畢業(yè)論文40磁通門傳感器41

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)摘要三分量磁通門地磁場檢測裝置是應(yīng)用磁通門傳感器對地磁場進(jìn)行測量的矢量檢測裝置。 與其它類型測磁儀器相比， 磁通門傳感器具有分辨率高，測量弱磁場范圍寬，體積小、重量輕、功耗低，經(jīng)濟(jì)性好，能夠直接測量磁場的失量和適于在高速運(yùn)動系統(tǒng)中使用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。本文分析了磁通門傳感器的工作原理，詳細(xì)論述了如何采用數(shù)字檢波的方法進(jìn)行信號處理.本文還介紹了三分量地磁場檢測裝置硬件電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序。 檢測裝置主要由三分量磁通門傳感器、單片機(jī)最小系統(tǒng)、AD 數(shù)據(jù)采集電路和串口電路構(gòu)成。三分量磁通門傳感器檢測到磁場的矢量大小，輸出信號經(jīng)過有

2、源濾波器和放大器處理后得到三路幅度與磁場各分量大小成正比的正弦信號。 AD 同時(shí)對三路信號進(jìn)行 4 倍頻采樣，將兩個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，然后單片機(jī)通過串行端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理和分析。關(guān)鍵詞三分量地磁場數(shù)字檢波數(shù)據(jù)采集串行端口1The Design of Geomagnetic Field Detection DeviceBased on Three-component Fluxgate SensorsAbstratThe three-component fluxgate geoamagnetic field detection device is a ki

3、nd of vector detection device which can measure the geoamagnetic fielddirectlypared with other instruments which can measure geomagnetic field,the fluxgate sensor and good economy,isused widely in different fields.This paper introduces the working principle of the fluxgate sensor and the digital dem

4、odulation method in detail. The design of device and progamming of MCU are also introduced in this paper. The detection device consists of three-component fluxgate sensors, MCU system, AD dataacquisition circuit and com port communication circuit. The magnetic vector is detected by the three-compone

5、nt fluxgate sensors,signals output from the senors are processed by active filters and amplifiers.Then there are three sinusoidal signals,whose amplitude are proportional to themagnitude of geomagnetic field component. The ADconvertor produces 4 points sampling signals, and transmits data of two cyc

6、les to CPU, then CPU send the data to computer via the com port. Finally,the data is processed and analyzed by computer.Keywordsthreecomponentsgeomagnetic fieldDigitaldemodulationData AcquisitionCom Port2目錄摘要 .1ABSTRAT.21緒論 .11.1研究三分量磁通門地磁場檢測裝置的目的和意義.11.2各種測磁儀器 .21.3磁通門測磁儀器的研究現(xiàn)狀 .52檢測裝置的工作原理 .62.1磁通

7、門傳感器的工作原理 .62.2檢測裝置的工作原理 .82.3地磁檢測裝置的主要功能 .103三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路設(shè)計(jì) .113.1前置檢測電路的設(shè)計(jì) .113.1.1分頻電路和信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)： .113.1.2驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)： .123.1.3選頻放大電路的設(shè)計(jì)： .133.216 位 AD 轉(zhuǎn)換器 4 倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì) .143.2.1根據(jù) AD 采集電路的設(shè)計(jì)要求選擇合適的AD ： .143.2.2AD 采集電路的設(shè)計(jì)： .153.3內(nèi)部電源的設(shè)計(jì) .174三分量磁通門地磁場檢測裝置的的軟件設(shè)計(jì) .174.1STC89C54RD+ 單片機(jī)介紹 .174.2AD 的軟件

8、控制 .184.3程序流程圖 .194.4示例程序 .194.5串口發(fā)送的硬件設(shè)計(jì) .205測試結(jié)果及分析 .215.1分頻器電路測試 .2135.2功率驅(qū)動電路的測試225.3信號轉(zhuǎn)換電路測試235.4帶通濾波器的測試246對三分量測量的通道差異進(jìn)行校正的方案設(shè)計(jì)256.1方案 1：通過硬件電路的調(diào)試進(jìn)行校正256.2方案 2：通過軟件編程對測量結(jié)果進(jìn)行校正26總結(jié)27參考文獻(xiàn)及參考資料28致謝29英文翻譯30英文翻譯原文3341 緒論1.1研究三分量磁通門地磁場檢測裝置的目的和意義在介紹三分量磁通門地磁場檢測裝置之前，首先介紹一下它的研究目的和意義。檢測裝置主要是通過檢測地磁場的大小來尋找

9、鐵磁性物質(zhì)的。鐵磁性物質(zhì)中很重要的一類就是鐵。我國是最早發(fā)現(xiàn)和使用鐵的國家，同時(shí)鐵也是世界上發(fā)現(xiàn)并使用最早的一種金屬材料。世界鐵資源豐富，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查所和礦業(yè)局1996 年 1 月的統(tǒng)計(jì)，世界鐵礦石資源量超過 8000 億噸，折合金屬量超過 2300 億噸。 1995 年世界鐵礦石儲量 1 500 億噸、儲量基礎(chǔ) 2300 億噸，折合鐵金屬量分別為 650 億噸、 1000 億噸。我國鐵金屬儲量 73.29 億噸，應(yīng)在俄羅斯、澳大利亞、加拿大、巴西之后居世界第 5 位。截至 1996 年底，全國共查明鐵礦產(chǎn)地1834 處。累計(jì)探明鐵礦石儲量504.78 億噸，按全國鐵礦石平均含鐵品位 33%

10、 計(jì)算，鐵金屬量為 166.58 億噸。扣除歷年開采與損失， 尚保有鐵礦石儲量 463.47 億噸，鐵金屬 152.95 億噸。根據(jù) 80 年代中期地質(zhì)科研部門對我國鐵礦資源的預(yù)測，將全國大陸劃分為 17個(gè)預(yù)測區(qū)，共有有望航磁異常區(qū) 1084 處，預(yù)測資源潛力606 億t。其中 11個(gè)預(yù)測區(qū)分布在東經(jīng) 105°線以東地區(qū)， 有望航磁異常區(qū)754 處，預(yù)測資源潛力為317 億 t，東部地區(qū)找礦程度較高，預(yù)測資源多以隱伏礦或盲礦體分布在已知礦帶的深部和周邊部。東經(jīng) 105°線以西地區(qū)，包括 6 個(gè)預(yù)測區(qū)，有望航磁異常 330 處，預(yù)測資源潛力為 289 億 t，西部地區(qū)找礦和研

11、究工作程度較低或很低，尚有發(fā)現(xiàn)新礦區(qū)的前景。中國的鐵礦資源很豐富，但鐵礦石進(jìn)口量卻居世界第一。近年來，中1國主要進(jìn)口鐵礦石的一些來源國不斷調(diào)高鐵礦石的出口價(jià)格。面對這種形勢，中國自己開采鐵礦的需求越來越迫切。中國鐵礦資源有兩個(gè)特點(diǎn)：一是貧礦多，貧礦出儲量占總儲量的80% ；二是多元素共生的復(fù)合礦石較多。此外礦體復(fù)雜；有些貧鐵礦床上部為赤鐵礦，下部為磁鐵礦。因此，開采鐵礦不能漫無目的，我們需要有效的探測手段確保有價(jià)值的開采，所以地磁檢測裝置的研究是非常必要的。本文要介紹的基于三分量磁通門測磁法的地磁檢測裝置就是一種高效的測磁手段。磁通門測磁法問世后不久，在第二次世界大戰(zhàn)中就被應(yīng)用于探雷、探潛等方

12、面，戰(zhàn)后又被廣泛應(yīng)用于地面磁場研究、 航空磁測、地震預(yù)報(bào)研究、地下礦床勘探、生物醫(yī)學(xué)研究、星際間磁測等領(lǐng)域。幾十年來，盡管測量磁場的新方法不斷涌現(xiàn)，磁通門傳感器仍以其測量靈敏度高、堅(jiān)固小巧、使用靈活、工作可靠，電路功耗低、結(jié)構(gòu)簡單等顯著優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于弱磁場測量領(lǐng)域。目前地磁測量所使用的測磁儀器多數(shù)是進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，維修比較困難。基于該現(xiàn)狀，本文主要介紹一種新型地磁檢測裝置。該檢測裝置電路簡單，測量數(shù)據(jù)的處理完全數(shù)字化，操作方便，成本較低，設(shè)計(jì)模塊化，并且易于維修。而且，與大多數(shù)測磁儀器相比，檢測裝置的功耗非常低，采用± 12V 外部電源供電，測量數(shù)據(jù)可以通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)

13、行處理和分析，方便研究。下面先介紹一下各種測磁儀器。1.2各種測磁儀器測磁儀器根據(jù)采用磁敏傳感器的種類分為很多種。已經(jīng)被淘汰的是采用機(jī)械式磁敏傳感器的機(jī)械式磁力儀；目前應(yīng)用比較廣泛的磁敏傳感器有磁通門式磁敏傳感器、 質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器、 光泵式磁敏傳感器、 SQUID2（超導(dǎo)量子干涉器） 磁敏傳感器、 光纖式磁敏傳感器、 半導(dǎo)體磁敏傳感器；處于研究、試驗(yàn)階段的測磁儀器有固體電子自旋共振磁力儀、原子磁力儀等。下面就以下幾種測磁儀器做簡單介紹：機(jī)械式磁力儀（ mechanical magnetometer）又稱作磁秤，利用一個(gè)可繞固定軸自由旋轉(zhuǎn)的磁棒，其偏轉(zhuǎn)角的大小與外磁場強(qiáng)度成比例的關(guān)系來測量

14、磁場大小。利用磁棒放置位置的不同可以分別測定垂直磁異常和水平磁異常，其相應(yīng)的儀器為垂直磁秤和水平磁秤。由于是用重力矩來平衡磁力矩，所以只能測垂直（或水平）地磁場相對于一個(gè)固定點(diǎn)的改變值。從制造工藝上講，要采用精度很高的設(shè)備加工機(jī)械零件和光學(xué)零件，調(diào)試過程也比較復(fù)雜?？傊?，無論是操作使用還是制造工藝，跟電子測磁儀器相比，都很復(fù)雜。機(jī)械式磁力儀于1991 年停產(chǎn)，取而代之的是電子磁力儀。超導(dǎo)磁力儀（ superconducting magnetometer, SQUID）是利用約瑟夫遜效應(yīng)測量磁場的測磁儀器。測量儀器應(yīng)用了超導(dǎo)量子干涉器。采用超導(dǎo)材料制成的閉合環(huán)對外磁場會產(chǎn)生周期效應(yīng)，其磁通變化與

15、外磁場變化成正比。超導(dǎo)磁力儀正是利用這個(gè)原理來測量磁場的。這種儀器的靈敏度可達(dá) 10-5 10-6 納特。可制成航空磁力梯度儀，也可用于地面磁場的研究及弱磁性巖石的磁性測定。常用在對測量精度要求高的地方，成本相對稍高一些。質(zhì)子磁力儀（ proton precessionmagnetometer）是應(yīng)用質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器制成的測磁儀器。氫原子核的質(zhì)子是一種帶有正電荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁場的作用下自旋質(zhì)子將按一定方向排列，稱為核子順磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物質(zhì)中才能反映出來， 如某些碳?xì)溲趸衔镆后w (水、酒精、甘油等 )。在這些樣品中質(zhì)子受

16、某強(qiáng)磁場激發(fā)而具有 定方向排列，去掉外磁場，則3質(zhì)子在地磁場作用下將以同 相位繞地磁場 T 旋進(jìn)，其旋進(jìn)頻率 f 與地磁場 T 有以下關(guān)系： T=2.34872f，單位為納特。當(dāng)測定出頻率 f 以后即可計(jì)算出總磁場強(qiáng)度 T 的數(shù)值。利用這種原理制成的儀器稱為質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，或稱核子旋進(jìn)式磁力儀。質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀穩(wěn)定性好。溫度影響小、沒有零點(diǎn)掉格、精度高，可觀測弱磁異常工作時(shí)不必準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn)動狀態(tài)下觀測。儀器靈敏度一般為 0.1 納特。但這類儀器的使用要受到磁場梯度范圍的限制，常用于地面、航空和海洋磁測等一些要求準(zhǔn)確測量出絕對磁場大小的研究領(lǐng)域。我國生產(chǎn)的這類儀器有302 型海空核子旋進(jìn)磁

17、力儀靈敏度可達(dá)0.1 納特， CHD 型地面核子旋進(jìn)磁力儀靈敏度可達(dá)0.15 納特。光泵磁力儀（ optical pumping magnetometer）是應(yīng)用光泵式磁敏傳感器制成的測磁儀器。因?yàn)橛晒獗米饔门帕泻玫脑哟啪?，在特定頻率的交變電磁場的作用下，又將產(chǎn)生共振吸收作用，打亂原子的排列情況。發(fā)生共振吸收現(xiàn)象的電磁場的頻率與樣品所在點(diǎn)的外磁場強(qiáng)度成一比例關(guān)系，故測定這一頻率就可以測出外磁場的值。常用的工作元素有；銣 (Rb87，Rb85)；銫 (Cs133)；氦 (He4，He3)等。光泵磁力儀按線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為跟蹤式及自激式兩大類。這類磁力儀的特點(diǎn)是靈敏度高，可達(dá)0.001 納特。

18、可以測定總磁場強(qiáng)度的絕對值，沒有零點(diǎn)掉格及溫度影響，工作時(shí)不需準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn)動條件下進(jìn)行高精度快速連續(xù)測量，如航空磁測和海洋磁測等。磁通門磁力儀（ fluxgate magnetometer，F(xiàn)GM ），又稱飽和式磁力儀。它是一種電子磁力儀。它利用高磁導(dǎo)率的坡莫合金作靈敏元件，在弱磁場中就能達(dá)到磁飽和。 靈敏元件的磁芯為閉合磁路， 在其兩邊繞以匝數(shù)相同、繞向相反的激勵(lì)繞組，外側(cè)是輸出繞組。對激勵(lì)繞組給以交變電壓，使靈敏元件達(dá)到近于飽和，若無外磁場存在，則兩邊磁芯產(chǎn)生的磁通波形對稱4而反向，這時(shí)訊號繞組將沒有感應(yīng)電壓輸出。當(dāng)沿元件軸向存在有外磁場，則兩邊磁芯在正、負(fù)半周內(nèi)飽和程度不一，產(chǎn)生的

19、磁通量不能互相抵消，將有感應(yīng)電壓脈沖輸出。其幅度與外磁場大小成正比，據(jù)此即可測定外磁場的大小?？捎糜诘孛?、航空或井中磁測。由上面的介紹可以看出磁通門測磁儀器有它自身的優(yōu)勢，是其他測磁儀器無法替代的。磁通門是第一種實(shí)際投入使用的電子式磁力儀?，F(xiàn)在的磁通門測磁儀器做得非常小型化，攜帶方便，儀器使用簡單，成本相對比較低，因此在一般測量中使用的較多。1.3磁通門測磁儀器的研究現(xiàn)狀磁通門測磁儀器是利用磁芯在交變磁場激勵(lì)下發(fā)生導(dǎo)磁特性變化從而調(diào)制被測磁場，通過對調(diào)制信號的檢測實(shí)現(xiàn)對外磁場的測量。磁通門測磁法以其測量范圍寬、分辨率高、頻帶寬及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，早在 20 世紀(jì) 30 年代就開始應(yīng)用于地磁測量，

20、 經(jīng)過后來的不斷完善與發(fā)展， 目前已成為國際地磁相對記錄的主流設(shè)備。第一臺磁通門磁力儀產(chǎn)生于20 世紀(jì) 30 年代，迄今己有多種不同類型的磁通門磁力儀。因其分辨率、頻率響應(yīng)、動態(tài)范圍和線性特性都能滿足記錄地磁場各分量變化的要求，具有輕便、價(jià)格低廉、安裝調(diào)試簡單和容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化等特點(diǎn)，所以世界大多數(shù)地磁臺站都使用磁通門測磁儀器作為變化磁場的記錄儀器，代替了傳統(tǒng)的磁變儀。國際上比較有代表性的磁通門磁力儀有加拿大的FM20 型和 CANMOS 型磁通門磁力儀、奧地利的CH IMAG型磁通門磁力儀、英國的FLARE磁通門磁力儀、美國的SMALL 磁通門磁力儀。這些磁通門磁力儀代表了該儀器技術(shù)的先進(jìn)水平

21、，它們都具有低噪聲、采樣率高、溫度性能良好、數(shù)字化等特點(diǎn)。在我國，早在 20 世紀(jì) 80 年代就開始將磁通門磁力儀應(yīng)用于地磁觀測的技術(shù)研究。在2002 年時(shí)中國地震局地球物理研究所己經(jīng)研制成功了5GM-1 型、GM-2 型單向模擬記錄磁通門磁力儀和GM3 型三分量數(shù)字記錄磁通門磁力儀。但由于儀器的長期穩(wěn)定性、溫度特性等還不能滿足地磁臺站日常觀測的基本要求，所以未能得到廣泛應(yīng)用。因此降低儀器的溫度系數(shù)、提高儀器的穩(wěn)定性，降低安裝的復(fù)雜程度、減小儀器的體積、提高儀器的自動化程度一直是儀器研制者持續(xù)開發(fā)與改進(jìn)的目標(biāo)。本文討論的這種三分量磁通門地磁場將測裝置具有的主要特點(diǎn)是體積小、安裝簡單、穩(wěn)定性高，

22、由于它可以同時(shí)測量磁場在三個(gè)方向的分量，然后進(jìn)行矢量合成，所以測得的數(shù)據(jù)有很高的可靠性。2 檢測裝置的工作原理2.1磁通門傳感器的工作原理磁通門傳感器就是利用某些高磁導(dǎo)率的軟磁材料（如坡莫合金）作磁芯，以其一起在交流磁場作用下的次飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測磁裝置。其結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)特殊的變壓器，磁通門測磁法正是利用這種特殊變壓器的磁芯，當(dāng)交變電流流過該變壓器原邊線圈時(shí)，磁芯反復(fù)被交變過飽和勵(lì)磁所磁化，當(dāng)有外磁場存在時(shí)，勵(lì)磁變得不對稱，變壓器的輸出信號受到外磁場的調(diào)制。通過檢測輸出的調(diào)制信號就可以實(shí)現(xiàn)對外磁場的測量。磁通門探頭的輸出主要是激勵(lì)信號的二次諧波，需要經(jīng)過處理得到測量數(shù)據(jù)。

23、根據(jù)磁通門傳感器的磁芯幾何形狀分為閉合式和非閉合式兩類：從這幾種磁芯的性能來說，以圓形較好，跑道形次之。在磁場的分量6測量中，用跑道形磁芯（如圖2.1）較多。跑道型磁芯的長軸場邊尺寸遠(yuǎn)大于短軸尺寸，因此，認(rèn)為跑道型磁芯僅被延長軸方向的磁場所磁化。在實(shí)際應(yīng)用中，也僅用它來測量延長軸方向的磁場分量。圖2.1 所示為跑道型磁芯的二次諧波法測磁原理。圖 2.1 跑道型磁芯機(jī)構(gòu)示意圖1 靈敏元件架； 2初級線圈3 輸出線圈；4 坡莫合金環(huán)若在跑道形磁芯的彼此平行的兩長邊上，分別繞一組匝數(shù)相同的線圈L1 、L2 ，同向串聯(lián)作為激勵(lì)線圈；在L1、 L2 外側(cè)繞一公用的測量線圈Ls。在激勵(lì)線圈中輸入正弦交變電

24、流I=Imsin t ，假定L1 中磁場H1=2Hmsint，L2 中磁場 H2=-2Hmsint。傳感器的輸出電壓如圖2.2（ d）所示，可以表示成下面的分段函數(shù)的形式：2.1Es 是屬周期性的重復(fù)脈沖，故可用富氏分解法計(jì)算Es 的二次諧波分量：E S16 108nfSH sHsin 2 t2.2dseH m圖 2.2 磁通門式磁敏傳感器測磁原理（a）軟磁材料動態(tài)磁回滯曲線的理想化模型（b）外加磁場時(shí)，兩線圈中的磁場不再對稱（c）外加磁場時(shí)，兩線圈中磁場出現(xiàn)飽和段（d）傳感器在正弦波激勵(lì)時(shí)的理論輸出波形72.2檢測裝置的工作原理三分量磁通門地磁場檢測裝置主要利用法拉第電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對地磁場

25、的檢測。傳感器將地磁信號轉(zhuǎn)化為電信號，檢測裝置通過檢測這種電信號來判斷地磁信號大小，進(jìn)而判斷檢測地點(diǎn)的狀況。實(shí)現(xiàn)這種判斷主要依靠三分量磁通門傳感器，它的每個(gè)傳感器都采用雙鐵芯結(jié)構(gòu)，在兩根鐵芯上纏繞的激勵(lì)線圈反向串聯(lián) （如圖 2.1 所示），勵(lì)磁電流通過激勵(lì)線圈時(shí)，在兩鐵芯中產(chǎn)生的激勵(lì)磁場方向相反，若兩鐵芯形狀尺寸和電磁場參數(shù)完全對稱，兩鐵芯中的磁通在測量線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢互相抵消，輸出為零；當(dāng)沿鐵芯長軸方向施加外部磁場時(shí)，其中一個(gè)鐵芯的磁場先于另一個(gè)達(dá)到飽和，造成測量線圈中的感應(yīng)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(lì)信號的二次諧波。由于外磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值與外磁場大

26、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 2.2 改寫成如下形式：2.3傳統(tǒng)的處理方法是采用模擬電路進(jìn)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(shè)分別為和，這時(shí)ES 與參考信號相比有一個(gè)相移，表達(dá)為示成式2.4 的形式：E SAHesin（ 2 t）2.4ES 分別乘以參考信號，得到如下結(jié)果：E Ssin(2t)1/ 2AHecos( 2t)2t2.5cos( 2 t)2 t1/ 2coscos(4t)EScos(2t )1/ 2AHsin（2t)2t e2.6sin( 2 t)2 t 1/ 2sin( 4t)sin 對

27、式 2.5 和式 2.6 表示的信號進(jìn)行積分處理 （實(shí)質(zhì)上就是對信號進(jìn)行低8通濾波）之后得到以下結(jié)果：12 ESsin( 2t ) d ( 2t )1/ 2AHcos2.7R0e12 E Scos( 2t) d (2t )1 / 2 AH sin2.8X0e2.9傳統(tǒng)的方法要通過硬件電路實(shí)現(xiàn)模擬信號的乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算，這對乘法器和積分電路的精度等參數(shù)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(shù)字化程度低,信號處理過程中易受干擾，所以設(shè)計(jì)采用數(shù)字檢波的方法。下面詳細(xì)論述如何采用數(shù)字檢波的方法得到測量數(shù)據(jù)：首先，我們不用正弦波作參考信號，換作與正弦波

28、參考信號相位相同的方波和：2.102k- /22k/22k/ 22k2.113 / 2我們對信號進(jìn)行4 倍頻采樣，采樣點(diǎn)設(shè)為，。在這里，我們假設(shè)為初始采樣點(diǎn)的相位。那么，原信號可以表示為：E SAHesin（ 2 t）2.122.132.142.152.16現(xiàn)用式 2.10 和式 2.11 表示的方波對上述信號進(jìn)行調(diào)制，得到的采樣信號表示如下：9其一，2.17采樣信號為2.18其二，2.19采樣信號為2.20對這兩種信號分別進(jìn)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(jié)果：3ESi'(ES'1ES'ES'ES'I1/ 41/ 4234 )1/

29、 2(sincos )i 02.213Q1/ 4ESi''1/ 4(ES''1ES''2ES''3ES''4 )1/ 2(sincos )i02.22對采樣信號進(jìn)行求和去均值運(yùn)算，相當(dāng)于對原信號進(jìn)行以下處理：E S'3I1 / 4( t/i)dti0E S''3Q1 / 4( t/i)dti02.232.24式中為采樣周期，即。經(jīng)過上述分析，我們可以通過下面的計(jì)算得到最終的結(jié)果：AH eIQ 2IQ 22.252.3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(gè)互

30、相垂直的方向上的分量來測量地磁場總場強(qiáng)度的。三分量磁通門式磁敏傳感器能檢測到地磁場的各個(gè)分量被調(diào)制后的信號，經(jīng)選頻放大電路得到幅值與分10量大小成正比的二次諧波，用16 位 AD 對這些信號進(jìn)行4 倍頻采樣，通過外部中斷的方式將采樣數(shù)據(jù)分別送入單片機(jī)，單片機(jī)在讀夠兩個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)（共三組，每組16 個(gè)字節(jié)即 8 個(gè) 16 位數(shù)據(jù)）后，經(jīng)MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換通過串口發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，有計(jì)算機(jī)完成最終的數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)3.1前置檢測電路的設(shè)計(jì)前置檢測電路的原理方框圖如下：圖 3.1前置檢測電路原理框圖分頻電路采用 20MHz 晶振，分頻輸

31、出用212 倍分頻作為驅(qū)動電路的輸入信號，經(jīng)功率放大用作傳感器激勵(lì)信號；29 倍分頻經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路整形，用作 AD 轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號。下面具體介紹一下各部分電路：分頻電路和信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)：磁通門傳感器需要5kHz 激勵(lì)信號，需要有振蕩電路為其提供頻率源。石英晶振振蕩器產(chǎn)生的信號頻率為20MHz ，需要進(jìn)行4000 倍（約212=4096 倍）分頻。同時(shí)， AD 進(jìn)行 4 倍頻采樣，需要 40kHz 的時(shí)鐘信號，并且要求占空比接近 100%（詳見 AD7656 工作時(shí)序），所以分頻器的29 倍分頻輸出需要接信號轉(zhuǎn)換電路。分頻器采用14 位二進(jìn)制計(jì)數(shù) 分頻器74HC4060，電路原理圖如圖3.2

32、。圖中 13 腳為 29 倍分頻輸出， 1nF 電容和 1.6k 電阻形成微分電路，和與非門整形電路構(gòu)成信號轉(zhuǎn)換電路，為AD 轉(zhuǎn)換電路提供啟動信號。119CTCO3730pFO4510RTCO5474HC00 （ A）O662M11O714RS13O81520MHz12MRO911nFO11O1221.6k 3O1330pF5.6k 74HC4060圖 3.2分頻電路及信號轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)：分頻器輸出帶載能力較弱，不能直接用作激勵(lì)因此需要驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大。理想的激勵(lì)信號應(yīng)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(shí)際激勵(lì)信號采用5kHz 的方波，幅度為

33、3v。分頻器的輸出幅度約為6V，經(jīng) 5.6k 緩沖電阻減壓，功放電路輸出幅度約為 4V，需要進(jìn)行變壓處理，電路設(shè)計(jì)如圖3.3：圖中的隔離線圈是手工繞制成的，其中，初級線圈的計(jì)算匝數(shù)為：29 匝（式中為線圈兩端交流電壓的幅度，取4V ；為信號頻率，取4.88×103Hz；B 為磁環(huán)磁通量，一般取 0.3Wb ，A 為磁環(huán)截面積，取 2.4×10-5），實(shí)際繞了 50 匝，次級為 40 匝。1.6k V180509 V100nF100nF47uFV28550100nF9 V1.6k 12圖 3.3驅(qū)動電路選頻放大電路的設(shè)計(jì)：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

34、號不能直接進(jìn)行放大、采樣，必須經(jīng)過帶通濾波器濾出二次諧波，放大后在進(jìn)行采樣處理。濾波器的設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型二階帶通濾波器，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，而且電路結(jié)構(gòu)簡單。濾波器要求的設(shè)計(jì)參數(shù)為：中心頻率為 10kHz ，Q 值為 10，對中心頻率的放大倍數(shù)為30 倍。實(shí)際電路形式如圖 3.4 所示。傳感器的輸出信號經(jīng)濾波處理后其幅度不足以進(jìn)行采樣，故加一級放大。XFG116k 100k 9V9V16k 1nF33k16k 1nFLM258LM2583k 5.6k 16k -9V-9VXBP1INOUT圖 3.4選頻放大電路仿真結(jié)果如下圖所示：13圖 3.5 帶通濾波器伯德圖仿真結(jié)果從上圖可

35、以看到，濾波器設(shè)計(jì)合理，而且仿真結(jié)果接近設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)際仿真參數(shù)如下：中心頻率為 9.573kHz ，Q值為 9.4 ，中心頻率出放大倍數(shù)為 28.548dB（ 26.75 倍），對二次諧波（實(shí)際頻率為 9.76kHz ）的放大倍數(shù)為 27.645dB （24.15 倍），符合設(shè)計(jì)要求。3.2 16位 AD轉(zhuǎn)換器 4 倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì)根據(jù) AD 采集電路的設(shè)計(jì)要求選擇合適的AD：由于課題設(shè)計(jì)要求 AD 實(shí)現(xiàn)對二次諧波的四倍頻采樣， 所以，所選 AD 的轉(zhuǎn)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 AD 采樣率應(yīng)該可變； 由于是對交流信號采

36、樣，故 AD 應(yīng)能進(jìn)行正負(fù)采樣；課題要實(shí)現(xiàn)三分量測量，有三路信號輸入，要求同時(shí)對三路信號采樣，故要求 AD 能實(shí)現(xiàn)三路以上同時(shí)采樣。根據(jù)以上要求，最終選擇逐次逼近型 16 位 AD 數(shù)據(jù)采集電路 AD7656。AD7656 的最高采樣頻率可達(dá)到250kHz，屬于逐次逼近型，采樣頻率可變，通過轉(zhuǎn)換使能腳輸入啟動信號，控制六個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，14這里我們只用其中三個(gè)通道。各通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后可通過16 位并行數(shù)據(jù)線依次傳送到單片機(jī)。圖3.6 是 AD7656 的工作時(shí)序圖：圖 3.6 AD7656 的時(shí)序圖AD 采集電路的設(shè)計(jì)：圖 3.7 AD7656 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖從 AD765

37、6 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和時(shí)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，使用起來方便靈活。使用軟件操作15時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸可以以字節(jié)的形式，即進(jìn)行8 位數(shù)據(jù)的并行傳輸（詳見AD7656 資料翻譯中的管腳說明） ，此時(shí)的工作時(shí)序如圖3.8 所示?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，我們需?6 位數(shù)據(jù)并行傳輸，采用硬件電路控制即可,數(shù)據(jù)的讀取采用硬件中斷的方法。具體的電路形式如圖3.9 所示。在圖中，為保證電路看起來清楚、方便，電路中所有AD7656 的電源引腳都沒有連接。在此加以說明： AVCC 和 DVCC 均接 +5V 電源， AGND 和 DGND 分別接數(shù)字地和模擬地 （實(shí)際

38、電路對模擬和數(shù)字接地并沒有加以區(qū)分），VSS接 -9V 電源， VDD 接+9V 電源，其余管腳做懸空處理。圖 3.8 AD7656 采用字節(jié)傳送方式的工作時(shí)序圖 3.9 AD 采集電路16另外，圖中單片機(jī)型號為STC89C54RD+ ，內(nèi)部集成了 MAX810 專用復(fù)位電路，所以RESET 管教直接接地。單片機(jī)采用外部時(shí)鐘源，時(shí)鐘由40MHz 有源晶振提供。AD7656 的 BUSY 腳在轉(zhuǎn)換時(shí)為高電平， 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)為低電平， 可用作中斷信號。3.3內(nèi)部電源的設(shè)計(jì)整體電路采用± 12V 外部電源供電， 因前置電路需要± 9V 電源，而 AD 和單片機(jī)電路需要 +5V電

39、源，所以電源電路需要用到三端穩(wěn)壓管 7809、7909和 7805，具體電路如圖 3.10 所示：圖 3.10內(nèi)部電源電路4 三分量磁通門地磁場檢測裝置的的軟件設(shè)計(jì)4.1STC89C54RD+單片機(jī)介紹設(shè)計(jì)采用 STC89C54RD+單片機(jī)，該單片機(jī)具有以下顯著特點(diǎn)：超強(qiáng)抗干擾1 、高抗靜電（ ESD 保護(hù)）；172 、輕松過 4KV 快速脈沖干擾 (EFT 測試）；3 、寬電壓，不怕電源抖動；4 、寬溫度范圍 , -40 85；5 、IO 口經(jīng)過特殊處理；6 、單片機(jī)內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理；7 、單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路經(jīng)過特殊處理；8 、單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過特殊處理；9 、單片機(jī)內(nèi)

40、部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理。1 個(gè)時(shí)鐘機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI （電磁干擾，英文 Electromagnetic Interference的簡稱）1 、禁止 ALE 輸出；2 、如選 6 時(shí)鐘機(jī)器周期，外部時(shí)鐘頻率可降一半；3 、單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器增益可設(shè)為 12gain。超低功耗1、掉電模式： 典型功耗 <0.1 A；2、空閑模式： 典型功耗 <1.3mA；3、正常工作模式： 典型功耗 2.7mA-7mA；4 、掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)，如水表、氣表、便攜設(shè)備等?？稍诰€編程 , 無需編程器 , 可遠(yuǎn)程升級；內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，原復(fù)位電路可以不用， RESET 腳直接短到地。4.2AD 的軟件控制AD7656 軟件控制的引腳連接（如圖3.9 所示）如下：CS P2.718RD P2.6RESET P2.5DB07 P0.00.7DB815 P1.01.7BUSY INT0根據(jù)圖 3.6 所示 AD7656 的工作時(shí)序，轉(zhuǎn)換結(jié)束后 AD 向 CPU