崔智軍

(1.安康學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,陜西 安康 725000;2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129)

磁通門傳感器是利用磁飽和效應(yīng)制作的一種改進(jìn)型變壓器器件[1]。當(dāng)鐵芯磁導(dǎo)率μ隨激勵(lì)磁場強(qiáng)度而變時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢中就會(huì)出現(xiàn)隨被測磁場強(qiáng)度而變的偶次諧波信號[2]。相比于其他類型的磁場測量器件,磁通門傳感器在靈敏度、線性度、性價(jià)比和穩(wěn)定性等方面均有無可比擬的優(yōu)勢[3-4]。

常用磁通門傳感器按輸出信號可以分為電流型式、時(shí)間差和電壓型式[1],與之對應(yīng)的常用磁通門處理電路也分為電流型磁通門應(yīng)用電路、時(shí)間差型磁通門應(yīng)用電路和電壓型磁通門應(yīng)用電路。

1989年P(guān)rimdahl首次提出了電流輸出型磁通門傳感器及其應(yīng)用電路[5],這種方式的磁通門是將雙鐵芯磁通門傳感器的輸出電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?通過對這個(gè)電壓信號進(jìn)行處理來測量被測磁場。這種方式下的磁通門傳感器的感應(yīng)線圈中有電流流過,這個(gè)電流會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生磁場,進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng),同時(shí),一般磁通門電路需要處理磁通門傳感器輸出信號中的二次諧波,而這種電路的磁通門感應(yīng)線圈輸出端對地交流短路不利于調(diào)諧。

時(shí)間差型磁通門傳感器通過測量輸出信號中所包含的正負(fù)脈沖的時(shí)間差完成對被測磁場的測量[6-8]。但是想要獲得較高的分辨力,需要準(zhǔn)確的測量出脈沖的尖峰時(shí)刻,同時(shí)必須要降低激勵(lì)頻率。通常時(shí)間差型磁通門傳感器的分辨力能達(dá)到60 nT[9],但這還不能夠稱為高分辨力。

相對于電流型磁通門傳感器和時(shí)間差型磁通門,電壓型磁通門傳感器的分辨力及靈敏度要優(yōu)秀的多。電壓型磁通門傳感器應(yīng)用電路主要分為兩種:模擬電路磁通門和數(shù)字電路磁通門。其主要區(qū)別在于前者采用模擬電路處理磁通門輸出信號,后者采用數(shù)字電路處理磁通門輸出信號。由于模擬磁通門電路采用全模擬電路處理磁通門傳感器輸出信號,且模擬電路受溫度影響較大,因此模擬磁通門電路的溫度特性較差。同時(shí)模擬元器件的參數(shù)對于整體電路影響較大,增加了系統(tǒng)的調(diào)試難度?；谀M電路磁通門的上述缺點(diǎn),數(shù)字技術(shù)被引入到磁通門電路中。用數(shù)字電路代替部分模擬電路,大大簡化了磁通門處理電路,同時(shí)也提高了磁通門電路的溫度性能,降低了調(diào)試復(fù)雜度。基本原理上數(shù)字電路磁通門和模擬電路磁通門沒有太大的區(qū)別,都是采用了“二次諧波+負(fù)反饋”的處理方式。兩者所不同的是數(shù)字電路磁通門采用了數(shù)字處理器,利用數(shù)字處理器強(qiáng)大的數(shù)字處理功能實(shí)現(xiàn)磁通門環(huán)路中的相敏整流、積分等功能。數(shù)字處理器可選用單片機(jī)[10-11]、DSP[12]、FPGA[13]、ARM[14]等。由于引入了數(shù)字處理器,提高了磁通門環(huán)路的可控性和穩(wěn)定性。但是這種電路也有自身的缺點(diǎn),由于需要數(shù)字處理器處理大量的數(shù)據(jù),會(huì)造成系統(tǒng)反應(yīng)速度下降,不能實(shí)時(shí)的測量磁場值。同時(shí)為了與高速AD和高速DA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)字處理器需具有相應(yīng)的數(shù)字通信接口,這無疑會(huì)造成數(shù)字處理器的面積偏大、價(jià)格偏高,增加了整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本。

本文綜合數(shù)字電路磁通門和模擬電路磁通門的優(yōu)缺點(diǎn)提出一種改進(jìn)型的數(shù)字相敏整流電路?；谠摂?shù)字相敏整流電路設(shè)計(jì)一款高分辨力數(shù)字磁通門傳感器,該系統(tǒng)既能改善溫度特性,同時(shí)也可以節(jié)約數(shù)字接口,減少數(shù)字處理器的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。使得磁通門系統(tǒng)反應(yīng)迅速穩(wěn)定、調(diào)試簡單。

1 數(shù)字磁通門結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1是數(shù)字磁通門傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要由磁通門探頭、高速AD和DA、微處理器(MCU)、激勵(lì)電路、邏輯電路等模塊組成,其中高速AD模塊、DA模塊和邏輯電路共同完成數(shù)字相敏整流功能。

圖1 數(shù)字磁通門傳感器系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)作為主控芯片,單片機(jī)產(chǎn)生激勵(lì)信號,由于單片機(jī)輸出功率比較小,需要連接功率放大模塊來激勵(lì)磁通門探頭。通過一片高速ADC采樣芯片對經(jīng)過選頻放大后的二次諧波信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。邏輯處理電路是將高速AD對二次諧波采樣得到的數(shù)字信號與MCU提供的方波信號通過異或門進(jìn)行處理后直接傳送到高速DA完成數(shù)字相敏整流功能。高速DA輸出的模擬信號經(jīng)過積分濾波電路后產(chǎn)生一個(gè)積分電壓信號,積分電壓通過反饋電阻R和感應(yīng)線圈轉(zhuǎn)換為反饋電流,在該反饋電流的作用下感應(yīng)線圈會(huì)形成一個(gè)反饋磁場,當(dāng)反饋磁場和被測磁場大小相同且方向相反時(shí)磁通門傳感器工作在零磁場狀態(tài),此時(shí)感應(yīng)線圈沒有二次諧波信號輸出,積分濾波電路輸出的積分電壓保持不變,整個(gè)閉環(huán)回路保持穩(wěn)定。通過一個(gè)轉(zhuǎn)換速度較低但轉(zhuǎn)換精度較高的AD采樣芯片測量反饋電阻上的電壓就可以間接得出被測磁場的強(qiáng)度。

2 異或運(yùn)算相敏整流電路設(shè)計(jì)

在磁通門閉環(huán)系統(tǒng)電路中,相敏整流電路是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的模擬電路溫度特性差主要是由相敏整流電路造成的,數(shù)字電路利用數(shù)字信號進(jìn)行相敏整流解決了這個(gè)問題。所以通過數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)相敏整流可以改善系統(tǒng)溫度特性。但是傳統(tǒng)的數(shù)字電路磁通門因用算法實(shí)現(xiàn)相敏整流功能,所以整個(gè)電路系統(tǒng)反應(yīng)慢且需要大量數(shù)字通信接口。鑒于此,本文提出了一種如圖2(a)所示的數(shù)字化相敏整流電路。該電路工作原理是通過高速AD對二次諧波信號進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號,此數(shù)字信號與MCU提供的參考方波信號通過異或門進(jìn)行異或運(yùn)算,當(dāng)參考方波信號為低電平時(shí),數(shù)字信號不變,當(dāng)參考方波信號為高電平時(shí),數(shù)字信號取反。經(jīng)過異或運(yùn)算后的數(shù)字信號送入高速DA轉(zhuǎn)換器進(jìn)行DAC轉(zhuǎn)換得到整流信號,最終實(shí)現(xiàn)了對二次諧波信號的相敏整流。

圖2 相敏整流

當(dāng)二次諧波和參考方波信號嚴(yán)格對齊時(shí),最終實(shí)現(xiàn)的理想效果如圖2(b)中實(shí)線所示。圖2(b)上方為濾波后的二次諧波信號(實(shí)線)設(shè)為Asin(ωt),中間為參考方波信號,下方為整流信號(實(shí)線)。從圖2(b)可知相敏整流后的信號是一個(gè)周期信號,其角頻率為2ω。則嚴(yán)格相位對齊進(jìn)行相敏整流輸出信號中直流分量為:

(1)

在實(shí)際應(yīng)用中,嚴(yán)格的相位對齊是很難做到的。假設(shè)參考方波信號和二次諧波信號的相位差為φ,此時(shí)圖2(b)上方為濾波后的二次諧波信號為Asin(ωt+φ),經(jīng)過相敏整流后的波形如圖2(b)下方虛線,可以看出相敏整流后的信號也是一個(gè)周期信號,其角頻率為2ω。則進(jìn)行相敏整流后信號中的直流分量為:

(2)

對比式(1)和式(2),當(dāng)二次諧波和參考方波存在一個(gè)相位差φ時(shí),相敏整流后的信號直流分量誤差(1-cosφ),當(dāng)φ的值比較小時(shí)誤差比較小。本文在調(diào)試過程中,將參考方波信號和二次諧波信號的相位差控制在±10°,經(jīng)過相敏整流后的最大直流偏差為(1-cos10°)×2A/π=0.015×2A/π。

圖3 數(shù)字相敏整流圖

本文使用了具有IIC接口的音頻編解碼芯片SSM2603和邏輯電路異或門完成數(shù)字相敏整流功能。其中芯片SSM2603內(nèi)含有兩個(gè)獨(dú)立的24位AD和兩個(gè)獨(dú)立的24位DA。圖3是采用芯片SSM2603和異或門完成數(shù)字相敏整流的效果圖。圖3(a)是被測磁場不為零時(shí)的相敏整流圖。由于存在被測磁場,磁通門傳感器存在輸出信號,磁通門傳感器輸出信號經(jīng)諧振和選頻放大后,選頻放大電路輸出二次諧波(圖3(a)上方)傳送到芯片SSM2603進(jìn)行數(shù)字相敏整流,經(jīng)過數(shù)字相敏整流后的輸出波形為圖3(a)下方波形,經(jīng)測量得知,經(jīng)過SSM2603相敏整流后的整流信號的平均值為1.281 V,與SSM2603的中點(diǎn)電壓1.5 V存在大約0.219 V的電壓差,這個(gè)電壓差間接的反應(yīng)了被測磁場。

圖3(b)是被測磁場為零時(shí)的相敏整流波形圖。由于沒有被測磁場,磁通門傳感器沒有輸出信號,因此選頻放大電路幾乎沒有二次諧波輸出(圖3(b)上方波形),即選頻放大電路輸出直流,且直流電壓值應(yīng)為選頻放大電路的中點(diǎn)電壓2.5 V,由于隔直電容的存在,此時(shí)SSM2603中的高速ADC沒有信號輸入,那么SSM2603的DAC就沒有整流信號輸出(圖3(b)下方波形),此時(shí)SSM2603的DAC輸出應(yīng)該是其中點(diǎn)電壓1.5 V。經(jīng)測量選頻放大電路(圖3(b)上方波形)的輸出值為2.448 V,SSM2603的輸出值(圖3(b)下方波形)為1.505 V。

3 數(shù)字磁通門軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字磁通門軟件部分主要完成系統(tǒng)初始化、反饋電阻A/D采樣、控制外設(shè)、通信、數(shù)據(jù)處理與輸出等功能。工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)使用了大量的單片機(jī)外設(shè)資源,因此系統(tǒng)啟動(dòng)后需要對各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化。對各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化時(shí),應(yīng)在程序開始前禁止一切中斷。根據(jù)系統(tǒng)軟件流程圖,先對串口初始化,本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是USART3,主要用于單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行通信,配置USART3波特率為115 200,8個(gè)數(shù)據(jù)位,一個(gè)停止位,無校驗(yàn)位。由于采用了音頻編解碼器SSM2603中的高速AD和高速DA進(jìn)行數(shù)字相敏整流,而SSM2603采用IIC通信方式,所以使用單片機(jī)的IIC2和SSM2603進(jìn)行通信,通信速率200 kbit/s。為了實(shí)時(shí)檢測電源電壓,采用單片機(jī)ADC的模擬看門狗功能,當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換值低于設(shè)置閥值時(shí)產(chǎn)生中斷。為了測量被測磁場值大小需要對反饋電阻上的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,反饋電阻上的電壓值是由高精度AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1256進(jìn)行采樣,ADS1256采用SPI通信方式,采用單片機(jī)的SPI2,配置SPI空閑電平為低電平,每個(gè)周期的第2個(gè)時(shí)鐘沿采樣,SPI通信速率4 Mbit/s。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對時(shí)鐘信號要求嚴(yán)格,需要各個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)一致,所以電路的所有時(shí)鐘基準(zhǔn)都由單片機(jī)產(chǎn)生,系統(tǒng)使用了TIM1～TIM5、TIM8共6個(gè)定時(shí)器。激勵(lì)信號由單片機(jī)DAC產(chǎn)生,因此需要對DAC進(jìn)行初始化以產(chǎn)生4 kHz的正弦波。ADS1256是本系統(tǒng)的反饋電阻采樣AD,其具有多種工作模式和狀態(tài),為了設(shè)置ADS1256合適工作狀態(tài)需要對其進(jìn)行初始化設(shè)置。之后,需要對整個(gè)程序用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及存儲(chǔ)空間進(jìn)行初始化,包括讀取參考方波相位偏移和補(bǔ)償系數(shù)。至此,單片機(jī)程序的初始化全部結(jié)束,最后,打開全局中斷,用于接收ADS1256數(shù)據(jù)完成中斷。之后單片機(jī)進(jìn)入等待模式,等待ADS1256數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了測量磁通門的測量范圍、線性度和頻率特性,因此需要產(chǎn)生純凈的可控磁場包括可控恒定磁場和可控交流磁場。圖5是測試測量范圍、線性度和頻率特性的原理框圖。在測試實(shí)驗(yàn)中采用銅線圈產(chǎn)生可控磁場,為了使產(chǎn)生的可控磁場不受地磁場的干擾,將銅線圈、磁通門探頭和標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)探頭(中國計(jì)量科學(xué)研究院制CTM-6W型磁通門磁強(qiáng)計(jì),分辨力為0.1 nT)置于磁屏蔽桶(中國鋼鐵總院制,φ內(nèi)100 mm×300 mm)中。直流信號源(Aglient E3620A)用于產(chǎn)生恒定磁場,低頻功率信號發(fā)生器(ZN1042)用于產(chǎn)生交流磁場,兩者通過選擇開關(guān)連接到銅線圈。數(shù)字萬用表(ESCORT EMD3150)用于測量低頻功率信號發(fā)生器的激勵(lì)電流的大小,示波器(Aglient DSO6032A)用于測量低頻功率信號發(fā)生器的信號頻率和磁通門感應(yīng)線圈反饋電阻上的電壓值。

圖5 直、交流特性測量原理圖

4.1 測量范圍和線性度

按照圖5進(jìn)行設(shè)備連接,將銅線圈、標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)探頭和磁通門探頭放入磁屏蔽桶中,利用選擇開關(guān)將直流穩(wěn)壓電源和銅線圈連接到一起,通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓值使銅線圈產(chǎn)生不同強(qiáng)度的恒定磁場。同時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)顯示數(shù)據(jù)和磁通門的輸出數(shù)據(jù)。測得磁通門輸出測量范圍:X軸為±62 800 nT,Y軸為±62 900 nT,Z軸為±62 700 nT。圖6是磁通門的線性度(以Z軸數(shù)據(jù)為例)圖,其中圓點(diǎn)為測量數(shù)據(jù)點(diǎn),直線為擬合直線?？芍磐ㄩT的輸出值與測量磁場值呈線性關(guān)系。

圖6 磁通門的線性度

4.2 頻率特性測試

按照圖5進(jìn)行設(shè)備連接,將銅線圈、標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)探頭和磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭放入磁屏蔽桶中,利用選擇開關(guān)將低頻功率信號發(fā)生器和銅線圈連接到一起,利用數(shù)字萬用表測量激勵(lì)信號電流值,示波器分別測量激勵(lì)信號的頻率和磁通門傳感器反饋電阻的電壓值。通過調(diào)節(jié)低頻功率信號發(fā)生器輸出信號的電壓和頻率使得銅線圈產(chǎn)生頻率可控、幅值不變的正弦磁場。同時(shí)記錄激勵(lì)信號頻率和反饋電阻上電壓的有效值。為了方便處理,將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,得到的結(jié)果如圖7所示。可知磁通門反饋回路的-3 dB帶寬約為240 Hz。

圖7 磁通門頻率特性

4.3 分辨力測試

在對磁通門進(jìn)行分辨力測試過程中,對磁場要求較高。要求恒定磁場的變化值不能大于1 nT且磁場值能夠以1 nT為步進(jìn)單位進(jìn)行遞增或者遞減。地磁場的穩(wěn)定性優(yōu)于人工產(chǎn)生的磁場,因此在地磁場環(huán)境下進(jìn)行磁通門的分辨力測試。具體測試步驟如下:

①將標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)放在三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上,在水平面上旋轉(zhuǎn)無磁轉(zhuǎn)臺(tái),得出此時(shí)的地磁場分量值的最大值Hx=32 082.5 nT。

②取下標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì),將磁通門探頭安裝在無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上,使X軸處于水平面上,在水平面上緩慢地旋轉(zhuǎn)無磁轉(zhuǎn)臺(tái),尋找磁通門的X軸輸出最大值的位置,記錄此刻磁通門的輸出數(shù)值X0和無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)信息。

③分別沿順時(shí)針、逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)無磁轉(zhuǎn)臺(tái),使磁通門輸出的數(shù)值變?yōu)閄0-1,對比此刻無磁轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)信息和輸出最大值的姿態(tài)信息,得出旋轉(zhuǎn)角α。

④將磁通門探頭的Y軸、Z軸分別放置與水平面上,重復(fù)步驟2和步驟3。根據(jù)式(3)計(jì)算磁通門的分辨力。

ΔH=Hx(1-cosα)

(3)

在實(shí)驗(yàn)過程中,傳感器探頭固定不變時(shí),磁通門磁強(qiáng)計(jì)的輸出值仍會(huì)有2 nT左右的跳動(dòng),為了方便測量,可以測量多組數(shù)據(jù)取平均值作為此刻的測量值。本次測試取256個(gè)點(diǎn)的平均值,因此在旋轉(zhuǎn)無磁轉(zhuǎn)臺(tái)過程中一定要慢。測試數(shù)據(jù)如表1所示,可知磁通門的分辨力在2 nT以內(nèi)。

表1 磁通門分辨力測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于異或運(yùn)算相敏整流電路的數(shù)字閉環(huán)式磁通門傳感器,有效地提高了磁通門傳感器的溫度性能;同時(shí),本系統(tǒng)僅通過高速AD、高速DA以及異或門等硬件電路完成數(shù)字相敏整流功能,與基于數(shù)字處理器(MCU、DSP、FPGA、ARM)通過算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字相敏整流功能相比,不僅節(jié)約了數(shù)字接口,而且減少了數(shù)字處理器的運(yùn)算負(fù)擔(dān),為進(jìn)一步通過數(shù)字硬件電路優(yōu)化相敏整流功能奠定了一定的基礎(chǔ)。

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