北京交通大学：《电路分析》课程教学资源（讲义）03 RFID信号传输原理研究

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.yRFID信号传输原理研究一，背景用非接触方法进行身份识别的技术称为射频识别技术（RFID-RadioFrequencyIdentification），广泛用于电子门禁、身份识别、货物识别、动物识别、电子车票等场合。RFID系统由计算机、读写器和应答器以及耦合器组成。应答器存放被识别物体的有关信息放置在要识别的移动物体上。耦合器可以是天线或线圈。近距离的射频识别系统采用耦合线圈。二。原理图1所示为为互感耦合RFID系统电路接口的等效电路。互感的初级部分位于信息的读写器或阅读器一端，它发出高频信号，在初级电感L，（发送线圈）上产生感应电压。次级电路是应答器的接收等效电路，L2是应答器的接收线圈。当应答器靠近读写器时，线圈之间发生互感，应答器从接收线圈上获得微弱能量（这部分电路没有画出）来控制电子开关S动作发出特定的ID信息。M应答器：ID卡，电子标签等阅读器图1互感耦合RFID电路接口的等效电路电路初级和次级均谐振于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。由于次级回路谐振，其反映到初级的阻抗比较大，初级电容C1上电压比较低。当开关S闭合时，次级阻抗为电感，反映到初级阻抗比较小，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幅度被调制称为负载调制，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所示。001图2初级回路电容电压幅度变化代表了应答器开关发出的二进制数值1

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. RFID 信号传输原理研究 一．背景 用非接触方法进行身份识别的技术称为射频识别技术（RFID-Radio Frequency Identification），广泛用于电子门禁、身份识别、货物识别、动物识别、电子车票等场合。 RFID 系统由计算机、读写器和应答器以及耦合器组成。应答器存放被识别物体的有关信息， 放置在要识别的移动物体上。耦合器可以是天线或线圈。近距离的射频识别系统采用耦合线 圈。 二．原理 图 1 所示为为互感耦合 RFID 系统电路接口的等效电路。互感的初级部分位于信息的读 写器或阅读器一端，它发出高频信号，在初级电感 L1（发送线圈）上产生感应电压。次级 电路是应答器的接收等效电路，L2 是应答器的接收线圈。当应答器靠近读写器时，线圈之 间发生互感，应答器从接收线圈上获得微弱能量（这部分电路没有画出）来控制电子开关 S 动作发出特定的 ID 信息。 vC L1 L2 R1 R2 C2 C1 M S vs 阅读器 应答器: ID卡，电子标签等 图 1 互感耦合 RFID 电路接口的等效电路 电路初级和次级均谐振于 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。由于次级回路谐振，其反映到初级的阻抗比较大，初 级电容 C1 上电压比较低。当开关 S 闭合时，次级阻抗为电感，反映到初级阻抗比较小，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幅度被调制， 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 所示。 1 0 1 0 1 图 2 初级回路电容电压幅度变化代表了应答器开关发出的二进制数值 1

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组wy三。问题和要求1.给定电路参数L=Lz=1.35mH，C,=C2=1.2nF，耦合系数k=0.3，R/=402R2=5k2，Vs幅度为5V，频率为125kHz的正弦波，用反映阻抗法分析当S断开和闭合时，电容C上的电压ve。2.用EWB或Multisim的频率扫描分析，测量频率从10kHz到1MHz变化时，C和C2上电压幅度的变化情况。3.用EWB或Multisim进行仿真。S采用电压控制开关，控制电压Vm为1kHz方波观察Ci上电压波形。4.扩展问题：设计一种电路，检测出初级电容电压v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）。四。提示本题目对应课程知识点：正弦稳态电路，谐振电路，互感电路的反映阻抗分析。题目中扩充的知识：频率响应的概念，简单的调制和解调的概念，软件仿真部分的频率扫描分析、变压器模型、压控模拟开关、二极管的检波原理、比较器的使用等。在本题目的电路原理中，要识别的信息以二进制编码方式存储在电子标签或D卡芯片中，传送时按照时间顺序以脉冲波方式发送。而这个脉冲波不能直接在空间传递，需要将它“调制”在高频信号的幅度上，幅度变化反映了要传送信息。这个高频信号能用互感方式传递到接收器或读写器的电路中。由于作为应答器的D卡上没有电源，只能利用读写器传送来的高频信号中的微弱能量来工作，所以，ID卡不直接产生高频信号，而只是控制一个电子开关，改变互感次级的等效负载，来使得初级感应电压幅度发生变化，达到传送脉冲波所含信息的目的。在本题目中，高频信号频率为125kHz，由读写器电路（互感初级的电压源）发出。当S断开时，次级电路谐振，得到高电压经过整流后为应答器控制芯片供电。由于应答器的感应回路谐振手发送线圈发出的信号频率，所以当应答器靠近读写器时，初级线圈电压显著降低，从而让读写器检测到应答器的靠近。仿真时，可假定要传递的信息用1kHz方波表示，ID卡的控制电路用1kHz频率控制开关S动作。理论分析可采用反映阻抗法。注意，对于给定的参数，Li=L2,Ci=C2，当不考虑互感耦合时，两边的LC电路都谐振于高频信号125kHz。分析可证明当次级开关S断开时，次级回路反映到初级为近似为一个纯电阻kR，。当次级开关S闭合时，次级电感反映到初级为电容，其值为kL。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。2

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 三．问题和要求 1．给定电路参数 L1=L2=1.35mH, C1=C2=1.2nF, 耦合系数 k=0.3, R1=40, R2=5k，vs 幅度为 5V，频率为 125kHz 的正弦波，用反映阻抗法分析当 S 断开和闭合时，电容 C1上的 电压 vc 。 2．用 EWB 或 Multisim 的频率扫描分析，测量频率从 10kHz 到 1MHz 变化时，C1 和 C2 上电压幅度的变化情况。 3．用 EWB 或 Multisim 进行仿真。S 采用电压控制开关，控制电压 vm为 1kHz 方波， 观察 C1 上电压波形。 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）。 四．提示 本题目对应课程知识点：正弦稳态电路，谐振电路，互感电路的反映阻抗分析。题目中 扩充的知识：频率响应的概念，简单的调制和解调的概念，软件仿真部分的频率扫描分析、 变压器模型、压控模拟开关、二极管的检波原理、比较器的使用等。 在本题目的电路原理中，要识别的信息以二进制编码方式存储在电子标签或 ID 卡芯片 中，传送时按照时间顺序以脉冲波方式发送。而这个脉冲波不能直接在空间传递，需要将它 “调制”在高频信号的幅度上，幅度变化反映了要传送信息。这个高频信号能用互感方式传 递到接收器或读写器的电路中。由于作为应答器的 ID 卡上没有电源，只能利用读写器传送 来的高频信号中的微弱能量来工作，所以，ID 卡不直接产生高频信号，而只是控制一个电 子开关，改变互感次级的等效负载，来使得初级感应电压幅度发生变化，达到传送脉冲波所 含信息的目的。在本题目中，高频信号频率为 125kHz，由读写器电路（互感初级的电压源） 发出。当 S 断开时，次级电路谐振，得到高电压经过整流后为应答器控制芯片供电。由于 应答器的感应回路谐振于发送线圈发出的信号频率，所以当应答器靠近读写器时，初级线圈 电压显著降低，从而让读写器检测到应答器的靠近。 仿真时，可假定要传递的信息用 1kHz 方波表示，ID 卡的控制电路用 1kHz 频率控制开 关 S 动作。 理论分析可采用反映阻抗法。注意，对于给定的参数，L1=L2, C1=C2，当不考虑互感耦 合时，两边的 LC 电路都谐振于高频信号 125kHz。分析可证明当次级开关 S 断开时，次级 回路反映到初级为近似为一个纯电阻 。当次级开关 S 闭合时，次级电感反映到初级为 电容，其值为 。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。 2 2 Rk Lk 2 2

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.y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：LL=k2L, Lg=(1-k2)L, n=M/L, =k,VL其中，LI,L,和k分别是互感模型的初级电感、次级电感和耦合系数。LMLe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。在读写器（互感的初级电路）得到的电容电压，是幅度变化的正弦信号，将幅度变化波形还原出来，就得到了应答器传递过来的信息编码波形。一种办法是将幅度变化的正弦信号取其绝对值，再将其进行适当的平均和波形整形，这三种处理可分别用二极管整流、RC积分电路和比较器来实现。查阅相关资料可以找到实现的电路。3

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 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： 2 1 1 2 2 1 2 /,)1(, L L M  E   kLMnLkLLkL 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。 在读写器（互感的初级电路）得到的电容电压，是幅度变化的正弦信号，将幅度变化波 形还原出来，就得到了应答器传递过来的信息编码波形。一种办法是将幅度变化的正弦信号 取其绝对值，再将其进行适当的平均和波形整形，这三种处理可分别用二极管整流、RC 积 分电路和比较器来实现。查阅相关资料可以找到实现的电路。 3