CN102621505A - 一种基于Offset反馈电路的磁阻磁强计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Offset反馈电路磁阻磁强计，包含：磁阻传感器和包含信号处理子系统及低通滤波电路的电路系统，所述信号处理子系统进一步包含一积分电路，其特征在于，所述电路系统还包含一Offset反馈电路，该Offset反馈电路输入端与所述积分电路的输出端相连，输出端与所述磁阻传感器输入端相连接；其中，所述信号处理子系统、Offset反馈电路和所述磁阻传感器形成一闭环工作模式，用于稳定系统工作状态扩展频率。所述信号处理子系统还包含前级放大电路；所述前级放大电路、积分电路和所述低通滤波器依次串联连接；所述前级放大器输入端与所述磁阻传感器输出端相连，所述低通滤波电路的输出端作为整个磁阻磁强计的输出端。
Description
技术领域
本发明属于磁场探测技术领域，涉及提高磁阻磁强计性能的电路设计技术，适用于稳定电路的工作状态和放大倍数，减小非线性失真，提高磁阻磁强计的灵敏度和线性度，扩展频带等，具体涉及一种基于Offset反馈电路的磁阻磁强计。
背景技术
磁场测量技术作为一门独立的科学，在科学研究、国防建设、工业生产、日常生活等领域起到了重要作用。其中，磁场测量技术广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古学等许多领域。因此，研究和发展高精度、稳定性好、使用简单，成本低廉、低功耗的磁场测量仪器有着深远的意义。在科技工作中，研究和测定地磁场及其随时间变化的仪器、测定磁异常及研究磁性的仪器、测定磁场强度的仪器等统称磁强计。从工作原理角度，磁强计的种类包括磁通门、质子旋进、光泵、霍尔效应、磁阻等。磁阻磁强计的工作原理是利用各向异性磁阻效应，磁阻传感器是以硅作为衬底，在其上制作四个相同的铁镍合金带形成惠斯通电桥。当通电磁性薄膜置于外加磁场中时，薄膜电阻将会发生变化。当空间磁场为零时，四片薄膜电阻均为R，电桥供电电源VC驱动薄膜中的电流，当外界施加磁场M时，薄膜的磁化状态发生变化，磁化方向顺着电流的方向，相对放置的两片薄膜的电阻减小ΔR，另外两片薄膜电阻的磁化方向与电流方向相反，电阻增大ΔR。在线性范围内，输出电压与桥路供电电压和被测磁场的关系分别为
和VOUT＝VC*H*S。式中R为半导体薄膜电阻值，ΔR为阻值变化量，H为外加磁场值，S为磁阻传感器的灵敏度，可以得出
即在线性范围内，输出电压VOUT和被测磁场强度H成正比。
目前磁阻磁强计系统的体积小，成本低，应用广泛。不足之处在于：磁阻磁强计在分辨率和灵敏度等方面有待提高。本发明改进磁阻磁强计电路设计，提高磁阻磁强计的分辨率和灵敏度。使磁阻磁强计能够更广泛的应用于探矿、地下钻孔、位置检测、航海系统等方面。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术的磁阻磁强计系统在分辨率和灵敏度等方面不足，从而提供一种基于Offset反馈电路的磁阻磁强计。
为实现上述目的，本发明提供一种基于Offset反馈电路磁阻磁强计，包含：磁阻传感器和包含信号处理子系统及低通滤波电路的电路系统，所述信号处理子系统进一步包含一积分电路，其特征在于，
所述电路系统还包含一Offset反馈电路，该Offset反馈电路输入端与所述积分电路的输出端相连，输出端与所述磁阻传感器的一输入端相连接；
其中，所述信号处理子系统、Offset反馈电路和所述磁阻传感器形成一闭环回路，用于稳定系统工作状态扩展频带。
上述技术方案中，所述信号处理子系统还包含前级放大电路；所述前级放大电路、积分电路和所述低通滤波器依次串联连接；所述前级放大器输入端与所述磁阻传感器的一输出端相连，所述低通滤波电路的输出端作为整个磁阻磁强计的输出端。
可选的，所述信号处理子系统、Offset反馈电路和磁阻传感器形成一闭环回路，使所述磁阻磁强计工作于闭环反馈模式下，用于稳定系统工作状态和放大倍数，减小非线性失真，提高磁阻磁强计的灵敏度和线性度，扩展频带等。
可选的，所述Offset反馈电路包含串联连接的稳压电路和U/I转换电路；所述稳压电路输入端与所述积分电路输出端相连，所述U/I转换电路的输出端与所述磁阻传感器的一输入端相连，用于将转化得到的电流信号以负反馈的方式接到所述磁阻传感器的磁场偏置电流带上使磁阻传感器工作在“零磁场”。
优化的，如果所述前级放大电路与所述积分电路之间还依次串联连接交流耦合电路和相敏解调电路时，所述磁阻磁强计还包含：S/R激励电路，用于使磁阻磁强计系统工作于交流耦合模式。
可选的，所述S/R激励电路包含依次串联的晶振电路、分频电路和脉冲发生电路；其中，所述脉冲发生电路的输出端为所述S/R激励电路的输出端，该输出端与所述磁阻传感器的一输入端相连。
所述信号处理子系统还可为依次串联连接的前级放大电路、交流耦合电路、相敏解调电路和积分电路。
可选的，所述信号处理子系统还可以与S/R激励电路、交流耦合电路、相敏解调电路配合，使磁阻磁强计系统工作于交流耦合模式，用于消除强磁场对磁阻传感器的历史影响，消除外界强磁场的干扰，提高灵敏度和线性度。所述前级放大电路、交流耦合电路、相敏解调电路、积分电路、Offset反馈电路和所述磁阻传感器依次串联形成一闭环工作模式，用于稳定系统工作状态扩展频带。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明基于Offset反馈电路磁阻磁强计，采用的Offset反馈电路、磁阻传感器和信号处理电路的若干单元电路相连使系统工作于闭环模式，该闭环模式的优点在于：能够稳定电路的工作状态和放大倍数，减小非线性失真，扩展频带。优化的本发明还采用S/R激励电路使系统工作于交流耦合模式，该模式的优点在于：能够消除强磁场对磁阻传感器的历史影响，消除外界强磁场的干扰，提高灵敏度，线性度，并可以有效的抑制温漂的影响。
附图说明
图1-a是本发明的基于Offset反馈电路磁阻磁强计组成框图
图1-b是本发明的改进的基于Offset反馈电路磁阻磁强计组成框图；
图2本发明的交流耦合电路图；
图3本发明的闭环反馈回路电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本系统的整体电路设计如附图1-a和图1-b所示，本性系统由磁阻传感器和包含信号处理子系统的电路系统两部分组成。其中，所述电路系统还包含一Offset反馈电路，该Offset反馈电路与包含积分电路的信号处理电路形成闭环工作模式；此外，优化的本发明还可以再采用S/R激励电路，所述S/R激励电路与包含交流耦合电路和相敏解调电路的信号处理电路使系统工作于交流耦合模式。
图1-a描述了基于Offset反馈电路的磁阻磁强计整体结构，磁阻磁强计系统由磁阻传感器和包含信号处理子系统的电路系统两部分组成，两部分之间通过数据接口连接。信号处理子系统包括前级放大电路、积分电路、低通滤波电路、电源模块和Offset反馈电路。其中，Offset反馈电路使磁阻磁强计工作在闭环模式下。磁阻传感器输出的电压信号依次经过放大和积分处理。将处理得到的电压信号，一方面反馈到Offset模块，产生用来驱动磁场偏置电流带的电流信号，形成闭环工作回路；另一方面，输出到低通滤波电路，最后得到输出电压信号。
图1-b描述了磁阻磁强计另一改进型整体结构，磁阻磁强计系统由磁阻传感器和包含信号处理子系统的电路系统两部分组成，两部分之间通过数据接口连接。信号处理电路包括前级放大电路、交流耦合电路、相敏解调电路、积分电路、低通滤波电路、电源模块、S/R激励电路、Offset反馈电路。其中，利用S/R激励电路使磁阻磁强计工作在交流耦合模式下；Offset反馈电路使磁阻磁强计工作在闭环模式下。磁阻传感器输出的电压信号依次经过放大、交流耦合、相敏解调和积分处理。将处理得到的电压信号，一方面反馈到Offset模块，产生用来驱动磁场偏置电流带的电流信号，形成闭环工作回路；另一方面，输出到低通滤波电路，最后得到输出电压信号。
S/R激励电路如图2所示。该电路产生置位/复位脉冲电流，流经磁阻传感器的置位/复位电流带(S/R Strap)，使磁阻传感器周期性的置位、复位，消除强磁场对磁阻传感器的历史影响，消除外界强磁场的干扰，提高灵敏度，线性度，并可以有效的抑制温漂。
图2描述了交流耦合电路，S/R激励电路由晶振电路、分频电路和脉冲发生电路三部分组成。利用晶振电路和时钟分频电路得到频率适合的脉冲信号，再经过脉冲发生电路处理得到用于驱动磁阻传感器的置位/复位电流带(S/R Strap)的脉冲电流信号。使磁阻传感器周期性的进行置位/复位操作，有效地消除强磁场对磁阻传感器的历史影响，消除外界强磁场的干扰，提高灵敏度，线性度，并可以有效的抑制温漂的影响。
Offset反馈电路如图3所示。该回路的作用是将信号处理电路输出的电压信号转换成电流信号，并以负反馈的方式将其反馈到磁阻传感器的磁场偏置电流带(OffsetStrap)，使磁阻传感器工作在“零磁场”。闭环模式下的信号处理电路能够稳定电路的工作状态和放大倍数，减小非线性失真，扩展频带。
图3描述了闭环反馈回路，其中的Offset反馈电路由稳压电路和U/I转换电路两部分组成。将经过前级放大电路，交流耦合电路，相敏解调电路，积分电路处理后的电压信号反馈给Offset反馈电路，实现了U/I转化，并将转化得到的电流信号以负反馈的方式接到磁阻传感器的磁场偏置电流带(Offset Strap)上，使磁阻传感器工作在“零磁场”。信号处理电路工作在闭环模式下，能够稳定电路的工作状态和放大倍数，减小非线性失真，扩展频带。
需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (7)
1.一种基于Offset反馈电路的磁阻磁强计，包含：磁阻传感器和包含信号处理子系统及低通滤波电路的电路系统，所述信号处理子系统进一步包含一积分电路，其特征在于，
所述电路系统还包含一Offset反馈电路，该Offset反馈电路输入端与所述积分电路的输出端相连，输出端与所述磁阻传感器的一输入端相连接；
其中，所述信号处理子系统、Offset反馈电路和所述磁阻传感器形成一闭环回路。
2.根据权利要求1所述的Offset反馈电路磁阻磁强计，其特征在于，所述信号处理子系统还包含前级放大电路；
所述前级放大电路、积分电路和所述低通滤波器依次串联连接；所述前级放大器输入端与所述磁阻传感器的一输出端相连，所述低通滤波电路的输出端作为整个磁阻磁强计的输出端。
3.根据权利要求1所述的Offset反馈电路磁阻磁强计，其特征在于，所述Offset反馈电路包含串联连接的稳压电路和U/I转换电路；
所述稳压电路输入端与所述积分电路输出端相连，所述U/I转换电路的输出端与所述磁阻传感器的一输入端相连，用于将转化得到的电流信号以负反馈的方式接到所述磁阻传感器的磁场偏置电流带上使磁阻传感器工作在“零磁场”。
4.根据权利要求1所述的Offset反馈电路磁阻磁强计，其特征在于，
所述前级放大电路与所述积分电路之间还依次串联连接交流耦合电路和相敏解调电路，所述磁阻磁强计还包含：S/R激励电路，用于使磁阻磁强计系统工作于交流耦合模式。
5.根据权利要求4所述的Offset反馈电路磁阻磁强计，其特征在于，所述S/R激励电路包含依次串联的晶振电路、分频电路和脉冲发生电路；
其中，所述脉冲发生电路的输出端为所述S/R激励电路的输出端，该输出端与所述磁阻传感器的一输入端相连。
6.根据权利要求4所述的Offset反馈电路磁阻磁强计，其特征在于，所述信号处理子系统还可为依次串联连接的前级放大电路、交流耦合电路、相敏解调电路和积分电路。
7.根据权利要求1或6所述的Offset反馈电路磁阻磁强计，其特征在于，所述前级放大电路、交流耦合电路、相敏解调电路、积分电路、Offset反馈电路和所述磁阻传感器依次串联形成一闭环工作模式，用于稳定系统工作状态扩展频带。
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