CN202929184U - 氦光泵磁共振信号全数字化检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种氦光泵磁共振信号全数字化检测装置。是由程控增益电路经同相放大电路、加法电路、模数转换数据采集电路和FPGA控制器与采样控制器连接，单片机经数字调频器和恒温晶振与探头线圈连接构成。通过双路带通滤波器对信号分别进行滤波放大后再通过加法器合为一路信号，提高信号检测信噪比和动态储备；采用FPGA控制器实现数字相敏检测算法，提高信号检测信噪比并降低装置成本；采用FPGA控制器实现数字调频，提高信号检测稳定度和装置硬件集成度；通过单片FPGA控制器完成对氦光泵磁共振信号全数字化检测，提高装置硬件集成度和稳定度，降低装置成本和功耗。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种高灵敏度光泵磁测仪器，尤其是氦光泵磁共振信号全数字化检测仪器。
背景技术：
氦光泵磁力仪是利用光泵和磁共振作用研制而成的高灵敏度磁测仪器，通过检测氦光泵磁共振信号完成磁场测量。中国专利“跟踪式氦(He4)光泵磁力仪”(专利号CN1034069A)，阐述了氦光泵磁力仪的探头结构、跟踪环路系统及计数输出系统的组成，其检测装置由电子开关相敏检波、积分电路及压控振荡器等模拟器件组成，磁场值由计数系统输出，该装置具有温度漂移大、抗干扰能力弱、元器件复杂及由计数系统引入测磁误差的缺点。基于模拟技术检测的缺点，国内学者提出基于数字技术的检测方法，发表的文献有，浙江大学硕士学位论文《数字氦光泵磁力仪的设计与实现》，其技术方案是用微处理器代替硬件闭环，由软件实现移相、相加、积分等功能，用可编程波形发生器AD9833代替压控振荡器，该方法使用数字技术代替模拟技术，减少了模拟硬件调试难度，但是所使用的幅值检波算法精度不高，导致测磁精度不高，同时使用AD9833芯片导致检测装置功耗及成本高。
国外学者在学术会议OCEANS '02 MTS/IEEE中2002年发表的《Polatomic advances in magnetic detection》中，采用了数字振荡器和数字共振环路(digital resonance loop)等数字技术来检测磁共振信号，但并未说明技术实施方案；在《Technical Physics》中2006年发表的《Optically pumped quantum MX magnetometers:Digital measurement of the MX resonance frequency ina rapidly varying field》中，阐述了使用数字频率合成器(Digital frequency synthesizer)可以提高信号检测的精度和长期稳定度，但并未说明所采用的技术方案，且相敏检波未集成在数字控制器中，因此该方法是种半数字化检测。
发明内容：
本实用新型的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种氦光泵磁共振信号全数字化检测装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
氦光泵磁共振信号全数字化检测装置，是由程控增益电路101的一路经二次谐波带通滤波电路102经同相放大电路104a与加法电路105连接，程控增益电路101的另一路经基波带通滤波电路103经同相放大电路104b与加法电路105连接，加法电路105与模数转换数据采集电路106连接，模数转换数据采集电路106的一路经二次谐波锁相检测107、迟滞比较器110和数字PID控制器111与数字调频器112连接，模数转换数据采集电路106的一路经基波锁相检测109、数字PID控制器111、SPI接口114和单片机116与显示115连接，SPI接口114与命令编解码器113连接，基波锁相检测109经参考信号发生器108和二次谐波锁相检测107与程控增益电路101连接，恒温晶振117经数字调频器112和射频线圈驱动电路118与探头线圈连接构成。
有益效果：通过双路带通滤波器对信号分别进行滤波放大后再通过加法器合为一路信号，提高信号检测信噪比和动态储备；采用FPGA控制器实现数字相敏检测算法，提高信号检测信噪比并降低装置成本；采用FPGA控制器实现数字调频，提高信号检测稳定度和装置硬件集成度；通过单片FPGA控制器完成对氦光泵磁共振信号全数字化检测，提高装置硬件集成度和稳定度，降低装置成本和功耗。
附图说明：
附图1为氦光泵磁共振信号全数字化检测装置结构框图
附图2为氦光泵磁共振基波和二次谐波信号幅值与外磁场关系曲线图
101.程控增益电路，102二次谐波带通滤波电路，103基波带通滤波电路，104a同相放大电路Ⅰ，104b同相放大电路Ⅱ，105加法电路，106模数转换数据采集电路，107二次谐波锁相检测，108参考信号发生器，109基波锁相检测，110迟滞比较器，111数字PID控制器，112数字调频器，113命令编解码器，114SPI接口，115显示，116单片机，117恒温晶振，118射频线圈驱动电路，201基波信号幅度值曲线，202二次谐波幅度值曲线，203共振区，204共振点。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：
氦光泵磁共振信号全数字化检测装置，是由程控增益电路101的一路经二次谐波带通滤波电路102经同相放大电路Ⅰ104a与加法电路105连接，程控增益电路101的另一路经基波带通滤波电路103经同相放大电路Ⅱ104b与加法电路105连接，加法电路105与模数转换数据采集电路106连接，模数转换数据采集电路106的一路经二次谐波锁相检测107、迟滞比较器110和数字PID控制器111与数字调频器112连接，模数转换数据采集电路106的一路经基波锁相检测109、数字PID控制器111、SPI接口114和单片机116与显示115连接，SPI接口114与命令编解码器113连接，基波锁相检测109经参考信号发生器108和二次谐波锁相检测107与程控增益电路101连接，恒温晶振117经数字调频器112和射频线圈驱动电路118与探头线圈连接构成。
探头的光敏输出信号经过程控增益放大电路，增益由氦光泵磁共振二次谐波信号幅度进行反馈控制，同时增益倍数作为共振信号强弱指示。
放大信号经过基波带通滤波电路和二次谐波带通滤波电路，滤波后的两路信号分别由同相放大电路进行放大，之后由加法电路合并为一路信号，并转换为差分信号形式，由差分式模数转换数据采集电路进行信号采集。
采集的数字信号输入到FPGA控制器，通过单片FPGA控制器的软件算法实现以前使用模拟器件实现的相敏检测、积分电路、移相电路、压控振荡器等功能达到全数字化检测的目的。基波信号幅值在共振点时为零值，在远离共振点时幅值趋近于零，因此需要二次谐波信号作为共振区的辅助判别信号。
采集的数字信号通过基波锁相检测和二次谐波锁相检测算法得到基波和二次谐波信号的精确幅值，锁相检测的参考信号发生器采用坐标旋转数字计算方法（CORDIC），其频率分别为氦光泵磁共振信号的基波和二次谐波信号频率。
初始时，在磁场测量范围内，使用线性扫描磁场值对应的调频信号载波频率的方式寻找共振区。二次谐波信号幅值与磁场值关系曲线左右对称，在达到共振点时达到峰值，在远离共振区时其幅值由负值而趋近于零，利用二次谐波信号幅值曲线在共振区附近的这个幅值特性，二次谐波信号幅值通过迟滞比较器作为磁共振信号进入共振区的判别信号，在达到设定的幅值时，即认为进入共振区，使用迟滞比较器可以防止干扰造成的误判，提高判别稳定性。
采集到的数字信号分别通过基波锁相检测和二次谐波锁相检测得到信号的精确幅值，其中二次谐波信号幅值通过迟滞比较器作为磁共振信号进入共振区的判别信号，基波信号幅值作为数字PID控制器的输入控制信号，根据基波信号幅值调整数字调频器输出的调频载波频率，达到共振点时载波信号频率对应的磁场值即为所测磁场值。
FPGA数字调频器采用数字频率合成器技术，标准频率源由恒温晶振提供，提高输出频率稳定度；采用此方法不需要模拟压控振荡器或DDS集成芯片等硬件电路，降低检测装置功耗，提高检测装置硬件集成度和可靠性；同时不需要测频电路，可直接由频率控制字换算为被测磁场值，消除由测频引入的测量误差。
数字调频器输出的调频信号通过射频线圈驱动电路输入探头内部的射频线圈，产生射频磁场。
单片机主要完成磁场值的显示、存储及用户操作交互功能，通过SPI协议与FPGA控制器通信，并通过FPGA控制器的命令编解码器来控制调节检测参数。
如附图1和附图2所示说明氦光泵磁共振信号检测原理：
模拟信号调理及采集电路由程控增益电路101、二次谐波带通滤波电路102、基波带通滤波电路103、同相放大电路Ⅰ104a、同相放大电路Ⅱ104b、加法电路105及模数转换数据采集电路106组成，其中程控增益电路101可由低噪声运放、模拟电子开关芯片及精密电阻网络组成，带通滤波电路102和103可采用双路开关电容通用滤波器集成芯片；模数转换数据采集电路106选用高精度18位分辨率的高采样率模数转换ADC芯片。
单片机显示控制电路采用32位单片机116实现磁场值的显示115、存储及用户操作交互功能，通过SPI协议与FPGA控制器通信。射频线圈驱动电路118使用高通RC滤波电路将调频信号从单极性转换为双极性，并转换为电流信号输入探头内部的射频线圈。
FPGA控制器包含的功能模块和实现方式如下：
二次谐波锁相检测107：通过数字乘法器将采集的数字信号与参考信号发生器108输出的二次谐波参考信号相乘，再通过数字低通滤波获得二次谐波信号幅值。
参考信号发生器108：采用坐标旋转数字计算方法(CORDIC)生成，其频率分别为氦光泵磁共振信号基波和二次谐波信号频率。
迟滞比较器110：将二次谐波信号幅值作为磁共振信号进入共振区203的判别信号，使用迟滞比较器110可以防止干扰造成的误判，提高判别稳定度。
基波锁相检测109：通过数字乘法器将采集数字信号与参考信号发生器108输出的基波参考信号相乘，再通过数字低通滤波获得基波信号幅值。
数字PID控制器111：基波信号幅值作为数字PID控制器111的输入控制信号，根据基波信号幅值使用PID数字控制算法调整数字调频器113输出的调频信号载波频率，达到共振点204时载波频率对应的磁场值即为所测磁场值。
数字调频器112：采用数字频率合成器技术，由恒温晶振118产生时钟作为标准频率源，由频率控制字换算为被测磁场值，并通过SPI接口114传送到单片机116显示。
SPI接口114：实现SPI协议与单片机通信，具有数据传输和命令读写功能。
命令编解码器113：解码来自单片机命令，并作出相应的操作；编码FPGA控制器的数据和参数，传输给单片机。
Claims (1)
1.一种氦光泵磁共振信号全数字化检测装置，其特征在于，是由程控增益电路(101)的一路经二次谐波带通滤波电路(102)经同相放大电路Ⅰ(104a)与加法电路(105)连接，程控增益电路(101)的另一路经基波带通滤波电路(103)经同相放大电路Ⅱ(104b)与加法电路(105)连接，加法电路(105)与模数转换数据采集电路(106)连接，模数转换数据采集电路(106)的一路经二次谐波锁相检测(107)、迟滞比较器(110)和数字PID控制器(111)与数字调频器(112)连接，模数转换数据采集电路(106)的一路经基波锁相检测(109)、数字PID控制器(111)、SPI接口(114)和单片机(116)与显示(115)连接，SPI接口(114)与命令编解码器(113)连接，基波锁相检测(109)经参考信号发生器(108)和二次谐波锁相检测(107)与程控增益电路(101)连接，恒温晶振(117)经数字调频器(112)和射频线圈驱动电路(118)与探头线圈连接构成。
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