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互感和諧振電路應(yīng)用——RFID原理研究一、RFlD介紹RadioFrequencyIdentification,縮寫(xiě)RFID),無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù),射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到豐富和完善。單芯片電子標(biāo)簽、多電子標(biāo)簽識(shí)讀、無(wú)線(xiàn)可讀可寫(xiě)、無(wú)源電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離識(shí)別、 適應(yīng)高速移動(dòng)物體的射頻識(shí)別技術(shù)與產(chǎn)品正在成為現(xiàn)實(shí)并走向應(yīng)用。如下為 RFID技術(shù)的典型應(yīng)用:一卡通,公交卡,身份證,超市刷卡消費(fèi)等。一套完整的RFID系統(tǒng),是由閱讀器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用程序系統(tǒng)三個(gè)部分所組成,其工作原理是 Reader發(fā)射一個(gè)特定頻率的無(wú)線(xiàn)電波能量給Transponder,用以驅(qū)動(dòng) Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出,此時(shí)Reader便依序接收解讀數(shù)據(jù), 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。當(dāng)裝有無(wú)源RFID電子標(biāo)簽的物體接近讀寫(xiě)器時(shí),讀寫(xiě)器受控發(fā)出查詢(xún)信號(hào),RFID電子標(biāo)簽收到此查詢(xún)信號(hào)后,將此信號(hào)與標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息結(jié)合后反射回讀寫(xiě)器。反射回的合成信號(hào),已攜帶有RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息。讀寫(xiě)器接收到RFID電子標(biāo)簽反射回的合成信號(hào)后,經(jīng)讀寫(xiě)器內(nèi)部微處理器處理后即可將RFID電子標(biāo)簽儲(chǔ)存的信息讀取出來(lái)。二、原理分析串聯(lián)諧振電路:對(duì)如圖(1)的RLC串聯(lián)組合,其阻抗為,的電抗成分X與ω有關(guān),當(dāng)外加的信號(hào)頻率使得電抗X=0,稱(chēng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振,使電路產(chǎn)生諧振的頻率稱(chēng)為諧振頻率。其中諧振頻率為。串聯(lián)諧振可以產(chǎn)生很高的正弦電壓。圖(1)并聯(lián)諧振電路:對(duì)如圖(2)的RLC并聯(lián)組合,其導(dǎo)納為,可以推導(dǎo)出,當(dāng) 時(shí),導(dǎo)納虛部B=0,Y=G為純電阻,稱(chēng)在此頻率下電路發(fā)生并聯(lián)諧振,成為并聯(lián)諧振頻率。并聯(lián)諧振可以產(chǎn)生高電流。1圖(2)三、課題介紹用非接觸方法進(jìn)行身份識(shí)別的技術(shù)稱(chēng)為射頻識(shí)別技術(shù)(RFID-RadioFrequencyIdentification ),廣泛用于電子門(mén)禁、身份識(shí)別、貨物識(shí)別、動(dòng)物識(shí)別、電子車(chē)票等場(chǎng)合。 RFID系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、讀寫(xiě)器和應(yīng)答器以及耦合器組成。應(yīng)答器存放被識(shí)別物體的有關(guān)信息,放置在要識(shí)別的移動(dòng)物體上。耦合器可以是天線(xiàn)或線(xiàn)圈。近距離的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用耦合線(xiàn)圈。圖(1)所示為為互感耦合RFID系統(tǒng)電路接口的等效電路?;ジ械某跫?jí)部分連接信息讀寫(xiě)器,它發(fā)出高頻信號(hào),在初級(jí)電感L1(發(fā)送線(xiàn)圈)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。次級(jí)電路是應(yīng)答器的接收等效電路,L2是應(yīng)答器的接收線(xiàn)圈。當(dāng)應(yīng)答器靠近讀寫(xiě)器時(shí),線(xiàn)圈之間發(fā)生互感,應(yīng)答器從接收線(xiàn)圈上獲得微弱能量(這部分電路沒(méi)有畫(huà)出)控制電子開(kāi)關(guān) S動(dòng)作發(fā)出特定的ID信息。2圖(1)電路初級(jí)和次級(jí)均諧振于 vs的頻率=125kHz。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí),次級(jí)回路失諧,影響到初級(jí)回路也失諧。初級(jí)回路諧振時(shí),電容 C1上有高電壓;失諧時(shí),電容電壓 vc顯著下降。當(dāng)開(kāi)關(guān)S受到控制信號(hào)電壓的變化而閉合或斷開(kāi)時(shí), vc幅度跟著變化。因此,次級(jí)負(fù)載變化引起初級(jí)電容電壓幅度被調(diào)制, 稱(chēng)為負(fù)載調(diào)制,由此實(shí)現(xiàn)信號(hào)從次級(jí)到初級(jí)的傳遞。讀寫(xiě)器檢測(cè)電容 C1上電壓幅度變化得到應(yīng)答器的ID信息。讀寫(xiě)器檢測(cè)電容C1上電壓幅度變化得到應(yīng)答器的ID信息。1、給定電路參數(shù) L1=L2=1.35mH,C1=C2=1.2nF,耦合系數(shù) k=0.3,R1
MvsL1L2R2SC2vC C1R1=40W,R2=5kW,vs幅度為5V,頻率為125kHz的正弦波,用相量法分析當(dāng)S斷開(kāi)和閉合時(shí),電容C1上的電壓vc。1)當(dāng)S斷開(kāi)時(shí):次級(jí)回路阻抗:3Z2jL21jL2R2R2(1jR2C2)11jR2C2jL22jC21(R2C2)R2R2jjR22C21(R2C2)2L21(R2C2)2當(dāng)諧振時(shí),Z2為純阻:R22C2L2 1 ( R2C2)2對(duì)于給定元件參數(shù),因此,1786103rad/s2125kHL2C2在125kHz下,Z2反映到初級(jí)的阻抗為純阻:Z1r()2/(R2)k2L1L2[1(R2C2)2]k2L1L2(R2C2)2M1(R2C2)2R2R2由:L1L2,C1C2,21L2C2有:Z1rk2L2C2R20.729109I1VsmVsm50.125AR1Z1rR140(2)當(dāng)S閉合時(shí):次級(jí)回路阻抗:Z2jL2Z2反映到初級(jí)的阻抗:Z1r(M)2jM2jk2L1jL2L24初級(jí)的總阻抗:Z1rk2L2C2R20.729109此時(shí)初級(jí)電容上電壓:用EWB的頻率掃描分析,測(cè)量頻率從10kHz到1MHz變化時(shí),C1和C2上電壓幅度的變化情況。電路如圖(3)所示:VC1mVsm1jk2L151.122.7(V)R1jC圖(3)進(jìn)行掃頻分析時(shí),掃頻類(lèi)型為十進(jìn)制,縱坐標(biāo)為線(xiàn)性( Linear),其電壓幅度如圖(4)為仿真后的結(jié)果:(紅色為節(jié)點(diǎn)4,綠色為節(jié)點(diǎn)5)5圖(4)用EWB進(jìn)行仿真。S采用電壓控制開(kāi)關(guān),控制電壓Vm為1kHz方波,觀察C1上電壓波形。電路如圖(5)所示:圖(5)示波器顯示如圖(6):6圖(6)擴(kuò)展:設(shè)計(jì)一種電路,檢測(cè)出Vc幅度變化,得到與控制電壓vm相同的波形。(提示:可采用二極管整流電路)。電路如圖(7)所示,用1MΩ的電阻分壓,利用運(yùn)算放大器和二級(jí)管進(jìn)行檢波。示波器A、B輸入分別接在二極管的兩端:圖(7)電壓波形如圖(8)所示:7圖(8)發(fā)現(xiàn):通過(guò)示波器的顯示表明,二極管改變了原有的波形,在經(jīng)過(guò)二極管之后,濾去了下半部分的波。四、總結(jié)與感想我們小組在此次電路分析課程的研討中選擇了互感和諧振電路應(yīng)用—RFID原理研究的課題,是因?yàn)樵诳戳速Y料之后覺(jué)得這個(gè)技術(shù)在日常生活中應(yīng)用非常廣泛,我們?nèi)粘W钇毡榈囊豢ㄍ?、公交卡、超市刷卡消費(fèi)等都是以這個(gè)原理設(shè)計(jì)制作的,了解這個(gè)實(shí)用的技術(shù)對(duì)我們的學(xué)習(xí)與生活都是比較有意義的。在完成此次研討的過(guò)程中,我們遇到了許多的問(wèn)題,從開(kāi)始的零起點(diǎn),慢慢地通過(guò)自己的努力,通過(guò)查閱不同的書(shū)籍,參考各式的資料,以及詢(xún)問(wèn)老師與同學(xué),弄清了課題的基本原理,也掌握了 EWB軟件的基本應(yīng)用,最終順利地把研討作業(yè)完成了。首先,在初次接觸Multisim時(shí),由于是全英文版的,用起來(lái)特別地不方便,我們通過(guò)摸索找到了Multisim的漢化工具,這個(gè)漢化包的發(fā)現(xiàn)將對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)發(fā)揮重要作用。其次,我們?cè)谠?shù)設(shè)置上遇到了一些問(wèn)題,前期由于參數(shù)設(shè)置得不合理,導(dǎo)致最后出來(lái)的圖像不是特別標(biāo)準(zhǔn),并且找不到問(wèn)題的所在,這個(gè)過(guò)程中有過(guò)失落和無(wú)力感,不過(guò)我們堅(jiān)持不懈,不肯放棄,通過(guò)仔細(xì)地學(xué)習(xí)課本內(nèi)容,查閱圖書(shū)館的相關(guān)書(shū)籍以及與老師進(jìn)行交流學(xué)習(xí),最后學(xué)會(huì)設(shè)置元件8的參數(shù),得出最后的圖像。在這個(gè)過(guò)程中,我們不僅僅是學(xué)到了相關(guān)軟件的應(yīng)用,掌握了EWB的具體操作技術(shù),同時(shí)更重要的是,我們體會(huì)到了做研討工作的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn),堅(jiān)持耐心的精神的必要性。這也是我們自
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