CN105572606A - 基于fpga的磁通门微小信号检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的磁通门微小信号检测系统及方法，该系统包括检测模块、输出模块和由FPGA实现的处理模块，其中检测模块将磁通门信号转化为数字信号传送到处理模块，该处理模块处理后得到二次谐波信号并传送到输出模块，该方法为首先将频率为f₀/2正弦波经功率放大后对磁通门传感器的激励线圈进行饱和激励，生成频率为f₀磁通门信号，该磁通门信号经滤波并进行模数转换后，与两路参考信号进行互相关检测得到二次谐波信号及其幅值与相位，最后该二次谐波信号经数模转换后带动负载工作，本发明利用FPGA实现相关运算处理，减少了信号传输的滞后性，噪声抑制能力强，信号处理便利，同时其测量精度高，可以检测纳伏级的微弱信号。

Description

基于FPGA的磁通门微小信号检测系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种微弱磁场测量控制领域的技术，具体是一种基于FPGA的磁通门微小信号检测系统及方法。

背景技术

磁通门传感器是一种测量磁场信息的传感器，广泛应用于微磁测量。磁通门现象是一种普遍的电磁感应现象，当铁芯磁导率随激励磁场强度发生变化时，输出线圈的感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波分量。由于磁通门传感器的感应线圈中的输出信号非常微弱，往往被噪声信号淹没，提取有用的二次谐波信号会非常的困难。

在现有的微弱信号检测方法中，模拟锁相放大器是一种广泛应用的检测方法，不过由于其采用模拟电路来实现，受到电子器件的特性影响，会引进很多的噪声，容易受到温漂的影响，且相关检测器的积分时间有限，导致检测精度受到限制。数字锁相放大器的出现克服了模拟锁相放大器的一些缺点，极大地改善了锁相放大器的性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于FPGA的磁通门微小信号检测系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于FPGA的磁通门微小信号检测系统，包括：检测模块、处理模块和输出模块，其中：检测模块将磁通门信号转化为数字信号传送到处理模块，该处理模块处理后得到二次谐波信号并传送到输出模块。

所述的检测模块包括：磁通门传感器、差分放大器以及带通滤波器，其中：磁通门传感器、差分放大器和带通滤波器依次串联，带通滤波器连有模数转换器。

所述的处理模块包括：直接数字频率合成(DDS)发生器、数字相敏检波器、第一低通滤波器和运算处理器，其中：数字相敏检波器、第一低通滤波器和运算处理器相连，数字相敏检波器另一端与模数转换器相连，DDS发生器与磁通门传感器相连。

所述的输出模块包括：液晶显示器、数模转换器和第二低通滤波器，其中：液晶显示器与所述运算处理器相连，数模转换器分别与第二低通滤波器和运算处理器相连，第二低通滤波器另一端经第二功率放大器与负载相连。

所述的处理模块由现场可编程门阵列(FPGA)实现。

所述的带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器构成。

所述的磁通门微小信号检测系统设有直流稳压电源模块。

本发明涉及上述系统的磁通门微小信号检测方法，首先将频率为f₀/2正弦波经功率放大后对磁通门传感器的激励线圈进行饱和激励，生成频率为f₀磁通门信号，该磁通门信号经滤波并进行模数(AD)转换后，与两路正交的参考信号进行互相关检测得到二次谐波信号及其幅值与相位，最后该二次谐波信号经数模(DA)转换后带动负载工作。

所述的磁通门微小信号检测方法具体包括以下步骤：

1)产生频率为f₀/2的正弦波信号并经功率放大后输入激励线圈；

2)感应线圈输出频率为的f₀磁通门信号并通过带通滤波降低噪声；

3)进行模数转换将磁通门信号转换为数字信号；

4)将磁通门信号与参考信号进行互相关检测得到其中的二次谐波信号；

5)计算得到二次谐波信号的幅值与相位；

6)通过数模转换，将二次谐波信号转换为模拟信号带动负载工作。

所述的f₀频率范围为10KHz～5MHz。

所述的两路参考信号为r_s(k)和r_c(k)，其中：和其频率都为f₀，n＝f_s/f₀，k＝0,1,...,(n×m-1)，f_s为采样频率，m为周期数。

所述的二次谐波信号的幅值相位为其中：

技术效果

与现有技术相比，本发明利用FPGA实现相关运算处理，减少了信号传输的滞后性，噪声抑制能力强，信号处理便利，同时其测量精度高，可以检测纳伏级的微弱信号。

附图说明

图1为基于FPGA的磁通门微小信号检测系统的结构示意图；

图2为磁通门微小信号检测方法的流程示意图；

图3为参考信号生成过程框图；

图4为处理模块中信号处理示意图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例中磁通门微小信号检测系统包括：检测模块、处理模块和输出模块，其中：检测模块将磁通门信号转化为数字信号传送到处理模块，该处理模块处理后得到二次谐波信号并传送到输出模块。

所述的检测模块包括：磁通门传感器、差分放大器以及带通滤波器，其中：磁通门传感器、差分放大器和带通滤波器依次串联，带通滤波器另一端连有模数转换器。该磁通门传感器另一端连有第一功率放大器。

所述的处理模块包括：DDS发生器、数字相敏检波器、第一低通滤波器和运算处理器，其中：数字相敏检波器、第一低通滤波器和运算处理器相连，数字相敏检波器另一端与模数转换器相连，DDS发生器与第一功率放大器相连。该处理模块通过FPGA来实现。

所述的输出模块包括：液晶显示器、数模转换器和第二低通滤波器，其中：液晶显示器与所述运算处理器相连，数模转换器分别与第二低通滤波器和运算处理器相连，第二低通滤波器另一端经第二功率放大器与负载相连。

如图2所示，本实施例中的磁通门微小信号检测方法为：首先将频率为f₀/2正弦波经功率放大后对磁通门传感器的激励线圈进行饱和激励，生成频率为f₀磁通门信号，该磁通门信号经滤波并进行模数转换后，与两路参考信号进行互相关检测得到二次谐波信号及其幅值与相位，最后该二次谐波信号经数模转换后带动负载工作。

步骤1、产生频率为f₀/2的正弦波信号并经功率放大后输入激励线圈。由处理模块中的DDS发生器生成频率为f₀/2正弦波激磁电源，经第一功率放大器放大后，对磁通门传感器中的激励线圈进行饱和激励。在磁通门传感器中的高导磁率的铁芯周围分别围绕有激励线圈和感应线圈，在频率为f₀/2的正弦波激磁电源激励下，铁芯被激励线圈中产生的磁场周期性的饱和磁化，感应线圈在外部磁场的作用下产生与外部磁场强度成一定比例的输出电压，经滤波处理可以得到频率为f₀的磁通门信号。

步骤2、感应线圈输出频率为的f₀磁通门信号并通过带通滤波降低噪声。磁通门信号经过差分放大器放大后，再通过带通滤波器，使得与该信号混杂的噪声得到初步抑制。所述带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器组合成，分别设定其拐点频率，使得带通滤波器的中心频率为载波频率ω₀＝2πf₀。

步骤3、将磁通门信号转换为数字信号。经AD转换器采样，转换成数字信号，通过数据线并行送入设置于FPGA中的处理模块。

步骤4、将磁通门信号与参考信号进行互相关检测得到其中的二次谐波信号。

如图3所示，所述的参考信号的生成依据了DDS发生器的原理，由FPGA内部的逻辑单元生成。相位累加器有一个N位加法器和一个N位的相位寄存器组成，在每一个参考时钟f_c脉冲内，相位累加器不断地循环累加，每次输出的相位数据为一个周期型的数值，由频率控制字K和相位累加器的字长N决定周期大小，输出信号的周期和频率分别为： ROM查询表所存储的数据为每个相位所对应的二进制数字正弦幅度值，产生的信号经波形ROM查询表存储波形幅值数据，进行相位和幅值相位和幅值的转换，当相位累加器送出相位值到ROM存储器的地址线上时，在ROM存储器的数据端则送出相应相位地址所对应的幅值，作为参考信号。使用MIF生成器生成正弦、余弦查询表文件，分别导入ROM存储器，使得两路参考信号的相位相差90°(即正交)，分别与磁通门信号一起进入数字相敏检波器。

如图4所示，所述的互相关检测是以相干检测技术为基础，利用和被测信号(磁通门信号)有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)的噪声分量有响应，对不相关的随机噪声信号没有响应，以此对进入的被测信号进行处理，抑制不相关的噪声信号，改善被测信号的信噪比，消除对输出的影响。

所述的磁通门信号与参考信号r(t)，一起进入数字相敏检波器中，而后通过低通滤波器。所述磁通门信号s(t)与背景噪声信号N(t)的混合为Y(t)。r(t)与Y(t)的相关函数R_Yr(τ)为：

$\begin{array}{c}{R}_{Yr}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}\underset{-T}{\overset{T}{\∫}}Y\left(t\right).r\left(t-\mathrm{\τ}\right)dt=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}\underset{-T}{\overset{T}{\∫}}\[s\left(t\right)+N\left(t\right)\].r\left(t-\mathrm{\τ}\right)dt\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}\underset{-T}{\overset{T}{\∫}}Y\left(t\right).r\left(t-\mathrm{\τ}\right)dt=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}\underset{-T}{\overset{T}{\∫}}N\left(t\right).r\left(t-\mathrm{\τ}\right)dt\\ =R_{sr}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{Nr}\left(\mathrm{\τ}\right)\end{array}$

由于噪声是随机的，噪声与参考信号的相关性很小，可以忽略不计，R_Nr(τ)＝0，因此R_Yr(τ)＝R_sr(τ)。

所述的模数转换模块的采样频率为f_s，参考信号的频率为f₀，每个周期内的采样点数为n＝f_s/f₀，连续采样m个周期的采样数为n×m。

所述的磁通门信号为：经采样之后转换成数字信号序列，得到磁通门信号序列为：

两路参考信号的数字序列为： 则其与磁通门信号的运算结果为：

步骤5、计算得到二次谐波信号的幅值与相位。二次谐波信号的幅值V_s和相位分别为： 通过FPGA中的自乘模块、加法器和开方模块计算出二次谐波信号的幅值与相位。

步骤6、通过数模转换，将二次谐波信号转换为模拟信号带动负载工作。经过处理模块的运算处理，测得了磁通门传感器感应线圈的二次谐波信号的幅值与相位，可以显示在液晶显示器上。FPGA通过数据线和时钟线将处理之后的二次谐波信号通过数模转换器，将数字信号转换成模拟电流信号，此时得到的输出信号为阶梯波。再经过第二低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波，滤除其中的高频杂散部分，将光滑的模拟信号通过第二功率放大器，通过运放转化成电压信号，带动负载工作。

所述的磁通门信号与参考信号进入数字相敏检波器之后，信噪比得到了很大的提高，相敏检波器的功率信噪改善比其中SNIR_O和SNIR_I分别为数字相敏检波器的输入、输出功率信噪比，B_I为数字相敏检波器前端的放大电路的等效带宽，B_L为后端的第一低通滤波器的等效带宽。放大电路的等效带宽B_I一般固定不变，将第一低通滤波器的带宽B_L设计的很小，此时SNIR的值就会非常大，系统的信噪比就会得到很大的改善。

与现有技术相比，本发明利用FPGA实现相关运算检测，编程灵活，程序可靠性高，并行运算效率极快，减少了信号传输的滞后性；以相干检测技术为基础，根据互相关检测原理，实现锁相放大功能，噪声抑制能力强，信噪比可以达到80dB以上，可以检测出淹没在噪声中的二次谐波信号；对信号处理便利，便于进行集成、微型化；测量精度非常高，可以检测纳伏级的微弱信号，系统的相对误差可以控制在0.2％左右。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的磁通门微小信号检测系统，其特征在于，包括：检测模块、输出模块和由FPGA实现的处理模块，其中：检测模块将磁通门信号转化为数字信号传送到处理模块，该处理模块处理后得到二次谐波信号并传送到输出模块；

所述的检测模块包括：磁通门传感器、差分放大器以及带通滤波器，其中：磁通门传感器、差分放大器和带通滤波器依次串联，带通滤波器连有模数转换器；

所述的处理模块包括：DDS发生器、数字相敏检波器、第一低通滤波器和运算处理器，其中：数字相敏检波器、第一低通滤波器和运算处理器相连，数字相敏检波器另一端与模数转换器相连，DDS发生器与磁通门传感器相连；

所述的输出模块包括：液晶显示器、数模转换器和第二低通滤波器，其中：液晶显示器与所述运算处理器相连，数模转换器分别与第二低通滤波器和运算处理器相连，第二低通滤波器另一端经第二功率放大器与负载相连。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的磁通门微小信号检测系统，其特征是，所述的带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器构成。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的磁通门微小信号检测系统，其特征是，所述的磁通门微小信号检测系统设有直流稳压电源模块。

4.一种基于上述任一权利要求所述系统的磁通门微小信号检测方法，其特征在于，首先将频率为f₀/2正弦波经功率放大后对磁通门传感器的激励线圈进行饱和激励，生成频率为f₀磁通门信号，该磁通门信号经滤波并进行模数转换后，与两路正交的参考信号进行互相关检测得到二次谐波信号及其幅值与相位，最后该二次谐波信号经数模转换后带动负载工作。

5.根据权利要求4所述的磁通门微小信号检测方法，其特征是，具体包括以下步骤：

1)产生频率为f₀/2的正弦波信号并经功率放大后输入激励线圈；

2)感应线圈输出频率为的f₀磁通门信号并通过带通滤波降低噪声；

3)进行模数转换将磁通门信号转换为数字信号；

4)将磁通门信号与参考信号进行互相关检测得到其中的二次谐波信号；

5)计算得到二次谐波信号的幅值与相位；

6)通过数模转换，将二次谐波信号转换为模拟信号带动负载工作。

6.根据权利要求4或5所述的磁通门微小信号检测方法，其特征是，所述的f₀频率范围为10KHz～5MHz。

7.根据权利要求6所述的磁通门微小信号检测方法，其特征是，所述的两路参考信号为r_s(k)和r_c(k)，其中：和其频率都为f₀，n＝f_s/f₀，k＝0,1,...,(n×m-1)，f_s为采样频率，m为周期数。

8.根据权利要求7所述的磁通门微小信号检测方法，其特征是，所述的二次谐波信号的幅值相位为其中：