基于超外差原理EAS检测电路设计与实现①

(徽商职业学院电子信息系，安徽 合肥 231201)

0 引 言

EAS系统根据工作原理分为四种：声磁EAS、射频EAS、微波EAS和电磁EAS。射频EAS系统和声磁EAS系统采用比较多,但还存在着一些问题，诸如：①检测灵敏度低；②抗干扰能力差；③误报率高等。设计基于超外差原理的EAS检测器不仅在工作原理和运行机制进行创新提高检测距离和灵敏度，同时在CPU外围增加时序同步芯片，可以实现多台检测器的工作同步，能够有效防止多台检测设备同时工作时产生干扰。

1 超外差原理EAS检测器方案分析

超外差技术因本振频率和信号频率不一致，两者之间将会上变频(或者下变频)成一个中频信号(IF)；设计的中频(IF)信号的频率选用455kHz，扫频信号在7.7MHz～8.7MHz，能够有效的抑制镜频干扰；同时设置455kHz5%晶体滤波器，能够有效避免本振泄露造成的误触发的发生。设计的电路包括三个部分：发射电路、接收通道和数字信号处理模块及外围电路[1]。发射电路信号源与接收通道的本振信号源均是由DDS产生。系统框图如图1所示：

发射电路主要由信号发生器、功率控制电路、射频放大器及阻抗匹配网络组成。信号发生器选用可编程功能的DDS(AD9834)集成芯片，电子标签中心频率存在±5%离散误差，因此扫频带宽在7.7MHz～8.7MHz。接收通道选用带宽是30kHz晶体滤波器，需设置32个扫频点均分1MHz带宽中，使用频率4kHz调制信号对信号进行调制。同步信号以32个频点作为一个发射周期，频率62.5Hz占空比50%的方波。使其多台检测器同发同收，避免多台机器工作不同步，产生互扰。

图1 超外差技术EAS检测器系统架构

2 硬件电路设计及数据分析

2.1 线圈模型选择及信号发生电路

射频EAS检测器需要对外发射扫频信号，用该信号激励处于检测空间区域内的电子标签，然后通过接收电子标签的谐振信号进行识别和判断空间中是否存在电子标签[2]。采用收发一体式检测线圈即单线圈监测模型。

使用单一线圈实现收发一体式工作机制，对扫频信号频率精确度和波形完整性的要求更高,该系统需要使用两个DDS芯片提供信号源，一个是作为射频信号的发射源，另一个作为混频信号的本振源，输出455kHz中频信号。

2.2 DDS发射电路设计

信号发生电路使用两个DDS芯片产生发射信号和本振信号，由于本振信号逻辑时序较为单一，将重点阐述发射电路中使用的DDS产生扫频信号流程及实现过程[3]。图2为发射电路DDS信号的流程框图。

图2 发射电路流程框图

发射电路采用两个线圈作为发射天线分别是CH1和CH2，每个通道又分成A、B两路互反信号，使用比较器LM339D将该信号转化为方波信号，送入高速双通道N-MOSFET驱动器(LT1693-1)，放大后为发射提供较大的能量。选用CPU产生信号配合进行工作，通道1与通道2是交替工作，均包含32个频点；每个通道中A、B两路信号除了反向以外，其余特性均相同。

2.3 DDS前端滤波和功率放大电路设计

AD9834由于其内部结构导致扫频输出信号存在丰富的高频噪声，采用五阶巴特沃斯带通滤波器对该信号进行滤波降噪处理[4]。选用自带低通滤波功能LTC6600-10芯片对滤波后的信号进一步放大处理，传递至功率放大器。根据平衡原则，接地端输入引脚与地之间串联同样的阻值，实现5倍信号放大，将600mV信号放大至3.1V左右。

图3 一组扫频点

图3为一组放大后扫频频点，经过前级电路进行滤波放大达到设计要求；图4为其中一点的波形，信号放大满足理论分析要求。

图4 单点波形

功率放大电路采用凌力尔特(Linear)公司LTC1693-1芯片，将信号转换电路的CH1-A和CH1-B(或CH2-A和CH2-B)连接到芯片的输入端。驱动输出电压的最大幅值与芯片的供电电压一致(12V)，将方波输出信号放大到12V，电路原理图如图5所示。

图5 第一级功率放大电路

经过T1变压器，将A、B两路进行分时操作耦合到下一级，下一级电路对信号再次放大，升压到300V。LT1693-1输出波形见图6所示。

图6 LT1693-1 输出波形

图7 D1正向端电压

第一级功率放大电路对两路信号同时放大，芯片5管脚和7管脚输出的8.2MHz方波信号，输出的方波信号是相反方向。LT1693-1输出的峰峰值12V信号，作为控制信号控制高频率DC-DC转换器(Q1、Q2)的触发信号，每个通道中的信号是相互反向，能够使得Q1导通时，Q2关闭。由于LT1693-1输出信号是一个方波信号，占空比50%，该信号能够使得Q1、Q2导通。在该器件上级连接有二极管，二极管正向端连接24V电压，因此导通后该信号基准电压被抬高到24V，图7是D1(或D2)正向端信号波形。

2.4 接收端高频信号放大电路设计

设计采用收发一体式单线圈，使用高速电子模拟开关(ADG734)作为接收与接收标签信号进入检测通道的闸门，选用低噪声放大芯片AD8132。通过调整外围电阻值设置目标增益；其独特的内部反馈特性，能够在10MHz时提供与-68dB的输出增益和相位匹配平衡，能够抑制共模噪声及干扰，将动态范围提高两倍，并且通过平衡信号提高总体性能[5]。

2.5 混频电路设计

混频电路设计选用LT5560芯片作为下混频芯片，采用一个单端LO电源来驱动，仅需-2dBm的LO功率。设计的最大优点是能使LO到输出泄露完全，同时良好的隔离能够将LO与IN之间没有信号串扰发生。电路如图8所示。

数据分析如下：

输出端：输出端连接晶体滤波器，因此需要将LT5560双端输出差分信号变换为单端信号。使用上拉电阻R6和R7在集电极开路IF输出上使用。运算放大器提供了增益的同时并把混频器差分输出转换至单端，在LT6203上的两端的反馈电阻是R8与R9，根据运放电压计算公式：

(1)

式(1)计算电路的增益为5dBm；在LT6203输出端有一个RC简易滤波电路构成，选用值为：R12=51。混频器的输入端，采用变压器提供混频器的输入信号，不但能将前级电路与混频器内阻进行阻抗匹配，同时还能够将保持差分信号特性，为混频器提供一个分别率较高的信源。

图8 混频电路原理图

本振输入是采用平衡原则，LO-与LO+均是采用10nF电容进行隔离，能够再次滤除DDS产生本振信号中带有的高频成分，防止外界无用信号串入引起镜像干扰。

图9 晶体检波输出波形

图10 真实电子标签功率检波器输出信号

2.6 检测通道数据分析

电路使用LTM455BW作为晶体滤波器，能够获取多个峰值，因此不会遗漏信号。使用信号源分别模拟本振信号(8.655MHz)和电子标签(8.2MHz)的检波波形，图9晶体检波输出波形：

3 实验数据分析

通过大量数据和波形分步验证超外差原理的可行性，分析得出超外差技术能够完成整个检测通道工作任务。验证实际工作特性使用一个真实的电子标签测试，收集数据进一步提供该方案的可行性依据。

首先，将外置24V直流开关电源打开，对整个系统供电。然后，将一个硬标签放在检测的检测范围内，由远及近逐渐靠近检测器。最后选取一个具有代表性的距离(90cm)，采集检波器输出的波形。使用示波器观测功率检波器(LT5507)输出信号，图10真实电子标签功率检波输出信号波形，波形两个较高(真实标签谐振点偏移)的波峰对应检测电子标签谐振信号。

可得出不在电子标签谐振频点时，检波器输出的信号同样存在峰值的波动，将该信号称为基底噪声。通过对比测试关断检测通道与天线连接和打开连接两种状态，检测基底噪声是否继续存在。

4 结 论

设计基于超外差原理的EAS系统，灵活的将超外差原理运用到检测通道中。下混频技术的使用，能够有效降低高频噪声的介入。较市面中其他的射频EAS检测系统而言，具有性价比更高、检测距离更远、使用更稳定、误报率低等优点。