CN104865538A - 检测超弱磁场的系统和方法、缓冲单元、激源单元 - Google Patents

Abstract

本发明为一种检测超弱磁场的系统和方法、缓冲单元、激源单元。所述检测超弱磁场的系统包括由一检测线圈所包围的一磁性阻抗组件，产生可编程上升/下降时间的脉冲信号的激源单元以驱动磁性阻抗组件，以及一信号检测模块以检测检测线圈上的信号，其中信号检测模块包括：具有可调整的带宽形状的一缓冲单元将检测线圈的输出信号整型，一信号放大单元将自缓冲单元的缓冲信号放大，一信号处理单元将信号放大单元放大后的信号施加可选择的算法，以输出检测结果，以及一控制单元连接信号处理单元，以产生激源单元、缓冲单元、信号放大单元和信号处理单元的控制参数。

Description

检测超弱磁场的系统和方法、缓冲单元、激源单元

技术领域

本发明是关于一种检测超弱磁场的系统和方法、缓冲单元、激源单元。

背景技术

最近，适于检测地磁的技术已经到了需要高灵敏度和高精度地检测非常弱的磁场，以扩大应用的范围。这类型的磁场检测组件磁性阻抗（MagneticImpedance,MI）组件已引起人们的注意。与已知的磁场检测用的MI组件的方法，该方法是施加一高频电流给磁性组件和检测由曲绕或布置在磁性组件附近的检测线圈所产生的一电压信号。

图1说明一用于检测磁场的现有技术的基本电路图。参考图1，用虚线包围的振荡电路11产生一脉冲振荡，经由反相器12和电流调整电阻13的方式将电流流到MI组件14。然后，取出在MI组件14所造成的磁通量的变化产生曲绕在MI组件14的周围检测线圈15中电压的变化。检测线圈15的一端连接到接地端，而另一端连接到由一峰值检测二极管和一个RC电路所形成的一个波形检测电路16，以使得一个振幅调变磁场信号可从波形检测电路16中取出。相对地，磁场信号可以通过和一模拟开关与一保持电容建置的振荡电路11振荡的上升和下降的同步地同步检测。然后一个零外磁场特征的一个电压Vso以及与电压Vso相匹配的一个参考电压被选中，此是经由一个放大器17和在电源电压和接地端子之间插入的一可变电阻18。因此，输出电压是在放大器的输出端进行手动调整。

然而，Vso常因周围环境的变化而改变。在这种情况下，难以手动调整输出电压。如果检测线圈上的信号是尖锐的峰顶部，峰值检测的取样抖动也会导致高的信号变化。如果磁场不顺畅或磁场变化显著，即使加上非线性效应，它也无法优化信号的检测。因此，此种用于检测磁场的磁场检测电路无法检测到非常弱的磁场，特别是对于检测次mG（毫高斯）的磁场或嘈杂的磁场。针对现代的应用，特别是空中鼠标，陀螺仪等应用，此种检测技术将导致较大的误差。

针对某些情况，上述的现有检测磁场技术具有无法处理的缺点，尤其是振荡电路的组件固有噪声，取样抖动引起的峰值电压变化的噪声，影响非外部磁场特性的线圈负载效应，以及弱磁场等情况。因此，有必要设计具有高灵活性和可靠性的磁场检测技术。

发明内容

本发明实施例提供关于一种检测超弱磁场的系统和方法、缓冲单元、激源单元。所述方案使用一磁性阻抗组件来检测外部磁场的强度，其中磁性阻抗组件的阻抗依据外部磁场的变化而变动。更具体地说，本发明是关于由地磁或非常弱的电流产生非常弱的磁场的高灵敏度和高精度的检测技术。

本发明的一实施例是关于一种检测磁场的系统。该系统包括：由一检测线圈所包围的一磁性阻抗组件，产生可编程上升/下降时间的脉冲信号的激源单元以驱动磁性阻抗组件，以及一信号检测模块以检测检测线圈上的信号，其中信号检测模块包括：具有可调整的带宽形状的一缓冲单元将检测线圈的输出信号整型，一信号放大单元将缓冲单元输出的缓冲信号放大，一信号处理单元将信号放大单元放大后的信号施加可选择的算法，以输出检测结果，以及一控制单元连接信号处理单元，以产生激源单元、缓冲单元、信号放大单元和信号处理单元的控制参数。

进一步地，所述激源单元包括施加两个电压于两个开关耦接两个并联RC电路。

进一步地，所述缓冲单元提供一个选择的带宽的频率响应该检测线圈来减少因峰值取样抖动的信号的变化。

进一步地，所述信号放大单元包括一个取样和保持电路和一个斩波可编程增益放大器。

进一步地，所述信号处理单元包括一模拟/数字转换器和一个数字信号处理器。

进一步地，所述算法是一信号滤波。

进一步地，所述控制单元包括一个内存，用于储存更新的控制参数。

进一步地，所述控制参数是开关的切换时序、电压值、带宽参数以及滤波参数。

本发明实施例还提供一种缓冲单元，适应于检测超弱磁场的系统，

该缓冲单元具有可调整的带宽，提供一个带宽的频率响应一检测线圈的一输出信号来减少因峰值取样抖动的信号的变化，其中，该检测线圈的该输出信号是由围绕一磁性阻抗组件的该检测线圈感应而成。

本发明实施例还提供一种激源单元，适应于检测超弱磁场的系统，

该激源单元产生可编程上升/下降时间的信号来驱动一磁性阻抗组件，其中，该信号是由施加两个电压于两个开关耦接两个并联RC电路而形成。

本发明的另一实施范例是关于一种检测磁场的方法。该方法包括：产生可编程上升/下降时间的的电压来驱动环绕一磁性阻抗组件的一检测线圈；经由具有可调整带宽的一缓冲单元将检测线圈的输出信号整型；通过使用一取样和保持电路和一斩波可编程增益放大器将缓冲单元输出的缓冲信号放大；经由可选择的算法来处理放大后的信号以输出检测结果；以及检查检测结果来控制产生的电压，缓冲单元，取样和保持电路，斩波可编程增益放大器，以及算法。

所述的方法，其中，所述算法是一信号滤波。

所述的方法，其中，所述控制包括使用一个内存来储存更新后的控制状态。

兹配合下列图示、实施例详细说明及申请专利范围，将上述及本发明的其他优点详述于后。

附图说明

图1说明一用于检测磁场的现有技术的基本电路图；

图2是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明一种检测磁场的系统；

图3是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的激源单元；

图4a-4d是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图3中检测磁场的系统的可编程的上升/下降时间的激源单元所产生的信号；

图5是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的缓冲单元的输入信号和输出信号；

图6是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的信号放大单元；

图7是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的处理单元；

图8是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的的处理单元的可调整带宽；

图9a-9b是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明检测磁场的系统的建立和优化控制单元的控制参数的流程图；

图10是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明一种检测磁场的方法。

附图标记说明：

11-振荡电路；12-连接接口反相器；13-电流调整电阻；14-MI组件；15-检测线圈；16-波形检测电路；17-放大器；18-可变电阻；210-磁性阻抗组件；220-检测线圈；230-激源单元；240-信号检测模块；241-缓冲单元；242-信号放大单元；245-信号处理单元；246-控制单元；610-取样和保持电路；611、612-取样开关；613、614-保持电容；620-斩波可编程增益放大器；621、622、623、624-开关；625、626、627、628-开关；710-模拟/数字转换器；720-数字信号处理器；901-泵送高斯扫描磁场；902-覆盖磁屏蔽盒至此检测磁场的系统；903-不覆盖磁屏蔽盒至此检测磁场的系统；910-扫描标准磁场；920-进行全信号波形的取样；930-确认扫描环境完成；940-寻找新取样边缘；950-比较波峰的顶部和底部值；960-在控制单元中调整延迟电路970-改变激源单元中激源压摆率；980-改变缓冲单元中缓冲器的带宽；990-选择信号处理单元中数字信号处理(DSP)滤波；1010-产生可编程上升/下降时间的电压来驱动环绕一磁性阻抗组件的一检测线圈；1020-经由具有可调整带宽的一缓冲单元将检测线圈的输出信号整型；1030通过使用一取样和保持电路和一斩波可编程增益放大器将缓冲单元输出的缓冲信号放大；1040-经由可选择的算法来处理放大后的信号以输出检测结果；1050-检查检测结果来控制产生的电压，缓冲单元，取样和保持电路，斩波可编程增益放大器，以及算法。

具体实施方式

本发明实施例提供关于一种检测超弱磁场的系统和方法、缓冲单元、激源单元。所述方案使用一磁性阻抗组件来检测外部磁场的强度，其中磁性阻抗组件的阻抗依据外部磁场的变化而变动。更具体地说，本发明是关于由地磁或非常弱的电流产生非常弱的磁场的高灵敏度和高精度的检测技术。

本发明的一实施例是关于一种检测磁场的系统。图2是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明一种检测磁场的系统。参考图2，此系统包括由一检测线圈220所包围的一磁性阻抗组件210，一激源单元230产生可编程上升/下降时间的电压信号来驱动磁性阻抗组件210，和一信号检测模块240检测检测线圈220输出的信号，其中信号检测模块240包括具有可调整带宽的一缓冲单元241将检测线圈220的输出信号整型，一信号放大单元242将缓冲单元241输出的缓冲信号放大，一信号处理单元245通过施加可选择的算法将信号放大单元242放大的信号进行信号处理，以输出检测结果，并且一控制单元246连接信号处理单元245以产生激源单元230、缓冲单元241、信号放大单元242和信号处理单元245的控制参数。

参考图2，磁性阻抗组件210阻抗依据外部磁场的变化而变动。激源单元230产生可编程上升/下降时间的信号来驱动磁性阻抗组件210。激源单元230产生的信号可以由第三图所示的电路图来实现。如图3所示，两个电压V1和V2被施加于两个开关S1和S2耦接两个并联RC电路R1C1和R2C2的电路中，以连接磁性阻抗组件210的两个端点来驱动磁性阻抗组件210。

因此在图3中，经由两个电压V1和V2，开关S1和S2切换时序Φ1和Φ2，以及平行RC电路R1C1和R2C2，磁性阻抗组件210的两个端点的信号Ⅵ如图4a、图4b、图4c和图4d所示。在图4a中，两个电压V1和V2是两个不同的直流电压，开关S1和S2的切换时序Φ1和Φ2相同。在图4b中，两个电压V1和V2是两个不同的直流电压，开关S1和S2的切换时序Φ1和Φ2是不同的时钟时序。在图4c中，两个电压V1和V2是两个不同的电压，即V1是一个直流电压，V2是一个两阶级电压，开关S1和S2的切换时序Φ1和Φ2是两个不同的时钟的时间。如图4d所示，两个电压V1和V2是两个不同的直流电压，开关S1和S2的切换时序Φ1和Φ2是两个相反的时钟时序，以及R1C1和R2C2的组件值是不同的。上述两个电压V1和V2的不同电压值，开关S1和S2的切换时序Φ1和Φ2，以及平行RC电路R1C1和R2C2的组件值是可编程的，并且控制单元246通过产生相应的控制参数来控制。因此，激源单元230产生的信号是可编程上升/下降时间的信号。

承上述，将激源单元230产生的信号施加到磁性阻抗组件210的两个端点，根据其阻抗即产生一电流通过磁性阻抗组件210。检测线圈220是围绕，例如缠绕在磁性阻抗组件210上，因而感应一电压信号于检测线圈的两个端点，其中此电压信号根据电流与磁场成正比。

检测线圈220输出一个电压信号后，信号检测模块240检测到检测线圈上的信号。信号检测模块240的缓冲单元241具有可调整的带宽，可以将检测线圈输出信号的形状整型，以减少在峰值附近取样点的信号变化。图5是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的缓冲单元的输入信号和输出信号。缓冲单元提供了一个选择的带宽的频率响应于检测线圈来减少因峰值取样抖动的信号的变化。如图5所示，针对相同的取样抖动△t，缓冲单元的输出信号变化△V被减少。根据一实施范例，可调整带宽是可调整的，由控制单元246通过产生相应的控制参数来控制。

根据一实施范例，信号放大单元242连接到缓冲单元241以提供放大功能，以便进行进一步处理。图6是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的信号放大单元。如图6所示，信号放大单元242包括一个取样和保持电路610和一个斩波(Chopping)可编程增益放大器（ProgrammableGain Amplifier,PGA）620，将从缓冲单元的缓冲信号放大。该取样和保持电路610包括取样开关611和612，和保持电容613和614，以保持从缓冲单元的两个端子输出的缓冲电压的峰值。斩波可编程增益放大器（PGA）620包括开关621、622、623和624，用于将取样和保持电路610的两个端子输入的保持信号Vip和Vim作斩波，一个可编程增益放大器（PGA）用于放大，和开关625、626、627和628用于发送输出信号Vop和Vom到信号处理单元245。放大单元242的优点是减少闪烁噪声和由于不平衡的信号不匹配的噪声。取样开关611和612的开关时间，开关621-628的开关时间和可编程增益放大器（PGA）的放大是可编程的，并且由控制单元246通过产生相应的控制参数来作控制。因此，信号放大单元242的放大的信号是可编程的放大信号。

如图2所示，信号处理单元245连接到放大器242，通过施加可选择的算法来处理放大后的信号，以输出检测结果。图7是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明图2中检测磁场的系统的处理单元。参考图7，信号处理单元包括一模拟/数字转换器（ADC）710和一个数字信号处理器（DSP）720。其中，模拟/数字转换器710将放大单元输出的模拟信号转换成数字数据，并且数字信号处理器720进行不同的信号处理算法，例如数字信号滤波，以便为不同的应用减少频带外噪声。如图8是与本发明的一实施范例一致的一示意图，用于信号处理的可调整带宽是由图7的数字信号处理器来实现。用于信号处理的可调整带宽是可调整的，并通过控制单元246产生相应的控制参数来控制。

根据一实施范例，控制单元246连接信号处理单元245，以产生激源单元、缓冲单元、信号放大单元和信号处理单元的控制参数。控制单元连接、处理单元，产生控制参数，例如激源单元中开关的切换时序和电压值，缓冲单元的带宽参数，信号放大单元的开关时序，以及信号处理单元中的滤波参数。控制单元可以包括时序延迟电路来调整开关的切换时序。此外，控制单元246可以进一步包括一个内存，用于存储更新的控制参数。

承上述，图9a和图9b是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明检测磁场的系统的建立和优化控制单元的控制参数的流程图。参考图9a，系统的建立是以两个步骤使用泵送高斯扫描磁场901到此检测磁场的系统，其中第一步骤是覆盖磁屏蔽盒至此检测磁场的系统902，和第二步骤是不覆盖磁屏蔽盒至此检测磁场的系统903。而优化控制单元的控制参数的流程图如图9b所示。在图9b中，首先系统扫描标准磁场（步骤910），然后在控制单元中使用延迟电路，产生时序进行全信号波形的取样（步骤920），以确认扫描环境完成（步骤930）。然后如果需要的话，经由比较波峰的顶部和底部值（步骤950），系统寻找新取样边缘（步骤940），并在控制单元中调整延迟电路（步骤960）。最后，系统通过改变激源单元中激源压摆率（上升/下降时间）（步骤970），改变缓冲单元中缓冲器的带宽（步骤980），以及选择信号处理单元中数字信号处理(DSP)滤波（步骤990）以优化系统性能，来获得更好的检测结果。

另一实施范例涉及一种检测磁场的方法。图10是与本发明的一实施范例一致的一示意图，说明一种检测磁场的方法。该检测磁场的方法包括：产生可编程上升/下降时间的电压来驱动环绕一磁性阻抗组件的一检测线圈（步骤1010）；经由具有可调整带宽的一缓冲单元将检测线圈的输出信号整型（步骤1020）；通过使用一取样和保持电路和一斩波可编程增益放大器将缓冲单元输出的缓冲信号放大（步骤1030）；经由可选择的算法来处理放大后的信号以输出检测结果（步骤1040）；以及检查检测结果来控制产生的电压，缓冲单元，取样和保持电路，斩波可编程增益放大器，以及算法（步骤1050）。

承上述，根据一实施范例，在步骤1050中的控制可以包括使用一个内存，用于储存更新后的控制状态。处理放大的信号的可选择的算法可以例如是信号滤波。

本实施范例提供一种磁场检测技术，使用一具有可调整的压摆率的信号产生器，一缓冲器为信号整形以减少取样抖动的影响，一取样和保持电路和一个斩波PGA作为差动信号的放大以减少信号不平衡的影响，以及一数字信号处理作为不同的应用的滤波，以减少频带外噪声。此磁场检测技术具有灵活性和可靠性，提供了一种用于由地磁或非常弱的电流产生非常弱磁场的高灵敏度和高精度的检测。

以上所述都仅为本发明实施例，不能依此限定本发明实施的范围。大凡本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围。

Claims (13)

1.一种检测超弱磁场的系统，其特征在于，该系统包括：

由一检测线圈所包围的一磁性阻抗组件；

产生可编程上升/下降时间的脉冲信号的一激源单元以驱动该磁性阻抗组件；以及

一信号检测模块以检测该检测线圈上的信号，

其中该信号检测模块包括：

具有可调整带宽形状的一缓冲单元将该检测线圈的输出信号整型；

一信号放大单元将该缓冲单元输出的缓冲信号放大；

一信号处理单元将该信号放大单元放大后的信号施加可选择的算法，以输出检测结果；以及

一控制单元连接该信号处理单元，以产生该激源单元、该缓冲单元、该信号放大单元和该信号处理单元的控制参数。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该激源单元包括施加两个电压于两个开关耦接两个并联RC电路。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该缓冲单元提供一个选择的带宽的频率响应该检测线圈来减少因峰值取样抖动的信号的变化。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该信号放大单元包括一个取样和保持电路和一个斩波可编程增益放大器。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该信号处理单元包括一模拟/数字转换器和一个数字信号处理器。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该算法是一信号滤波。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该控制单元包括一个内存，用于储存更新的控制参数。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该控制参数是开关的切换时序、电压值、带宽参数以及滤波参数。

9.一种缓冲单元，适应于检测超弱磁场的系统，其特征在于，

该缓冲单元具有可调整的带宽，提供一个带宽的频率响应一检测线圈的一输出信号来减少因峰值取样抖动的信号的变化，其中该检测线圈的该输出信号是由围绕一磁性阻抗组件的该检测线圈感应而成。

10.一种激源单元，适应于检测超弱磁场的系统，其特征在于，

该激源单元产生可编程上升/下降时间的信号来驱动一磁性阻抗组件，其中该信号是由施加两个电压于两个开关耦接两个并联RC电路而形成。

11.一种检测超弱磁场的方法，其特征在于，该方法包括：

产生可编程上升/下降时间的电压来驱动环绕一磁性阻抗组件的一检测线圈；

经由具有可调整带宽的一缓冲单元将该检测线圈的输出信号整型；

通过使用一取样和保持电路和一斩波可编程增益放大器将该缓冲单元输出的缓冲信号放大；

经由可选择的算法来处理放大后的信号以输出检测结果；以及

检查该检测结果来控制该产生的电压，该缓冲单元，该取样和保持电路，该斩波可编程增益放大器，以及该算法。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该算法是一信号滤波。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该控制包括使用一个内存来储存更新后的控制状态。