CN204536516U - 一种精密的高频弱磁场信号测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种精密的高频弱磁场信号测量电路，包括磁场传感电路、用于放大磁场传感电路第一输出信号的第一放大器和用于放大磁场传感电路第二输出信号的第二放大器，该测量电路还包括第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一ADC模块和第二ADC模块，所述第一锁相放大器的输入端与第一放大器的输出端连接，所述第一锁相放大器的输出端与第一ADC模块的输入端连接；所述第二锁相放大器的输入端与第二放大器的输出端连接，所述第二锁相放大器的输出端与第二ADC模块的输入端连接。本实用新型的电路结构紧凑，误差极低，通过两条带电阻的设置，消除了可能存在的静态环境磁场误差；通过滤波器及锁相放大器滤波，测量误差在5％以下。

Description

一种精密的高频弱磁场信号测量电路

技术领域

本实用新型涉及磁场的测量，特别涉及一种精密的高频弱磁场信号测量电路。

背景技术

弱磁场是指磁场等级在地磁场附近(0.5Oe)或较弱于地磁场的磁场强度大小。而绝大多数的磁场均位于弱磁场区间。随着科学技术的发展,人们在磁场测量方面作了大量的工作,设计出了各种不同的磁场传感器,并广泛的应用于磁场测量之中。在探测磁场的大小、方向以及在探矿、地下钻孔、位置检测、无损探伤，磁场成像、航海系统等方面往往需要测得一个准确度很高的磁场值。

由于弱磁场等级较低，信号较小，同时噪声干扰与磁场信号相近，相对误差较大，变化较大，造成有效的磁场信号易被噪声淹没，对于人们利用磁场进行探测和检查造成了一定的困难。因此合适的磁场测量及误差处理电路是目前的重点。

目前常见的利用磁场进行探测的方法有：

1、用直流大电流激发较大的直流磁场，此方法由于对励磁电流要求较高，因此相应的成本提高，同时由于大电流不容忽视的发热效应，易造成难以估计的事故。

2、用高频电流激发高频磁场，在频谱上与噪声分开，再用滤波器的方式采集磁场信号，但此方法由于磁场信号幅值一般较小，再加上带通滤波器的带宽较大，导致白噪声亦被测量，引起较大的误差。

现在常见的弱磁场测量方法，主要有磁通门法、霍尔效应法、巨磁阻效应法。但此三种方法均有明显的缺点：

磁通门法：磁通门法的绕制方法十分复杂，同时性能较好的磁通门其体积较大，成本较高，更重要的是磁通门必须静置测量，否则误差较大

霍尔效应法：霍尔效应法对mT级磁场敏感，对高斯及以下磁场不敏感，即其弱磁场敏感性不好。

以上两种方式均适用于静态磁场的测量，且操作较复杂，误差较大。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是在于提供一种精密的高频弱磁场信号测量电路，

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案，一种精密的高频弱磁场信号测量电路，包括磁场传感电路、用于放大磁场传感电路第一输出信号的第一放大器和用于放大磁场传感电路第二输出信号的第二放大器，该测量电路还包括第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一ADC模块和第二ADC模块，所述第一锁相放大器的输入端与第一放大器的输出端连接，所述第一锁相放大器的输出端与第一ADC模块的输入端连接；所述第二锁相放大器的输入端与第二放大器的输出端连接，所述第二锁相放大器的输出端与第二ADC模块的输入端连接。

优选的，所述第一锁相放大器包括第一带通滤波器、第一相敏检波器和第一低通滤波器，所述第一带通滤波器的输入端与第一放大器的输出端连接，第一带通滤波器的输出端与第一相敏检波器的输入端连接，第一相敏检波器的输出端与第一低通滤波器的输入端连接，所述第一相敏检波器的参考端接参考信号；所述第二锁相放大器包括第二带通滤波器、第二相敏检波器和第二低通滤波器，所述第二带通滤波器的输入端与第二放大器的输出端连接，第二带通滤波器的输出端与第二相敏检波器的输入端连接，第二相敏检波器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，所述第二相敏检波器的参考端接参考信号。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的电路结构紧凑，误差极低，通过两条带电阻的设置，消除了可能存在的静态环境磁场误差；通过滤波器及锁相放大器滤波，测量误差在5％以下。

本实用新型的功耗低，除“set/reset”带电阻外，其余部分均工作在mA电流下，而“set/reset”带电阻的电流持续时间为us级。同时，本实用新型对于直流或低频磁场均有较好的测量效果，电路整体功耗为mW级别。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型整体结构框图；

图2为锁相放大器的结构原理图；

图3为磁场传感电路的电路图；

图4为第一带通滤波器的电路图；

图5为第二带通滤波器的电路图；

图6为第一相敏检波器的电路图；

图7为第二相敏检波器的电路图；

图8为第一低通滤波器的电路图；

图9为第二低通滤波器的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

随着技术的不断进步，磁场测量传感器也必将朝着低成本，低误差，操作简单，体积较小的方式前进，前述的那些不利于测量或成本较高的方法将会得到改进甚至淘汰，而克服了上述缺点的测量方法也将得到更为广阔的发展空间，同时高频磁场也将得到长足的发展。

如图1所示，一种精密的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：包括磁场传感电路、用于放大磁场传感电路第一输出信号的第一放大器和用于放大磁场传感电路第二输出信号的第二放大器，该测量电路还包括第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一ADC模块和第二ADC模块，所述第一锁相放大器的输入端与第一放大器的输出端连接，所述第一锁相放大器的输出端与第一ADC模块的输入端连接；所述第二锁相放大器的输入端与第二放大器的输出端连接，所述第二锁相放大器的输出端与第二ADC模块的输入端连接。

如图2所示，所述第一锁相放大器包括第一带通滤波器、第一相敏检波器和第一低通滤波器，所述第一带通滤波器的输入端与第一放大器的输出端连接，第一带通滤波器的输出端与第一相敏检波器的输入端连接，第一相敏检波器的输出端与第一低通滤波器的输入端连接，所述第一相敏检波器的参考端接参考信号；所述第二锁相放大器包括第二带通滤波器、第二相敏检波器和第二低通滤波器，所述第二带通滤波器的输入端与第二放大器的输出端连接，第二带通滤波器的输出端与第二相敏检波器的输入端连接，第二相敏检波器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，所述第二相敏检波器的参考端接参考信号。

带通滤波器主要是对被测信号进行预滤波和交流放大等处理。预滤波提高了信号的信噪比，减小了对相敏检波器的动态容限的要求，交流放大使得信号在进入相敏检波器时有合适的幅值。

相敏检波器对被测信号和参考信号进行乘法运算，并得到它们和频与差频信号。由于被测信号和参考信号通频、和频信号为直流信号。差频信号通过后面的低通滤波器滤除。

低通滤波器滤除和频信号以及噪声信号，提到输出直流信号的信噪比。

所述磁场传感电路包括磁场传感器U1、offset电路和set/reset电路，磁场传感器U1为HMC1002；所述offset电路、set/reset电路分别与磁阻式传感器连接；所述第一放大器包括运放U2和运放U3，所述第二放大器包括运放U4和运放U5，所述运放U2、运放U3、运放U4和运放U5为INA128。

所述set/reset电路用于输出振荡脉冲，驱动set/reset带电阻工作，set/reset带电阻在通以适当大小，适当周期的峰值电流时可以使磁阻内部磁畴重排，消除软磁材料磁滞效应带来的“记忆误差”。所述set/reset电路包括场效应管P1、场效应管P2、电容C9、电容C10和电阻R7，所述场效应管P1与场效应管P2为IRF5851；所述场效应管P1的1脚和3脚并联后接脉冲信号，场效应管P1的2脚经电容C9接地，场效应管P1的4脚和6脚并联后经电容C10分别与磁场传感器U1的7脚、20脚连接，场效应管P1的5脚接地；所述场效应管P2的1脚和3脚并联，场效应管P2的4脚与6脚并联后分别与磁场传感器U1的14脚和16脚连接，场效应管P2的5脚接地，场效应管P2的2脚经电容C9接地，电容C9的一端与电容R7连接，电容C9的另一端经开关S3分别与磁场传感器U1的4脚和11脚连接，且磁场传感器U1的4脚和11脚接+15V电源；

所述offset电路用于产生适当大小、方向的电流以驱运转offset带电阻工作，offset带电阻在通以适当大小、方向的电流时可以产生相应方向的磁场，此磁场应与环境磁场反向，实现“回零”的功能。所述offset电路包括变阻器R3和变阻器R4，所述变阻器R3的两个静接线端分别接+15电源和-15V电源，变阻器R3的动接线端经开关S1与磁场传感器U1的17脚连接，所述变阻器R4的两个静接线端分别接+1.5V电源和-1.5V电源，变阻器R4的动接线端与磁场传感器U1的15脚连接；

所述磁场传感器U1的1脚、3脚、6脚、8脚、10脚、13脚和17脚接地；

所述磁场传感器U1的2脚与运放U2的3脚连接，磁场传感器U1的5脚与运放U2的2脚连接，所述运放U2的6脚与运放U3的3脚连接，所述运放U3的6脚与第一带通滤波器的输入端连接，运放U2的1脚和8脚间并联电阻R1，运放U2的5脚接地，运放U2的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C1，运放U2的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C2；所述运放U3的1脚与8脚之间并联电阻R2，运放U3的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C3，运放U3的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C4，运放U3的5脚接地；

所述磁场传感器U1的9脚与运放U4的3脚连接，磁场传感器U1的12脚与运放U4的2脚连接，所述运放U4的6脚与运放U5的3脚连接，所述运放U5的6脚与第二带通滤波器的输入端连接，运放U4的1脚和8脚间并联电阻R5，运放U4的5脚接地，运放U4的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C5，运放U4的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C6；所述运放U5的1脚与8脚之间并联电阻R6，运放U5的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C7，运放U5的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C8，运放U5的5脚接地。

作为本实用新型的一种实施方式，如图4所示，所述第一带通滤波器包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R12、电容C11、电容C12和运放U6，所述电阻R8的一端与第一放大器的输出端连接，电阻R8的另一端经电容C11与运放U6的正向输入端连接，电阻R8与电容C11的公共端接对地电容C12，电容C11与运放U6的公共端接对地电阻R9，运放U6的反向输入端经电阻R12接地，运放U6的反向输入端与输出端并联电阻R10，运放U6的输出端与第一相敏检波器的输入端连接。

作为本实用新型的一种实施方式，如图6所示，所述第一相敏检波器包括运放U7、运放U9、非门P3、电阻R13和电阻R15，所述运放U7的正向输入端与运放U6的输出端连接，运放U6的输出端经电阻R13与运放U9的反向输入端连接，运放U9的反向输入端与输出端间并联电阻R15，运放U7的反向输入端与输出端连接；运放U9和U7的输出端与第一低通滤波器的输入端连接；运放U9的正向输入端接地；运放U7的关断脚接参考信号，参考信号经非门P3接运放U9的关断脚。在本实例中采用高频脉冲信号作为参考信号。

相敏检波器电路采用了两个带关断引脚的运放TLV2460，当运放的关断引脚(nSHDN)为高电平时，运放正常输出；当运放的关断引脚为低电平时，运放输出为为高阻态。本实旋例中使用了一个同相跟随器和一个反相跟随器并联的方式来实现相敏检波，当参考信号为高电平时，U7为同相输出，U9为输出高阻，所以总输出为同相输出；

当参考信号为低电平时，U7为输出高阻，U9为反相输出，所以总输出为反相输出。通过这种方法，相当于信号通道信号同步于参考信号与+1和-1进行了乘法运算。采用这种方法进行乘法运算避免了使用昂贵的模拟乘法器，且精度比模拟乘法器要高。

作为本实用新型的一种实施方式，如图8所示，所述第一低通滤波器包括运放U8、电阻R11、电阻R14、电容C13、电容C14和电容C15；所述电阻R14的一端与第一相敏检波器的输出端连接，电阻R14的另一端与运放U8的正向输入端连接，电阻R14与运放U8的公共端接对地的电容C15，所述运放U8的反向输入端接对地电阻R11，运放U8的反向输入端与输出端连接，所述运放U8的正电源端与负电源端间并联依次连接的电容C13、电容C14；且电容C13、电容C14的公共端接地，所述运放U8的输出端与第一ADC模块的输入端连接。

在本实施例中，第二带通滤波器采用与第一带通滤波器同样的结构，其结构如图5所示。

在本实施例中，第二相敏检波器采用与第一相敏检波器同样的结构，其结构如图7所示。

在本实施例中，第二低通滤波器采用与第一低能滤波器同样的结构，其结构如图9所示。

本实用新型的电路结构紧凑，误差极低，通过两条带电阻的设置，消除了可能存在的静态环境磁场误差；通过滤波器及锁相放大器滤波，测量误差在5％以下。本实用新型的功耗低，除“set/reset”带电阻外，其余部分均工作在mA电流下，而“set/reset”带电阻的电流持续时间为us级。同时，本实用新型对于直流或低频磁场均有较好的测量效果。电路整体功耗为mW级别。本电路精度较高，误差在5％以内。本电路操作简单，去除了繁杂的软件误差处理，利用高频脉冲信号作为参考信号，免除了交流信号傅里叶变换与反变换的繁杂，输出直流信号，便于后续处理；同时解决了记忆效应等问题。本实用新型一旦推广实施，其将成为一款高精度，低成本的磁场传感器，尤其是适用于目前倡导的经济、高效，便携，实现高频弱磁场的精密测量的目的。可以广泛应用于金属、矿物等的探测需求中。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种精密的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：包括磁场传感电路、用于放大磁场传感电路第一输出信号的第一放大器和用于放大磁场传感电路第二输出信号的第二放大器，该测量电路还包括第一锁相放大器、第二锁相放大器、第一ADC模块和第二ADC模块，所述第一锁相放大器的输入端与第一放大器的输出端连接，所述第一锁相放大器的输出端与第一ADC模块的输入端连接；所述第二锁相放大器的输入端与第二放大器的输出端连接，所述第二锁相放大器的输出端与第二ADC模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述第一锁相放大器包括第一带通滤波器、第一相敏检波器和第一低通滤波器，所述第一带通滤波器的输入端与第一放大器的输出端连接，第一带通滤波器的输出端与第一相敏检波器的输入端连接，第一相敏检波器的输出端与第一低通滤波器的输入端连接，所述第一相敏检波器的参考端接参考信号；所述第二锁相放大器包括第二带通滤波器、第二相敏检波器和第二低通滤波器，所述第二带通滤波器的输入端与第二放大器的输出端连接，第二带通滤波器的输出端与第二相敏检波器的输入端连接，第二相敏检波器的输出端与第二低通滤波器的输入端连接，所述第二相敏检波器的参考端接参考信号。

3.根据权利要求2所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述磁场传感电路包括磁场传感器U1、offset电路和set/reset电路，磁场传感器U1为HMC1002；所述offset电路、set/reset电路分别与磁阻式传感器连接；所述第一放大器包括运放U2和运放U3，所述第二放大器包括运放U4和运放U5，所述运放U2、运放U3、运放U4和运放U5为INA128；

所述set/reset电路包括场效应管P1、场效应管P2、电容C9、电容C10和电阻R7，所述场效应管P1与场效应管P2为IRF5851；所述场效应管P1的1脚和3脚并联后接脉冲信号，场效应管P1的2脚经电容C9接地，场效应管P1的4脚和6脚并联后经电容C10分别与磁场传感器U1的7脚、20脚连接，场效应管P1的5脚接地；所述场效应管P2的1脚和3脚并联，场效应管P2的4脚与6脚并联后分别与磁场传感器U1的14脚和16脚连接，场效应管P2的5脚接地，场效应管P2的2脚经电容C9接地，电容C9的一端与电容R7连接，电容C9的另一端经开关S3分别与磁场传感器U1的4脚和11脚连接，且磁场传感器U1的4脚和11脚接+15V电源；

所述offset电路包括变阻器R3和变阻器R4，所述变阻器R3的两个静接线端分别接+15V电源和-15V电源，变阻器R3的动接线端经开关S1与磁场传感器U1的17脚连接，所述变阻器R4的两个静接线端分别接+1.5V电源和-1.5V电源，变阻器R4的动接线端与磁场传感器U1的15脚连接；

所述磁场传感器U1的1脚、3脚、6脚、8脚、10脚、13脚和17脚接地；

所述磁场传感器U1的2脚与运放U2的3脚连接，磁场传感器U1的5脚与运放U2的2脚连接，所述运放U2的6脚与运放U3的3脚连接，所述运放U3的6脚与第一带通滤波器的输入端连接，运放U2的1脚和8脚间并联电阻R1，运放U2的5脚接地，运放U2的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C1，运放U2的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C2；所述运放U3的1脚与8脚之间并联电阻R2，运放U3的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C3，运放U3的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C4，运放U3的5脚接地；

所述磁场传感器U1的9脚与运放U4的3脚连接，磁场传感器U1的12脚与运放U4的2脚连接，所述运放U4的6脚与运放U5的3脚连接，所述运放U5的6脚与第二带通滤波器的输入端连接，运放U4的1脚和8脚间并联电阻R5，运放U4的5脚接地，运放U4的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C5，运放U4的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C6；所述运放U5的1脚与8脚之间并联电阻R6，运放U5的4脚接-12V电源且4脚接对地电容C7，运放U5的7脚接+12V电源且7脚接对地电容C8，运放U5的5脚接地。

4.根据权利要求2所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述第一带通滤波器包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R12、电容C11、电容C12和运放U6，所述电阻R8的一端与第一放大器的输出端连接，电阻R8的另一端经电容C11与运放U6的正向输入端连接，电阻R8与电容C11的公共端接对地电容C12，电容C11与运放U6的公共端接对地电阻R9，运放U6的反向输入端经电阻R12接地，运放U6的反向输入端与输出端并联电阻R10，运放U6的输出端与第一相敏检波器的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述第一相敏检波器包括运放U7、运放U9、非门P3、电阻R13和电阻R15，所述运放U7的正向输入端与运放U6的输出端连接，运放U6的输出端经电阻R13与运放U9的反向输入端连接，运放U9的反向输入端与输出端间并联电阻R15，运放U7的反向输入端与输出端连接；运放U9和U7的输出端与第一低通滤波器的输入端连接；运放U9的正向输入端接地；运放U7的关断脚接参考，参考信号经非门P3接运放U9的关断脚。

6.根据权利要求5所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述第一低通滤波器包括运放U8、电阻R11、电阻R14、电容C13、电容C14和电容C15；所述电阻R14的一端与第一相敏检波器的输出端连接，电阻R14的另一端与运放U8的正向输入端连接，电阻R14与运放U8的公共端接对地的电容C15，所述运放U8的反向输入端接对地电阻R11，运放U8的反向输入端与输出端连接，所述运放U8的正电源端与负电源端间并联依次连接的电容C13、电容C14；且电容C13、电容C14的公共端接地，所述运放U8的输出端与第一ADC模块的输出端连接。

7.根据权利要求2所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述第二带通滤波器包括电阻R17、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电容C18、电容C19和运放U10，所述电阻R17的一端与第二放大器的输出端连接，电阻R17的另一端经电容C18与运放U10的正向输入端连接，电阻R17与电容C18的公共端接对地电容C19，电容C18与运放U10的公共端接对地电阻R19，运放U10的反向输入端经电阻R21接地，运放U10的反向输入端与输出端并联电阻R20，运放U10的输出端与第二相敏检波器的输入端连接。

8.根据权利要求7所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述第二相敏检波器包括运放U11、运放U13、非门P3、电阻R22和电阻R23，所述运放U11的正向输入端与运放U10的输出端连接，运放U10的输出端经电阻R22与运放U13的反向输入端连接，运放U13的反向输入端与输出端间并联电阻R23，运放U11的反向输入端与输出端连接；运放U13和U11的输出端与第二低通滤波器的输入端连接；运放U13的正向输入端接地；运放U11的关断脚接参考，参考信号经非门P3接运放U13的关断脚。

9.根据权利要求8所述的高频弱磁场信号测量电路，其特征在于：所述第二低通滤波器包括运放U12、电阻R16、电阻R18、电容C16、电容C17和电容C18；所述电阻R18的一端与第二相敏检波器的输出端连接，电阻R18的另一端与运放U12的正向输入端连接，电阻R18与运放U12的公共端接对地的电容C18，所述运放U12的反向输入端接对地电阻R16，运放U12的反向输入端与输出端连接，所述运放U12的正电源端与负电源端间并联依次连接的电容C16、电容C17；且电容C16、电容C17的公共端接地，所述运放U12的输出端与第二ADC模块的输入端连接。