RFID实验.

RFID实验1RFID实验系统高频振荡器功率放大器解调（检波比较）解码电路（单片机）数码显示天线线圈整流电路稳压电路编码电路（单片机）调制电路天线线圈阅读器应答器高频振荡器功率放大器天线线圈天线线圈整流电路稳压滤波编码电路（单片机）调制电路解调（检波比较）电路解码电路（单片机）显示电路能量传送信息传送阅读器应答器RFID实验系统的工作过程是：接通阅读器电源后，高频振荡器产生13.56MHz方波信号，经功率放大器放大后输送到天线线圈，在阅读器的天线线圈周围会产生高频强电磁场。当应答器线圈靠近阅读器线圈时，一部分磁力线穿过应答器的天线线圈，通过电磁感应，在应答器的天线线圈上产生一个高频交流电压，该电压经过应答器的整流电路整流后再由稳压电路进行稳压输出直流电压作为应答器单片机的工作电源，实现能量传送。应答器单片机在通电之后进入正常工作状态，会不停的通过输出端口向外发送数字编码信号。单片机发送的有高低电平变化的数字编码信号到达开关电路后，开关电路由于输入信号高低电平的变化就会相应的在接通和关断两个状态进行改变。开关电路高低电平的变化会影响应答器电路的品质因素和复变阻抗的大小。通过这些应答器电路参数的改变，会反作用于阅读器天线的电压变化，实现ASK调制（负载调制）。在阅读器中，由检波电路将经过ASK调制的高频载波进行包络捡波，并将高频成分滤掉后将包络还原为应答器单片机所发送的数字编码信号送给阅读器上的解码单片机。解码单片机收到信号后控制与之相连的数码管显示电路将该应答器所传送的信息通过数码管显示出来，实现信息传送。RFID实验2通信电子线路实验部分2.1振荡器振荡器是用于产生周期性振荡信号的电路。对于振荡器的输出信号，应该由以下指标来衡量：一是频率，即频率的准确度与稳定度；二是振幅，即振幅的大小与稳定性；三是波形及波形的失真；四是输出功率，要求该振荡器能带动一定的负载。按照选频网络性质分为LC振荡器和RC振荡器。2.1.1电感三点式振荡器这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极(地)和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，称为电感反馈式振荡电路。（1）电感三点式振荡器电路振荡频率：考虑L1、L2间的互感，电路的振荡频率可近似表示为:(2-1)（2）电感三点式振荡器电路特点：工作频率范围为几百KHz～几MHz；反馈信号取自于L2，其对f0的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想。2.1.2电容三点式振荡器电容三点式振荡电路，又称考毕兹振荡电路。如图2-2所示。Q是三极管，其结构与电感三点式振荡电路相似,只是将电感、电容互换了位置。电容C1、C2和电感L构成正反馈选频网络，反馈信号取自电容C2两端，故称为电容三点式振荡电路，也称电容反馈式振荡电路。反馈信号与输入端电压同相，满足振荡的相位平衡条件，LC谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。计算公式如下：其中:电容三点式振荡器电路的特点是振荡频率可做得较高,一般可达到100MHz以上,由于C2对高次谐波阻抗小,使反馈电压中的高次谐波成分较小,因而振荡波形较好。另外当振荡频率较高时，C1,C2的值很小，三极管的级间电容就会对频率的产生影响。2.1.3晶体振荡器晶体振荡器是振荡频率受石英晶体控制的振荡器。晶体振荡器的特点是：（1）物理、化学性能非常稳定；（2）具有正压电效应和逆压电效应。石英晶体振荡器的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率，而且等效品质因数很高。只有频率等于晶体谐振频率的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。本实验系统采用的石英晶体与门电路构成的多谐振荡器。多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路接通电源后无需外触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲和方波。由于多谐振荡器的在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。与非门作为一个开关倒向器件，可用于构成各种脉冲波形的的产生电路。电路的基本工作原理是利用电容的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压VT时，门的输出状态即发生变化。因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。13.56MHz载波信号产生模块R21MΩ12UIAG113.56MHzC522PC6100P131214+5V7UIBU174HC04电路中选用了13.56MHz无源晶振,门电路采用74HC04六反相器,也可采用74H00四二输入与非门.74HC04的电源电压为5V,图所示为74HC04的芯片引脚图。1A11Y22A32Y43A53Y6GND714VCC136A126Y115A105Y94A84Y不带负载时振荡电路输出的电压峰峰值可达4～10V，在不添加任何中间电路的情况下很容易驱动末级功放。如果电路没有振荡，可以在C5上并联一个可调电容,调节可调电容使其振荡，用示波器可以看到稳定的方波信号。波形虽然不是标准的正弦波，但经过末级功放的选频网络可将波形还原成正弦波。2.2高频功率放大器高频功率放大器是为应答器提供能量的电路，因此是整个RFID系统最重要的部分。衡量功率放大器的指标有两个：一个是要求输出功率大；一个是要求集电极的耗散功率低，效率高。功率放大器按照电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。功率放大器电流导通角越小，放大器的效率越高。甲类功率放大器的，效率最高只能达到50%，适用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。非线性丙类功率放大器的电流导通角，效率可达到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1％或更小)，为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。本实验系统采用由高频晶体管C2655组成的丙类功率放大器。高频功率放大电路+12VT12N2655L1200μHC70.1μFC95~30PC1012PC80.1μFμL23.2μH6cm4TR375ΩRP2100Ω(1)基本关系式:当放大器的输入信号为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。式中，VC1m为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；IC1m为集电极基波电流振幅；R0为集电极回路的谐振阻抗。011RIVmcmc集电极输出功率为：电源VCC供给的直流功率为：式中，ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。放大器的效率为：COCCDIVPCOmcCCmcIIVV1121（2）负载特性：C（欠压）A（临界）B（过压）CABOOOθVCCωticicVCCVCCVCES图7-4谐振功放的负载特性谐振功率放大器的交流负载特性当放大器的电源电压＋VCC，基极偏压Vb，输入电压(或称激励电压)Vsm确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降VCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm。此时，集电极输出的功率PC和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。Rq所对应的值称为最佳负载电阻，用R0表示，即0202)(PVVRCESCC当Rq﹤R0时，放大器处于欠压状态，如C点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当Rq﹥R0时，放大器处于过压状态，如B点所示，集电极电压虽然比较大，但集电极电流波形有凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是：CEScmCCVVV（3）自给偏压电路：丙类功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。图中由R3和C8组成自给偏压电路,其中C8滤除交流信号,直流分量IEO在R3上产生一个上正下负的电压降,从而给功率放大管基极提供一个负偏压。减小R3的阻值可以减小负偏压,从而提高功率放大管发射极工作电流和输出信号幅度,但发射极工作电流过大会使三极管被击穿,应注意适当调整，使其工作在临界工作状态。（4）高频扼流圈：图中的高频扼流圈L1作为丙类功率放大器的集电极负载和电源接入电路，必须具有较大的高频阻抗和很小的直流电阻，才能保证丙类功率放大器有较高的有效直流电源电压和高频输出信号幅度。本实验系统中采用导磁率较高的NX-500镍锌铁氧体用线径0.4mm的漆包线绕制30～40圈，电感量为150～200μH。（5）输出谐振回路：为了不失真地放大信号，非线性丙类功率放大器的负载必须是LC谐振回路。图中的C9、C10与L2组成输出谐振回路，即选频回路。这里采用的是LC串联谐振回路。因为LC串联谐振回路谐振元件上的电压是输入电压的Q倍，采用LC串联谐振回路的目的，是为了在输出天线L2上得到较高的高频信号电压，以取得好的能量传输效果。在RFID系统中天线是传输能量和信息的一个关键环节。天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。RFID系统包括两类天线：阅读器天线和应答器天线。阅读器天线用于发射高频电磁波和接收应答器返回的数据信息，应答器天线用于接收阅读器天线发射的高频电磁波，并将磁场能转换为电能，为应答器芯片供电。RFID天线主要有线圈天线、微带贴片天线、偶极子天线3种基本形式。作用距离小于1m的近距离RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈天线。本实验系统中阅读器天线L2采用线径0.4mm的漆包线绕成直径6cm的环形空芯线圈，线圈圈数为4圈，电感量为3.2μH。根据谐振公式，由谐振频率f为13.56MHz和线圈电感值L2约为3.2μH，可计算出C9＋C10约为43pf。实验中可以通过调整半可调电容C9使输出回路达到谐振状态，使L2上的高频输出信号达到最大值。2.3信号耦合与应答器供电(1)信号耦合：根据射频耦合方式的不同，RFID系统的信号耦合方式分为电感耦合（磁耦合）方式和反向散射耦合（电磁场耦合）方式两大类。具有很小作用距离(典型值在lcm之内)的射频识别系统称之为紧耦合系统。为了正常工作，必须把这种系统的应答器插入阅读器中，或者是放置在一种事先规定的表面上。紧耦合系统不仅可采用电感式耦合，也可采用磁场式耦合。从理论上讲，它可以工作在从直流到30MHz范围内的任意频率上，这是因为应答器工作时不必发射电磁波。这种耦合方式能够提供较大的能量，甚至可以为耗电流较大的微处理器供电。紧耦合系统应用于安全性要求较高、但对作用距离要求不大的应用场合中，例如电子门锁系统或非接触式计数用的IC卡系统。具有写／读功能的、作用距离可达1m的系统称为遥控耦合系统。几乎所有的这种系统都是采用电感(磁)式耦合，目前，在市场上所提供的射频识别系统中至少有90％都属于电感(磁)耦合系统。作用距离大于lm的射频识别系统称之为远距离系统。所有远距离系统都是采用电磁波方式工作在超高频和微波范围内。这类系统根据其物理功能原理被称之为反向散射射频系统。还有一些工作在微波范围的远距离系统采用的是表面波应答器。在应答器和阅读器之间传输数据所需要的能量，是由阅读器所接收的电磁场来提供能量。当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，阅读器的电感线圈上会产生感应电压。当距离够近，应答器天线电路所获得的能量可以供应答器芯片正常工作时，应答器和阅读器才能进入信息交互阶段。电感耦合方式的射频载波频率（称为工作频率）为13.56MHz（波长λ为22.1m）和小于135KHz(波长λ为2400m)的频段。本实验系统采用13.56MHz电感耦合方式。因为使用频率范围内的波长比阅读器天线和应答器之间的距离大很多倍，所以应答器到天线的电磁场可以作为简单的交变磁场来对待，如图2－11所示。本实验系统的信号耦合电路由阅读器天线L2和应答器天线L4组成。