CN113484806A - 一种微弱磁场的高精度复现装置及复现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微弱磁场的高精度复现装置及复现方法，包括输入电路，还包括主控电路、基准电压源、粗调DAC、细调DAC、比例衰减器、电压加法器、载流线圈、磁屏蔽筒和压控恒流源。本发明通过电路设计配合复现方法，将磁场分为了粗调磁场和细调磁场，再转化为粗调DAC控制码C_C和细调DAC控制码C_f，通过粗调电压和细调电压的配合，可同时满足最大磁场范围和最小磁场分辨率精度要求，最多可以实现跨越10个数量级的精度。本发明采用数字控制和高精度基准，重复性好，还能获得高一致性的磁场。本发明可以为高精度原子磁强计复现PT级分辨率精度的弱磁场，具有很强的实用价值。

Description

一种微弱磁场的高精度复现装置及复现方法

技术领域

本发明涉及一种磁场复现装置及方法，尤其涉及一种微弱磁场的高精度复现装置及复现方法。

背景技术

弱磁场传感器及其测试技术广泛应用于潜艇探测、磁导航、弹道磁修正、舰船消磁等国防军工领域和空间科学、地球物理、资源勘探、环境保护、生物医疗、航海、无损检测、卫星导航等国民经济领域。

在这些应用中，一般都需要进行弱磁场复现，同时需要考虑屏蔽地磁场及环境干扰磁场，最常用、最经济、最方便的方式就是在屏蔽筒内使用无矩线圈复现弱磁场。

对于高精度的原子磁强计应用来说，需要复现的最大磁场强度为100μT，而且同时满足最小10pT的精度要求。当采用线圈常数为65μT/A的无矩线圈时，实现100μT的磁场需要电流为1.5A，但如果同时要实现pT级的精度,则要求电流分辨率达到0.01μA量级,这就跨越了7个数量级，因此要同时满足最大磁场和最小磁场分辨率是很困难的。

现有的技术方案如专利CN 108305763 A所述,但其方案有如下问题:

1、通过简单的电阻分压只能实现很微弱的磁场，难以同时满足最大磁场范围和最小磁场分辨率精度要求。

2、通过外接的恒流源实现，由于高分流比导致误差放大，因此重复性很差。

所以目前需要一种可同时满足最大磁场范围和最小磁场分辨率精度要求，可实现跨越多个数量级精度的磁场复现装置及方法。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，可同时满足最大磁场范围和最小磁场分辨率精度要求，可实现跨越多个数量级精度的一种微弱磁场的高精度复现方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种微弱磁场的高精度复现装置，包括输入电路，还包括主控电路、基准电压源、粗调DAC、细调DAC、电压加法器、载流线圈、磁屏蔽筒和压控恒流源；

所述基准电压源分别接粗调DAC和细调DAC，为粗调DAC和细调DAC提供粗调基准电压V_rc和细调基准电压V_rf；

所述粗调DAC、细调DAC的控制端接主控电路，输出端用于受主控电路控制分别输出粗调电压和细调电压；

粗调电压经粗调比例衰减器衰减后形成电压V_c，细调电压经细调比例衰减器衰减后形成V_f，且粗调比例衰减器的衰减系数为a_c，细调比例衰减器的衰减系数为a_f；

所述电压加法器，两输入端分别接V_c和V_f，输出端接压控恒流源，用于根据V_c、V_f产生并输出设定电压V_s至压控恒流源；

所述输入电路经载流线圈、压控恒流源到地回流，所述载流线圈位于磁屏蔽筒内，载流线圈通过电流后产生均匀磁场，所述压控恒流源的控制端接电压加法器的输出端，压控恒流源的接地端设有取样电阻，阻值为R_s，用于根据V_s改变其输出电流，使载流线圈上通过恒定电流I产生恒定磁场，并通过取样电阻产生取样电压；

所述主控电路用于根据下式，得到粗调DAC控制码C_C和细调DAC控制码 C_f；

式中，B为需复现的磁场强度，K为载流线圈的线圈常数，C_c和C_f分别为粗调DAC控制码和细调DAC控制码，粗调DAC和细调DAC的分辨率为b，则C_c、 C_f的取值为整数且范围均为0-2^b；b_c和b_f分别为C_c和C_f的最大值，为2^b。

作为优选：所述基准电压源为高精度高稳定电压基准源及其外围电路，且基准电压源为粗调DAC和细调DAC提供粗调基准电压V_rc和细调基准电压V_rf；具体为，基准电压源输出基准电压V_r，V_r经粗调基准衰减电路衰减成粗调基准电压V_rc，V_r经细调基准衰减电路衰减成细调基准电压V_rf。

作为优选：粗调基准衰减电路和细调基准衰减电路均不衰减，或衰减比例相同，使V_rc＝V_rf，且V_r和R_s的数值设计为相同值，则

式中

为粗调磁场强度B_c，

为粗调磁场常数K_c，当C_c＝1时，最小粗调磁场强度

当C_c＝2^b时，最大粗调磁场强度

为细调磁场强度B_f，

为细调磁场常数K_f，当C_f＝1时，最小细调磁场强度

当C_f＝2^b时，最大细调磁场强度

且a_c、a_f的值满足B_fmax≥B_cmin。

作为优选：所述载流线圈为能在通过电流时产生均匀磁场的线圈，包括无矩线圈、圆柱形螺线管、亥姆霍兹线圈或麦克斯韦线圈或上述线圈的组合。

作为优选：所述主控电路为单片机和其外围电路、FPGA及其外围电路、或 DSP及其外围电路，且所述主控电路连接上位机，用于接收上位机的指令，控制粗调电压电路和细调电压电路工作。

作为优选：所述比例衰减电路为运算放大器构成的正向放大电路和其外围电路，或电阻串联分压电路。

作为优选：电压加法器由运算放大器构成的电压加法器和其外围电路构成。

作为优选：所述磁屏蔽筒用于对地磁场和外部干扰磁场进行屏蔽，采用 1J50、1J79牌号的软磁合金制成。

作为优选：所述压控恒流源由误差放大器、功率放大电路、取样电阻及外围元件构成，其中误差放大器采用运算放大器及外围元件，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，取样电阻为高精度无感电阻，采用单独的功率电阻或几百mΩ的电阻和运放构成。

一种微弱磁场的高精度复现装置的复现方法，包括以下步骤；

(1)建立一微弱磁场的高精度复现装置，其中载流线圈为双层同轴线圈构成的无矩线圈，所述双层同轴线圈包括内线圈和外线圈，电路设计时使V_rc＝V_rf，且V_r和R_s的值相等；

(2)根据下式确定载流线圈的线圈常数K；

式中，μ₀为真空磁导率，d₁，d₂分别为内线圈和外线圈的半轴长，n₁，n₂分别为内线圈和外线圈的匝数，R₁，R₂分别为内线圈和外线圈的半径；

(3)确定需要复现的磁场强度范围为0-B_max、最小分辨精度的值为B_fmin；

(4)根据公式

计算a_c的值，再根据

得到B_cmin的值，再根据式

计算a_f的值，且a_c、a_f的值满足B_fmax≥B_cmin，最后，根据 a_c、a_f分别设计粗调比例衰减器、和细调比例衰减器中元件参数值，此时，粗调磁场常数

和细调磁场常数

均为常数；

则能复现的磁场强度B为：

(5)对于一需复现的目标磁场磁场强度为B(0≤B≤B_max)，计算粗调DAC 控制码C_c和细调DAC控制码C_f；

(51)根据

计算C_c，C_c的取值为整数且范围为0-2^b，且B_c、C_c满足

(52)根据公式

计算C_f，C_f的取值为整数且范围为0-2^b；

(6)主控电路分别输出C_c和C_f至粗调DAC和细调DAC，控制其输出粗调电压和细调电压，分别衰减后形成V_c和V_f，V_c和V_f经电压加法器后形成V_s，压控恒流源根据V_s和自身产生的取样电压，使通过无矩线圈的电流恒定，形成所需的目标磁场。

本发明中：关于无矩线圈：放置于磁屏蔽筒中，用于屏蔽地磁场和其它外部磁场对复现磁场的影响。所述无矩线圈由几组子线圈按一定的几何结构组成，通过改变各组子线圈的线圈匝数和电流方向，使得组合线圈的总磁矩为零，线圈外部的磁场急速衰减，从而在工作时对一定距离外的环境无磁干扰，不磁化周围的磁性物质，当用于磁屏蔽筒时，可将磁屏蔽筒和线圈之间的相互影响降低至可忽略。最简单的无矩线圈由两个同轴的螺线管线圈构成，也就是由内线圈、外线圈构成。以中心为原点，沿轴向距离为x处，磁场强度Bx和通过电流I的关系为：

其中，u₀为真空磁导率，d₁，d₂分别为内外子线圈的半轴长，n₁，n₂分别为内外子线圈的匝数，R₁，R₂分别为内外子线圈的半径，且满足如下关系：

R₁ ²n₁＝R₂ ²n₂

对于已经设计好的无矩线圈，其匝数，线圈半径，半轴长均为固定值，且一般采用中心处作为工作磁场，即x＝0，则公式(1)可简写为：

其中，K为线圈常数，单位为μT/A，对于设计好的无矩线圈，K为固定常数，即无矩线圈产生的磁场和通过的电流I线性相关。

关于公式(1)：

在无矩线圈中，复现出来的磁场B和电流I的关系为：

B＝K×I (3)

其中，k为无矩线圈的线圈常数，单位为μT/A；

而该电流I与粗调DAC控制码C_c和细调DAC控制码C_f的关系为：

联立公式(3)(4)可以得到下式(5)

我们对公式(5)进行简化，去掉中间的推导过程，则得到公式(1)。

关于公式(2)：

公式(2)是在公式(1)基础上的进一步简化，设计电路的时候，我们可以将粗调基准衰减电路和细调基准衰减电路均不衰减，或衰减比例相同，则 V_rc＝V_rf，再V_r和R_s的数值设计为相同值，比如V_r设计为2.5V，则R设计为2.5 欧姆，公式(1)可以按下式(6)简化：

该公式为推导过程，去除中间的推导步骤，则得到公式(2)，从公式(2)、公式(6)中可知，本发明最终磁场强度B由两部分构成：

第一部分为粗调磁场强度

由粗调磁场常数K_c和粗调控制码C_c决定；该部分决定了本磁场复现系统能实现的最小粗调磁场强度B_cmin和最大粗调磁场强度磁场B_max，当C_c＝1时，

当C_c＝2^b时，

B_cmin实际为粗调磁场能实现的分辨率，B_max的值，则是本发明实际能实现的最大磁场强度B。例如，我们设a_c＝2，K＝65μT/A，b＝16，那么C_c＝2¹⁶＝65536时，B_max＝130 μT，C_c＝2⁰＝1时，

约为2nT/码。

第二部分为细调磁场强度

由细调磁场常数K_f和细调控制码 C_f决定；该部分决定了本磁场复现系统能实现的最大细调磁场强度B_fmax和最小细调磁场强度B_fmin，当C_f＝1时，

当C_f＝2^b时，

且必须满足B_fmax≥B_cmin关系；这里，B_fmin实际为细调磁场能实现的分辨率，也是本装置能实现的最小分辨率，B_fmax≥B_cmin才能保证调节时，细调磁场强度的变化范围能覆盖最小粗调磁场强度。也就是说，在C_f为某一个数值时，细调磁场强度至少要达到2nT，我们还是设a_f＝100，则当C_f＝0时，细调磁场强度为0，当C_f＝200 时，细调磁场强度为2nT，细调磁场能实现的最小细调磁场强度B_fmin，也就是本发明的最小分辨率精度，约为

即10pT。

关于粗调电压和细调电压：由于本发明用于复现微弱磁场，所以需要复现磁场的磁场强度B为已知，则根据上式B＝KI，流过无矩线圈的恒定电流I可以计算出来为已知。而流过无矩线圈的恒定电流是由压控恒流源产生的，那么压控恒流源控制端的电压可计算得出。本发明中，控制端的电压为经电压加法器输出的设定电压；该设定电压由粗调DAC和细调DAC分别经粗调比例衰减器、细调比例衰减器后，送入电压加法器后产生的。所以实际上，粗调电压、细调电压都是可以计算得出的。粗调DAC输出粗调电压，该粗调电压由主控电路生成的粗调DAC控制码控制，细调DAC输出粗调电压，该细调电压由主控电路生成的细调DAC控制码控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)提出了一种新的微弱磁场高精度复现装置及复现方法，将磁场分为了粗调磁场和细调磁场，再转化为粗调DAC控制码C_c和细调DAC控制码C_f，通过粗调电压和细调电压的配合，可同时满足最大磁场范围和最小磁场分辨率精度要求。当采用16bit的DAC时，最多可以实现跨越10个数量级的精度。其中，用粗调DAC控制码实现0-B_max的粗调，但每增减一个粗调DAC控制码的数值，粗调磁场强度变化的值等于

细调DAC控制码用于将B_cmin的值进一步细分成很多份，且细分时要满足B_fmax≥B_cmin。最终细调磁场能实现的分辨率和精度，即为本发明能实现的分辨率和精度。

(2)采用数字控制和高精度基准，重复性好。通过数字信号和高精度高稳定度的基准电压可以精确的设定粗调、细调电压，从而获得高一致性、高重复性的磁场。

(3)本发明可以为高精度原子磁强计复现PT级分辨率精度的弱磁场，具有很强的实用价值。

附图说明

图1为本发明电路原理图；

图2为本发明实施例2电路图。

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1，一种微弱磁场的高精度复现装置，包括输入电路，还包括主控电路、基准电压源、粗调DAC、细调DAC、电压加法器、载流线圈、磁屏蔽筒和压控恒流源；

所述基准电压源分别接粗调DAC和细调DAC，为粗调DAC和细调DAC提供粗调基准电压V_rc和细调基准电压V_rf；

所述粗调DAC、细调DAC的控制端接主控电路，输出端用于受主控电路控制分别输出粗调电压和细调电压；

粗调电压经粗调比例衰减器衰减后形成电压V_c，细调电压经细调比例衰减器衰减后形成V_f，且粗调比例衰减器的衰减系数为a_c，细调比例衰减器的衰减系数为a_f；

所述电压加法器，两输入端分别接V_c和V_f，输出端接压控恒流源，用于根据V_c、V_f产生并输出设定电压V_s至压控恒流源；

所述输入电路经载流线圈、压控恒流源到地回流，所述载流线圈位于磁屏蔽筒内，载流线圈通过电流后产生均匀磁场，所述压控恒流源的控制端接电压加法器的输出端，压控恒流源的接地端设有取样电阻，阻值为R_s，用于根据V_s改变其输出电流，使载流线圈上通过恒定电流I产生恒定磁场，并通过取样电阻产生取样电压；

所述主控电路用于根据下式，得到粗调DAC控制码C_C和细调DAC控制码 C_f；

式中，B为需复现的磁场强度，K为载流线圈的线圈常数，C_c和C_f分别为粗调DAC控制码和细调DAC控制码，粗调DAC和细调DAC的分辨率为b，则C_c、 C_f的取值为整数且范围均为0-2^b；b_c和b_f分别为C_c和C_f的最大值，为2^b。

本实施例中：所述基准电压源为高精度高稳定电压基准源及其外围电路，且基准电压源为粗调DAC和细调DAC提供粗调基准电压V_rc和细调基准电压V_rf；具体为，基准电压源输出基准电压V_r，V_r经粗调基准衰减电路衰减成粗调基准电压V_rc，V_r经细调基准衰减电路衰减成细调基准电压V_rf。

所述粗调基准衰减电路和细调基准衰减电路均不衰减，或衰减比例相同，使V_rc＝V_rf，且V_r和R_s的数值设计为相同值，则

式中

为粗调磁场强度B_c，

为粗调磁场常数K_c，当C_c＝1时，最小粗调磁场强度

当C_c＝2^b时，最大粗调磁场强度

为细调磁场强度B_f，

为细调磁场常数K_f，当C_f＝1时，最小细调磁场强度

当C_f＝2^b时，最大细调磁场强度

且a_c、a_f的值满足B_fmax≥B_cmin。

所述载流线圈为能在通过电流时产生均匀磁场的线圈，包括无矩线圈、圆柱形螺线管、亥姆霍兹线圈或麦克斯韦线圈或上述线圈的组合。

所述主控电路为单片机和其外围电路、FPGA及其外围电路、或DSP及其外围电路，且所述主控电路连接上位机，用于接收上位机的指令，控制粗调电压电路和细调电压电路工作。

所述比例衰减电路为运算放大器构成的正向放大电路和其外围电路，或电阻串联分压电路。

电压加法器由运算放大器构成的电压加法器和其外围电路构成。

所述磁屏蔽筒用于对地磁场和外部干扰磁场进行屏蔽，采用1J50、1J79 牌号的软磁合金制成，当然不仅限于此。

所述压控恒流源由误差放大器、功率放大电路、取样电阻及外围元件构成，其中误差放大器采用运算放大器及外围元件，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，取样电阻为高精度无感电阻，采用单独的功率电阻或几百mΩ的电阻和运放构成。

一种微弱磁场的高精度复现装置的复现方法，包括以下步骤；

(1)建立一微弱磁场的高精度复现装置，其中载流线圈为双层同轴线圈构成的无矩线圈，所述双层同轴线圈包括内线圈和外线圈，电路设计时使V_rc＝Vrf，且V_r和R_s的值相等；

(2)根据下式确定载流线圈的线圈常数K；

式中，μ₀为真空磁导率，d₁，d₂分别为内线圈和外线圈的半轴长，n₁，n₂分别为内线圈和外线圈的匝数，R₁，R₂分别为内线圈和外线圈的半径；

(3)确定需要复现的磁场强度范围为0-B_max、最小分辨精度的值为B_fmin；

(4)根据公式

计算a_c的值，再根据

得到B_cmin的值，再根据式

计算a_f的值，且a_c、a_f的值满足B_fmax≥B_cmin，最后，根据a_c、a_f分别设计粗调比例衰减器、和细调比例衰减器中元件参数值，此时，粗调磁场常数

和细调磁场常数

均为常数；

则能复现的磁场强度B为：

(5)对于一需复现的目标磁场磁场强度为B(0≤B≤B_max)，计算粗调DAC 控制码C_c和细调DAC控制码C_f；

(51)根据

计算C_c，C_c的取值为整数且范围为0-2^b，且B_c、C_c满足

(52)根据公式

计算C_f，C_f的取值为整数且范围为0-2^b；

(6)主控电路分别输出C_c和C_f至粗调DAC和细调DAC，控制其输出粗调电压和细调电压，分别衰减后形成V_c和V_f，V_c和V_f经电压加法器后形成V_s，压控恒流源根据V_s和自身产生的取样电压，使通过无矩线圈的电流恒定，形成所需的目标磁场。

实施例2：参见图2，为了更好的说明本发明的方案，我们给出了一种具体的电路结构参见图2。本发明的微弱磁场的高精度复现装置，包括输入电路，主控电路、基准电压源、粗调DAC、细调DAC、电压加法器、载流线圈和压控恒流源；载流线圈位于磁屏蔽筒内，则本实施例具体为：

关于载流线圈：选用由双层同轴线圈构成的无矩线圈，其参数为内线圈直径135mm，匝数62匝，外线圈直径为155mm，匝数为47匝，其线圈常数K为 65μT/A，根据公式B＝KI来计算，则达到100μT的磁场强度需要约1.5A电流。

磁屏蔽筒：采用高磁导率的精密软磁合金1J79制作，共4层屏蔽层，对地磁场的屏蔽效率≥99.8％。

关于基准电压源：图2中为U4，型号为MAX6325，它是具有1ppm/℃温度系数的高精度电压基准，通过Vin产生出2.5V的基准参考电压，该电压同时作为初调DAC、细调DAC的基准电压。本电路中不设置粗调比例衰减电路和细调比例衰减电路，则V_rc＝V_rf。

关于初调DAC和细调DAC：图2中，U2、U3、U1A、U1B为初调DAC电路和细调DAC电路，其中U2和U3分别为细调DAC和粗调DAC，均采用16Bit的高精度DAC，型号为MAX5541，由单片机、FPGA等器件通过SPI接口控制产生出粗调电压和细调电压。也就是说，本实施例中，b＝16，2^b＝2¹⁶。主控电路采用单片机STM32F103，它通过串口接收上位机发送的控制指令，解析指令后通过SPI 控制U2、U3。U1为双运算放大器，型号为OPA2134，U1A、U1B分别为U1的一组运放，其构成电压跟随器分别作为U2、U3的输出缓冲器。

关于粗调比例衰减器、细调比例衰减器、和电压加法器，本实施例中通过 R2、R8、R3、和U5A实现；R2、R8、R3实现粗调电压、细调电压的衰减，得到 V_c和V_f，再由U5A进行相加产生出设定电压V_s，U5A为U5的一组运放。

关于压控恒流源：本实施例中，压控恒流源由取样电路、误差放大电路、功率放大电路构成。R9、R7构成电流取样电路，流过无矩线圈绕组的电流在 R9上产生出电流取样电压，该取样电压与通过的电流线性相关。U5B、R1、R5、 C1等构成误差放大电路，U5B为U5的另外一组运放，电阻R1，电容C1等实现积分环节和环路补偿。误差放大电路通过放大设定电压和电流取样电压的差值产生误差电压。R4、Q1构成功率放大电路，误差电压作用于Q1的栅极，改变 Q1的导通电阻实现恒流输出。R4为限流电阻，Q1为功率管，采用高性能 N_MOSFET功率管IRF120N，其受误差电压的控制实现恒流输出。

此外，为了突出重点，本实施例省略画出包括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。

基于上述装置，我们对其电路分析如下：

U4产生出高稳定的参考电压V_r＝2.5V，供给U2和U3，

U2接收粗调控制码C_c，输出粗调电压V_粗：

u3接收细调控制码C_f，输出细调电压V_细：

这两个电压通过U5A进行合成，即U5A的1脚输出设定电压V_s满足：

通过无矩线圈的电流I在取样电阻R9上产生取样电压V_取,V_取＝I×R9，V_取和V_s作用于U5B，也就是误差放大器，产生误差电压，该误差电压控制功率放大器Q1的导通电阻，从而实现恒流功能，R1，C1和R5实现环路控制功能，对于U5B：

以上公式(7)(8)(9)(10)联立，则得到无矩线圈中的电流和控制码的关系为：

即最终可以得到无矩线圈内轴向磁场B可表示为：

K为无矩线圈的线圈常数，本实施例中为65μT/A。R3，R7，R6，R9，R8， R2分别为本实施例电路中各电阻器的阻值。本实施例中V_r＝2.5V，为U4的输出。 C_c和C_f分别为初调DAC控制码和细调DAC控制码,其范围取决于所选用的DAC 的精度。

这里确定R6＝R7＝5.1kΩ，R9＝2.5Ω，则上式简化为：

从上公可知，最终的磁场B由两项决定，等式右边第一项为粗调磁场强度，第二项为细调磁场强度，通过设计R2、R3和R8的取值，即可满足粗调和细调要求。其中，R3和R8的比值决定粗调磁场的取值范围，R3和R2的比值决定磁场分辨率，当电路参数确定后，上式可继续简化为；

B＝K_c×C_c+K_f×C_f (14)

式中K_c为粗调磁场常数，

K_f为细调磁场常数，

从公式(13)、(14)可以看出，对于已经设计完毕的本发明装置，K_c和K_f均为常数，则最终的磁场由粗调控制码和细调控制码共同决定。

对于需要达到的目标磁场，可以先通过粗调DAC控制码指定到所需磁场附近，然后通过细调DAC控制码实现超高精度控制。在实施例2中，需要复现的微弱磁场的要求：输出磁场强度覆盖0-130μT，最小分辨率精度要求10pT。具体采用以下步骤：

(1)建立一微弱磁场的高精度复现装置，该装置具体结构参见图2。

(2)确定线圈常数，实施例2中前文提到，本实施例中线圈常数K＝65μ T/A。

(3)确定需要复现的磁场范围为0-B_max、和最小分辨精度为k_f；根据实施例2的要求，B_max＝130μT，k_f＝10pT。

(4)根据公式

计算a_c的值，再根据

得到B_cmin的值，再根据式

计算a_f的值，且a_c、a_f的值满足B_fmax≥B_cmin，最后，根据a_c、a_f分别设计粗调比例衰减器、和粗调比例衰减器中元件参数值。

本实施例中，就是设计R3、R8和R2的电阻值，分为以下几步：

(4.1)根据公式

计算a_c的值，本实施例中，

将B_max＝130μT，K＝65μT/A带入该公式中，得出R3/R8＝2；

(4.2)根据

得到B_cmin的值，此处

约为2nT/码；

(4.3)根据公式

来计算a_f的值；

(4.4)设计元件参数值；由于a_c、a_f均为比值，设计时只要满足步骤(4.1) 和(4.3)的要求即可。在(4.1)中，R3/R8＝2，故设计R8＝500Ω，R3＝1kΩ。而为了满足(4.3)且简便计算，我们可以设置R2＝100kΩ，那么

本发明能实现的最小分辨率精度约为

即10pT。此时，粗调磁场常数

和细调磁场常数

均为常数；

经过步骤(1)-(4)本发明所述微弱磁场的高精度复现装置已经完全设置成功，我们只需要给出一需复现的目标磁场，按照步骤(5)复现即可。

(5)假设需复现的目标磁场B为100μT,0≤B≤130μT，可以用本发明装置进行复现。计算粗调DAC控制码C_c和细调DAC控制码C_f；

(51)根据

计算C_C，C_f的取值为整数且范围为0-2^b，所述B_C、 C_f满足

(52)根据公式

计算C_f，C_f的取值为整数且范围为0-2^b；

(6)主控电路分别输出C_c和C_f至粗调DAC和细调DAC，控制其输出粗调电压和细调电压，分别衰减后形成V_c和V_f，V_c和V_f经电压加法器后形成V_s，压控恒流源根据V_s和自身产生的取样电压，使通过无矩线圈的电流恒定，形成所需的目标磁场。

这里需要指出的是，在步骤(4)中，为了达到更高精度的分辨率，修改 R2，R3,R8的设计值即可，比如修改R8＝500Ω，R3＝1kΩ，R2＝1MΩ，则细调电压的比例衰减系数变为1/1000，即细调磁场的最小分辨率精度变为1pT，因此当Cf＝0时，细调磁场为0，当Cf＝2000时，细调磁场输出最大值2nT。

同理，通过修改R2，R3，R8的设计值，本实施例能实现的最小分辨率精度约为0.03pT，此时细调电压的比例衰减系数约为1/32000，为了得到良好的电路性能，最好采用多级比例衰减电路实现该衰减系数。

当需要更进一步提高最小分辨率精度时，可以通过采用更高位数的DAC、修改无矩线圈的匝数/直径等结构参数改变线圈常数、减小最大磁场范围等方法实现，比如只将线圈常数设计为6.5μT/A,则可以实现0.003pT的最小分辨率精度。

此外，为了突出重点，本实施例省略画出包括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 (10)

1.一种微弱磁场的高精度复现装置，包括输入电路，其特征在于：还包括主控电路、基准电压源、粗调DAC、细调DAC、电压加法器、载流线圈、磁屏蔽筒和压控恒流源；

所述基准电压源分别接粗调DAC和细调DAC，为粗调DAC和细调DAC提供粗调基准电压V_rc和细调基准电压V_rf；

所述粗调DAC、细调DAC的控制端接主控电路，输出端用于受主控电路控制分别输出粗调电压和细调电压；

粗调电压经粗调比例衰减器衰减后形成电压V_c，细调电压经细调比例衰减器衰减后形成V_f，且粗调比例衰减器的衰减系数为a_c，细调比例衰减器的衰减系数为a_f；

所述电压加法器，两输入端分别接V_c和V_f，输出端接压控恒流源，用于根据V_c、V_f产生并输出设定电压V_s至压控恒流源；

所述输入电路经载流线圈、压控恒流源到地回流，所述载流线圈位于磁屏蔽筒内，载流线圈通过电流后产生均匀磁场，所述压控恒流源的控制端接电压加法器的输出端，压控恒流源的接地端设有取样电阻，阻值为R_s，用于根据V_s改变其输出电流，使载流线圈上通过恒定电流I产生恒定磁场，并通过取样电阻产生取样电压；

所述主控电路用于根据下式，得到粗调DAC控制码C_C和细调DAC控制码C_f；

式中，B为需复现的磁场强度，K为载流线圈的线圈常数，C_c和C_f分别为粗调DAC控制码和细调DAC控制码，粗调DAC和细调DAC的分辨率为b，则C_c、C_f的取值为整数且范围均为0-2^b；b_c和b_f分别为C_c和C_f的最大值，为2^b。

2.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：所述基准电压源为高精度高稳定电压基准源及其外围电路，且基准电压源为粗调DAC和细调DAC提供粗调基准电压V_rc和细调基准电压V_rf；具体为，基准电压源输出基准电压V_r，V_r经粗调基准衰减电路衰减成粗调基准电压V_rc，V_r经细调基准衰减电路衰减成细调基准电压V_rf。

3.根据权利要求2所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：粗调基准衰减电路和细调基准衰减电路均不衰减，或衰减比例相同，使V_rc＝V_rf，且V_r和R_s的数值设计为相同值，则

式中

为粗调磁场强度B_c，

为粗调磁场常数K_c，当C_c＝1时，最小粗调磁场强度

当C_c＝2^b时，最大粗调磁场强度

为细调磁场强度B_f，

为细调磁场常数K_f，当C_f＝1时，最小细调磁场强度

当C_f＝2^b时，最大细调磁场强度

且a_c、a_f的值满足B_fmax≥B_cmin。

4.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：所述载流线圈为能在通过电流时产生均匀磁场的线圈，包括无矩线圈、圆柱形螺线管、亥姆霍兹线圈或麦克斯韦线圈或上述线圈的组合。

5.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：所述主控电路为单片机和其外围电路、FPGA及其外围电路、或DSP及其外围电路，且所述主控电路连接上位机，用于接收上位机的指令，控制粗调电压电路和细调电压电路工作。

6.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：所述比例衰减电路为运算放大器构成的正向放大电路和其外围电路，或电阻串联分压电路。

7.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：电压加法器由运算放大器构成的电压加法器和其外围电路构成。

8.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：所述磁屏蔽筒用于对地磁场和外部干扰磁场进行屏蔽，采用1J50、1J79牌号的软磁合金制成。

9.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置，其特征在于：所述压控恒流源由误差放大器、功率放大电路、取样电阻及外围元件构成，其中误差放大器采用运算放大器及外围元件，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，取样电阻为高精度无感电阻，采用单独的功率电阻或几百mΩ的电阻和运放构成。

10.根据权利要求1所述的一种微弱磁场的高精度复现装置的复现方法，其特征在于：包括以下步骤；

(1)建立一微弱磁场的高精度复现装置，其中载流线圈为双层同轴线圈构成的无矩线圈，所述双层同轴线圈包括内线圈和外线圈，电路设计时使V_rc＝V_rf，且V_r和R_s的值相等；

(2)根据下式确定载流线圈的线圈常数K；

式中，μ₀为真空磁导率，d₁，d₂分别为内线圈和外线圈的半轴长，n₁，n₂分别为内线圈和外线圈的匝数，R₁，R₂分别为内线圈和外线圈的半径；

(3)确定需要复现的磁场强度范围为0-B_max、最小分辨精度的值为B_fmin；

(4)根据公式

计算a_c的值，再根据

得到B_cmin的值，再根据式

计算a_f的值，且a_c、a_f的值满足B_fmax≥B_cmin，最后，根据a_c、a_f分别设计粗调比例衰减器、和细调比例衰减器中元件参数值，此时，粗调磁场常数

和细调磁场常数

均为常数；

则能复现的磁场强度B为：

(5)对于一需复现的目标磁场磁场强度为B(0≤B≤B_max)，计算粗调DAC控制码C_c和细调DAC控制码C_f；

(51)根据

计算C_c，C_c的取值为整数且范围为0-2^b，且B_c、C_c满足

(52)根据公式

计算C_f，C_f的取值为整数且范围为0-2^b；

(6)主控电路分别输出C_c和C_f至粗调DAC和细调DAC，控制其输出粗调电压和细调电压，分别衰减后形成V_c和V_f，V_c和V_f经电压加法器后形成V_s，压控恒流源根据V_s和自身产生的取样电压，使通过无矩线圈的电流恒定，形成所需的目标磁场。

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