CN108490823A - 高精度磁场驱动程控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度磁场驱动程控系统，主要包括电压‑电流(V‑I)转换电路、数/模分离式电源模块、高精度DAC控制模块、FPGA数字控制装置和LabVIEW上位机。其中FPGA数字控制装置包括串口通信接口模块、交流信号生成控制器和直流信号生成控制器，LabVIEW上位机用于磁场驱动的电流信号控制字的生成与显示。本发明通过引入交直流分离的电压‑电流转换电路方案和FPGA数字控制装置，实现了对三轴线圈的磁场交直流混叠输出高精度稳定控制，避免了电压源方案的磁场控制精度不足的问题，提高了磁场交直流混叠输出的精度和稳定性；以LabVIEW为软件平台，利于友好的人机交互，同时具有结构简单、操作便捷的特点，便于其它实验研究进行移植开发，缩减开发周期节约研发成本。

Description

高精度磁场驱动程控系统

技术领域

本发明涉及一种高精度磁场驱动程控系统，用于需要对磁场进行精确稳定控制的领域，如量子传感领域、航空航天领域和医工交叉领域等，其特别适用作为核磁共振陀螺仪中磁场闭环控制的驱动系统。

背景技术

核磁共振陀螺仪是利用激光与核磁共振气室中的碱金属原子和惰性气体原子的相互作用使核子以拉莫尔频率进动，保持在共振状态，进而检测载体的角速度信息。但在核磁共振气室中，需要对外界磁场进行极大的抑制屏蔽才能维持核子的共振状态，通过屏蔽筒抑制屏蔽大部分外界磁场，但仍存在剩余磁场需要被抵消。

核磁共振陀螺仪中，采用磁场闭环控制技术对三轴线圈进行高精度磁场控制，实现原子磁强计的功能对核磁共振气室中的剩磁进行测量，再通过线圈施加静态磁场，从而实现对剩余磁场进行精确抵消补偿。高精度磁场驱动控制器是实现磁场闭环控制技术的前提基础。

目前常用的磁场驱动控制器大多采用电压源方案作为控制器的核心电路，利用电压源线性度好和易程控输出的特点；但通过电压源需要在输出端和线圈之间串联一个很大的采样电阻，将电压输出转变为相应电流输出进而控制线圈产生磁场。该方案缺点在于输出的电流不再与输入控制信号呈线性关系，导致无法进行高精度的磁场输出控制。此外，传统的电流源电路存在不易控制、交流直流混叠输出不稳定的缺点，不易实现高精度的磁场驱动控制。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有磁场驱动控制器中采用电压源方案输出电流出现的非线性导致磁场控制精度不足的问题，以及传统电流源电路存在的不易控制和交流直流混叠输出不稳定的缺点，提供了一种易操控、高精度、高稳定性的用于磁场驱动控制的程控电流源系统。本发明提出的一种高精度磁场驱动程控系统，采用交流与直流分离设计和电压转电流压控电流源方案能实现对磁场的高精度驱动控制，采用FPGA数字控制装置和LabVIEW上位机的结合作为数字程控模块，使得磁场驱动控制精准输出、易于控制。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高精度磁场驱动程控系统，由数字程控模块(2)、压控电流源(9)两大部分组成，其中数字程控模块(2)包括LabVIEW上位机(1)、FPGA数字控制装置(3)；在FPGA数字控制装置(3)中，主要包括交流信号控制器(4)、通信接口(18)、直流信号控制器(17)。压控电流源(9)主要包括数/模分离式电源模块(5)、高精度DAC控制模块(7)、电压-电流转换电路(13)，其中高精度DAC控制模块包括交流DAC模块(6)、交流两级放大模块(8)、正/负直流DAC模块(16)、正直流扩流模块(14)、负直流扩流模块(15)；数/模分离式电源模块(5)用于给高精度DAC控制模块(7)和电压-电流转换电路(13)提供驱动电源；电压-电流转换电路(13)包括交流电压-电流转换模块(10)、直流电压-电流转换模块(12)。LabVIEW上位机(1)将生成的用于磁场驱动的电流信号控制字通过串口通信传递到FPGA数字控制装置(3)，其中通信接口(18)用于接收信号控制字，并将用于磁场驱动的交流电流信号控制字传递给交流信号控制器(4)，将用于磁场驱动的直流电流信号控制字传递给直流信号控制器(17)；交流信号控制器(4)根据交流信号控制字生成数字交流信号，直流信号控制器(17)根据直流信号控制字生成数字直流信号；FPGA数字控制装置(3)通过SPI总线将交流与直流数字信号分别传递到高精度DAC控制模块(7)的交流DAC模块(6)和正/负直流DAC模块(16)，进而转换成模拟电压信号，交流电压信号通过交流两级放大模块(8)提高信号输出信噪比；正/负直流电压信号分别经过正直流扩流模块(14)和负直流扩流模块(15)进行扩流，提高直流输出带负载能力，然后将正负直流叠加在一起输出，这有助于提高零点稳定性。最后，在电压-电流转换电路(13)中，交流电压信号经过交流电压-电流转换模块(10)转换成对应关系的交流电流输出；直流电压信号经过直流电压-电流转换模块(12)转换成相应的直流电流输出，交直流混叠输出后，直接作用于三轴线圈(11)，即可控制对应关系的磁场输出。

所述的压控电流源(9)采用交流电流源与直流电流源分离设计方案，能够同时满足高精度、高稳定性的直流电流输出和大带宽范围的交流电流输出。

所述的FPGA数字控制装置(3)中的通信接口模块(18)采用USB通信接口，该接口连接LabVIEW上位机(1)的串口和FPGA，用于接收LabVIEW上位机发送的信号控制字。

所述的FPGA数字控制装置(3)中的交流信号控制器(4)和直流信号控制器(17)通过Verilog硬件描述语言实现，采用数字程序实现的信号控制器既灵活便捷又节约硬件资源。

本发明的原理：通过软件操作界面LabVIEW上位机设定磁场控制量，LabVIEW上位机通过串口程序将信号控制字下发到FPGA数字控制装置。FPGA数字控制装置中通信接口模块接收信号控制字，其中将信号控制字的交流信号控制字传递给交流信号控制器用于生成数字交流信号，将直流信号控制字传递给直流信号控制器用于生成数字直流信号；交流信号控制器和直流信号控制器通过SPI总线将生成的数字交流信号和直流信号传递到压控电流源中的高精度DAC控制模块。高精度DAC控制模块中的交流DAC模块用于将数字交流信号转变为模拟交流电压信号，模拟交流电压信号再经过两级放大模块得到高信噪比的交流电压信号；正/负直流DAC模块用于将数字直流信号转变为模拟正/负直流电压信号，模拟正/负直流电压信号分别再经过正/负直流扩流模块对直流电压信号进行扩流处理，得到大负载能力的直流电压信号，然后将正负直流叠加在一起输出，这有助于提高零点稳定性。数/模分离式电源模块中的低纹波电源电路专用于给压控电流源供电源。交流电压信号通过交流电压-电流(V-I)转换电路得到需求的高精度交流输出电流；直流电压信号通过直流电压-电流(V-I)转换电路得到需求的高精度、高稳定性的直流输出电流。最后，通过将交流和直流电流叠加输出得到交直流混叠输出的高精度磁场驱动电流，再经过三轴线圈得到高精度、高稳定性的可控磁场。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用LabVIEW上位机、FPGA数字控制装置和高精度DAC控制模块组成高精度磁场驱动程控系统的程控部分，压控电流源方案作为高精度磁场驱动电流源系统的电流驱动部分。选用FPGA芯片XC6SLX150来完成FPGA数字控制装置的核心执行部分。与现有磁场驱动控制系统和电流源相比具有以下特点：

(1)较传统的磁场驱动控制系统而言，本发明采用压控电流源方案具有更高的线性度，更高的精度，在负载范围内具有较高的恒流源输出性能，从而能够使三轴线圈获得高精度的磁场输出。

(2)较传统的电流源而言，本发明采用交流压控电流源与直流压控电流源分离设计方案，最后再混叠输出。这种设计通过考虑交直流不同的特性，使得电流输出精度在直流与交流都能获得较好的性能，此外，这种设计更便于磁场的交直流独立控制，调节灵活、实用性更好。

(3)本发明采用数/模分离式电源模块为数字程控模块和压控电流源分别供电。这种设计通过将数字控制模块与压控电流源供电系统分离开，使得专用于压控电流源的低纹波电源电路具有更好的性能，同时尽可能避免了数字电路的噪声对压控电流源的影响。

(4)本发明采用LabVIEW上位机、FPGA数字控制装置和高精度DAC控制模块组成高精度磁场驱动程控系统的数字控制部分。该优点在于调节灵活、精度稳定、体积小、可集成度高、便于实现复杂的磁场控制等。较现有的程控电流源系统而言，采用FPGA数字控制装置，能够完成复杂的、实时性要求较高的磁场驱动控制；采用LabVIEW上位机，使得操作便捷、人机界面交互友好，此外，其更便于外部接口的拓展，有助于二次开发与其它实验设备联调。

(5)本发明实现了系统的数字化和集成化，缩小了传统磁场驱动控制系统的体积，以及低功耗的设计方案使得其特别适用于核磁共振陀螺对体积与功耗要求的领域。

附图说明

图1为本发明的系统组成结构框图；

图2为本发明的数字程控模块的控制原理框图；

图3为本发明的数/模分离式电源模块的低纹波电源电路模型；

图4为本发明的高精度DAC控制模块的DAC模块电路模型；

图5为本发明的高精度DAC控制模块的正/负直流扩流电压-电流(V-I)转换电路模型；

图6为本发明的高精度DAC控制模块的交流两级放大电压-电流(V-I)转换电路模型；

图7为本发明的输出噪声曲线；

具体实施方式

如图1所示，本发明的系统组成结构框图主要由数字程控模块2、压控电流源9两大部分组成，其中数字程控模块2包括LabVIEW上位机1、FPGA数字控制装置3；在FPGA数字控制装置3中，主要包括交流信号控制器4、通信接口18、直流信号控制器17。压控电流源9主要包括数/模分离式电源模块5、高精度DAC控制模块7、电压-电流(V-I)转换电路13，其中高精度DAC控制模块7由交流DAC模块6、交流两级放大模块8、正/负直流DAC模块16、正直流扩流模块14、负直流扩流模块15组成；数/模分离式电源模块5用于给高精度DAC控制模块7和电压-电流(V-I)转换电路13提供驱动电源；电压-电流(V-I)转换电路13包括交流电压-电流(V-I)转换模块10、直流电压-电流(V-I)转换模块12。LabVIEW上位机1将生成的用于磁场驱动的电流信号控制字通过串口通信传递到FPGA数字控制装置3，其中通信接口18用于接收信号控制字，并将用于磁场驱动的交流电流信号控制字传递给交流信号控制器4，将用于磁场驱动的直流电流信号控制字传递给直流信号控制器17；交流信号控制器4根据交流信号控制字生成数字交流信号，直流信号控制器17根据直流信号控制字生成数字直流信号；FPGA数字控制装置3通过SPI总线将交流与直流数字信号分别传递到高精度DAC控制模块7的交流DAC模块6和正/负直流DAC模块16，进而转换成模拟电压信号，交流电压信号通过交流两级放大模块8提高信号输出信噪比；正/负直流电压信号分别经过正直流扩流模块14和负直流扩流模块15进行扩流，提高直流输出带负载能力，然后将正负直流叠加在一起输出，这有助于提高零点稳定性。最后，在电压-电流(V-I)转换电路13中，交流电压信号经过交流电压-电流(V-I)转换模块10转换成对应关系的交流电流输出；直流电压信号经过直流电压-电流(V-I)转换模块12转换成相应的直流电流输出。交直流混叠输出后，直接作用于三轴线圈11，即可控制对应关系的磁场输出。

如图2所示，给出了本发明的数字程控模块的控制原理框图，主要由LabVIEW上位机和FPGA数字控制装置两大部分组成，其中FPGA数字控制装置由交流信号控制器、通信接口和直流信号控制器组成；交流信号控制器主要包括：频率相位控制模块(PG模块)、数字交流电压生成模块和交流DAC接口；直流信号控制器主要包括：数字直流电压生成模块、正/负电压输出模块、正/负直流DAC接口。LabVIEW上位机将信号控制字通过串口通信传递到FPGA数字控制装置的通信接口，通信接口将交流信号控制字的频率、相位控制字传递给交流信号控制器的频率相位控制模块，用于生成振荡信号，交流信号控制字的幅值控制字传递给数字交流电压生成模块，该模块采用基于坐标旋转数字计算算法(Cordic算法)在FPGA中根据PG模块生成的振荡信号和幅值控制字能够快速生成对应的数字交流信号；通信接口将直流信号控制字的幅度控制字传递给数字直流电压生成模块，生成数字直流信号。再根据数字直流信号的正负判定对应传递给正/负电压输出模块，通过正负差分输出，有助于抑制直流输出零点不稳定特性。生成的数字交流与直流信号通过加法器混叠，然后通过通信接口发送到LabVIEW上位机同于显示控制字生成的输出信号。

如图3所示，给出了本发明数/模分离式电源模块5的低纹波电源电路模型，采用TI公司的TPS54160A电源芯片设计了专用于压控电流源供电电源电路，具有±12V，±18V的输出电压，开关频率能达到300kHz，且电源纹波优于普通开关电源模块，输出电压纹波<0.5％。

如图4所示，给出了本发明高精度DAC控制模块的DAC模块电路模型，采用高精度DAC8830芯片作为DAC控制模块的DA核心器件。

如图5所示，给出了本发明的高精度DAC控制模块的正/负直流扩流模块电路模型，采用运算放大器设计的压控电流源方案具有较好的输出精度，运算放大器使用低噪声运算放大芯片OPA277，并采用三极管进行电流扩流。直流电压-电流(V-I)转换电路使用阻值为100Ω，精度为±0.01％，温漂为±2ppm的精密电阻作为V-I转换的采样电阻。对于正/负直流DAC模块转换的0～5V模拟电压信号，可以输出-50～50mA的电流。

如图6所示，给出了本发明的高精度DAC控制模块的交流两级放大电压-电流(V-I)转换电路模型，采用低噪声、高精度运算放大芯片OPA827实现交流两级放大电路，对共模干扰信号进行很好的抑制。再通过采样电阻，实现V-I转换。

如图7所示，给出了本发明的输出噪声曲线图，通过测试噪声功率谱，输出电流噪声<10nA/√Hz，具有较低的输出噪声。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.高精度磁场驱动程控系统，其特征在于：由数字程控模块(2)、压控电流源(9)两大部分组成，其中数字程控模块(2)包括LabVIEW上位机(1)、FPGA数字控制装置(3)；在FPGA数字控制装置(3)中，主要包括交流信号控制器(4)、通信接口(18)、直流信号控制器(17)；压控电流源(9)主要包括数/模分离式电源模块(5)、高精度DAC控制模块(7)、电压-电流转换电路(13)，其中高精度DAC控制模块(7)包括交流DAC模块(6)、交流两级放大模块(8)、正/负直流DAC模块(16)、正直流扩流模块(14)、负直流扩流模块(15)；数/模分离式电源模块(5)用于给高精度DAC控制模块(7)和电压-电流转换电路(13)提供驱动电源；电压-电流转换电路(13)包括交流电压-电流转换模块(10)、直流电压-电流转换模块(12)；LabVIEW上位机(1)将生成的用于磁场驱动的电流信号控制字通过串口通信传递到FPGA数字控制装置(3)，其中通信接口(18)用于接收信号控制字，并将用于磁场驱动的交流电流信号控制字传递给交流信号控制器(4)，将用于磁场驱动的直流电流信号控制字传递给直流信号控制器(17)；交流信号控制器(4)根据交流信号控制字生成数字交流信号，直流信号控制器(17)根据直流信号控制字生成数字直流信号；FPGA数字控制装置(3)通过SPI总线将交流与直流数字信号分别传递到高精度DAC控制模块(7)的交流DAC模块(6)和正/负直流DAC模块(16)，进而转换成模拟电压信号，交流电压信号通过交流两级放大模块(8)提高信号输出信噪比；正/负直流电压信号分别经过正直流扩流模块(14)和负直流扩流模块(15)进行扩流，提高直流输出带负载能力，然后将正负直流叠加在一起输出，这有助于提高零点稳定性。最后，在电压-电流转换电路(13)中，交流电压信号经过交流电压-电流转换模块(10)转换成对应关系的交流电流输出；直流电压信号经过直流电压-电流转换模块(12)转换成相应的直流电流输出，交直流混叠输出后，直接作用于三轴线圈(11)，即可控制对应关系的磁场输出。

2.根据权利要求1所述的高精度磁场驱动程控系统，其特征在于：所述的压控电流源(9)采用交流电流源与直流电流源分离设计方案，能够同时满足高精度、高稳定性的直流电流输出和大带宽范围的交流电流输出。

3.根据权利要求1所述的高精度磁场驱动程控系统，其特征在于：所述的FPGA数字控制装置(3)中的通信接口模块(18)采用USB通信接口，该接口连接LabVIEW上位机(1)的串口和FPGA，用于接收LabVIEW上位机发送的信号控制字。

4.根据权利要求1所述的高精度磁场驱动程控系统，其特征在于：所述的FPGA数字控制装置(3)中的交流信号控制器(4)和直流信号控制器(17)通过Verilog硬件描述语言实现，采用数字程序实现的信号控制器既灵活便捷又节约硬件资源。