北京交通大学-电路分析研讨-RFID射频识别原理研究

一套完整的RFID系统， 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG) 也就是所谓的应答器(Transponder) 及应用程序系统三个部分所组成, 其工作原理是Reader发射一个特定频率的无线电波能量 给Transponder, 用以驱动Transponder电路将内部的数据送出， 此时 Reader便依序接收解读数据， 送给应用程序做相应的处理。
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然后采用变压器进行仿真 Multisim12 Multisim14 断开
Multisim12 Multisim14 闭合
3、若采用电压控制开关，控制电压vm为1kHz方波，那 么可以将控制电压看成应答器发出的一个信息，通过仿 真，观察C1上电压波形
开关介绍 在 multisim 中，压控开关有两种： (1) Voltage controlled SPST Animated （压控动作模拟 开关：即仿真时可看到开关的开合动作） 从图中可看 到，当控制电压增大到 VT-VH 时， 开关两头之间的电 阻由 Roff (断开) 瞬间变到 Ron（接通）；或者当控制电 压逐渐减小到 VT+VH 时，开关两 头之间的电阻由 Ron （接通）瞬间变到 Roff (断开)。因此，这种开关和 电路 分析理论课上讲的理想开关特性完全一致。 （VT：阈 值电压，VH：滞后电压）
包络检波电路原理
电压比较器
5．自由发挥：讨论下图R与C参数大小对节点8电压的 影响
5．自由发挥：讨论下图R与C参数大小对节点8电压的 影响
①R不变，C变
C=2nF R=3k Ohm
C=4nF R=3k Ohm
C=6nF R=3k Ohm
C=8nF R=3k Ohm
①当电容值较小时，电容储能较小，并且时间常数 较小，电压衰减较快，因此电压的波动较大。 ②当电容值较大时，电压衰减较慢，电压则较为平稳。 因此需要设置合适的C值，以保证换路稳定后波动电压 的最小值大于换路前波动电压的最大值。对于题目4中 电压比较器负极的直流电源应设置在换路前波动电压最 大值和换路后波动电压最小值之间
4．扩展问题：设计一种电路，检测出初级电容电压 vc 幅度变化，得到与控制电压 vm 相 同的波形。（提示： 可采用二极管整流电路）
包络检波电路原理
在高频电子线路中，包络检波器是一种很常用的电路。 二极管包络检波电路主要有二极管和RC低通滤波器组 成,原理图为：
交流电压通过二极管时，变为如下图所示的直流电压，波形中 有较大的脉动成分，成为波纹。电压加在R和C上，输入信号 向C充电；当电压为0时，C可看做一个不断衰减的压源，通过 电阻R放电，时间常数为RC。输出信号在这种不断充、放电过 程中逐渐增长，直到充放电达到平衡时，输出信号跟踪了输入 信号的包络。如果参数选择不当，二极管包络检波电路会产生 惰性失真和负峰切割失真，惰性失真是由于RC过大造成的(惰 性失真：过分增大R和C值，致使二极管截止期间放电速度过 慢，在某t1时刻跟不上输入调幅波包络的下降速度。输出平均 电压就会产生失真)
（2）Voltage controlled SPDT/DPDT 从图中可看到，当控制电压由小增大到 Voff 时，开关 两头之间的电阻开始滚降（即开关慢慢闭合），直到控 制电 压等于 Von，电阻变为 Ron，完成闭合；反之当 控制电压由大变小，等 于 Von 时，开关两头之间的电 阻开始慢慢变大（即开关慢慢打开），直到 控制电压等 于 Voff，电阻变为 Ron，完成打开。因此，这种开关是 非理想的缓慢变化的开 关，与电路理论课用到的理想开 关有很大差别。
S断开
S闭合
由上述结果可知Multisim14、与Multisim12仿真结 果相同，但不大符合实际情况，分析原因可能是 Multisim对变压器的模型设置与ewb不同
原题中采用的是耦合线圈，在ewb中没有耦合线圈，因 此题目让我们用变压器进行模拟，但在multisim中提供 给我们了耦合线圈，下面分别在Multisim12与 Multisim14中用耦合线圈进行仿真
初级线圈与次级线圈近似在应答器在125kHz产生谐振，开关断 开时，次级电路电容与电阻接入电路，在接近125kHz附近处， 由于互感元件的存在，初级次级线圈互相影响，因此此处电压 峰值会下凹；当开关闭合时，电容电阻被断路，只有电感接入 电路，反应到初级为纯容，因此此时初级线圈不会谐振于 125kHz
IV 总结
本次研学使我对RFID有了初步的了解，在进行理论上的细致 分析之后想必会有利于以后的学习。但在本次研讨中，使我 获益更大的大概还是对Multisim与ewb的使用有了更进一步 的了解。本ppt中提到的两种开关的区别与包络检波部分的内 容是自己查阅了一些资料后做出来的。整个研学的过程从最 开始的理论计算到最后的完成ppt自己大约投入了30多个小 时，很大一部分时间也是花在了与ewb和Multisim抗争上面， 就拿互感元件来说，在Multisim上就有大约五种互感元件， 而Multisim本身不提供对元件的详细解释的，而不同的元件 所产生的仿真结果也是不一样的，这也就让人有不知所措之 感。本次实验，我基本全程处于黑人懵逼的状态。本文只对 其中两种元件，用了三个软件进行仿真比较，产生不同结果 的原因自己也未能对其作出很好的解释。由于时间、能力等 原因，自己也没有在这方面进行拓展，然而这却是个很好研 究方向，有兴趣的同学可以自己深入研究。
电路初级线圈谐振于 vs的频率=125kHz。当开关 S 断开时，次 级回路谐振，获得的高电压整流后给应答器控制芯片供电。由 于初级、次级回路均谐振，反映到初级阻抗近似为个纯电阻, 其值为 ,初级电容 C1上电压比较高。当开关 S 闭合时，次 级阻抗为电感，反映到初级阻抗为电容，其值为 ，使 得初 级电容 C1 上电压幅度显著升高。因此，次级负载变化引起初 级电容电压降低， 称为负载调制，由此实现信号从次级到初级 的传递。读写器检测电容 C1 上电压幅度变化得 到应答器传来 的二进制 ID 信息（即开关 S 的控制信号），如图2
EWB 不接地 断开
EWB 不接地 断开
EWB 接地 断开
首先Multisim用耦合线圈进行仿真 Multisim12 Multisim14 接地 断开
Multisim12 Multisim14 接地 闭合
Multisim12 Multisim14 不接地 闭合
可能的原因会很复杂，比如写的不好的器件 模型，仿真器的收敛条件设置，还有器件尺 寸的选取超出模型范围，等等都会造成奇异 矩阵的问题。常用的解决办法是1) 调整收敛 设置和精度设置 2）检查电路中不合理的数 字，沟道长度之类的，超大或者超小的电阻 电容电感之类的。
应答过程 当装有无源RFID电子标签的物体接近读写器时，读写器 受控发出查询信号
RFID电子标签收到此查询信号后，将此信号与标签中的数据 信息结合后反射回读写器。反射回来的合成信号，已携带有 RFID电子标签数据信息。
读写器接收到RFID电子标签反射回的合成信号后，经 读写器内部微处理器处理后即可将RFID电子标签储存 的信息读取出来。
给定电路参数 L1=L2=1.35mH,C1=C2=1. 2nF, 耦合系数k=0.3, R1=40 Ohm, R2=5k Ohm， vs最大值为5V，频率为 125kHz的正弦波。用相量法 分析当S断开和闭合时，电 容C1上的电压vc1。
当开关闭合时
III
仿真
1、给定电路参数L1=L2=1.35mH,C1=C2=1.2nF, 耦合 系数k=0.3, R1=40 Ohm, R2=5k Ohm，vs最大值为5V， 频率为125kHz的正弦波。求电容C1上的电压vc1。
multisim12
S断开
S闭合
multisim14
S断开
S闭合
由以上结果可知multisim14与multisim12仿真结 果都与实际计算结果有所出入，并且用 multisim12时产生的误差较小，但仍有大约2-4V 的误差，原因可能是电路仿真与理论计算有一定 的差异
2 ．用 EWB 频率扫描分析，频率从 10kHz 到 1MHz 变 化时，C1和 C2上电压幅度的变化情况。仿真时对C1与 C2进行交流扫描分析，但出现了一系列问题。下面根据 开关是否断开，次级线圈是否接地进行讨论
节点2 节点1
在作理论分析时，为简化分析，可以只进行开关断开和 闭合两种情况下的正弦稳态分析。但是由于电路包含动 态元件，开关的动作会引起过渡过程，在进行 EWB 仿 真时可以很清楚观察到这个过程。
EWB
S断开
S闭合
下面用Multisim进行仿真
节 点 1
Multisim12 Multisim14
在 EWB 仿真时，需要用线性变压器模型来代替互感模 型，其中参数的设定利用下面的关系来确定：
其中，L1, L2和 k 分别是互感模型的初级电感、次级电 感和耦合系数。LM, LE和 n 分别是EWB中变压器模型中 的激磁电感LM，初级漏电感 LE，初级对次级匝比 N。 设置耦合线圈的参数:N=0.3,LE=0.0012285 H,LM=0.0001215 H。
采用SPST
用控制电压的大小变化实现开关的关断，从而在C1上会 产生不同的电压。电容器两边电压和矩形电压基本是同 步的，即应答器的信息可以通过互感元件，使电容器两 端电压幅值变化，从而在读写器上表现出来。另外，元 件若使用multisim提供的变压器则无法出现此现象
由于电源vs的频率=125kHz，方波控制电压的频率 =1kHz。所以实际得到的幅度变化的C1电压是周期比方 波小得多的幅度变化周期与方波的周期一致的正弦波形。
①C不变，R变
C=8nF R=100 Ohm C=8nF R=1.5k Ohm
C=8nF R=3k Ohm C=8nF R=4k Ohm C=8nF R=5k Ohm
①C不变，R变 C=8nF R=10k Ohm
C=8nF R=15k Ohm C=8nF R=100k Ohm