CN112486243A - 一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，包括输入电路、磁调谐器件、设定电压电路、误差放大电路和功率放大电路，磁调谐器件包括磁路和绕组线包，绕组线包用于在通过电流后产生磁场，所述磁路内设有磁路采样气隙，磁路采样气隙内设有磁传感电路，用于产生与磁场强度对应的感应电压并输出；误差放大电路放大设定电压和感应电压的差值，该电压输出用于驱动功率放大电路。本发明采用磁传感器检测磁场代替电流采样电阻检测电流，将磁传感器的输出电压作为反馈量接入反馈环路，通过闭环控制获得稳定磁场，从而减小和消除长期困扰磁调谐器件的由于应力、磁滞等因素带来的频率漂移问题，具有很强的实用价值。

Description

一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路

技术领域

本发明涉及磁性材料及器件，尤其涉及一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路。

背景技术

常见的磁调谐器件，包括YIG带通波器，YIG带阻滤波器,YIG振荡器等，其利用特定磁场作用下YIG材料的铁磁共振原理实现超宽带调谐，具有调谐频带宽，调谐线性度好等优点，广泛应用于各类电子对抗设备、高精度测试仪器中，它的频率准确度对于这些仪器设备的性能具有重要意义。

这些磁调谐器件工作时需要提供高精度、可调谐的恒定磁场。YIG磁调谐器件的频率特性主要决定于YIG单晶小球的铁磁共振特性，YIG单晶小球的谐振频率f和外加磁场H₀为一次线性关系，可近似表示为以下公式：

（1）

其中，γ为自旋常量，值为2.8MHz/Oe。该式表明，如果磁场不稳定则必然导致YIG器件频率漂移。

磁调谐器件一般采用线包和磁性材料的组合实现所需磁场，在线包绕组中通过电流激励，则在磁路的气隙结构中产生均匀磁场，在不考虑各部分漏磁的情况下，工作气隙中的磁场强度Hg为:

（2）

其中，l_m为磁路有效长度，l_g为气隙高度，N为线包匝数，I为线包电流，μ₀为真空磁导率，μ_r为磁路材料的相对磁导率。

由于l_m/μ_r的值远远小于l_g,一般将其忽略。对于特定结构的器件,其线包匝数N和气隙l_g是固定不变的,气隙内的磁感强度Hg和电流呈一次线性关系，则以上两式可简化为：

f=

（3）

即改变电流即可改变工作频率，这是磁调谐器件实现电调的基础。

因此，现有技术采用恒流源方式实现恒定磁场，一般采用如说明书附图中图1所示的单级线性恒流电路。可参见：ZL201710003402.0，一种带电压跟踪的高效率磁调谐器件驱动电路；ZL 201720004460.0，一种小体积高效率磁调谐器件驱动电路；ZL201720004464.9，一种高效率磁调谐器件驱动电路。

参见图1，该电路工作原理简述如下：电阻取样电路产生电压，该电压与通过磁调谐器件绕组的电流值呈线性关系，该取样电压与设定电压进行比较，通过V/I放大电路控制三极管进行电流放大，从而改变施加于磁调谐器件绕组上的电流，产生出所需的磁场。

在采用了高精度元件和温度补偿等技术手段后，该电路可以获得高稳定电流，在磁路特性不变的前提下，可获得可调谐的高稳定的磁场。

所以，现有技术可简单描述为：电阻采样电流至反馈环路形成恒流源，从而获得稳定的磁场。但该技术会导致如下问题：

1、由稳定电流得到稳定磁场的前提在于磁路参数稳定不变，但在有的情况下难以满足这个条件。比如在公式（3）中被忽略的磁导率μ_r，在温度、应力等作用下会发生剧烈变化，从而使其影响不能简单的忽略。再比如用户安装螺钉后形成的应力，导致气隙高度发生变化，在相同激励电流时，磁场大小发生变化，从而导致磁调谐器件频率漂移。

2、磁路材料具有磁滞效应，当电流阶跃减小时，磁滞作用会产生剩磁，该剩磁会叠加在气隙磁场上，使得在相同电流下形成的气隙磁场大于所需磁场，从而导致磁调谐器件频率偏大。

3、取样电阻功耗大，温升高。为了保证反馈环路的稳定，一般采用阻值较大的取样电阻，比如2.5Ω，当激励电流较大时，电阻上功耗大，温升高，对产品可靠性也有影响。

现有技术的根本问题在于其闭环反馈环路只能保证电流的精度，而磁场的变化是在电流闭环反馈环路之外，磁场除电流外，还受磁滞，应力等其它因素的影响，这些因素导致的磁场变化无法被检测到，也就无法通过反馈环路进行修正，从而导致频率发生漂移。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，可以减小/消除长期困扰磁调谐器件的，由于应力、磁滞等因素带来的频率漂移问题的一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，包括输入电路、磁调谐器件、设定电压电路、误差放大电路和功率放大电路，所述输入电路用于提供输入电压和电流，所述磁调谐器件包括磁路和绕组线包，所述设定电压电路用于输出设定电压，所述功率放大电路包括输入端、输出端和控制端；

所述输入电路依次经绕组线包、功率放大电路的输入端、输出端后接地；

所述绕组线包用于在通过电流后产生磁场，所述磁路内设有磁路采样气隙，所述磁路采样气隙内设有磁传感电路，所述磁传感电路用于产生与磁场强度对应的感应电压并输出；

所述设定电压电路和磁传感电路的输出端分别接误差放大电路的正向输入端和反向输入端，所述误差放大电路的输出端接功率放大电路的控制端，所述误差放大电路用于将设定电压和感应电压的差值放大后输出驱动功率放大电路。

作为优选：所述磁传感电路采用线性霍尔传感器，或霍尔元件与其外接电路的组合，或磁阻传感器与其外接电路的组合。

作为优选：所述磁路上设有工作气隙，所述磁路采样气隙单独设置，或与工作气隙重叠。

作为优选：所述磁路材料为软磁铁氧体、牌号为1J79、1J50的软磁合金、或牌号为PC40、PC50的高导锰锌软磁铁氧体材料。

作为优选：所述磁路形状为E型、罐型、环型或C型。

作为优选：所述设定电压电路为高精度模拟电压基准源或数控电压基准源。

作为优选：所述功率放大电路采用达林顿管、mosFET、三极管、压控线性恒流源、或压控DC/DC或这些元件及其外围电路的组合，用于根据控制端电压的变化，改变其输出端的电流。

本发明中：磁传感电路不仅仅是采用霍尔传感器，它能采用霍尔传感器集成电路及相关的滤波电路构成；也能是单独的霍尔传感芯片配合相关的驱动、滤波等分离器件构成。也能是AMR、TMR等磁阻传感器及相关滤波电路构成。其作用在于能够产生与所检测磁场强度线性相关的电压，也就是输出感应电压。

关于功率放大电路：功率放大电路为功率管和其外围电路，包括输入端、输出端和控制端；所述功率管可以是单独的达林顿管、mosFET、三极管或这些管的组合，外围元件主要包括控制极的限流电阻，补偿电容等分离元件。功率放大电路也可以采用压控线性恒流源或者压控DC/DC实现，只要其能实现根据控制电压改变电流的功能即可。

关于磁路采样气隙和工作气隙。优先选择二者重合，即在空间允许的情况下，磁传感电路优先放置于工作气隙间，以达到最佳的磁场检测性能。如果空间不允许，或工作气隙内的磁强度超过了磁传感电路的工作范围，则可以单独设置磁路采样气隙，或将磁传感电路放置在工作气隙附近。此时，其感应的是杂散磁场，该杂散磁场和工作磁场大小之间具有一定的比例关系，但由于杂散磁场的数值较小且可能存在由于不对称结构导致的不均匀性，因此，放置于磁极附近的效果会差于放置于磁极中心处，需进行补偿修正。

关于误差放大电路，误差放大电路具有积分环节，用于使误差电路输出电压固定为特定的值，以保持放大电路的输出稳定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）通过采用磁传感电路检测磁场代替电流采样电阻检测电流，将磁传感器的输出的感应电压作为反馈量接入反馈环路，通过闭环控制获得稳定磁场，从而减小或消除长期困扰磁调谐器件中的：由于应力所导致的频率漂移问题。以及由于磁滞作用所导致的频率漂移问题。具有很强的实用价值；

（2）本发明采用磁传感电路，其工作电流一般为mA级，由此产生的功耗仅为数十mW，只有现有技术方案功耗的几十分之一，其功耗和发热可忽略，可解决电阻采样功耗高导致的发热，可靠性降低问题。

附图说明

图1为现有技术中单级线性恒流电路；

图2为本发明原理图；

图3为实施例2中磁路的结构示意图。

图4为实施例2电路图；

图中：1、罐型磁路；2、绕组线包；3、磁传感电路；4、磁路采样气隙。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1和图2，图1为图1为现有技术中单级线性恒流电路，我们对其进行改进，参见图2。一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，包括输入电路、磁调谐器件、设定电压电路、误差放大电路和功率放大电路，所述输入电路用于提供输入电压和电流，所述磁调谐器件包括磁路和绕组线包2，所述设定电压电路用于输出设定电压，所述功率放大电路包括输入端、输出端和控制端，所述输入电路依次经绕组线包2、功率放大电路的输入端、输出端后接地；

所述绕组线包2用于在通过电流后产生磁场，所述磁路内设有磁路采样气隙4，所述磁路采样气隙4内设有磁传感电路3，所述磁传感电路3用于产生与磁场强度对应的感应电压并输出；

所述设定电压电路和磁传感电路3的输出端分别接误差放大电路的正向输入端和反向输入端，所述误差放大电路的输出端接功率放大电路的控制端，所述误差放大电路用于将设定电压和感应电压的差值放大后输出驱动功率放大电路。

本实施例中：所述磁传感电路3采用线性霍尔传感器，或霍尔元件与其外接电路的组合，或磁阻传感器与其外接电路的组合。所述磁路上设有工作气隙，所述磁路采样气隙4单独设置，或与工作气隙重叠。所述磁路材料为软磁铁氧体、牌号为1J79、1J50的软磁合金、或牌号为PC40、PC50的高导锰锌软磁铁氧体材料。所述磁路形状为E型、罐型、环型或C型。所述设定电压电路为高精度模拟电压基准源或数控电压基准源。所述功率放大电路采用达林顿管、mosFET、三极管、压控线性恒流源、或压控DC/DC或这些元件及其外围电路的组合，用于根据控制端电压的变化，改变其输出端的电流。

本发明的工作原理及流程为：

（1）初始状态，功率放大电路的控制端无电压，不导通，因此绕组线包2中没有电流，产生的磁场为零，即磁传感电路3的感应电压也为零。

（2）设定电压发生电路产生出设定电压，即设定了所需工作磁场。该电压作用于误差放大器的正向输入端，此时，误差放大器的负向输入端为磁传感电路3的输出电压，即为零，则误差放大器输出最大，该电压作用于功率放大电路的控制端，使得功率放大电路等效导通电阻最小，输入电压经过绕组线包2和功率放大电路并经过地回流。

（3）由于线包绕组的电感很大，其绕组内电流不能突变，而是逐渐增大，即气隙内的磁场增大，磁传感电路3的输出电压也相应增大，并施加于误差方法器的反向输入端，则误差放大器的输出将减小，误差放大器输出端连接的功率放大电路的控制端，此误差电压将使功率放大电路的等效导通电阻增大，由于误差放大器的积分作用，误差电压输出将恒定为某个特定的值；

（4）以上动态调整过程将持续进行，直到磁传感电路3的输出电压和设定电压相等，此时，磁调谐器件的工作频率f将决定于如下公式：

其中，V_r为设定电压，G为磁传感器灵敏度，特定的磁传感器的灵敏度是固定的，因此，磁调谐器件的工作频率将只取决于设定电压的精度和稳定度 。

（5）当改变设定电压或由于温度、应力导致气隙磁场变化时，该控制环路将自动调整，最终使得磁场恒定为所需值，即工作频率始终为设定值，也就解决了频率漂移的问题。下面将分别描述解决应力、磁滞问题的调整过程：

安装应力或温度变化导致工作气隙的距离发生变化时，在相同的绕组线包2电流下，气隙间的磁场强度将发生变化，该变化将直接反应到磁传感电路3的输出电压。当气隙减小时，气隙间的磁场强度将增大，大于所需磁场，磁传感电路3的输出电压将增大，则误差放大电路的误差输出电压将减小，即放大电路的控制级电压减小，则放大电路的等效导通电阻将增大，从而使绕组线包2电流减小，即气隙间的磁场减小，通过环路的积分反馈作用，最终将使气隙间的磁场和所需磁场一样；当气隙增大时，气隙间的磁场强度将减小，小于所需磁场，磁传感电路3的输出电压将减小，则误差放大电路的误差输出电压将增大，即放大电路的控制级电压增大，则放大电路导通电阻将减小，从而使绕组线包2电流增大，即气隙间的磁场增大，通过环路的积分反馈作用，最终将使气隙间的磁场和所需磁场一样。以上过程的最终结果是不管工作气隙距离如何受应力、温度等影响而变化，工作气隙内的磁场始终维持在设定的大小，则磁调谐器件的工作频率始终保持设定值，即可解决由于应力所导致的频率漂移问题。

当电流阶跃减小时，由于磁性材料的磁滞效应会产生剩磁，该剩磁叠加在气隙磁场上，使得在相同电流下形成的气隙磁场大于所需磁场。此时磁传感电路3的感应电压将增大，则误差放大电路的误差输出电压将减小，即放大电路的控制级电压减小，使得放大电路的等效导通电阻增大，从而使绕组线包2电流减小，即气隙间的磁场减小，通过环路的积分反馈作用，最终将使气隙间的磁场和所需磁场一样，最终结果将使得工作气隙内的磁场始终维持在设定的大小，则磁调谐器件的工作频率始终保持设定值，即可解决由于磁滞作用所导致的频率漂移问题。

实施例2：参见图2、图3和图4，在实施例1的基础上，我们给出一种具体的电路结构。

关于磁路的结构，参见图3，本实施例中，磁路形状我们选择为精密合金1J50构成的罐型磁路1，该磁路由对称的上下两部分构成，中间竖直设有中柱，中柱上设置有高度为1.5mm的工作气隙，在工作气隙中放置磁传感电路3，以及YIG谐振子、支撑杆、介质腔等结构，即工作气隙和磁场检测气隙重合。绕组线包2缠绕在中柱上，采用漆包铜线绕制的相应的匝数。另外，在磁路上开有小孔安装磁传感电路3的输入输出线。

关于电路：我们给出一种具体的电路实施方式，具体参见图4。

图4中，设定电压电路选用高精度数控DAC实现高精度电压基准源，本实施例中，采用高精度DAC，型号为MAX5541，由单片机、FPGA等器件通过SPI接口控制实现改变设定电压，本实施例中，DAC采用符号U3表示。

图4中，Vin为激励电路的输入电源，也是输入电路输出的电压，VCC为DAC、磁场传感器等器件的工作电源，Vref为DAC的参考电压，由高精度高稳定度的电压基准源MAX6325产生，该电压基准源和其外围电路图中未画出。

在设定电压电路后面，我们设计一输出缓冲器，由运放实现，误差放大电路，我们也由运放实现，具体选择一双运算放大器U4，型号为OPA2134，U4B为U4的一组运放，其构成电压跟随器作为U3的输出缓冲器。U4A为U4的另外一组运放，其和周边电阻R1、R2、R3，电容C1成误差放大电路。该电路通过放大设定电压和磁场传感器输出的感应电压的差值产生误差电压,该误差电压作用于功率放大电路。

磁传感电路3，由U1、C2、C3、C4和R4构成，其中U1为模拟输出型线性霍尔传感器芯片，型号为A1318，其输出电压与磁场强度线性相关，灵敏度为0.5mV/G，可测量磁场范围为±4000Gs。C3为旁路电容、C4为滤波电容，其中，C4位于工作电源VCC和U1的Vcc端口之间，U1的Out端分两路，一路经C3接地，一路接R4后再分为两路，其中一路经C2接地，一路经电阻R1接误差放大电路。在这里，R4和C2构成低通滤波器。

功率放大电路，本实施例选择功率管Q1，具体为高性能N_MOSFET功率管IRF120N，其受误差电压的控制实现恒流输出。误差电压通过R3作用于其控制端，也就是Q1的栅极。其保护二极管，补偿电容，泄放电阻等没有画出。功率放大电路不仅限于本实施例中的功率管Q1，还可以采用达林顿管、mosFET、三极管、压控线性恒流源、或压控DC/DC或这些元件及其外围电路的组合。

此外，为了突出重点，本实施例省略了包括MCU等数字接口电路，运放、DAC等芯片的电源滤波、去耦电容等元件，在实际电路中应按需设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，包括输入电路、磁调谐器件、设定电压电路、误差放大电路和功率放大电路，所述输入电路用于提供输入电压和电流，所述磁调谐器件包括磁路和绕组线包，所述设定电压电路用于输出设定电压，所述功率放大电路包括输入端、输出端和控制端，其特征在于：

所述输入电路依次经绕组线包、功率放大电路的输入端、输出端后接地；

所述绕组线包用于在通过电流后产生磁场，所述磁路内设有磁路采样气隙，所述磁路采样气隙内设有磁传感电路，所述磁传感电路用于产生与磁场强度对应的感应电压并输出；

所述设定电压电路和磁传感电路的输出端分别接误差放大电路的正向输入端和反向输入端，所述误差放大电路的输出端接功率放大电路的控制端，所述误差放大电路用于将设定电压和感应电压的差值放大后输出驱动功率放大电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，其特征在于：所述磁传感电路采用线性霍尔传感器，或霍尔元件与其外接电路的组合，或磁阻传感器与其外接电路的组合。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，其特征在于：所述磁路上设有工作气隙，所述磁路采样气隙单独设置，或与工作气隙重叠。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，其特征在于：所述磁路材料为软磁铁氧体、牌号为1J79、1J50的软磁合金、或牌号为PC40、PC50的高导锰锌软磁铁氧体材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，其特征在于：所述磁路形状为E型、罐型、环型或C型。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，其特征在于：所述设定电压电路为高精度模拟电压基准源或数控电压基准源。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁场反馈的磁调谐器件激励电路，其特征在于：所述功率放大电路采用达林顿管、mosFET、三极管、压控线性恒流源、或压控DC/DC或这些元件及其外围电路的组合，用于根据控制端电压的变化，改变其输出端的电流。

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