【文章內容簡介】 =ω t B1 B2 （ c） B θ 1 θ2 吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 9 在 兩鐵芯中 產生的 激勵磁場方向 相反 ，若 兩鐵芯形狀尺寸和電磁場參數完全對稱，兩鐵芯中的磁通在測量線圈中產生的感應電勢互相抵消，輸出為零；當沿 鐵芯長軸方向施加外部磁場時，其中一個鐵芯 的磁場 先于另一個達到 飽和，造成測量線圈中的感應電勢不能互相抵消，輸出 非 對稱 的 波形，波形的主要成分是激勵 信號 的二次諧波。由于 外磁場產生的 感應電勢的幅值與 外 磁場 大小 成正比，可通過測量 輸出信號的 二次諧波分量來測量外磁場。 為便于研究，將式 改寫成如下形式： ）（ teAHE S ?2s in? 傳統(tǒng)的處理方法是采用模擬電路進行相敏檢波，具體做法是：用兩路頻率與 ES 相同的 參考信號，兩者相位相差 90 度，假設分別為 ）（ t?2sin 和）（ t?2cos ，這時 ES 與參考信號相比有一個相移 ? ，表 達為 示成式 的形式： ）（ ?? ?? teAHES 2s in ES 分別 乘 以參考信號 ，得到 如下結果： )]4c os ([c os2/1]}2)2c os [(]2)2{ c os [(2/1)s i n( 2?????????????????????ttttteAHtE S ]s i n)4[s i n(2/1]}2)2s i n[(]2)2{ s i n[2/1)(2c????????????????????ttttteAHtosE S （ 對式 和式 表示的信號進行 積分處理（實質上就是對信號進行 低通濾波 ） 之后得到以下結果： ? ??? ? ???? 20 c os2/1)2()]2s i n([1 eAHtdtER S ???? ? s i n2/1)2()]2c os ([1 20 eAHtdtEX S? ???? 222 XRAH e ??? 吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 10 傳統(tǒng)的方法 要通過硬件電路實現模擬信號的乘法運算 和積分運算 ， 這對乘法器和積分電路的精度等參數要求很高， 而且要求參考信號的幅度穩(wěn)定， 兩參考信號的相位差必須保證是 90 度 。 這種處理方法 數字化程度低 ,信號處理過程中易受干擾 ，所以設計采用數字檢波的方法。 下面詳細論述如何 采用數字檢波的方法得到測量數據 ： 首先， 我們不用正弦波作參考信號，換作與正弦波參考信號相位相同的方波 1S 和 2S ： ???? 01S1 ???? ???? )12(2 22 ???? ??? kk kk ???? 01S2 2/322/2 /2k2/22k ????? ????? ???? ??? kk 我們對 信號進行 4 倍頻采樣， 采樣點設為 1SE ， 2SE ， 3SE ， 4SE 。 在這里， 我們假設 ? 為初始采樣點的相位。那么， 原信號可以表示為 ： ）（ ?? ?? teAHE S 2s in ?s in1 ?? eS AHE ?c o s2 ?? eS AHE ?s in3 ??? eS AHE ?c o s4 ??? eS AHE 現用 式 和式 表示的 方波對上述信號進行調制，得到 的采樣信號表示如下 ： 其一 ， 139。 SEE SS ?? 吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 11 采樣信號為???????????????????c o ssinc o ssin39。439。339。239。1eSeSeSeSAHEAHEAHEAHE 其二 ， 239。39。 SEE SS ?? 采樣信號為?????????????????????c o ss inc o ss in39。39。439。39。339。39。239。39。1eSeSeSeSAHEAHEAHEAHE 對這兩種信號分別進行采樣求和后取平均值 （與模擬信號的積分類似） ， 得到以下結果： )c os(s i n2/1)(4/14/1 39。 439。 339。 239。 130i39。 ?? ????????? ?? SSSSSiEEEEEI )c os(s i n2/1)(4/14/1 39。39。 439。39。 339。39。 239。39。 13 0i 39。39。 ?? ????????? ?? SSSSSi EEEEEQ 對采樣信號進行求和去均值運算，相當于對原信號進行以下處理： dtitIi? ????? ? ??????3039。S )/(E4/1 ???? dtitQi? ????? ? ??????3039。39。S )/(E4/1 ???? 式中 ? 為采樣周期，即 ??? /2? 。 經過上述分析，我們可以通過下面的計算得到最終的結果： 吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 12 ? ? ? ?22 QIQIAH e ???? 地磁檢測裝置 的主要功能 三分量 磁通門 地磁場檢測裝置 主要是 通過檢測地磁場在三個互相垂直的方向上的分量來 測量地磁場總場強度的。 三分量磁通門式磁敏傳感器 能檢測到 地 磁場 的 各個分量被調制后的信號，經選頻放大 電路 得到幅值與分量大小成 正比的二次諧波，用 16 位 A/D 對這些信號 進行 4 倍頻采樣， 通過外部中斷的方式將 采樣數據 分別送 入單片機， 單片機在讀夠 兩個周期的采樣 數據（共三組，每組 16 個字節(jié)即 8 個 16 位數據）后，經 MAX232 進行電平 轉換 通過 串口發(fā)送的方式將數據 送到計算機 ，有計算機完成 最終的數據 處理 和 分析。 3 三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路設計 前置檢測電路的設計 前置檢測電路的原理方框圖如下： 圖 前置檢測電路原理框圖 分頻電路采用 20MHz 晶振， 分頻輸出用 212 倍 分頻作為驅動電路的輸入信號，經功率放大用作傳感器激勵信號； 29 倍 分頻經信號轉換電路整形，用作 A/D 轉換的時鐘信號。 下面具體介紹一下各部分電路： 212 傳感器 驅動電路 16 位 A/D 四 倍頻采樣 振蕩 分頻器 29 信號 轉換 選頻 放大器 吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 13 分頻電路 和信號轉換電路 的設計 ： 磁通門傳感器需要 5kHz 激勵信號，需 要有振蕩電路為其提供頻率源。石英晶振振蕩器 產生的信號頻率為 20MHz， 需要 進行 4000 倍（約2^12=4096 倍） 分頻。 同時， A/D 進行 4 倍頻采樣，需要 40kHz 的時鐘信號，并且要求占空比接近 100%（詳見 AD7656 工作時序） ，所以分頻器的29 倍分頻輸出需要接信號轉換電路。 分 頻 器采用 14 位二進制計數 \分頻器74HC4060， 電路原理圖 如 圖 。 圖中 13 腳為 29 倍分頻輸出， 1nF 電容和 電阻形成微分電路，和與非門整形電路構成信號轉換電路，為 A/D 轉換電路提供啟動信號。 7 4 H C 4 0 6 0O1 2 2O1 3 3R T C10O3 7MR12RS11O4 5O5 4O6 6O7 14O8 13O9 15O1 1 1C T C92 0 M H z2 M Ω3 0 p F3 0 p F1 n F1 .6 k Ω5 .6 k Ω7 4 H C 0 0 （ A ） 圖 分頻電路 及信號轉換電路 驅動電路的設計： 分頻器輸出帶載能力較弱，不能直接用作激勵因此需要驅動電路進行功率放大。 理想的激勵信號應該是頻率為 5kHz、幅度為 3V 的正弦波，要求正弦波的幅度非常穩(wěn)定，所以實際激勵信號采用 5kHz 的方波，幅度為3v。分頻器的輸出幅度 約 為 6V，經 緩沖電阻減壓，功放電路輸出幅度約為 4V，需要進行變壓處理，電路設計如圖 ： 圖中的隔離線圈是手工繞制成的，其中，初級線圈的計算匝數為：fBAVN i 4/? ≈ 29 匝（式中 iV 為線圈兩端交流電壓的幅度，取 4V； f 為信吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 14 號頻率，取 10^3Hz； B 為磁環(huán)磁通量，一般取 ， A 為磁環(huán)截面積，取 10^5 2m ），實際繞了 50 匝，次級為 40 匝。 V19 V V29 V 805085501 .6 k Ω1 .6 k Ω1 0 0 n F1 0 0 n F1 0 0 n F4 7 u F 圖 驅動電路 選頻放大電路的設計： 測量需要傳感器輸出的二次諧波成分，因此，傳感器的輸出信號不能直接進行放大、采樣，必須經過帶通濾波器濾出二次諧波 ，放大后在進行采樣處理。 濾波器的設計采用壓控電壓源型二階帶通濾波器 ，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低 ，而且電路結構簡單 。濾波器要求的 設計參數為：中心頻率為 10kHz， Q 值為 10，對中心頻率的放大倍數為 30 倍。實際電路形式如圖 所示。傳感器的輸出信號經濾波處理后其幅度不足以進行采樣，故加一級放大。 吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 15 L M 2 5 81 n F 1 6 k Ω 9V 9 VXBP1IN O U TXFG11 n F 3 3 k Ω 1 6 k Ω 5 . 6 k Ω 3 k Ω L M 2 5 81 6 k Ω 1 0 0 k Ω 9V 9 V1 6 k Ω 圖 選頻放大電路 仿真結果如下圖所示： 圖 帶通濾波器伯德圖仿真結果 從上圖可以看到，濾波器設計合理，而且仿真結果接近設計目標，實吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 16 際仿真參數如下： 中心頻率為 ， Q 值為 ，中心頻率出放大倍數為 （ 倍），對二次諧波（實際頻率為 ）的放大倍數為 （ 倍） ，符合設計要求。 16 位 A/D 轉換器 4 倍頻采樣的 硬件 設計 根據 A/D 采集電路的設計要求 選擇合適的 A/D： 由于課題設計要求 A/D 實現對二次諧波的四倍頻采樣，所以，所選 A/D的轉換速率必須在 40kHz 以上；分辨率課題要求 16 位以上；由于采樣頻率必須精確為四倍頻，因此 A/D 采樣率應該可變；由于是對交流信號采樣，故 A/D 應能進行正負采樣；課題要實現三分 量測量，有三路信號輸入，要求同時對三路信號采樣，故要求 A/D 能實現三路以上同時采樣 。根據以上要求，最終選擇逐次逼近型 16 位 A/D 數據采集電路 AD7656。 AD7656 的最高采樣頻率可達到 250kHz，屬于逐次逼近型，采樣頻率可變，通過轉換使能腳輸入啟動 信號，控制 六個通道同時進行數據轉換，這里我們只用其中三個通道。 各通道的 轉換結果在每次轉換結束后可通過16 位并行數據線 依次 傳送到單片機 。圖 是 AD7656 的工作時序圖： 圖 AD7656 的時序圖 吉林大學本科畢業(yè)論文 （設計） 17 A/D 采集電路的設計： 圖 AD7656 內部結構框圖 從 AD7656 的內部結構圖和時序圖可以看出， AD7656 既可以用硬件電路控制，也可以通過軟件編程來操作，使用起來方便靈