CN114706024A - 一种适用于mems磁通门传感器的混合式锁相放大电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种适用于MEMS磁通门传感器的混合式锁相放大电路及其控制方法，混合锁相放大电路主要分为两部分，一是正弦信号生成部分，一是后端解调部分；正弦信号部分采用由单片机控制AD9959，并通过上位机直接修改生成正弦信号幅值、频率、相位信息的数字方式实现，可根据实际需要实时迅速的修改信号参数；后端解调电路根据工作正弦信号特点设计了电压放大器、乘法器、低通滤波器、零偏调节器等几个组成部分，最终输出直流信号，实现了对MEMS磁通门传感器感应信号中参考信号二倍频信号的测量；本发明适用工作频率在300kHz～1MHz，并且具有小型、便携、灵敏度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于MEMS磁通门传感器检测和锁相放大电路设计技术领域，具体地，涉及一种适用于MEMS磁通门传感器的混合式锁相放大电路及其控制方法。
背景技术
模数混合锁相放大电路主要由两大部分组成：信号生成部分和后端解调部分。信号生成部分主要用于生成我们需要的激励和参考信号；后端解调部分用于实现对MEMS磁通门传感器检测信号的解调处理，得到带有激励信号信息的直流输出。
传统的锁相放大电路仅由电容、电阻等模拟元器件组成，称为模拟锁相放大电路。模拟锁相放大电路结构简单，但是模拟元器件容易受到温度等环境因素的影响，导致电路出现很大的不稳定性。后来随着电子技术的发展，出现了采用数字方式实现的锁相放大电路。数字锁相放大电路性能稳定，但电路结构复杂、功耗较大，且对微处理器的要求比较高。且上述两种锁相放大器适合工作在低频段或者高频段，不适用于300kHz～1MHz的中频段。另外，虽然现在市面上存在许多商用型锁相放大器，但是价格昂贵、体积较大，不便于携带。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种适用于MEMS磁通门传感器的混合式锁相放大电路及其控制方法，不仅适用于工作频段在300kHz～1MHz的MEMS磁通门传感器检测信号的提取，还具有成本低、体积小、便于携带、噪声低的特点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种适用于MEMS磁通门传感器的混合式锁相放大电路：
所述放大电路包括正弦信号发生模块和后端解调模块；
所述正弦信号发生模块包括单片机和多通道频率发生器；
所述单片机控制多通道频率发生器生成一路激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2，并传输至后端解调模块；
所述后端解调模块包括第一电压放大器、MEMS磁通门传感器、第二电压放大器、乘法器、低通滤波模块、第三电压放大器和调零模块；
所述第一电压放大器、MEMS磁通门传感器、第二电压放大器、乘法器、低通滤波模块、第三电压放大器和调零模块顺次连接，完成信号的解调处理，得到带有激励信号信息的直流输出。
进一步地，
所述第一电压放大器用于放大一路激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2，得到CH0_OUT、CH1_OUT、CH2_OUT，
CH0_OUT输入MEMS磁通门传感器，产生激励磁场，得到感应输出信号CH0_OUT1；CH1_OUT和CH2_OUT传输至乘法器。
进一步地，
所述第二电压放大器用于放大MEMS磁通门传感器的输出信号CH0_OUT1，放大后得到CH0_OUT_IN。
进一步地，
所述第一电压放大器和第二电压放大器均为THS3091有源电压放大器。
进一步地，
所述CH0_OUT_IN，CH1_OUT和CH2_OUT通过乘法器AD835的端口W输出积信号CH1_AD835/CH2_AD835。
进一步地，
所述低通滤波模块包括两个串联的二阶低通滤波器NE5532，对乘法器的输出信号CH1_AD835/CH2_AD835进行低通滤波处理，得到直流信号。
进一步地，
所述第三电压放大器为低噪声运算放大器LTC6241，LTC6241的A通道用于放大经过低通滤波器的直流信号得到输出信号CH1_S/CH2_S。
进一步地，
所述调零模块和所述第三电压放大器共用一个LTC6241，LTC6241的B通道用于实现电路调零，最终得到直流输出信号CH1_SIGNAL/CH2_SIGNAL。
一种应用于所述锁相放大电路的控制方法：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：多通道频率发生器在单片机的控制下生成设定的模拟激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2；
步骤二：经过第一电压放大器对信号进行高通滤波和电压放大后得到输出信号CH0_OUT、CH1_OUT和CH2_OUT；
CH0_OUT用于MEMS磁通门传感器的激励线圈，产生激励磁场，得到感应输出信号CH0_OUT1；
步骤三：CH0_IN通过第二电压放大器高通滤波和电压放大后得到输出信号CH0_OUT_IN；
步骤四：CH0_OUT_IN与CH1_OUT/CH2_OUT通过所述乘法器相乘得到积信号CH1_AD835/CH2_AD835；
步骤五：通过所述低通滤波器实现对信号CH1_AD835/CH2_AD835的低通滤波，得到直流输出CH1_S/CH2_S；
步骤六：通过所述第三电压放大器和调零模块，对直流信号CH1_S/CH2_S进行电压放大和零偏调节，得到电路在零偏状态下的直流输出信号CH1_SIGNAL和CH2_SIGNA
本发明有益效果
本发明通过采用AD9959模块，在PC机上采用软件直接设置三路信号的幅值、频率和相位信息，较模拟锁相放大电路有了更多的选择和自由；其中三路信号的幅值设置范围为500mV～1V，相位在0～360°，激励信号的频率在300kHz～500kHz，而两路参考信号的频率可设置在600kHz～1MHz。
本发明的适用工作频率在300kHz～1MHz，并且具有小型、便携、灵敏度高的特点。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的整体电路的结构图；
图3为本发明的AD9959模块；
图4为本发明的MEMS磁通门传感器输入信号的电压放大器；
图5为本发明的MEMS磁通门传感器输出信号的电压放大器；
图6为本发明的乘法器；
图7为本发明的低通滤波器；
图8为本发明的直流信号电压放大器和零偏调节电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1至图8。适用于MEMS磁通门传感器的单通道锁相放大器的原理图如图1所示：
一种适用于MEMS磁通门传感器的混合式锁相放大电路：电路的整体结构框图如图2所示；
所述放大电路包括正弦信号发生模块和后端解调模块；
所述正弦信号发生模块包括单片机STM32和多通道频率发生器AD9959；
AD9959模块原理图如图3所示。AD9959芯片的引脚3、4、40-43、46-48、50-53对应与单片机STM32_RCT6连接，引脚5、7、11、15、19、21、26、31、33、37、39、45、55接供电电源1.8V，引脚8-9、13-14、28-29、34-35通过电阻R1-R8接1.8V电源，引脚6、10、12、16-18、20、22、24-25、28、32、34、38、44、56接数字地，引脚49接电源3.3V，引脚8、13、29、35对应信号输出通道CH2、CH3、CH0、CH1用于输出生成的正弦信号。通过在PC机上直接设置我们需要的激励信号和参考信号频率、幅值、相位等信息即可在输出通道得到对应的模拟信号。
所述单片机STM32控制多通道频率发生器AD9959生成一路激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2，并传输至后端解调模块；(多通道直接数字频率合成器)，即通过上位机在电脑上根据实际需要修改生成的激励频率和参考频率的频率、相位和幅值等信息，采用的电源包括1.8V、3.3V和5V；(可根据实际需要实时迅速的修改信号参数；)
所述后端解调模块包括第一电压放大器、MEMS磁通门传感器、第二电压放大器、乘法器、低通滤波模块、第三电压放大器和调零模块；
所述第一电压放大器、MEMS磁通门传感器、第二电压放大器、乘法器、低通滤波模块、第三电压放大器和调零模块顺次连接，完成信号的解调处理，得到带有激励信号信息的直流输出。
所述第一电压放大器用于放大一路激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2，得到CH0_OUT、CH1_OUT、CH2_OUT，
CH0_OUT输入MEMS磁通门传感器，CH1_OUT和CH2_OUT传输至乘法器。
第一电压放大器共包括3个电阻R1-R3，六个电容C1-C6；
为提高输入信号信噪比，在第一电压放大器的输入通道采用串联电容和电阻接地的方式对输入信号进行高通滤波，在输出通道又增加了电容，滤除低频噪声，保留高频信号。
所述第二电压放大器用于放大MEMS磁通门传感器的输出信号CH0_OUT1，放大后得到CH0_OUT_IN。
为提高后端解调电路输入信号信噪比，在第二电压放大器的输入通道增设了串联电容和接地电阻，滤除MEMS磁通门传感器输出信号中的低频噪声，保留需要的倍频高频信号
所述第一电压放大器和第二电压放大器均为THS3091有源电压放大器(放大倍数较小)。且增加的高通滤波环节均采用一个电容和一个电阻接地的形式。
图4是MEMS磁通门传感器输入信号电压放大器的原理图。该电压放大器采用运算放大器THS3091实现，引脚1、5、8为NC引脚，空载处理，同相输入端为引脚3通过高通滤波接输入信号，高通滤波采用串联一个电容C1和一个电阻R3接地的形式实现。反向输入端即引脚2通过一个电阻R1接地，一个电阻R2与输出端连接，构成负反馈，从而形成电压放大器，电压放大倍数由比值R1+R2/R1决定。另外在电压放大器的输出通道增加了一个电容C2，用于滤除输出信号中的低频噪声，得到高信噪比的高频信号，用于MEMS磁通门传感器的激励线圈，生成激励磁场。运放THS3091采用正负5V供电，电源引脚增设了旁路电容和耦合电容，目的是储能和滤波，提高输入电源的稳定性。
图5是MEMS磁通门传感器输出信号电压放大器的原理图。图5与图4所示电压放大器在结构上基本一致，唯一的区别在于信号输出通道是否增设了电容以及电源放大倍数的设置上。图5所示电压放大器在信号的输出通道上未设电容。
所述CH0_OUT_IN，CH1_OUT和CH2_OUT通过乘法器AD835的端口W输出积信号CH1_AD835/CH2_AD835。
乘法器用到了2个电阻R1和R2，4个电容C1-C4，并通过Z端调节AD835的U值为1，电源电压采用±5V。
图6是乘法器的原理图。乘法器采用乘法器AD835实现，采用正负5V电源供电，电源引脚增设旁路电容和耦合电容，用于储能和滤波，提升输入电源电压稳定性。AD835的X2和Y2信号输入通道接地，X1和Y1信号输入通道分别接CH0_OUT_IN和参考信号CH1_OUT/CH2_OUT。Z输入端通过电阻R1接地，通过电阻R2与输出端W连接，此结构可以将AD835的U值调节为1。最终端口W输出两路输入信号的积信号。
图7是低通滤波器的原理图。所述低通滤波模块包括两个串联的二阶低通滤波器NE5532，对乘法器的输出信号CH1_AD835/CH2_AD835进行低通滤波处理；
电源采用正负5V供电，并增设旁路电容和耦合电容。两个二阶低通滤波器的结构一致。通道1的同相输入端即引脚3通过电阻R1和R2与输入信号连接，电容C2与R1和R2的连接点相连，另一端连接反向输入端和输出端口，电容C1一端解同相输入端，一端接模拟地，上述R1-R2、C1-C2与NE5532的1通道构成二阶低通滤波器，实现高频信号滤波。NE5532的2通道低通滤波器输入端接1通道的输出端，从而构成两个二阶低通滤波器串联的形式，实现对输入信号的低通滤波。
NE5532是双通道低噪声运放，截止频率设置在10Hz左右，电源电压采用±5V，所以本发明通过NE5532设计双通道低通滤波器，双通道低通滤波器用到了4个电阻R1-R4，8个电容C1-C8，其中C5-C8用作电源引脚的旁路电容和去耦电容。双通道低通滤波器的设计可以更有效的滤除高频噪声信号，得到需要的直流信号。
图8是第三直流信号电压放大器和零偏调节电路的原理图。
所述第三电压放大器不需要高通滤波，采用的运放芯片是8引脚的双通道低噪声运算放大器LTC6241，LTC6241的A通道用于放大经过低通滤波器的直流信号得到输出信号CH1_S/CH2_S。
三处放大电路采用的电源均是±5V。
LTC6241通道A的同相输入端接输入信号，并通过电阻R1接地。反向输入端通过电阻R2接地，通过电阻R3与输出端口连接，进而LTC6241的通道A实现对输入信号的电压放大。通道A的输出通过电阻R4接通道B的同相输入端，通道B的同相输入端另通过R5接地，反向输入端通过电阻R7与输出端连接，并通过电阻R6和R8接偏置电压，实现对电路零偏的调节。
所述调零模块和所述第三电压放大器共用一个LTC6241，LTC6241的B通道用于实现电路调零，B通道的同相输入端通过电阻R4和A通道的输出端连接，并通过电阻R5接地，对输入信号缩小处理，B通道的反向输入端接电阻R6、R7、R8，调节输入直流偏置电压，抵消电路中的零偏电压值，最终得到零偏下的直流输出信号CH1_SIGNAL/CH2_SIGNAL。
结合图2对本发明电路的整体工作机制进行描述：一种应用于所述锁相放大电路的控制方法于：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：多通道频率发生器AD9959在单片机STM32的控制下生成设定的模拟激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2；
步骤二：经过图4第一电压放大器对信号进行高通滤波和电压放大后得到输出信号CH0_OUT、CH1_OUT和CH2_OUT；
CH0_OUT用于MEMS磁通门传感器的激励线圈，产生激励磁场，得到感应输出信号CH0_OUT1；
步骤三：CH0_IN通过图5所示第二电压放大器高通滤波和电压放大后得到输出信号CH0_OUT_IN；
步骤四：CH0_OUT_IN与CH1_OUT/CH2_OUT通过图6所示所述乘法器相乘得到积信号CH1_AD835/CH2_AD835；
步骤五：通过图7所示四阶低通滤波器实现对信号CH1_AD835/CH2_AD835的低通滤波，得到直流输出CH1_S/CH2_S；
步骤六：通过图8所示电路，即第三电压放大器和调零模块，对直流信号CH1_S/CH2_S进行电压放大和零偏调节，得到电路在零偏状态下的直流输出信号CH1_SIGNAL和CH2_SIGNA
以上对本发明所提出的一种适用于MEMS磁通门传感器的混合式锁相放大电路及其控制方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种适用于MEMS磁通门传感器的混合式锁相放大电路，其特征在于：
所述放大电路包括正弦信号发生模块和后端解调模块；
所述正弦信号发生模块包括单片机和多通道频率发生器；
所述单片机控制多通道频率发生器生成一路激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2，并传输至后端解调模块；
所述后端解调模块包括第一电压放大器、MEMS磁通门传感器、第二电压放大器、乘法器、低通滤波模块、第三电压放大器和调零模块；
所述第一电压放大器、MEMS磁通门传感器、第二电压放大器、乘法器、低通滤波模块、第三电压放大器和调零模块顺次连接，完成信号的解调处理，得到带有激励信号信息的直流输出。
2.根据权利要求1所述锁相放大电路，其特征在于：
所述第一电压放大器用于放大一路激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2，得到CH0_OUT、CH1_OUT、CH2_OUT，
CH0_OUT输入MEMS磁通门传感器，产生激励磁场，得到感应输出信号CH0_OUT1；CH1_OUT和CH2_OUT传输至乘法器。
3.根据权利要求2所述锁相放大电路，其特征在于：
所述第二电压放大器用于放大MEMS磁通门传感器的输出信号CH0_OUT1，放大后得到CH0_OUT_IN。
4.根据权利要求3所述锁相放大电路，其特征在于：
所述第一电压放大器和第二电压放大器均为THS3091有源电压放大器。
5.根据权利要求4所述锁相放大电路，其特征在于：
所述CH0_OUT_IN，CH1_OUT和CH2_OUT通过乘法器AD835的端口W输出积信号CH1_AD835/CH2_AD835。
6.根据权利要求5所述锁相放大电路，其特征在于：
所述低通滤波模块包括两个串联的二阶低通滤波器NE5532，对乘法器的输出信号CH1_AD835/CH2_AD835进行低通滤波处理，得到直流信号。
7.根据权利要求6所述锁相放大电路，其特征在于：
所述第三电压放大器为低噪声运算放大器LTC6241，LTC6241的A通道用于放大经过低通滤波器的直流信号得到输出信号CH1_S/CH2_S。
8.根据权利要求7所述锁相放大电路，其特征在于：
所述调零模块和所述第三电压放大器共用一个LTC6241，LTC6241的B通道用于实现电路调零，最终得到直流输出信号CH1_SIGNAL/CH2_SIGNAL。
9.一种应用于权利要求1至8中任意一项所述锁相放大电路的控制方法，其特征在于：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：多通道频率发生器在单片机的控制下生成设定的模拟激励信号CH0和两路参考信号CH1和CH2；
步骤二：经过第一电压放大器对信号进行高通滤波和电压放大后得到输出信号CH0_OUT、CH1_OUT和CH2_OUT；
CH0_OUT用于MEMS磁通门传感器的激励线圈，产生激励磁场，得到感应输出信号CH0_OUT1；
步骤三：CH0_IN通过第二电压放大器高通滤波和电压放大后得到输出信号CH0_OUT_IN；
步骤四：CH0_OUT_IN与CH1_OUT/CH2_OUT通过所述乘法器相乘得到积信号CH1_AD835/CH2_AD835；
步骤五：通过所述低通滤波器实现对信号CH1_AD835/CH2_AD835的低通滤波，得到直流输出CH1_S/CH2_S；
步骤六：通过所述第三电压放大器和调零模块，对直流信号CH1_S/CH2_S进行电压放大和零偏调节，得到电路在零偏状态下的直流输出信号CH1_SIGNAL和CH2_SIGNAL。
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