереди, отсюда вопрос для знатоков номер раз:

Как определить наличие карты EM-Marin в поле считывателя ещё до того, как она "накачалась" энергией и начала отдавать код? Моя идея-фикс - при включении несущей отслеживать с помощью АЦП, как быстро нарастает амплитуда напряжения в колебательном контуре. Если нарастает медленно - значит есть карта в поле считывателя.

Также есть ряд вопросов по улучшению схемотехники текущего решения:

1. Каким образом производится рассчёт детектора D1-R3-C2-C4 и его согласование с последующими каскадами?
2. Возможно имеет смысл пустить оба ОУ на фильтр и усилитель, а формирователь импульсов вынести на отдельную МС типа 74AHC1G14? Если так, то какую АЧХ я должен получить этими фильтрами?
3. Имеет ли смысл заменять ОУ LM324 на ОУ с лучшими параметрами (Rail-to-rail, меньше напряжение смещения, выше коэффициенты ослабления сигнала по синфазному напряжению и питанию) или же это не даст значительного эффекта?
4. В режиме энергосбережения нужно отключать ОУ, нормальное ли решение использовать линейный регулятор с опцией shutdown чтобы отдельно питать от него ОУ и колебательный контур, или же есть решение попроще?

Почитав AN680 от Microchip набрёл там на такую схему (привожу фрагмент):

Что там делают D7 и D8? Какое-то ограничение по амплитуде? Нужно ли мне добавлять аналогичную защиту?

Прокомментируйте пожалуйста триггер на U5, конкретно интересует цепочка R20-R25-C17.

Буду рад любой критике и комментариям.

 

[Redcrusader 0]

...

Буду рад любой критике и комментариям.

Дополнительные антенны внутри антенны 125 кГц будут влиять на параметры.

Чем больше внесенные антенны, тем сильнее. Это как медный болт (или феррит) внутри катушки индуктивности.

Т.е. антенна на 125 кГц должна быть рассчитана на это влияние.

 

Детектор. Без "согласования". Чем больше нагрузка у детектора, тем лучше.

И убедитесь, что анод диода при приеме на постоянном токе замыкается на землю.

 

Да, D7 и D8 "делают" усилитель-ограничитель. При всяком приеме - полезно, если это не АМ гармоническим сигналом.

 

Если один элемент выполняет только одну функцию, то это хорошо. Если не "разогнать" схему до офигительных размеров. :-)

Нормально, на двойном ОУ - усилитель-фильтр. Отдельно компаратор.

АЧХ нужен такой, чтобы пропустить импульсы без снижения их амплитуды. Т.е. частота среза обратно пропорциональна длительности импульсов. Или немного больше.

 

ОУ LM324. Не думаю, что здесь надо "изголяться" качественными и т.д. ОУ. Схема далека от прицензионной. И Rail-to-rail необходимо только при недостатке уровня питающего напряжения.

 

с опцией shutdown. Проще решений не бывает. Далее транзисторный ключ, реле, тумблер, рубильник и т.д. :-)

 

триггер на U5. Что-то я не вижу там триггера. Опора на инверсном входе "нулевая" (напряжение смещения), хотя там и 5 вольт.

У триггера, худо-бедно, должна быть опора отличная от 0 или Uп. На неинверсном входе этого "триггера" будет напряжение смещения первых ОУ умноженное на их коэффициент усиления.

Это что-то другое. Не видно дальнейших связей по схеме. М.б. они дали более ясную картину.

 

 

[Ural 0]

Что там делают D7 и D8? Какое-то ограничение по амплитуде? Нужно ли мне добавлять аналогичную защиту?

Прокомментируйте пожалуйста триггер на U5, конкретно интересует цепочка R20-R25-C17.

Буду рад любой критике и комментариям.

 

D7 и D8 защищают возможный пробой входов усилителя U5. В реальности для приведенных параметров катушки L2 и конденсатора C14 1.62mH и 1000pF реактивное сопротивление составит примерно 1,2 кОм.

Сопротивление защитного резистора R8 (R10) 10 Ом, да еще омическое сопротивление катушки примерно 10 Ом дадут в сумме добротность контура 60. Получается, что амплитуда частоты 125 кГц в точке соединения L2, C14 составит 60*(5...6)=300...360 вольт.

У меня на столе сейчас - катушка индуктивностью 1,62 мГн, конденсатор емкостью 1000 пФ, сопротивление катушки 6 Ом да защитный резистор 10 Ом - измеренная амплитуда 300 вольт. Без защитного резистора - 400 вольт.

При этих параметрах и диаметре катушки 75 мм уверенная дальность определения кода карточки - 100 мм.

Я еще удивляюсь, почему на схемах AN680 использованы рабочие напряжения конденсаторов 200V, хотя должны быть не менее 630V. Ведь не все же считыватели работают ненастроенными в резонанс, при допуске емкости 10% (как в схеме) обязательно в каком-нибудь случае напряжение в контуре достигнет 400 вольт.

 

Триггер, подобный указанному на U5, Вы и сами в своей схеме используете на X2. Только у Вас опорная точка плавающая, а в схеме Microchip эта опора примерно половина питания - 5 вольт от 9 вольт.

 

[VadymEngineer 0]

И убедитесь, что анод диода при приеме на постоянном токе замыкается на землю.

Не совсем понимаю, что вы имеете ввиду и как это сделать. Буду благодарен за более подробное пояснение.

 

[Redcrusader 0]

Не совсем понимаю, что вы имеете ввиду и как это сделать...

Чтобы работал диод (детектор) надо, чтобы его анод и катод были замкнуты между собой. Тогда через диод будет протекать постоянный ток (ведь, диод из переменного тока делает постоянный ток).

Обычно их замыкают через общий потенциал (земля).

В вашей схеме катод диода замкнут на землю через резистор 1 МОм.

А анод может замыкаться на землю только тогда, когда открыт Q1. Т.е. надо убедиться, что в режиме приема Q1 открыт.

Обычно, анод диода замыкают на землю дополнительным резистором (параллельно С1) который не шунтирует другие цепи (типа L1C1), чтобы сильно не заморачиваться.

[VadymEngineer 0]

А анод может замыкаться на землю только тогда, когда открыт Q1.

Анод диода может замыкаться на источник питания через транзистор в верхнем плече. При этом на его аноде оказывается напряжение в источника питания + напряжение на катушке индуктивности. Это проиллюстрировано на следующем графике.

На нижнем графике - ток через диод. На верхнем зелёным показазано напряжение на выходе усилителя тока, розовым - падение напряжения на индуктивности, синим - напряжение на аноде диода. Как видим ток протекает в моменты времени, когда транзистор в верхнем плече ещё открыт(передний фронт импульса тока на графике снизу), и когда происходит переключение транзисторов (задний фронт импульса тока на графике снизу и "сосочки" на розовом графике). А вот и схема с которой все снималось:

Новая ревизия пока что выглядит так, трансформатор X3 и всё около него - симуляция карточки (по симуляции Microcap-a и результату в осциллографе вижу что довольно удачное приближение). Операционник - MCP6002. АЧХ учаска цепи после диода D1 и до выхода ОУ выглядит как-то так:

Спаял на "дырочной плате" макет, решил потыкаться осциллографом. Вижу на выходе шумы:

Что смущает (слева направо):

1. Значительное количество низкочастотного шума.

2. Шум с частотой 5.3 кГц (исчезает после выключения несущей 125 кгц с баз транзисторов).

3. Шум с частотой 31 кГц (не зависит от подачи несущей, исчезает только при выключении питания).

 

Вот думаю, откуда берётся и как это побороть. Если б не эти шумы, то можно было бы поднять коэффициент усиления и, не наращивания мощности в колебательном контуре, читать карту с ещё большего расстояния. Может фильтр какой поставить - ещё один операционник в корпусе то не занят.

Изменено 16 ноября, 2017 пользователем VadymEngineer

[Redcrusader 0]

Анод диода может замыкаться на источник питания через транзистор в верхнем плече.

...

А вот и схема с которой все снималось:

 

Новая ревизия пока что выглядит так, трансформатор X3 и всё около него - симуляция карточки

 

Что смущает (слева направо):

1. Значительное количество низкочастотного шума.

2. Шум с частотой 5.3 кГц (исчезает после выключения несущей 125 кгц с баз транзисторов).

3. Шум с частотой 31 кГц (не зависит от подачи несущей, исчезает только при выключении питания).

 

Вот думаю, откуда берётся и как это побороть. Если б не эти шумы, то можно было бы поднять коэффициент усиления и, не наращивания мощности в колебательном контуре, читать карту с ещё большего расстояния. Может фильтр какой поставить - ещё один операционник в корпусе то не занят.

Конечно, да! Но, это в режиме "передача", а работа диода вас должна интересовать в режиме приема.

Мне кажется, что у вас неправильно смоделирована работа карточки. Длительность импульсов карточки должна быть много больше периода несущей частоты (125 кГц).

Т.е. вы должны наблюдать не несущую частоту, а импульсы модулированные несущей частотой.

 

По симуляции карточки.

Наверное, трансформатор Х3 лучше поставить не параллельно катушке L1, а одна из обмоток трансформатора должна быть идентична катушке L1 (600 мкГн).

Хотя, при трансформаторе связь карточка-приемник почти 100%, что не совсем будет соответствовать реалу. М.б. лучше сделать емкостную связь?

 

АЧХ после ОУ должно "согласовываться" с частотой модуляции (длительность информационных импульсов).

 

Мне сложно что-то сказать по данным "осциллографа", т.к. вижу спектр сигнала, а не осциллограмму. И не понятна размерность по оси Y.

Или я в чем-то ошибаюсь.

А по амплитуде "шумов" могу сказать, что они еще достаточно маленькие (5,31 кГц 7,7 дБмВ => около 2 мВ), чтобы бояться поднимать усиление.

Такое впечатление, что вы видите спектр несущей частоты наводимый на щуп "осциллографа". Там есть несущая, гармоники и субгармоники (30,34 кГц). Субгармоники рождаются сами или получаются за счет FFT. См. максимальный "шум" примерно на 125 кГц, остальные "палки" кратны этой частоте, если умножать или делить на целое число.

 

У вас там ФНЧ R23C8, который должен давить несущую частоту. И ФВЧ C10R92C9, который должен убрать "постоянку" появляющуюся на диоде, когда открыт транзистор в верхнем плече.

 

 

[VadymEngineer 0]

Мне кажется, что у вас неправильно смоделирована работа карточки. Длительность импульсов карточки должна быть много больше периода несущей частоты (125 кГц).

Т.е. вы должны наблюдать не несущую частоту, а импульсы модулированные несущей частотой.

 

По симуляции карточки.

Наверное, трансформатор Х3 лучше поставить не параллельно катушке L1, а одна из обмоток трансформатора должна быть идентична катушке L1 (600 мкГн).

Хотя, при трансформаторе связь карточка-приемник почти 100%, что не совсем будет соответствовать реалу. М.б. лучше сделать емкостную связь?

В микрокапе я нашёл только модель "идеальный трансформатор" и как вы понимаете, индуктивности обмоток там нет.

Импульсов модулированных несущей нет в предыдущем посте. Вот они - одна пара графиков из экрана осциллографа, другая - из симуляции микрокапа, отдельный график - напряжение на резисторе R92. Остальные - несущая (её кусочек) и напряжение на катоде диода (только из графика симуляции).

Мне сложно что-то сказать по данным "осциллографа", т.к. вижу спектр сигнала, а не осциллограмму. И не понятна размерность по оси Y.

Или я в чем-то ошибаюсь.

А по амплитуде "шумов" могу сказать, что они еще достаточно маленькие (5,31 кГц 7,7 дБмВ => около 2 мВ), чтобы бояться поднимать усиление.

Такое впечатление, что вы видите спектр несущей частоты наводимый на щуп "осциллографа". Там есть несущая, гармоники и субгармоники (30,34 кГц). Субгармоники рождаются сами или получаются за счет FFT. См. максимальный "шум" примерно на 125 кГц, остальные "палки" кратны этой частоте, если умножать или делить на целое число.

Шумы в основном проходили по питанию (длинные провода от ЛБП + крокодилы) и от проводов DDS, которыми я подавал несущую (в выключеном состоянии выход переходил в режим высокого сопротивления и провода ловили наводки). Поставил линейный стабилизатор + конденсаторы на макет, вроде стало получше. Масштаб - 50дБмВ в клетке.

У вас там ФНЧ R23C8, который должен давить несущую частоту. И ФВЧ C10R92C9, который должен убрать "постоянку" появляющуюся на диоде, когда открыт транзистор в верхнем плече.

Это мне как разработчику понятно.

Конечно, да! Но, это в режиме "передача", а работа диода вас должна интересовать в режиме приема.

А вот это - хоть убейте не пойму. Когда я замыкаю "верхний край" катушки на землю, то выходит что между землёй и анодом диода включены 2 источника ЭДС: катушка со своим противо-эдс и заряженный конденсатор. Зачем там шунт? Попробовал поставить в микрокапе шунтирующий резистор, каких-либо сильных изменений не заметил.

 

[Redcrusader 0]

...

А вот это - хоть убейте не пойму. Когда я замыкаю "верхний край" катушки на землю, то выходит что между землёй и анодом диода включены 2 источника ЭДС: катушка со своим противо-эдс и заряженный конденсатор. Зачем там шунт? Попробовал поставить в микрокапе шунтирующий резистор, каких-либо сильных изменений не заметил.

Я на шунте не настаивал.

:-)

Просто, если у вас будет выключена передача (непонятное состояние транзисторов передатчика), что может быть при эксперементе.

То детектор-приемник работать не будет.

И, там не 2-а источника ЭДС, а один. Называется резонансный колебательный контур LC.

 

Вообще, приемная часть схемы минимизирована или я что-то недопонимаю.

Я бы подключит диод к контуру через конденсатор, чтобы не "детектировать постоянку". Вот, тут-то и нужен резистор-шунт на анод диода.

Но, это два добавочных элемента.

...

Масштаб - 50дБмВ в клетке - это много, не наглядно. Лучше делать 10дБмВ в клетке.

И, не понятно - зачем вы "это" демонстрируете?

[VadymEngineer 0]

Просто, если у вас будет выключена передача (непонятное состояние транзисторов передатчика), что может быть при эксперементе.

То детектор-приемник работать не будет.

Без генерации несущей он и так не будет работать - передача от карты к приёмнику производится с помощью т.н. Load Modulation (хз как правильно перевести). Тоесть карта создаёт полезный сигнал с помощью как-бы изменения добротности контура передатчика (отсюда изменения амплитуды колебаний в контуре), если перевести транзисторы в "непонятное состояние" - несущая пропадёт и карта ничего не передаст.

Я бы подключит диод к контуру через конденсатор, чтобы не "детектировать постоянку". Вот, тут-то и нужен резистор-шунт на анод диода.

Но, это два добавочных элемента.

Вот теперь понял. Спасибо огромное. Не поставил кондёр из-за неопытности, незнания и т. д.

И, не понятно - зачем вы "это" демонстрируете?

Часто приходится решать схемотехнические задачи, хотя не совсем мой профиль деятельности (программист МК). В виду отсутствия более опытного наставника спрашиваю совета тут. Заодно стараюсь максимально показать свой ход мыслей при разработке. Если где-то туплю - так вы критиканствуйте, для этого сюда и написал.

Изменено 20 ноября, 2017 пользователем VadymEngineer