基于fpga的氦光泵磁敏傳感器數(shù)字檢測(cè)調(diào)頻器設(shè)計(jì)

基于fpga的氦光泵磁敏傳感器數(shù)字檢測(cè)調(diào)頻器設(shè)計(jì)

椰子磁敏傳感器是利用光學(xué)泵和磁共振器之間的塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ)的高靈敏度磁敏傳感器。它是基于光學(xué)泵和磁共振器之間的相互作用而開(kāi)發(fā)的。目前國(guó)內(nèi)外將其廣泛應(yīng)用于地球物理勘探、潛水艇探測(cè)、空間磁測(cè)、生物醫(yī)學(xué)磁測(cè)等領(lǐng)域。光泵磁敏傳感器中的磁共振作用是在垂直于外磁場(chǎng)方向加一交變射頻磁場(chǎng),使射頻場(chǎng)的頻率等于相鄰磁次能級(jí)間的躍遷頻率,同時(shí)在射頻場(chǎng)頻點(diǎn)加上調(diào)制信號(hào),跟蹤外磁場(chǎng)變化。因此,射頻場(chǎng)調(diào)頻發(fā)生器是光泵磁敏傳感器的核心驅(qū)動(dòng)部件,其頻率范圍、穩(wěn)定度和調(diào)制性能等指標(biāo)直接影響到光泵磁敏傳感器的磁測(cè)量程和靈敏度。20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的光泵磁敏傳感器,射頻場(chǎng)采用變?nèi)荻O管的壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生,調(diào)頻方式是將調(diào)制信號(hào)作為VCO輸入電壓實(shí)現(xiàn),通過(guò)高精度測(cè)頻電路測(cè)量載波頻率得到外磁場(chǎng)值。此種方式存在的主要問(wèn)題是變?nèi)荻O管電容變化率和變化量有限,導(dǎo)致頻率輸出范圍窄,限制傳感器磁測(cè)量程;由于器件的非線性和離散性,導(dǎo)致VCO輸出的線性度和頻率穩(wěn)定度不高,影響傳感器磁測(cè)靈敏度,而且VCO電路及高精度測(cè)頻電路設(shè)計(jì)復(fù)雜困難。20世紀(jì)80年代,數(shù)字技術(shù)的發(fā)展促使光泵磁敏傳感器向數(shù)字化檢測(cè)方向發(fā)展,采用數(shù)字邏輯器件組成的數(shù)字振蕩器代替?zhèn)鞲衅髦械膲嚎卣袷幤?用調(diào)整頻率控制字的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻,用內(nèi)置溫度補(bǔ)償?shù)木w振蕩器作為參考時(shí)鐘源,解決了壓控振蕩器存在的頻率穩(wěn)定度低和頻率輸出范圍窄的問(wèn)題,同時(shí)不需要測(cè)頻電路,可直接由頻率控制字得到外磁場(chǎng)值,但由于采用的是分立數(shù)字邏輯器件,導(dǎo)致電路復(fù)雜且集成度不高。光泵磁敏傳感器中調(diào)頻器的最新發(fā)展是采用AD9832等DDS集成芯片代替數(shù)字邏輯器件,以提高系統(tǒng)集成度和穩(wěn)定性,但由于DDS芯片設(shè)計(jì)的通用性,直接使用DDS集成芯片存在控制接口復(fù)雜和功耗高等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,在氦光泵磁敏傳感器的高靈敏度數(shù)字化檢測(cè)設(shè)計(jì)中,本文提出一種利用方波頻率合成器實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻的簡(jiǎn)單方法,并在高速、高性能FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證。1磁敏傳感器的數(shù)字檢測(cè)原理1.1fpga傳感器技術(shù)傳統(tǒng)光泵磁敏傳感器通過(guò)測(cè)頻電路測(cè)量模擬VCO調(diào)頻器載波頻率,然后通過(guò)測(cè)磁原理關(guān)系式(1)換算得到被測(cè)磁場(chǎng)值。f=γsH2π(1)f=γsΗ2π(1)式中,γs為旋磁比。H(nT)≈0.0356f(Hz)(2)對(duì)于氦工作物質(zhì),被測(cè)磁場(chǎng)值(單位nT)與載波頻率(單位Hz)的關(guān)系為式(2)。傳統(tǒng)氦光泵磁敏傳感器需要在0.5s的測(cè)量時(shí)間內(nèi),其測(cè)頻精度要達(dá)到10-6以上,電路設(shè)計(jì)不僅困難,而且引入測(cè)頻誤差。因此,本文提出基于FPGA數(shù)字調(diào)頻器的氦光泵磁敏傳感器數(shù)字化驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)方案,如圖1所示,該方案不需要高精度測(cè)頻電路,可直接由頻率控制字換算為被測(cè)磁場(chǎng)值,消除由測(cè)頻引入的測(cè)量誤差,而且調(diào)頻器集成在FPGA控制器里,采用軟件方式實(shí)現(xiàn),不需要模擬VCO或DDS集成芯片等硬件電路,降低系統(tǒng)功耗,提高系統(tǒng)硬件集成度和可靠性。氦光泵磁敏傳感器數(shù)字化驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)組成框圖如圖1所示,FPGA控制器包括數(shù)據(jù)采集、PID控制、數(shù)字調(diào)頻等功能,是傳感器控制核心。FPGA輸出的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)通過(guò)線圈驅(qū)動(dòng)電路輸入磁敏傳感器射頻線圈,傳感器光敏二極管輸出電壓的基波和二次諧波信號(hào)幅度通過(guò)鎖相放大電路提取,由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并通過(guò)FPGA采集,數(shù)字PID控制器根據(jù)采集電壓值調(diào)整調(diào)頻器頻率控制字即載波頻率以跟蹤外磁場(chǎng)變化。1.2射頻場(chǎng)調(diào)制深度f(wàn)w的測(cè)量光泵磁敏傳感器掃頻式磁共振檢測(cè)原理是向射頻線圈輸入調(diào)頻信號(hào),通過(guò)微小步進(jìn)掃頻使載波頻率緩慢通過(guò)共振區(qū)的方式來(lái)檢測(cè)磁共振信號(hào)。其中調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)頻率可表示為:f=fc+fwcos(2πfmt)(3)式中:fc為載波頻率,fw為調(diào)制深度,fm為調(diào)制信號(hào)頻率。傳感器光敏二極管檢測(cè)到的輸出信號(hào)中包含與調(diào)制信號(hào)同頻的基波分量cos(2πfmt)及其各次諧波。圖2中的曲線1是磁敏傳感器共振曲線,在調(diào)制深度f(wàn)w一定的情況下,基波信號(hào)的幅度可以看成是共振曲線函數(shù)的一階微分,如圖2中的曲線2所示,二次諧波信號(hào)的幅度可以看成是共振曲線函數(shù)的二階微分,如圖2中的曲線3所示?；ê投沃C波信號(hào)幅度通過(guò)鎖相放大的方法檢測(cè),如圖1所示,通過(guò)FPGA串口采集傳輸數(shù)據(jù),在上位機(jī)上處理并繪制數(shù)據(jù)曲線。本文使用光泵磁敏傳感器共振曲線的微分信號(hào)作為共振信號(hào),若檢測(cè)到的掃頻電壓幅度曲線與圖2中的曲線2和3相符,則說(shuō)明檢測(cè)到磁共振信號(hào)。本文依此作為驗(yàn)證FPGA調(diào)頻器達(dá)到氦光泵磁敏傳感器調(diào)頻指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法。氦光泵磁敏傳感器應(yīng)用在地磁場(chǎng)測(cè)量時(shí),測(cè)磁范圍大約為15000nT～100000nT,由測(cè)磁原理關(guān)系式(2)可得調(diào)頻器的載波頻率輸出范圍為420kHz～2800kHz,模擬VCO調(diào)頻器在這樣寬的頻率范圍內(nèi)很難保持線性輸出,由于FPGA調(diào)頻器的數(shù)字特性則不存在這個(gè)問(wèn)題。射頻場(chǎng)調(diào)制深度f(wàn)w的大小非常關(guān)鍵,不能大于共振線寬,同時(shí)為了獲得較大的檢測(cè)信號(hào),一般fw取值略小于共振線寬,如氦光泵磁敏傳感器共振線寬為650nT左右時(shí),則可取射頻場(chǎng)調(diào)制深度為18kHz。射頻場(chǎng)調(diào)制頻率值與氦光泵磁敏傳感器響應(yīng)速度和信號(hào)提取方式有關(guān),一般為100Hz～1000Hz。2f頻器設(shè)計(jì)2.1fpga頻率合成器直接數(shù)字頻率合成DDS基于采樣定理,通過(guò)相位累加輸出波形,改變相位增量調(diào)整輸出頻率。方波頻率合成比正弦信號(hào)頻率合成容易實(shí)現(xiàn),如圖3所示,幅度序列(高低電平)已知,不用進(jìn)行幅度值查表或計(jì)算。圖中標(biāo)注的1表示輸出高電平,0表示輸出低電平,合成器的輸出方波占空比為50%,高低電平對(duì)稱分布。設(shè)序列有2N個(gè)數(shù)據(jù),采樣頻率為fs,采樣步進(jìn)為M,則采樣2N/M次后完成一個(gè)采樣周期T(如圖3),輸出的方波信號(hào)頻率為:fo=M×fs2N(4)fo=Μ×fs2Ν(4)式中,M稱為頻率控制字FTW(FrequencyTuningWord),fs稱為系統(tǒng)時(shí)鐘。FPGA設(shè)計(jì)方案選用Altera公司的CycloneⅢ系列芯片EP3C10E144,使用Verilog語(yǔ)言描述,綜合完的FPGA方波頻率合成器如圖4所示。根據(jù)Nyquist采樣定理,頻率控制字M≤2N-1,由式(4)可得輸出頻率fo≤fs/2,若系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz,則最大輸出頻率為25MHz,可見(jiàn)數(shù)字調(diào)頻器的頻率輸出范圍比模擬VCO調(diào)頻器寬得多。系統(tǒng)頻率分辨力是頻率合成器最小輸出頻率,其對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)值要遠(yuǎn)小于儀器長(zhǎng)期分辨力0.1nT,同時(shí)輸出頻率要達(dá)到近似連續(xù)線性變化,因此本文設(shè)計(jì)的頻率合成器的頻率控制字FTW的位數(shù)為48bit,頻率分辨力:fmin=fc2N=50MHz248=0.18μHzfmin=fc2Ν=50ΜΗz248=0.18μΗzHmin=fmin/28.02356=0.0064fT系統(tǒng)時(shí)鐘fs是數(shù)字調(diào)頻器及系統(tǒng)各部分所需標(biāo)準(zhǔn)頻率參考信號(hào),直接影響磁敏傳感器的磁測(cè)穩(wěn)定性和靈敏度。本系統(tǒng)采用帶溫度補(bǔ)償?shù)?0MHz方波輸出的石英晶體振蕩器(TCXO),輸出頻率準(zhǔn)確度達(dá)到±1×10-6,溫度穩(wěn)定性達(dá)到±2×10-6,則在輸出載波頻率為1MHz時(shí),相應(yīng)頻率穩(wěn)定性為±2Hz,由式(2)可得對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)值為±0.07nT,滿足儀器長(zhǎng)期分辨力0.1nT的要求。為了最大限度減小時(shí)鐘源抖動(dòng),設(shè)計(jì)了晶體振蕩器電源濾波電路,如圖5所示,鐵氧體磁珠L(zhǎng)1對(duì)50MHz以上的頻率有很高的阻抗,電源管腳用電容并聯(lián)去耦,濾波電路布局盡可能靠近晶振。2.2頻率控制字空間運(yùn)行從方波頻率合成器輸出頻率表達(dá)式(4)可知只要有規(guī)律地改變頻率控制字M的值,就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻功能。做理論分析時(shí),式(3)的調(diào)制信號(hào)為余弦形式,但設(shè)計(jì)中使用的是易于實(shí)現(xiàn)的三角波調(diào)制形式,如圖6所示。通過(guò)REF信號(hào)同步產(chǎn)生調(diào)制信號(hào),則REF信號(hào)頻率就為輸出的調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制頻率,在其低電平時(shí)頻率控制字從FTW1開(kāi)始以頻率控制字變化量DFW(DeltaFrequencyWord)為遞增量線性遞增到FTW2,在其高電平時(shí)頻率控制字從FTW2開(kāi)始以DFW為遞減量線性遞減到FTW1,如此形成了按三角波規(guī)律變化的頻率控制字,同時(shí)該頻率控制字作為圖4的方波頻率合成器的輸入,由其輸出按調(diào)頻規(guī)律進(jìn)行疏密變化的方波,如圖6中的FSK信號(hào)。同步信號(hào)REF及其二倍頻率的信號(hào)在相移后作為鎖相放大的參考信號(hào)檢測(cè)光敏二極管輸出的基波和二次諧波信號(hào)幅度。綜合完的FPGA調(diào)頻器如圖7所示。若頻率控制字的遞增(減)速率為系統(tǒng)時(shí)鐘fs=50MHz,調(diào)制深度f(wàn)w=18kHz,調(diào)制信號(hào)頻率fm=432Hz,如圖6所示,可計(jì)算得頻率控制字變化量DFW為:Δf=fw?2fmfs=0.31104HzΔf=fw?2fmfs=0.31104ΗzΔH=Δf28.02356=0.011nT<0.1nTΔΗ=Δf28.02356=0.011nΤ<0.1nΤDFW=Δf?248fs=1750999DFW=Δf?248fs=1750999由以上計(jì)算可知頻率控制字變化量對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值比較小,對(duì)磁測(cè)分辨力影響可忽略不計(jì)。若載波頻率fc=1MHz,通過(guò)式(4),可計(jì)算得圖6中的頻率控制字變化范圍FTW1和FTW2為:fstart=fc-fw/2=0.991MHzFTW1=fstart?248fsfend=fc+fw/2=1.009MHzFΤW1=fstart?248fsfend=fc+fw/2=1.009ΜΗzFTW2=fend?248fsFΤW2=fend?248fs3結(jié)果3.1fvc轉(zhuǎn)換電路光泵磁敏傳感器中使用的射頻調(diào)頻信號(hào)在普通示波器上無(wú)法捕捉到疏密變化的調(diào)頻效果,無(wú)法測(cè)量調(diào)頻指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)基于頻率電壓轉(zhuǎn)換器件AD650的解調(diào)電路,調(diào)頻器輸出信號(hào)首先經(jīng)過(guò)SN74HC04反相器進(jìn)行反相放大整形,由74HC4040分頻器N=4分頻到AD650輸入頻率范圍(<=1MHz)內(nèi),由圖8所示AD650頻率電壓轉(zhuǎn)換(FVC)電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出,并經(jīng)過(guò)電壓隔直濾波等處理后放大β≈680倍最后由示波器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)測(cè)FVC電路在輸入頻率200kHz時(shí)輸出電壓0.896V,在700kHz時(shí)輸出電壓3.157V,則其FVC轉(zhuǎn)換系數(shù)為:γ=ΔVΔf=2.261V500kHz=0.004522V/kHz(5)γ=ΔVΔf=2.261V500kΗz=0.004522V/kΗz(5)則示波器測(cè)得的電壓與輸入調(diào)頻信號(hào)調(diào)制深度的關(guān)系為:Vo=fwN×γ×β≈fw4×0.00452×680fw≈Vo×1.3V/kHz(6)Vo=fwΝ×γ×β≈fw4×0.00452×680fw≈Vo×1.3V/kΗz(6)設(shè)置載波頻率為1MHz,調(diào)制頻率為1kHz,調(diào)制深度為18kHz。用RIGOL-DS1102CD數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)量,圖9是解調(diào)波形測(cè)量結(jié)果。測(cè)得信號(hào)頻率與調(diào)制信號(hào)頻率相等為1kHz,由式(6)可知電壓峰峰值13.8V對(duì)應(yīng)調(diào)制深度為17.9kHz,說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的FPGA調(diào)頻器達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.2測(cè)試環(huán)境空間使用圖1描述的光泵磁敏傳感器數(shù)字檢測(cè)方案,通過(guò)掃頻式磁共振檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證FPGA調(diào)頻器應(yīng)用效果。設(shè)定調(diào)制信號(hào)頻率為432Hz,調(diào)制深度為18kHz,載波頻率掃頻范圍為800～1500kHz,掃頻速率為10Hz,測(cè)試環(huán)境空間磁場(chǎng)大約為43000nT。圖10和圖11是在不同時(shí)間段用上位機(jī)實(shí)測(cè)到的基波和二次諧波信號(hào)幅度曲線,可看出實(shí)測(cè)結(jié)果與圖2中的理論曲線2和3相符,且實(shí)測(cè)曲線光滑,說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的FPGA調(diào)頻器滿足氦光泵磁敏傳感器的數(shù)字化檢測(cè)