CN110988760A - 一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统 - Google Patents

Abstract

一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，由数控振荡器产生数字驱动信号，经过数模转换器转化为模拟信号后驱动磁敏传感器，数控振荡器输出信号给数字锁相放大器；模数转换器将接收的电信号转换为数字信号经数字锁相放大器后输出幅值和相位信号，通过串口模块和串口通信线上传到计算机，相位信号还作为控制信号进入数字控制器；数字控制器根据计算机的控制选择检测模式来控制数控振荡器的输出信号频率，同时也上传到计算机中；数控振荡器还接收计算机输出的相位控制字，数字锁相放大器，数控振荡器、数字控制器和串口模块的时钟信号由外部的有源晶振通过分频器分频得到各种所需的时钟。本发明功能丰富，调试难度低，测量精度高，集成度高。

Description

一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统

技术领域

本发明涉及一种光泵磁力仪的数字化信号检测系统。特别是涉及一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统。

背景技术

光泵磁力仪是一种以工作原子在磁场中的赛曼效应为基础，利用光泵浦和磁共振相结合的技术制成的磁场测量仪器，它具有高灵敏度、高精度、响应快、无零点漂移等优点。光泵磁力仪按工作物质分为氦光泵磁力仪和碱金属(包括钾、铷、铯)光泵磁力仪；按磁敏传感探头结构形式分为Mz型和Mx型。氦光泵磁力仪通常采用Mz型结构制成跟踪式磁测系统，通过测量透过氦吸收室的光线光强最弱时，即发生光磁共振时射频信号的频率，再根据该频率与被测磁场间的线性关系来计算磁场值。铯光泵磁力仪通常采用Mx型，磁敏传感探头中光束方向和外磁场方向有一个夹角，平行于光束方向的射频磁场将铯原子对光的吸收系数以射频信号频率进行调制，透过铯吸收气室的光信号包含与射频信号同频的交变分量，且与射频信号存在一个相移，范围是0～180°，射频信号频率等于共振频率时，系统发生光磁共振效应，光信号相对射频信号的相移是90°，此时测量射频信号的频率即可得到待测磁场值。

Mx型铯光泵磁力仪最简单的一种磁测方法是自激振荡式，这种检测方法由移相放大电路和频率测量电路实现，电路结构简单、响应快，但是温度漂移大、抗干扰能力弱，测频电路会引入测频误差，而且无法检测共振信号谱线。Mx型铯光泵磁力仪的另一种磁测方法为锁相模式，常见的是由相敏检波器和积分电路组成的锁相放大器提取共振信号的相位信息，将相位通过反馈控制回路控制压控振荡器输出的射频驱动信号和参考信号频率，这种信号检测系统电路复杂，调试难度高，输出频率范围有限，磁力仪磁测范围较窄，同样需要高精度测频电路，也会引入测频误差。另外，采用市售的锁相放大器成熟产品能够准确测量出共振信号的幅值和相位，但是成本高、体积大，不利于磁力仪的集成化和小型化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于可编程逻辑门阵列(FPGA)将信号检测系统集成在单片FPGA芯片上，功能丰富，调试难度低，测量精度高，集成度高的Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统。

本发明所采用的技术方案是：一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，包括磁敏传感器，还设置有模数转换器、数模转换器、FPGA芯片、有源晶振和计算机，所述FPGA芯片包括有数字锁相放大器，数控振荡器、数字控制器、串口模块和分频器，其中，所述的数控振荡器产生数字驱动信号，经过数模转换器转化为模拟信号后驱动磁敏传感器中的射频线圈产生射频磁场，同时数控振荡器输出正交参考信号提供给数字锁相放大器；模数转换器将磁敏传感器输出的待测电压信号转换为待测数字信号输出给数字锁相放大器；数字锁相放大器对待测数字信号做相敏检波计算，输出幅值和相位信号，通过串口模块和串口通信线上传到计算机，数字锁相放大器输出的相位信号作为控制信号进入数字控制器；数字控制器根据计算机发送来的模式控制信号选择检测模式，数字控制器输出的频率控制字控制数控振荡器的输出信号频率，数字控制器输出的频率控制字也通过串口模块上传到计算机中；所述数控振荡器还接收计算机输出的相位控制字，FPGA芯片中数字锁相放大器，数控振荡器、数字控制器和串口模块的时钟信号由外部的有源晶振通过分频器分频得到各种所需的时钟。

本发明的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，功能丰富，调试难度低，测量精度高，集成度高。本发明具有如下优点：

(1)本发明功能丰富，自动化程度高，可切换开环和闭环检测两种模式，开环模式检测共振信号谱线用于磁力仪系统调试，闭环模式进行实时测量。

(2)本发明不需要高精度测频电路，驱动信号频率直接由频率控制字得到，消除了测频误差。

(3)本发明采用的FPGA芯片是并行的，运算快速稳定，其设计开发是软件编程的形式，相对模拟硬件电路，调试难度更低。

(4)本发明采用全数字化信号检测系统，将锁相放大器、信号发生器、反馈控制器和串口集成在一个FPGA芯片上，抗干扰能力强、集成化程度高、体积小、成本低，有利于扩展铯光泵磁力仪的应用领域。

附图说明

图1是本发明一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统的构成框图；

图2是本发明中数控振荡器的构成框图；

图3是本发明中数字锁相放大器的构成框图；

图4是本发明中数字控制器的构成框图。

图中

1：磁敏传感器 2：模数转换器

3：数模转换器 4：FPGA芯片

5：数字锁相放大器 5.1：第一乘法器

5.2：第二乘法器 5.3：第一低通滤波器

5.4：第二低通滤波器 5.5：CORDIC模块

6：数控振荡器 6.1：相位累加器

6.11：第一相位寄存器 6.12：第二相位寄存器

6.2：波形存储器 6.21：第一正弦查找表

6.22：余弦查找表 6.23：第二正弦查找表

7：数字控制器 7.1；扫频控制器

7.2：数字PID控制器 7.3：模式控制器

8：串口模块 9：分频器

10：有源晶振 11：串口通信线

12：计算机

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，包括磁敏传感器1，还设置有模数转换器2、数模转换器3、FPGA芯片4、有源晶振10和计算机12，所述FPGA芯片4包括有数字锁相放大器5，数控振荡器6、数字控制器7、串口模块8和分频器9，其中，所述的数控振荡器6产生数字驱动信号，经过数模转换器3转化为模拟信号后驱动磁敏传感器1中的射频线圈产生射频磁场，同时数控振荡器6输出正交参考信号提供给数字锁相放大器5；模数转换器2将磁敏传感器1输出的待测电压信号转换为待测数字信号输出给数字锁相放大器5作为数字锁相放大器5的待测信号；数字锁相放大器5对待测数字信号做相敏检波计算，输出幅值和相位信号，通过串口模块8和串口通信线11上传到计算机12，数字锁相放大器5输出的相位信号作为控制信号进入数字控制器7；数字控制器7根据计算机12发送来的模式控制信号选择检测模式，开环模式下由扫频控制器控制输出频率控制字，闭环模式下根据数字锁相放大器5输出的相位控制输出频率控制字，数字控制器7输出的频率控制字控制数控振荡器6的输出信号频率，数字控制器7输出的频率控制字也通过串口模块8上传到计算机12中；所述数控振荡器6还接收计算机12输出的相位控制字，FPGA芯片4中数字锁相放大器5，数控振荡器6、数字控制器7和串口模块8的时钟信号由外部的有源晶振10通过分频器9分频得到各种所需的时钟。

如图2所示，所述的数控振荡器6采用直接数字频率合成(DDS)技术生成驱动信号和正交参考信号。所述的数控振荡器6包括有：将分别接收到的计算机12提供的参考信号相位控制字Pr和驱动信号相位控制字Pd、数字控制器7提供的频率控制字K进行累加的相位累加器6.1，分别接收相位累加器6.1输出的地址信号的波形存储器6.2，所述波形存储器6.2分别向所述的数字锁相放大器5输出参考信号，向数模转换器3输出驱动信号，所述相位累加器6.1和波形存储器6.2还接收系统时钟信号。

相位控制字Pr设置参考信号的补偿相位，抵消磁力仪检测系统中除磁敏传感器1以外的电子器件对驱动信号的相移；相位控制字Pd设置驱动信号相位，一般设置为0。

所述的数控振荡器6输出的参考信号和驱动信号的频率f₀表达式为：

当K＝1时为最小输出频率，即频率分辨率Δf为：

式中：f_c为系统时钟频率，K为频率控制字，N为相位累加器的位数。

所述的相位累加器6.1包括有第一相位寄存器6.11和第二相位寄存器6.12，其中，所述第一相位寄存器6.11的输出与频率控制字K相加后又输入到第一相位寄存器6.11，所述第一相位寄存器6.11的输出与相位控制字Pr相加后输出第一地址信号给波形存储器6.2，所述第二相位寄存器6.12的输出与频率控制字K相加后又输入到第二相位寄存器6.12，所述第二相位寄存器6.12的输出与相位控制字Pd相加后输出第二地址信号给波形存储器6.2。

所述的波形存储器6.2包括有第一正弦查找表6.21，余弦查找表6.22和第二正弦查找表6.23，其中，所述的第一正弦查找表6.21和余弦查找表6.22接收第一地址信号，并输出2个参考信号给数字锁相放大器5，所述的第二正弦查找表6.23接收第二地址信号，并输出驱动信号给数模转换器3。

如图3所示，所述的数字锁相放大器5包括有第一乘法器5.1、第二乘法器5.2、第一低通滤波器5.3、第二低通滤波器5.4和CORDIC模块5.5，其中，所述的第一乘法器5.1将接收到的待测数字信号与数控振荡器6输出的一个参考信号相乘后送入第一低通滤波器5.3进行低通滤波，所述的第二乘法器5.2将接收到的待测数字信号与数控振荡器6输出的另一个参考信号相乘后送入第二低通滤波器5.4进行低通滤波，所述第一低通滤波器5.3和第二低通滤波器5.4的输出共同送入CORDIC模块5.5，经CORDIC模块5.5分别输出幅值信号和相位信号通过串口模块8和串口通信线11上传到计算机12，输出的相位信号还送入数字控制器7。

所述的数字锁相放大器5采用正交相敏检波算法，表达式为

式中：A、ω、

分别是待测信号幅值、角频率和相位，n(t)是噪声；

参考信号是数控振荡器(6)产生的一对正交的正弦信号和余弦信号，表达式为

式中：A_r、ω、

分别是参考信号幅值、角频率和相位；

将待测信号与正交参考信号通过乘法器进行乘法运算，即式(3)分别与式(4)、式(5)相乘，得到混频信号为

这两路混频信号分别通过第一低通滤波器(5.3)和第二低通滤波器(5.4)滤除二倍频分量和噪声，只留下直流分量，即输出为待测信号的同相分量I和正交分量Q，即

将同相分量I和正交分量Q输入CORDIC模块，通过CORDIC算法的向量模式计算出待测信号的幅值A和相位差

即

如图4所示，所述的数字控制器7包括有扫频控制器7.1、数字PID控制器7.2和模式控制器7.3，其中，扫频控制器7.1生成频率控制字并输出到模式控制器7.3的A模式，数字PID控制器7.2输入是待测信号与参考信号的相位差，输出频率控制字到模式控制器7.3的B模式，模式控制器7.3根据计算机12通过串口模块8输入的模式控制信号选择A模式或B模式的频率控制字。

A模式是开环控制，由扫频控制器7.1生成频率控制字，每隔一定时间步进一次，控制数控振荡器7输出一定频率范围内的信号，检测待测信号幅值和相位的共振线型。B模式是闭环控制，输入是待测信号与参考信号的相位差，输出是频率控制字，采用PID控制算法将相位差锁定在90°，此时磁测系统处于共振点。

FPGA芯片4与计算机12通过串口模块8和串口通信线11通信，采用RS232协议。计算机12接收FPGA芯片4中计算得到的待测信号幅值和相位，以及数字控制器7输出的频率控制字；FPGA芯片4接收计算机12发送的模式控制信号和相位控制字。系统处于共振点时，计算机12上的软件根据磁测公式直接由频率控制字计算得到磁场值，磁测公式为f＝3.49828B (12)

式中：f的单位是Hz，B的单位是nT。

具体实施步骤如下：

1、将磁敏传感器1放置在待测外磁场中，轴线与外磁场方向成一个夹角，45°最佳；

2、对FPGA芯片4进行初始化，包括对串口模块和相关寄存器进行初始化；

3、打开计算机12，测试计算机12与FPGA芯片4的通信状况；

5、在计算机12上设定驱动信号和参考信号的相位和检测模式，点击开始检测；

6、扫频模式下，等待显示界面绘制共振信号谱线，保存信号谱线可进行后序数据处理和系统调试；

7、实时测量模式下，观察显示界面磁场值曲线，待磁场值保持稳定后即是待测外磁场值。

Claims (8)

1.一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，包括磁敏传感器(1)，其特征在于，还设置有模数转换器(2)、数模转换器(3)、FPGA芯片(4)、有源晶振(10)和计算机(12)，所述FPGA芯片(4)包括有数字锁相放大器(5)，数控振荡器(6)、数字控制器(7)、串口模块(8)和分频器(9)，其中，所述的数控振荡器(6)产生数字驱动信号，经过数模转换器(3)转化为模拟信号后驱动磁敏传感器(1)中的射频线圈产生射频磁场，同时数控振荡器(6)输出正交参考信号提供给数字锁相放大器(5)；模数转换器(2)将磁敏传感器(1)输出的待测电压信号转换为待测数字信号输出给数字锁相放大器(5)；数字锁相放大器(5)对待测数字信号做相敏检波计算，输出幅值和相位信号，通过串口模块(8)和串口通信线(11)上传到计算机(12)，数字锁相放大器(5)输出的相位信号作为控制信号进入数字控制器(7)；数字控制器(7)根据计算机(12)发送来的模式控制信号选择检测模式，数字控制器(7)输出的频率控制字控制数控振荡器(6)的输出信号频率，数字控制器(7)输出的频率控制字也通过串口模块(8)上传到计算机(12)中；所述数控振荡器(6)还接收计算机(12)输出的相位控制字，FPGA芯片(4)中数字锁相放大器(5)，数控振荡器(6)、数字控制器(7)和串口模块(8)的时钟信号由外部的有源晶振(10)通过分频器(9)分频得到各种所需的时钟。

2.根据权利要求1所述的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，其特征在于，所述的数控振荡器(6)包括有：将分别接收到的计算机(12)提供的参考信号相位控制字Pr和驱动信号相位控制字Pd、数字控制器(7)提供的频率控制字K进行累加的相位累加器(6.1)，分别接收相位累加器(6.1)输出的地址信号的波形存储器(6.2)，所述波形存储器(6.2)分别向所述的数字锁相放大器(5)输出参考信号，向数模转换器(3)输出驱动信号，所述相位累加器(6.1)和波形存储器(6.2)还接收系统时钟信号。

3.根据权利要求2所述的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，其特征在于，所述的数控振荡器(6)输出的参考信号和驱动信号的频率f₀表达式为：

当K＝1时为最小输出频率，即频率分辨率Δf为：

式中：f_c为系统时钟频率，K为频率控制字，N为相位累加器的位数。

4.根据权利要求2所述的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，其特征在于，所述的相位累加器(6.1)包括有第一相位寄存器(6.11)和第二相位寄存器(6.12)，其中，所述第一相位寄存器(6.11)的输出与频率控制字K相加后又输入到第一相位寄存器(6.11)，所述第一相位寄存器(6.11)的输出与相位控制字Pr相加后输出第一地址信号给波形存储器(6.2)，所述第二相位寄存器(6.12)的输出与频率控制字K相加后又输入到第二相位寄存器(6.12)，所述第二相位寄存器(6.12)的输出与相位控制字Pd相加后输出第二地址信号给波形存储器(6.2)。

5.根据权利要求4所述的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，其特征在于，所述的波形存储器(6.2)包括有第一正弦查找表(6.21)，余弦查找表(6.22)和第二正弦查找表(6.23)，其中，所述的第一正弦查找表(6.21)和余弦查找表(6.22)接收第一地址信号，并输出2个参考信号给数字锁相放大器(5)，所述的第二正弦查找表(6.23)接收第二地址信号，并输出驱动信号给数模转换器(3)。

6.根据权利要求1所述的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，其特征在于，所述的数字锁相放大器(5)包括有第一乘法器(5.1)、第二乘法器(5.2)、第一低通滤波器(5.3)、第二低通滤波器(5.4)和CORDIC模块(5.5)，其中，所述的第一乘法器(5.1)将接收到的待测数字信号与数控振荡器(6)输出的一个参考信号相乘后送入第一低通滤波器(5.3)进行低通滤波，所述的第二乘法器(5.2)将接收到的待测数字信号与数控振荡器(6)输出的另一个参考信号相乘后送入第二低通滤波器(5.4)进行低通滤波，所述第一低通滤波器(5.3)和第二低通滤波器(5.4)的输出共同送入CORDIC模块(5.5)，经CORDIC模块(5.5)分别输出幅值信号和相位信号通过串口模块(8)和串口通信线(11)上传到计算机(12)，输出的相位信号还送入数字控制器(7)。

7.根据权利要求6所述的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，其特征在于，所述的数字锁相放大器(5)采用正交相敏检波算法，表达式为

式中：A、ω、

分别是待测信号幅值、角频率和相位，n(t)是噪声；

参考信号是数控振荡器(6)产生的一对正交的正弦信号和余弦信号，表达式为

式中：A_r、ω、

分别是参考信号幅值、角频率和相位；

将待测信号与正交参考信号乘法器进行乘法运算，即式(3)分别与式(4)、式(5)相乘，得到混频信号为

这两路混频信号分别通过第一低通滤波器(5.3)和第二低通滤波器(5.4)滤除二倍频分量和噪声，只留下直流分量，即输出为待测信号的同相分量I和正交分量Q，即

将同相分量I和正交分量Q输入CORDIC模块，通过CORDIC算法的向量模式计算出待测信号的幅值A和相位差

即

8.根据权利要求1所述的一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测系统，其特征在于，所述的数字控制器(7)包括有扫频控制器(7.1)、数字PID控制器(7.2)和模式控制器(7.3)，其中，扫频控制器(7.1)生成频率控制字并输出到模式控制器(7.3)的A模式，数字PID控制器(7.2)输入是待测信号与参考信号的相位差，输出频率控制字到模式控制器(7.3)的B模式，模式控制器(7.3)根据计算机(12)通过串口模块(8)输入的模式控制信号选择A模式或B模式的频率控制字。

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