【刨根问底】电磁信号发生器咋又不好使了

aytc100

写在前面的话：本帖仅讨论技术原理，发泄情绪请另行开帖。本人保留删除不友善回帖的一切权利

继解决去年信号强度过大的问题之后，今年华北赛修改过后的电磁信号发生器又出问题了。问题表现为信号源输出不稳定，感应波形有毛刺，且无法做到基波恒定。当时简单测试的结果是跳动20%，偏差400%。要是拿这个去组织华北赛，怕是电磁组别要集体弃赛。所以在于卓老师进行紧急沟通之后，更换其他更稳定的电磁信号发生器（一共凑了四种）；并且为了弥补试车时信号发生器不太统一的缺陷，预赛和决赛各自组别的试车赛道和正式赛道串联驱动，保证电流一致。


回来把有问题的信号源交给卓老师，之后歇了几天，再联系客服关注一下问题进展，客服居然表示产品没问题？那既然如此，我就来找找问题。


拿了三个信号源，一个带不动大赛道，一个没输出，还有一个输出乱跳。把输出乱跳的接5欧姆负载电阻再用实验电源供电7.5V，问题就暴露出来了：实验电源的输出电流达到了0.3A以上。对比带不动大赛道但是不太跳的信号源，只有0.1A多。据此可以判断，是输出或者反馈出了问题。打开外壳测量一下H桥的栅极，很快就发现了问题：栅极驱动信号在振荡。


借助上上一版信号发生器的原理图很容易就能搞清原理图的缺陷：栅极驱动既没有防止栅极振荡的阻尼电阻，也没有防止NMOS和PMOS同臂导通的死区措施。（这俩措施的作用和介绍详见《智能车制作》）那么为啥类似的电路从第五届用到现在都没出啥问题呢？这就说明这版原理图在某处吃设计余量，而现在这部分设计余量因为某种原因没有了，电路也就暴露出相应的问题。

仔细观察组成H桥的四颗SOT23封装的MOS，可以发现它们并不是原版原理图中英飞凌（原IOR）生产的IRLML2502（Nmos）和IRLML6402（Pmos），而是国产的LBSS138（Nmos）和LBSS84（Pmos）。那么问题就很明显了，换原版设计中的MOS，上电，测试，问题得到解决。
补充说明：此处MOS管更换不应该是为了省钱，也不是国产管子质量不行，仅仅是参数不合适&国产管子离散度较大&品控出问题。要省钱的话下面恒流的MOS IRLR7843随便换个几毛的Nmos省的钱都能买下整套H桥的管子了，还不影响恒流效果。

如果我只会换个元件解决问题的话，那我只是修理工，而不是硬件工程师。问题的根源在哪里呢？要看手册才知道。栅极G是否振荡，与几个因素有关：D、S是否稳定（没做防止同臂导通措施，不稳定）栅极驱动电阻（原理图就没有）栅极电容（换管子有较大改变）。查手册可知，Pmos的栅极输入电容Ciss由原来的633pF降为30pF，Nmos由740pF降为40pF。这就是问题所在了。在作为栅极驱动的逻辑门4069的驱动下，H桥的Nmos管栅极G过快地充电，由于低边有作为恒流措施的IRLR7843的影响，抬高了Nmos中S级的电压，刚打开的Nmos又立刻关闭。如此往复，就产生了频率高达数MHz的振荡。新改进的信号发生器采用DFT欠采样方式解算基波电流，但是DFT欠采样解算的前提是被采样信号为周期信号。H桥产生如此高频的噪声，DFT当然不能正常解算出结果，自然是输出花式跳动而且恒流措施也失效了。

分析清楚问题产生的根源，就能给出一个不更换MOS也能解决跳动问题的方案了。最简单的方法就是给恒流部分的电路并联一颗电容，使其在短暂的时间内不产生恒流效果。经过实验，这颗电容用1nF是不行的，10nF或者100nF都可以。为了尽量避免对恒流效果产生影响，推荐使用10nF，如果没有或者效果不好，也可以用100nF。测试效果和焊接位置如图所示，在R13下方和MOS管之间，1206封装的电容比较好焊，0805封装需要搭棚焊一点点距离。


下一个问题，没信号输出？顺着IRLR7843的栅极向上查找信号源，很容易就能发现，T2虚焊了。经过酒精清洗后辨认，T2处虚焊为典型的SMT枕窝缺陷，产生原因可能有SMT器件管脚氧化、焊接温度不合理或者锡膏助焊剂不足或过早挥发。从其他焊盘的焊接情况（焊点粗糙，回流拉力弱）观察可以认为后两者为主要可能因素。也就是说，同批次产品如果不经过严格质检，可能会在使用过程中出现类似的接触不良的情况。而通电全检对此类缺陷检出率不高，这也就是为什么这个产品缺陷能通过华北赛的质检，到赛场上才出现问题的原因。


第三个问题，带不动长赛道？其实这个问题早在5月份就有人发现了，见卓老师推文《超大练习赛道》。实测带不动赛道的信号发生器在负载电阻为30欧的时候，只能调出85mA的稳定输出，再高则会间歇关断振荡。这与推文中28.7欧等效负载就无法驱动的情形相近。而换回原版MOS管的信号发生器无此问题。原因不言而明，国产MOS的导通内阻太大，最坏情况总内阻可以达到20Ω，不是推文中不可忽略的0.215Ω。30欧负载都推不动的话，真心不如极简信号发生器（35Ω），更不如正弦信号发生器（补偿后可推千米赛道）


最后一个问题，就算是换了MOS，信号源还是有正负1的跳动啊？这个就没办法了，这是DFT算法本身的低频噪声，大概22ms改变一次电流设定值，不更新固件没法解决的。或者，可以考虑换一下其他原理的信号发生器？目前已知能够实现基波恒定（恒磁）输出的信号发生器：极简、正弦、LC谐振反馈。老式的调电位器的信号发生器虽然不能做到基波恒定输出，但是起码不会跳来跳去啊。




太长不看版：T5 T6换为IRLML2502（Nmos）；T3 T4换为IRLML6402（Pmos），可以同时解决大幅跳动和带载能力弱两个问题，小幅跳动无解。
没有换MOS的条件的同学，将信号发生器里最大的MOS最大的焊盘通过10~100nf电容接地，可以解决大幅跳动问题，小幅跳动无解，带载能力弱不能通过此方法解决。
解决小幅跳动只能换其他不采用DFT欠采样原理的信号发生器。

哈哈我

超哥，关于节能接收新方案有链接吗？我忘了听谁说有新的了。看到的话就请发一下，谢谢。找了好久没有找到😭

lf1286

aytc100 发表于 2018-8-8 17:44
最新规定出来了，可以自带信号源了

感觉这样好。至少自己调的好好的车不会白调了。

aytc100

a2242 发表于 2018-7-26 20:50
超哥，问题来了，国赛要用哪家的信号发生器啊

最新规定出来了，可以自带信号源了

aytc100

浩少成 发表于 2018-8-3 19:10
串联？安徽好像没有，试车和正式赛道差好多

大概只有华北是串联的

浩少成

串联？安徽好像没有，试车和正式赛道差好多

雪银杉

顶超哥，信号源有问题真的让电磁组没活路！！！

xu6456338

华东的我有话想说：
1、我看到了客服的回答以及反复强调华东信号源没问题后才知道为什么没有反馈：华东信号源有没有问题当时我们是不知道的，我记得上午预赛跑完看了下信号源，场地中的信号源都用黑色胶带挡住了数值固定在了赛道旁，当然，如果我没忘记信号源长什么样子的话就没记错。个人一直认为是卓老师为了考验大家赛道适应性
2、说说我自己试跑。因为赛道明显滑，试跑那天跑的相当烂，想了一晚上的方案打算上午预赛8分钟好好试试。上场之后好在问题一跑就发现了，就开心地示意裁判可以跑了，乖乖，出门第一个十字误判？？？？？我直立头没有趴那么低吧？？十字误判了圆环的标志。。第一次机会跑完没过一个圆环。。不能浪费机会不是？擦擦轮子再试跑几下，然后就没有误判..??emmm尴尬而且想**，说实话，当时根本没往信号源这方面想。之后上午2次机会正常发挥。不过预赛下午全崩，单向可以停车，赛道...是我车子适应性不好。
3、决赛那天上午，华东是有坡道的，轮流上场了几次跑了也不下20多遍（试车1分钟使劲跑），坡道没有过误判圆环，参数都不改到最后坡道给崩了...我tm..在失败签完字后我盯着坡道看了好久= =什么东西突然就误判..
总结：实验室的车就像温室中的花朵，赛场中的不可知因素无时无刻考验着你车的抗干扰能力，发现问题了，我去强化圆环条件了。

Ts123

不知道西部赛区的信号源有没有问题，队友努力了一年，，却gg了，在实验室跑得很稳

浅唱、那温柔

浙江赛区电感也跳的厉害

aytc100

xiaodianzi386 发表于 2018-7-28 18:04
这么多年的比赛以前是使用哪家的?

5-8，官方旧版（模拟）
9，蓝宙（原理图同上，质量很糟糕）
10-12，龙邱数字版
13，就是现在这个DFT版本