CN105700028A - 一种光泵磁力仪电路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光泵磁力仪电路系统，包括：探头，微处理器最小系统，电源电路，激励源电路和测量电路；其中激励源电路又包括D/A转换器，放大电路和激励电路三个部分；测量电路部分包括选频电路、低噪声放大电路和A/D采样电路。激励源电路由D/A转换、激励电路、带通电路和放大电路几个部分组成微处理最小系统的信号经过D/A转换和放大电路，激励电路形成激励源，给探头提供稳流，探头的探测信号经过选频，放大处理后，用A/D采样把模拟信号转换为数字信号送给微处理器。这种设计简化了传统磁力仪的硬件电路部分，用微处理器代替硬件闭环，可使硬件电路大大简化；降低了成本，减小了体积，又保证了强大的处理能力和比较高的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种全数字光泵磁力仪电路系统，属于磁测量领域。
背景技术
光泵磁力仪是一种基于光泵技术的磁场强度测量仪器，这类磁力仪最主要的优点是具有较高的灵敏度以及可以连续测量，被广泛应用于地球磁场模量和模量梯度的测量。
铯光泵磁力仪在航空领域中应用比较广泛，包括美国、苏俄、加拿大等国家很早就开始针对铯光泵磁力仪进行研究和应用。最具有代表性的是G-822铯光泵磁力仪和CS-3铯光泵磁力仪；前者是美国Geometries研发的，后者是加拿大Scintrex公司制造的。G-822铯光泵磁力仪和CS-3铯光泵磁力仪是基于自激振荡的工作模式，能够快速响应外磁场的变换，基于这种原理的磁力仪的一个特点就是分辨率高。在磁力仪的制造过程中还使用了包括一些光学的技术，如利用启偏器将自然光分成偏振光，大大减少了测量过程中的方位误差。苏俄虽然在航空测磁领域的磁力仪方面也进行了很多的理论和实践研究，并且达到了一定高度，但是并没有最后推向市场。
加拿大的CAE公司同样在铯磁力仪的研究开发和制造方面走在世界先进行列。其代表性的产品应用是MAD系统，MAD系统代表型号AN/ASQ-508(V)能够应用于军事领域，包括海底核潜艇的探测，安装在一些战机上面用于反潜战。
在航空重力测量领域，一些公司推出了自己的产品，包括俄罗斯推出的GT-1A、GT-2A,加拿大的AIRGrav,技术已经成熟；在航空测磁领域，俄罗斯的航空地球物理公司采用CS-3铯磁力仪或G-822铯磁力仪制作了一套航空测量系统Aeromaster100，测量范围能够达到15000-130000nT，速度每秒100次，分辨率为l-10pT。另外加拿大的JustinLWard和BruceMcMonnies发布的论文论述航空测磁的发展幵始了对磁场梯度测量的先驱。论文论述和单探头测磁向多探头测磁的发展，以及未来全张量的测量和数据处理理论。在另外一些机构如美国SEG重磁委员会主办了梯度测量专题讨论会，探讨梯度测量技术在环境调査、地质勘探、地球物理等方面的应用，研讨会讨论的的论文包括石油勘探和地质填图、探测UXO、考古、寻找金刚石等方面的应用。
我们国家目前自主研发的HC-2000氦光泵磁力仪灵敏度已达到0.3Pt，能够代表我国航空磁力仪的先进水平[1\但是在铯光泵磁力仪的研究方面，我们还没有很成熟的应用，处于起歩阶段。目前的研究现状还处于单探头航空测量，核工业航测遥感中心和国土资源部航遥中心已经开始了尝试多探头的场梯度测量，具体的事例是将4台CS-3铯光泵磁力仪安装在飞机上进行航磁梯度测量航磁全轴梯度勘査系统的研制。
通过光泵磁力仪物理学原理可知，对磁场测量可转换为频率测量，传统的频率频率测量系统釆用分立元件设计而成，产品设计周期长、体积大、稳定性差，并且成本、功耗高。提高频率量精度、测量速度，对提高磁场测量系统的精度和灵敏度有很大作用。磁场测量系统设计成小型的，数字化，智能化的磁场测量系统是未来发展的方向。
随着电子技术和集成电路的发展，采用单元电路和单片机来设计频率测量系统成为了一个方向，结合微处理器技术，在线编程，改进系统设计，不需要更高硬件电路，使得电子系统设计更加方便。既可以作为独立的频率计使用，也可作为其他系统中的频率测量部分。
发明内容
本发明的目的在于提出一种一种全数字光泵磁力仪电路系统。这种设计简化了传统磁力仪的硬件电路部分，用微处理器代替硬件闭环，可使硬件电路大大简化；电路的调试方便，信号经过A/D采样后可以用软件实现原来需要由硬件完成移相，相加，积分等功能，这使硬件电路的调试大大减轻，无需对每一个硬件环节调试；方便仪器参数的修改。并且，既降低了成本，减小了体积，又保证了强大的处理能力和比较高的精度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种全数字光泵磁力仪电路系统包括：其主要组成部分包括有探头，微处理器最小系统，电源电路，激励源电路和测量电路；
微处理器最小系统是整个系统的核心部分，负责接收A/D采样电路采集的光泵磁力仪电路探头电压，并且进行解算处理，传递给上位机显示探头探测到的电压，还有提供直接调制探头所需测量频率；
测量电路由选频电路、低噪声放大电路和A/D采样电路三个部分组成，选频电路滤除探头接收到的杂散噪声，提高测量信号的信噪比，低噪声放大电路放大将信号放大，A/D采样电路将模拟信号转变为数字信号，同时传送给微处理器；
激励源电路由D/A转换、激励电路、带通电路和放大电路几个部分组成，D/A电路将微处理器提供的激励信号频率转换成模拟信号，这个模拟信号作用于激励电路，转变成固定频率的激励信号，带通信号滤除激励信号的杂散噪声，放大电路将激励信号调整到探头工作的最佳频率；
电源电路将+5V电压转变成各个器件所需要的电压。
微处理器最小系统为MSP430处理器，MSP430高度正交的架构可提供高度灵活的16个可完全寻址的、单周期操作的16位CPU内核寄存器；RISC指令集采用了27条简便的核心指令与7种统一的寻址模式，这样的16位低功耗CPU相对于其他8位/16位微控制器而言，能够更高效地进行运算处理，体积更小，代码效率更高。
探头为AN/ASQ-208型He光泵磁力仪，数字AN/ASQ一208型磁力仪的灵敏度为3pT/Hz，频带从直流到216Hz，AN/ASQ-208MAD系统是以氦灯作光源的He光泵磁力仪。
电源电路包括给MSP430供电的3.3V直流电源以及给探头和芯片供电的+1.6V标准电压，电源模块是TI公司的TPS76D3OI，它是一款低压差线性稳压器(LDO)，输出电压为+3.3V和可调电压1.6V，能满足MSP430的电源电压需要(1.6V和3.3V)和存储器模块、AN/ASQ-208型He光泵磁力仪等需要的3.3V的电源要求。
激励源电路又包括D/A转换器，带通滤波器，放大电路和激励电路四个部分，D/A转换器将微处理器给出的数字信号转变成模拟信号，然后这个模拟信号再通过激励电路转换成对探头控制的电压幅值信号和频率信号；放大电路将激励信号放大，给探头提供激励。
D/A转换电路所采用芯片为LTCl821和其它一些匹配器件；其中以LTC1821和高精度电压放大器LTC1001组成双极性电压输出的数模转换电路，LTC芯片的参考电压设置为15V，而电路的输出范围为-15V到+15V；其所用滤波电容为0.1nF。
带通滤波电路为压控电压二阶带通滤波电路；其RC阻容设计分别为R101＝R104＝R105＝2kΩ,R102＝4kΩ,C105＝C106＝0.01uF,C107＝C108＝0.1uF.
激励电路由低功耗可编程波形发生芯片AD9833和外围器件构成。测量电路部分包括选频电路，放大电路以及A/D采样电路；选频电路又可以叫做选频放大电路，可以滤除探头输出信号的二次谐波分量，然后再将经过过滤的信号进行放大，直至放大到可以经过A/D采样电路识别的信号要求，A/D采样电路将传送来的模拟信号转换成数字信号并输入微处理器。
附图说明
图1是本发明磁力仪的硬件电路设计框图。
图2是采样电路原理图
图3是压控电压二阶带通滤波电路
具体实施方式
实施例1
一种全数字光泵磁力仪电路系统包括：其主要组成部分包括有探头，微处理器最小系统，电源电路，激励源电路和测量电路；
微处理器最小系统是整个系统的核心部分，负责接收A/D采样电路采集的光泵磁力仪电路探头电压，并且进行解算处理，传递给上位机显示探头探测到的电压，还有提供直接调制探头所需测量频率；
测量电路由选频电路、低噪声放大电路和A/D采样电路三个部分组成，选频电路滤除探头接收到的杂散噪声，提高测量信号的信噪比，低噪声放大电路放大将信号放大，A/D采样电路将模拟信号转变为数字信号，同时传送给微处理器；
激励源电路由D/A转换、激励电路、带通电路和放大电路几个部分组成，D/A电路将微处理器提供的激励信号频率转换成模拟信号，这个模拟信号作用于激励电路，转变成固定频率的激励信号，带通信号滤除激励信号的杂散噪声，放大电路将激励信号调整到探头工作的最佳频率；
电源电路将+5V电压转变成各个器件所需要的电压。
具体实施示例2
微处理器最小系统为MSP430处理器，MSP430高度正交的架构可提供高度灵活的16个可完全寻址的、单周期操作的16位CPU内核寄存器；RISC指令集采用了27条简便的核心指令与7种统一的寻址模式，这样的16位低功耗CPU相对于其他8位/16位微控制器而言，能够更高效地进行运算处理，体积更小，代码效率更高。
探头为AN/ASQ-208型He光泵磁力仪，数字AN/ASQ一208型磁力仪的灵敏度为3pT/Hz，频带从直流到216Hz，AN/ASQ-208MAD系统是以氦灯作光源的He光泵磁力仪。
电源电路包括给MSP430供电的3.3V直流电源以及给探头和芯片供电的+1.6V标准电压，电源模块是TI公司的TPS76D3OI，它是一款低压差线性稳压器(LDO)，输出电压为+3.3V和可调电压1.6V，能满足MSP430的电源电压需要(1.6V和3.3V)和存储器模块、AN/ASQ-208型He光泵磁力仪等需要的3.3V的电源要求。
激励源电路又包括D/A转换器，带通滤波器，放大电路和激励电路四个部分，D/A转换器将微处理器给出的数字信号转变成模拟信号，然后这个模拟信号再通过激励电路转换成对探头控制的电压幅值信号和频率信号；放大电路将激励信号放大，给探头提供激励。
D/A转换电路所采用芯片为LTCl821和其它一些匹配器件；其中以LTC1821和高精度电压放大器LTC1001组成双极性电压输出的数模转换电路，LTC芯片的参考电压设置为15V，而电路的输出范围为-15V到+15V；其所用滤波电容为0.1nF。
带通滤波电路为压控电压二阶带通滤波电路；其RC阻容设计分别为R101＝R104＝R105＝2kΩ,R102＝4kΩ,C105＝C106＝0.01uF,C107＝C108＝0.1uF.
激励电路由低功耗可编程波形发生芯片AD9833和外围器件构成。测量电路部分包括选频电路，放大电路以及A/D采样电路；选频电路又可以叫做选频放大电路，可以滤除探头输出信号的二次谐波分量，然后再将经过过滤的信号进行放大，直至放大到可以经过A/D采样电路识别的信号要求，A/D采样电路将传送来的模拟信号转换成数字信号并输入微处理器。
述放大电路为选频放大电路，其滤出探头输出信号的二次谐波分量，并使其尽可能少的非二次谐波分量进入后级的放大电路，其由放大电路芯片OP07配合电阻电容构成。
Claims (10)
1.一种光泵磁力仪电路系统，其特征在于：其主要组成部分包括有探头，微处理器最小系统，电源电路，激励源电路和测量电路；
微处理器最小系统是整个系统的核心部分，负责接收A/D采样电路采集的光泵磁力仪电路探头电压，并且进行解算处理，传递给上位机显示探头探测到的电压，还有提供直接调制探头所需测量频率；
测量电路由选频电路、低噪声放大电路和A/D采样电路三个部分组成，选频电路滤除探头接收到的杂散噪声，提高测量信号的信噪比，低噪声放大电路放大将信号放大，A/D采样电路将模拟信号转变为数字信号，同时传送给微处理器；
激励源电路由D/A转换、激励电路、带通电路和放大电路几个部分组成，D/A电路将微处理器提供的激励信号频率转换成模拟信号，这个模拟信号作用于激励电路，转变成固定频率的激励信号，带通信号滤除激励信号的杂散噪声，放大电路将激励信号调整到探头工作的最佳频率；
电源电路将+5V电压转变成各个器件所需要的电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微处理器最小系统为MSP430处理器，MSP430高度正交的架构可提供高度灵活的16个可完全寻址的、单周期操作的16位CPU内核寄存器；RISC指令集采用了27条简便的核心指令与7种统一的寻址模式，这样的16位低功耗CPU相对于其他8位/16位微控制器而言，能够更高效地进行运算处理，体积更小，代码效率更高。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探头为AN/ASQ-208型He光泵磁力仪，数字AN/ASQ-208型磁力仪的灵敏度为3pT/Hz，频带从直流到216Hz，AN/ASQ-208MAD系统是以氦灯作光源的He光泵磁力仪。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源电路包括给MSP430供电的3.3V直流电源以及给探头和芯片供电的+1.6V标准电压，电源模块是TI公司的TPS76D3OI，它是一款低压差线性稳压器(LDO)，输出电压为+3.3V和可调电压1.6V，能满足MSP430的电源电压需要(1.6V和3.3V)和存储器模块、AN/ASQ-208型He光泵磁力仪等需要的3.3V的电源要求。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述激励源电路又包括D/A转换器，带通滤波器，放大电路和激励电路四个部分，D/A转换器将微处理器给出的数字信号转变成模拟信号，然后这个模拟信号再通过激励电路转换成对探头控制的电压幅值信号和频率信号；放大电路将激励信号放大，给探头提供激励。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述D/A转换电路所采用芯片为LTCl821和其它一些匹配器件；其中以LTC1821和高精度电压放大器LTC1001组成双极性电压输出的数模转换电路，LTC芯片的参考电压设置为15V，而电路的输出范围为-15V到+15V；其所用滤波电容为0.1nF。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述带通滤波电路为压控电压二阶带通滤波电路；其RC阻容设计分别为R101＝R104＝R105＝2kΩ,R102＝4kΩ,C105＝C106＝0.01uF,C107＝C108＝0.1uF.
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述激励电路由低功耗可编程波形发生芯片AD9833和外围器件构成。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述测量电路部分包括选频电路，放大电路以及A/D采样电路；选频电路又可以叫做选频放大电路，可以滤除探头输出信号的二次谐波分量，然后再将经过过滤的信号进行放大，直至放大到可以经过A/D采样电路识别的信号要求，A/D采样电路将传送来的模拟信号转换成数字信号并输入微处理器。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于所述述放大电路为选频放大电路，其滤出探头输出信号的二次谐波分量，并使其尽可能少的非二次谐波分量进入后级的放大电路，其由放大电路芯片OP07配合电阻电容构成。
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2015
- 2015-10-21 CN CN201510685755.4A patent/CN105700028A/zh active Pending
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