CN113447865B - 一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统，通过无接触探测、分级分流抑制空间体积内磁场特定方向噪声。基于线圈电流噪声对空间体积内磁场的影响，设计第一级反馈分流锁定回路，稳定线圈上低频电流噪声和大部分50Hz及其谐波的电流噪声，将电流噪声稳定至输出电流的10^‑5；基于环境磁场噪声对空间体积内磁场噪声的贡献，设计第二级反馈分流锁定回路，用磁场探测器间接探测空间体积磁场特定方向噪声，在线圈电流中加入与磁场噪声反相的电流扰动，抵消环境磁场噪声，压制空间体积内磁场噪声至几十微高斯，实现超低磁场噪声。该系统提高了磁场锁定的精度；通过调整参数可适配不同电流源和亥姆霍兹线圈组合，应用于不同的磁场环境。

Description

一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统

技术领域

本发明涉及磁场检测领域，特别是涉及一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统。

背景技术

超低的磁场噪声对于许多前沿科学研究都有重要意义。例如：对原子干涉、微重力的测量，电子显微镜，核磁共振，磁测距和原子钟实验都受益于磁场稳定的进展。

磁场的噪声主要是来自产生磁场的线圈的电流起伏和周围环境引入的磁场噪声等。其中线圈的电流起伏主要来自于供给线圈的电源本身输出的噪声以及电源与线圈的耦合产生的谐振效应；而环境中的磁噪声主要来自地磁场产生的直流磁场的波动、市电电网发射50Hz噪声以及周围实验仪器产生的噪声。其中地磁场噪声大约为几百微高斯，市电电网发射的磁场强度覆盖了从小于1毫高斯到几十毫高斯范围。

为了获得稳定的磁场，可以从磁场噪声的来源入手，一方面直接换用低噪声的电流源，但是大部分的电流源的输出电流波动在千分之一，甚至是百分之一，也有部分纹波噪声可达到输出电流的十万分之一的电源，但是其价格高昂，难以普及。但是电流的纹波噪声低并不代表磁场噪声低，还需要考虑环境中引入的磁场噪声，磁屏蔽通常用于降低环境中杂散磁场的噪声，但在实际中，往往由于目标空间体积内附近的一些结构设计，通常很难实现将整个系统屏蔽起来。并且如果需要稳定的是一个几十到几百高斯大小的磁场，这很容易使磁屏蔽箱达到磁饱和，从而影响磁场屏蔽效果，很多时候其结构也会被既有的实验装置的设计所限制。

因此如何设计一套可以与已有的设计兼容，适用各种磁场环境，最终通过低成本的磁场稳定系统形成超低磁场噪声环境，已经成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述的问题，本发明的目的是提供一种可以匹配多种磁场环境、无接触探测空间体积内中心磁场、利用分级分流锁定使中心磁场稳定的系统。先利用第一级分流稳定电流噪声，但电流噪声低并不代表磁场稳定，所以利用第二级分流稳定磁场噪声。最终将待稳定的空间体积内磁场的噪声抑制至几十微高斯。

实现本发明目的的具体技术方案如下：

一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统，该系统包括待稳定的空间体积、供电电流源、磁场的产生线圈、磁通门电流传感器、第一磁场探测器、第二磁场探测器、一级电路、第一级NPN型功率晶体管、I_shunt1支路监测电阻、二级电路、第二级NPN型功率晶体管、I_shunt2支路监测电阻，其中：

待稳定的空间体积，一个无法直接探测的、需要稳定磁场特定方向的空间体积；

供电电流源，用于为产生磁场的线圈提供电流，采用恒流输出模式；

磁场的产生线圈，一对亥姆霍兹线圈，线圈的两端与电源输出端连接，对称放置于待稳定的空间体积两侧，线圈放置时，线圈的轴向为需要产生的磁场的方向，用于产生待稳定的磁场；

磁通门电流传感器，置于从供电电流源电流流出端口至磁场的产生线圈之间，用于探测电流流入线圈前，I_shunt2支路和I_coil支路的电流之和；

两个磁场探测器，对称设置于空间体积中心位置旁，方向与磁场方向相同，用于间接探测待稳定的空间体积内中心处沿着线圈轴向方向的磁场；

一级电路，输入信号为磁通门电流传感器探测的信号，输出信号控制第一级NPN型功率晶体管的基极，用于对磁通门电流传感器探测的信号进行差分、减法、滤波、补偿、积分和分流处理；

第一级NPN型功率晶体管，其集电极与流过磁通门电流传感器前的导线连接，发射极与I_shunt1支路监测电阻相连，用于控制I_shunt1支路的电流大小；

I_shunt1支路监测电阻，一端与第一级NPN型功率晶体管发射极相连，一端与供电电流源负极相连，用于监视I_shunt1支路流过的电流；

二级电路，其输入信号为两磁场探测器输出的信号，输出信号控制第二级NPN型功率晶体管的基极，用于将输入信号进行加法、减法、滤波、补偿、积分和分流处理；

第二级NPN型功率晶体管，其集电极连接于磁通门电流传感器后、磁场的产生线圈前的导线上，发射极与I_shunt2支路监测电阻相连，用于通过分流在线圈所在支路I_coil上加入扰动电流；

I_shunt2支路监测电阻，一端与第二级NPN型功率晶体管发射极相连，一端与供电电流源负极相连，用于监视I_shunt2支路流过的电流。

所述磁通门电流传感器、一级电路、第一级NPN型功率晶体管及I_shunt1支路监测电阻构成第一级反馈分流锁定回路，第一级反馈分流锁定回路通过负反馈的方式稳定磁场的产生线圈所在支路I_coil与I_shunt2支路的电流之和，使电流噪声部分只从支路I_shunt1流走，不流经磁场的产生线圈所在支路I_coil与I_shunt2支路，降低线圈电流噪声从而起到稳定磁场的作用。

所述两磁场探测器、二级电路、第二级NPN型功率晶体管及I_shunt2支路监测电阻构成第二级反馈分流锁定回路，利用第二级反馈回路通过分流的方式在磁场的产生线圈中加入与磁场噪声反相的扰动信号，使其产生一个与探测磁场噪声反相的磁场，从而抵消待稳定的空间体积处的沿线圈轴线方向的磁场噪声。

所述一级电路包括：依次连接的差分电路、减法放大电路、滤波电路、补偿电路、积分电路及分流电路，其中：

差分电路，用于将磁通门电流传感器输出的电流转化成电压信号，并且抑制共模噪声；

减法放大电路，用于通过与稳定可调的参考电压V_ref粗调和V_ref细调减去输入信号中的直流信号，并将误差信号放大，得到误差信号后，对其做功率谱密度分析可得噪声随频率的分布，并将误差信号传输至滤波电路；

滤波电路，根据误差信号噪声在频域上的分布情况，用于滤除误差信号中由磁通门电流传感器引入的时钟噪声和电流噪声中的高频噪声；

补偿电路，用于补偿非理想电流源的大输出电容和线圈电感的谐振效应，也即是修正实际偏离理想情况下(理想电流源的干路电流等于支路电流之和)的现象；

积分电路，用于为输入信号提供增益并根据误差信号噪声随频率的分布情况定义反馈带宽；

分流电路，用于调整对应的电阻以匹配所需要分流的范围，并驱动起分流作用的NPN型功率晶体管的基极，从而控制分流支路电流的大小，实现对支路电流的调控。

所述减法放大电路中的参考电压V_ref粗调及V_ref细调是利用计算机通过微控制器控制数模转换器DAC输出可调控的电压，其中DAC的参考电压利用精密带隙基准电压源提供。

所述二级电路包括依次连接的加法电路、减法放大电路、滤波电路、补偿电路、积分电路及分流电路，其中：

加法电路，用于对两磁场探测器、磁场探测器得到的信号进行平均，以此代表空间体积内中心处线圈轴向上的磁场；

减法放大电路，用于获得磁场噪声的交流信号，并分析其噪声的功率谱密度；

滤波电路，根据误差信号噪声在频域上的分布情况，用于滤除由两磁场探测器引入的时钟噪声和电流噪声中的高频噪声；

补偿电路，用于补偿二级电路中减法放大电路获得磁场噪声的交流信号，使其在响应带宽内产生增益平滑的反相磁场信号；

积分电路，用于提供增益并定义带宽；

分流电路，用于通过分流，在磁场的产生线圈所在支路I_coil上加一个扰动，使磁场的产生线圈产生一个与探测到的磁场噪声反相的磁场扰动，从而抵消环境磁场噪声。

所述二级电路中减法放大电路中的参考电压V_ref粗调和V_ref细调是利用计算机通过微控制器控制数模转换器DAC输出可调控的电压，其中DAC的参考电压利用精密带隙基准电压源提供。

本发明易与待稳定的空间体积周围的设计兼容，该系统提高了磁场锁定的精度；可以通过调整参数适配不同电流源、亥姆霍兹线圈的组合，针对性强，成本低；可适应于不同磁场环境。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明第一级反馈分流锁定回路结构示意图；

图3为本发明第二级反馈分流锁定回路结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的是一种可以匹配多种磁场环境、无接触探测空间体积内中心磁场、利用分级分流锁定使待测的空间体积1中心磁场特定方向稳定的系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图及实施对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，本发明的一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统，包括待稳定的空间体积1、供电电流源2、磁场的产生线圈3、磁通门电流传感器4、第一磁场探测器5、第二磁场探测器6、一级电路7、第一级NPN型功率晶体管8、I_shunt1支路监测电阻9、二级电路10、第二级NPN型功率晶体管11、I_shunt2支路监测电阻12。其中：

待稳定的空间体积1，为需要稳定磁场特定方向的空间体积，不能直接探测。

供电电流源2，用于为磁场的产生线圈3提供电流，采用恒流输出模式，使其输出固定大小的电流。按所需要的电流范围选择合适量程的电流源；

磁场的产生线圈3，为一对亥姆霍兹线圈，对称的放置于待稳定的空间体积两侧，放置线圈时，线圈的轴向为需要产生的磁场的方向，用于产生待稳定的磁场，磁场的产生线圈3的大小和圈数按照不同的磁场要求绕制；

磁通门电流传感器4，用于测量线圈所在电路的电流，并将测量值作为输入信号传输至一级电路。这里面为了适应不同的电流大小，可以通过增加或者减少绕过磁通门电流传感器的圈数，也可以换用合适量程的磁通门电流传感器实现，对于2A以下的小电流，可以直接将一个四端电阻串联在线圈所在支路，测量电阻两端电压作为输入信号，放置位置与磁通门电流传感器4相同；

第一磁场探测器5、第二磁场探测器6，用于探测待稳定的空间体积中心点对称处磁场，由于无法直接将磁场探测器放置于空间体积内中心处，所以采用将两个探测器放于距离空间体积中心点对称的位置，然后取平均值，以此代表空间体积内中心处线圈轴向方向上的磁场；

一级电路7，用于对输入信号进行差分、减法、滤波、补偿、积分和分流处理，产生驱动第一级NPN型功率晶体管8的基极电压；

第一级NPN型功率晶体管8，用于通过分流稳定线圈所在支路I_coil的电流；

I_shunt1支路监测电阻9，用于监视I_shunt1支路流过的电流；

二级电路10，用于将第一磁场探测器5、第二磁场探测器6输出的信号进行加法、减法、滤波、补偿、积分和分流处理，控制第二级NPN型功率晶体管11的基极电压；

第二级NPN型功率晶体管11，用于通过分流在磁场的产生线圈3所在支路I_coil上加入扰动电流；

I_shunt2支路监测电阻12，用于监视I_shunt2支路流过的电流；

所述磁场稳定系统，其中：磁通门电流传感器4、一级电路7、第一级NPN型功率晶体管8、I_shunt1支路监测电阻9，构成第一级反馈分流锁定回路。第一级反馈分流锁定回路通过将磁通门电流传感器4探测到的噪声信号经过一级电路7处理后驱动第一级NPN型功率晶体管8，从而控制流过I_shunt1支路的电流大小，使绝大部分噪声从I_shunt1支路流走，不经过磁场的产生线圈3所在支路I_coil和I_shunt2支路，降低线圈电流噪声从而起到稳定磁场的作用；

所述的磁场稳定系统，其中第二级反馈分流锁定回路包括：第一磁场探测器5、第二磁场探测器6、二级电路10、第二级NPN型功率晶体管11、I_shunt2支路监测电阻12，第一级反馈分流锁定回路稳定大部分的电流噪声后，此时环境磁场中的噪声主要剩下的是50Hz及其谐波，第二级反馈分流锁定回路通过将第一磁场探测器5、第二磁场探测器6探测得到的磁场噪声信号通过二级电路10处理后驱动第二级NPN型功率晶体管11，从而控制流过I_shunt2支路的电流大小，最终在稳定电流后的线圈中加入与磁场噪声反相的扰动信号，使其产生一个与探测磁场反相的磁场，从而抵消空间体积1处线圈轴向上的磁场噪声；

所述磁场稳定系统，其中稳定磁场的一级电路7包括，差分电路71，减法放大电路72，滤波电路73，补偿电路74，积分电路75，分流电路76，其中：

差分电路71，用于将磁通门电流传感器4输出的电流转化成电压信号，并且用于抑制共模噪声；

减法放大电路72，用于通过与稳定可调的参考电压做差，去除输入信号中的直流信号，但由于此时的交流信号较小，与电路中电子元件的典型噪声在一个量级，因此将误差信号放大，使其和电路中电子元件的典型噪声有量级上的差别，另外为了调节方便和提高参考电压的精度，在减法放大电路中的参考电压加入V_ref粗调721和V_ref细调722。得到误差信号后，对其做功率谱密度分析可得噪声随频率的分布；

滤波电路73，根据误差信号噪声在频域上的分布情况，用于滤除磁通门电流传感器4的时钟噪声和电流噪声中的的高频噪声；

补偿电路74，用于补偿非理想电流源的大输出电容和线圈电感的谐振效应。对于理想电流源，输出的电流应为直流信号，如果在分流支路加上一个扰动，那么在线圈所在支路上会产生一个等大反向的扰动，即满足：干路电流等于支路电流之和，但是电流源的大输出电容和线圈电感的谐振效应，会使实际偏离理想情况。这时，测出所用电流源与线圈连接完成后I_coil/I_shunt1的传递函数，可以看到其在所有频段上并不具有相同的增益，而是在高频处增益突然下降，导致的结果是会使支路上产生一个50Hz的扰动并不会在线圈所在支路上产生相应幅度的扰动，所以加入补偿电路，使补偿电路的传递函数为I_coil/I_shunt1的传递函数的倒数，从而获得平滑的增益曲线；

积分电路75，用于提供增益并定义反馈带宽，这里一反面考虑误差信号的功率谱密度中主要噪声的分布，另一方面考虑积分电路之前的滤波器减少了反馈回路的相位裕度，如果带宽接近滤波电路的陷波频率，则可能导致信号不稳定，所以带宽要远离陷波频率，并且包括功率谱密度中的低频噪声和50Hz及其谐波噪声；

分流电路76，用于调整相应的电阻以匹配所需要分流的范围，并驱动I_shunt1分流支路上的第一级NPN型功率晶体管8的基极，从而控制I_shunt1分流支路电流的大小，实现对支路电流的调控；

所述磁场稳定系统，其中二级电路包括加法电路101，减法放大电路102，滤波电路103，补偿电路104，积分电路105，分流电路106，第二级反馈分流锁定回路和第一级反馈分流锁定回路大同小异，只是获取输入信号的方式不同。其中：

加法电路101，用于对探测器5，6得到的信号进行平均处理；

减法放大电路102，用于获得磁场噪声的交流信号，并分析磁场噪声的功率谱密度；

滤波电路103，根据磁场噪声的交流信号在频域上的分布情况，滤去磁场探测器的时钟噪声和电路中带入的高频噪声；

补偿电路104，用于补偿前馈分流锁定电路的V_feild/V_shunt2，使其可以在响应带宽内产生增益平滑的反相磁场信号；

积分电路105，用于提供增益并定义反馈带宽；

分流电路106，用于调整相应的电阻以匹配所需要分流的范围，并驱动I_shunt2分流支路上的第二级NPN型功率晶体管11的基极，控制I_shunt2分流支路电流；

本发明的磁场稳定系统包括第一级反馈分流锁定回路和第二级反馈分流锁定回路，由于磁场稳定系统是适配不同的磁场、电流源、线圈，所以具体实施时需要：

根据图1连接电路，将供电电流源2的输出分三条支路，其中距离供电电流源2输出最近的为第一级反馈分流锁定回路的分流支路I_shunt1支路，并在该支路上串联进第一级NPN型功率晶体管8、I_shunt1支路监测电阻9；其次为第二级反馈分流锁定回路的分流支路I_shunt2支路，并在该支路上串联进第二级NPN型功率晶体管11、I_shunt2支路监测电阻12，离电源输出最远的支路为磁场的产生线圈2所在支路I_coil，将线圈串联连入支路I_coil，并且对称放置于待稳定的空间体积1两侧，线圈轴向方向与需要产生的磁场方向相同。磁通门电流传感器4设置于第一级反馈分流锁定回路的分流支路I_shunt1支路和第二级反馈分流锁定回路的分流支路I_shunt2支路之间。第一磁场探测器5、第二磁场探测器6对称贴近待稳定的空间体积1两边放置，磁场探测器的方向沿着产生的磁场方向。磁通门电流传感器4的测量信号输出与一级电路7的输入连接，一级电路7的输出与I_shunt1支路上的第一级NPN功率晶体管8基极连接；两个磁场探测器的测量信号输出与二级电路10的输入连接，二级电路10的输出与I_shunt2支路上的NPN型功率晶体管11连接。

根据不同的磁场要求，需要适配不同的供电电流源2、磁场的产生线圈3、磁通门电流传感器4、磁场探测器5、6，具体实施时供电电流源2使用的型号是KEYSIGHT 6691A；磁场的产生线圈3为手工绕制，磁通门电流传感器4，用于测量电流，使用的型号是LEM IT400-S；磁场探测器5、6用于探测磁场大小，具体实施时用的型号为FL1-1000。

电路硬件连接完成后，先测量一级电路7中的差分电路71的输出电压，用电脑通过BBB Black Board控制的DAC芯片输出的想要稳定的电流对应的参考电压V_ref粗调721，V_ref细调722，输入信号与参考电压V_ref粗调721、V_ref细调722做差后得到误差信号，其中误差信号为负值时，才可实现第一级反馈分流回路的锁定。因为本锁定是通过分流实现线圈所在电路电流稳定的，不可能使线圈电流大于电源输出电流。

对于理想电流源，输出的电流应为直流信号，如果在分流支路加上一个扰动，那么在线圈所在支路上会产生一个等大反向的扰动，即满足：干路电流等于支路电流之和，但是电流源的大输出电容和线圈电感的谐振效应，会使实际偏离理想情况。这时，测出所用电流源与线圈连接完成后I_coil/I_shunt1的传递函数，测量时可以先把积分电路75和分流电路76连接处断开，在分流电路76用信号发生器输入一个合适幅值的正弦波，然后测I_shunt1支路监测电阻9两端的电压中的交流噪声信号，除以电阻后以此代表I_shunt1，测误差信号，反推出对应的线圈电流的交流噪声信号，以此代表I_coil，由此测得电流源与线圈连接完成后I_coil/I_shunt1的传递函数。

得到误差信号之后，需要对误差信号进行分析，根据信号的幅度，调整后续电路，使其后续滤波电路73，补偿电路74，积分电路75，分流电路76中不出现饱和现象，还需要对得到误差信号，利用频谱分析仪或者利用示波器采样后利用周期图功率谱密度估计函数periodogram对其做功率谱密度分析，得到噪声随频率的分布。

得到误差信号的功率谱密度后，根据误差信号的功率谱密度，调整滤波电路73的滤波参数，滤除磁通门电流传感器引入的时钟噪声和电流噪声中的高频噪声。

测出I_coil/I_shunt1的传递函数，并且通过改变相应的电阻，使补偿电路74的传递函数的增益曲线符合I_coil/I_shunt1的传递函数的倒数。

前面的部分完成后就需要花大部分的精力去调节积分电路75，所用的积分电路又称为PT调节器，其结合了比例、积分，调整积分电路中的相应可改变比例、积分参数的电阻，避免锁定后电路中出现震荡。

分流电路76，用于调整对应的电阻以匹配所需要分流的范围，并驱动分流支路I_shunt1上的NPN型功率晶体管8的基极，从而控制分流支路电流的大小，实现对支路电流的调控。

通过I_shunt1支路监测电阻9探测I_shunt1支路上电流的大小，判断电流噪声是否流经I_shunt1支路，以及分流支路I_shunt1是否出现饱和现象。

通过锁定后的误差信号评估锁定的效果，也可以通过环外测量电流的噪声锁定效果。

第一级反馈分流锁定回路锁定大部分的线圈电流噪声后，由于电流噪声低并不代表磁场稳定，所以利用第二级反馈分流锁定回路稳定磁场噪声。利用两个磁场探测器5、6探测磁场，通过加法电路101，将两个磁场探测器信号平均。

减法放大电路102利用计算机通过BBB Black Board控制的DAC芯片输出的想要稳定的电流对应的参考电压V_ref粗调1021，V_ref细调1022，减去平均后的磁场信号的直流部分，对交流部分放大200倍，得到磁场噪声的误差信号，然后用与一级电路相同的方式调节滤波电路103、补偿电路104，积分电路105，分流电路106，驱动分流支路I_shunt2上的NPN型功率晶体管11的基极，从而控制分流支路I_shunt2电流的大小，实现对支路电流的调控。在第一级反馈分流锁定回路稳定线圈电流的基础上加上一个扰动，使其产生一个与探测磁场反相的磁场，从而抵消环境磁场噪声。I_shunt1支路监测电阻12可以用来探测支路中产生的电流扰动。

具体实施时可以根据不同的磁场要求，选择合适的供电电流源2、磁场的产生线圈3、磁通门电流传感器4、磁场探测器5、6，利用同样的调试方法调节一级电路7、二级电路10，可以实现对不同大小磁场的稳定。

综上所述，本发明所提供的磁场稳定系统，将磁场噪声的不同来源进行一级一级的锁定，先通过第一级反馈分流锁定回路稳定由电流噪声引入的磁场噪声，再通过间接探测空间体积内处的磁场稳定环境中引入的磁场噪声，最终实现稳定空间体积内磁场噪声至几十微高斯的目的。提高了磁场锁定的精度，根据不同的电流源、线圈匹配不同的参数，针对性强，可适应于不同电流、磁场环境，促进了稳定磁场这一块领域的技术发展，提高了磁场的稳定度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换技术方案都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种超低磁场噪声的分级分流锁定磁场稳定系统，其特征在于，包括待稳定的空间体积（1）、供电电流源（2）、磁场的产生线圈（3）、磁通门电流传感器（4）、第一磁场探测器（5）、第二磁场探测器（6）、一级电路（7）、第一级NPN型功率晶体管（8）、

支路监测电阻（9）、二级电路（10）、第二级NPN型功率晶体管（11）及

支路监测电阻（12），其中：

待稳定的空间体积（1），一个无法直接探测的、需要稳定磁场特定方向的一个空间体积；

供电电流源（2），用于为产生磁场的线圈提供电流，采用恒流输出模式；

磁场的产生线圈（3），一对亥姆霍兹线圈，线圈的两端与供电电流源连接，对称放置于待稳定的空间体积（1）两侧；放置线圈时，线圈的轴向为需要产生的磁场的方向，用于产生待稳定的磁场；

磁通门电流传感器（4），置于从供电电流源（2）电流流出端口至磁场的产生线圈（3）之间，用于探测电流流入磁场的产生线圈（3）前，

支路和

支路的电流之和；

第一磁场探测器（5）、第二磁场探测器（6），对称设置于待稳定的空间体积（1）中心位置旁，方向与磁场方向相同，用于间接探测待稳定的空间体积（1）内中心处沿着磁场的产生线圈（3）轴向方向的磁场；

一级电路（7）,其输入信号为磁通门电流传感器（4）探测的信号，输出信号控制第一级NPN型功率晶体管（8）的基极，用于对磁通门电流传感器（4）探测的信号进行差分、减法、滤波、补偿、积分和分流处理；

第一级NPN型功率晶体管（8），其集电极与流过磁通门电流传感器（4）前的导线连接，发射极与

支路监测电阻（9）相连，用于控制

支路的电流大小；

支路监测电阻（9），一端与第一级NPN型功率晶体管（8）发射极相连，一端与供电电流源（2）负极相连，用于监测

支路流过的电流；

二级电路（10），其输入信号为第一磁场探测器（5）、第二磁场探测器（6）输出的信号，输出信号控制NPN型功率晶体管（11）的基极，用于将输入信号进行加法、减法、滤波、补偿、积分和分流处理；

第二级NPN型功率晶体管（11），其集电极连接于磁通门电流传感器（4）后、磁场的产生线圈（3）前的导线上，发射极与

支路监测电阻（12）相连，用于通过分流在磁场的产生线圈（3）所在支路

上加入扰动电流；

支路监测电阻（12），一端与NPN型功率晶体管（11）发射极相连，一端与供电电流源（2）负极相连，用于监视

支路流过的电流。

2.根据权利要求1所述的分级分流锁定磁场稳定系统，其特征在于，所述磁通门电流传感器（4）、一级电路（7）、第一级NPN型功率晶体管（8）及

支路监测电阻（9）构成第一级反馈分流锁定回路，第一级反馈分流锁定回路通过负反馈的方式稳定磁场的产生线圈（3）所在支路

支路的电流之和，使电流噪声部分只从支路

流走，不流经磁场的产生线圈（3）所在支路

支路，降低线圈电流噪声从而起到稳定磁场的作用。

3.根据权利要求1所述的分级分流锁定磁场稳定系统，其特征在于，所述第一磁场探测器（5）、第二磁场探测器（6）、二级电路（10）、第二级NPN型功率晶体管（11）及

支路监测电阻（12）构成第二级反馈分流锁定回路，利用第二级反馈回路通过分流的方式在磁场的产生线圈（3）中加入与磁场噪声反相的扰动信号，使其产生一个与探测磁场噪声反相的磁场，从而抵消待稳定的空间体积（1）处的沿线圈轴线方向的磁场噪声。

4.根据权利要求1所述的分级分流锁定磁场稳定系统，其特征在于，所述一级电路（7）包括：依次连接的差分电路（71）、减法放大电路（72）、滤波电路（73）、补偿电路（74）、积分电路（75）及分流电路（76），其中：

差分电路（71），用于将磁通门电流传感器（4）输出的电流转化成电压信号，并且抑制共模噪声；

减法放大电路（72），用于通过与稳定可调的参考电压

粗调（721）和

细调（722）减去输入信号中的直流信号，并将误差信号放大，得到误差信号后，对其做功率谱密度分析得到噪声随频率的分布，并将误差信号传输至滤波电路（73）；

滤波电路（73），根据误差信号噪声在频域上的分布情况，用于滤除误差信号中由磁通门电流传感器（4）引入的时钟噪声和电流噪声中的高频噪声；

补偿电路（74），用于补偿供电电流源（2）的大输出电容和线圈电感的谐振效应；

积分电路（75），用于为输入信号提供增益并根据误差信号噪声随频率的分布情况定义反馈带宽；

分流电路（76），用于调整对应的电阻以匹配所需要分流的范围，并驱动起分流作用的NPN型功率晶体管的基极，从而控制分流支路电流的大小，实现对支路电流的调控。

5.根据权利要求4所述的分级分流锁定磁场稳定系统，其特征在于，所述减法放大电路中的参考电压

粗调（721）及

细调（722）是利用计算机通过微控制器控制数模转换器DAC输出可调控的电压，其中DAC的参考电压利用精密带隙基准电压源提供。

6.根据权利要求1所述的分级分流锁定磁场稳定系统，其特征在于，所述二级电路（10）包括依次连接的加法电路（101）、减法放大电路（102）、滤波电路（103）、补偿电路（104）、积分电路（105）及分流电路（106），其中：

加法电路（101），用于将第一磁场探测器（5）、第二磁场探测器（6）得到的信号进行平均，平均后的信号代表待稳定的空间体积（1）内中心处的线圈轴向上的磁场；

减法放大电路（102），用于获得磁场噪声的交流信号，并分析其噪声的功率谱密度；

滤波电路（103），根据误差信号噪声在频域上的分布情况，用于滤除由第一磁场探测器（5）、第二磁场探测器（6）引入的时钟噪声和电流噪声中的高频噪声；

补偿电路（104），用于补偿二级电路中减法放大电路（102）获得磁场噪声的交流信号，使其在响应带宽内产生增益平滑的反相磁场信号；

积分电路（105），用于提供增益并定义带宽；

分流电路（106），用于通过分流，在磁场的产生线圈（3）所在支路

上加一个扰动，使磁场的产生线圈（3）产生一个与探测到的磁场噪声反相的磁场扰动，从而抵消环境磁场噪声。

7.根据权利要求6所述的分级分流锁定磁场稳定系统，其特征在于，所述二级电路（10）中减法放大电路（102）中的参考电压

粗调（1021）和

细调（1022）是利用计算机通过微控制器控制数模转换器DAC输出可调控的电压，其中DAC的参考电压利用精密带隙基准电压源提供。

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