磁通门传感器的工作原理

1、基于三分量磁通门传感器的地磁场检测装置设计摘要三分量磁通门地磁场探测装置是一种可以直接测量地磁场的矢量探测装置，与其他测量地磁场的仪器相比，磁通门传感器具有体积小、重量轻、功耗低、经济性好的优点，广泛应用于不同领域。本文详细介绍了磁通门传感器的工作原理和数字解调方法。本文还介绍了三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计和单片机编程。该检测装置由三分量磁通门传感器、单片机系统、A/D数据采集电路和端口通信电路组成。磁矢量由三分量磁通门传感器检测，传感器输出的信号由有源滤波器和放大器处理。然后是三个正弦信号，其幅度与地磁场分量的大小成正比。A/d转换器产生4点采样信号，并将两个周期的数据传送给CP

2、U，然后CPU通过端口将数据传送给计算机。最后，用计算机对数据进行处理和分析。三分量地磁场；数字解调；数据采集；串口目录TOC o 1-3 f u摘要 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330474 1摘要 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330475 21导言 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330476 11.1研究三分量磁通门地磁场探测装置的目的和意义。 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330477 11.2各种磁性测量仪器 HYPERLINK l _RefHeading_Toc

3、232330478 21.3磁通门磁力仪的研究现状 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330479 52检测装置的工作原理 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330480 62.1磁通门传感器的工作原理 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330481 62.2检测装置的工作原理 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330482 82.3地磁检测装置的主要功能 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330483 12三分量磁通门地磁场检测装置硬件电路设计 HYPERLINK

4、 l _RefHeading_Toc232330484 123.1前端检测电路的设计 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330485 123.1.1分频电路和信号转换电路的设计: HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330486 133.1.2驱动电路的设计: HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330487 133.1.3选频放大器电路的设计: HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330488 143.2 16位A/D转换器4倍采样的硬件设计 HYPERLINK l _RefHeading_To

5、c232330489 163.2.1根据A/D采集电路的设计要求，选择合适的A/D: HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330490 163.2.2A/D采集电路的A/D设计: HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330491 173.3电源设计 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330492 18四分量磁通门地磁场检测装置的软件设计 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330493 194.1 STC 89 c 54 rd+单片机介绍 HYPERLINK l _RefHeading_Toc23

6、2330494 194.2A/D软件控制 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330495 204.3程序流程图 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330496 214.4示例程序 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330497 214.5串口发送的硬件设计 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330498 235测试结果和分析 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330499 245.1分频器电路测试 HYPERLINK l _RefHeading_Toc2323305

7、00 245.2功率驱动电路的测试 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330501 255.3信号转换电路的测试 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330502 255.4带通滤波器的测试 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330503 266.三分量测量通道差校正方案设计 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330504 286.1方案一:通过调试硬件电路进行修正。 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330505 286.2方案二:通过软件编程修正测量结果。 HYP

8、ERLINK l _RefHeading_Toc232330506 29摘要 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330507 30参考文献和参考文献 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330508 31致谢 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330509 33英语翻译 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330510 34翻译英文原文 HYPERLINK l _RefHeading_Toc232330511 371导言1.1研究三分量磁通门地磁场探测装置的目的和意义。在介绍三分量磁通门地磁场探

9、测装置之前，先介绍一下它的研究目的和意义。探测装置主要通过探测地磁场的大小来寻找铁磁性物质。铁是最重要的磁性材料之一。中国是最早发现和使用铁的国家，铁也是世界上最早的金属材料。世界上铁资源丰富。根据美国地质调查局和矿业局1996年1月的统计，世界铁矿石资源超过8000亿吨，相当于2300多亿吨金属。1995年，世界铁矿石储量达1500亿吨，储量基数为2300亿吨，分别相当于650亿吨和1000亿吨铁金属。中国铁金属储量为73.29亿吨，仅次于俄罗斯、澳大利亚、加拿大和巴西，居世界第五位。截至1996年底，中国共有1834个铁矿石产区。累计探明铁矿石储量504.78亿吨，按全国铁矿石平均品位33

10、%计算，铁金属含量为166.58亿吨。扣除开采和历年亏损，仍有铁矿石储量463.47亿吨，铁金属152.95亿吨。根据20世纪80年代中期地质研究部门对中国铁矿资源的预测，将中国大陆划分为17个预测区，共有1084个潜在航磁异常区，预测资源潜力606亿吨。其中11个预测区位于105 E线以东，预计航磁异常区754个，预测资源潜力317亿吨。东部地区找矿程度高，预测资源量多为分布在已知矿带深部及外围的隐伏矿体或盲矿体。105 E线沿线地区有330个航磁异常，其中预测区6个，预测资源潜力289亿吨。西部地区找矿研究程度低或很低，仍有发现新矿区的前景。中国铁矿石资源丰富，但铁矿石进口量居世界第一。近

11、年来，中国进口铁矿石的一些主要来源国不断提高铁矿石出口价格。面对这种情况，中国自身对开采铁矿石的需求越来越迫切。我国铁矿资源有两个特点:一是贫矿多，贫矿储量占总储量的80%；二是多元素共生的复合矿多。此外，矿体复杂；一些贫铁矿床的上部是赤铁矿，下部是磁铁矿。因此，开采铁矿不能漫无目的，我们需要有效的探测手段来保证有价值的开采，所以地磁探测装置的研究是非常必要的。本文介绍的基于三分量磁通门磁力仪的地磁检测装置是一种高效的地磁测量方法。磁通门磁法问世后不久，在第二次世界大战中被应用于探雷和海底勘探，战后被广泛应用于地面磁场研究、航空磁法、地震预测研究、地下矿床勘探、生物医学研究和行星际磁法等领域。

12、几十年来，虽然测量磁场的新方法不断涌现，但磁通门传感器因其测量灵敏度高、坚固、紧凑、灵活、可靠、电路功耗低、结构简单等显著优点，在弱磁场测量领域得到了广泛应用。目前地磁测量中使用的磁力仪器多为进口产品，价格昂贵，维护困难。基于这种情况，本文主要介绍一种新型地磁检测装置。该检测装置电路简单，测量数据处理完全数字化，操作方便，成本低，模块化设计，易于维护。而且与大多数磁性仪器相比，检测装置的功耗很低，采用外接12V电源供电。测量的数据可以通过串口发送到计算机进行处理和分析，方便研究。先来介绍一下各种磁性测量仪器。1.2各种磁性测量仪器根据磁传感器的类型，磁测量仪器可以分为很多种。取消了带有机械磁传

13、感器的机械磁力仪；目前广泛使用的磁传感器有磁通门磁传感器、质子进动磁传感器、光泵磁传感器、SQUID(超导量子干涉仪)磁传感器、光纤磁传感器和半导体磁传感器。处于研究和实验阶段的磁测量仪器有固态电子自旋共振磁力仪、原子磁力仪等。简要介绍以下磁性测量仪器:机械磁力仪又称磁尺，是利用一根可以绕固定轴自由旋转的磁棒，其偏转角与外界磁场强度成正比来测量磁场。利用磁棒位置的不同，可以测量垂直磁异常和水平磁异常，相应的仪器有垂直磁尺和水平磁尺。因为磁矩被重矩平衡，所以只能测出垂直(或水平)地磁场相对于某一固定点的变化值。在制造工艺上，需要使用高精度的设备加工机械部分和光学部分，调试过程复杂。总之，与电子磁

14、测量仪器相比，操作和制造过程都很复杂。机械磁力仪于1991年停止使用，取而代之的是电子磁力仪。超导磁力仪(Squid)是一种利用约瑟夫森效应测量磁场的磁测量仪器。测量仪器采用超导量子干涉仪。超导材料制成的闭合回路会对外磁场产生周期性作用，其磁通量变化与外磁场变化成正比。超导磁力仪就是利用这个原理来测量磁场的。该仪器的灵敏度可达10-5 10-6纳特。可制成航磁梯度仪，也可用于地磁场的研究和弱磁性岩石的磁性测量。在测量精度高的地方成本略高。质子旋进磁力仪是由质子旋进磁传感器制成的磁测量仪器。氢核的质子是带正电的粒子，不断自旋，具有一定的磁性。在外磁场的作用下，自旋质子会按照一定的方向排列，这种现

15、象称为核顺磁性。而它的磁性很小，只能体现在一些磁化率很低的抗磁性物质中，比如一些烃氧液体(水、酒精、甘油等。).在这些样品中，质子被强磁场激发，按一定方向排列。当去掉外磁场后，质子会在地磁场的作用下同相绕地磁场T螺旋运动。岁差频率f与地磁场T有如下关系:T=2.34872f，单位为Nat。当测量频率f时，可以计算总磁场强度t的值。用这种原理制成的仪器称为质子旋进磁力仪或核旋进磁力仪。质子旋进磁力仪具有良好的稳定性。它具有受温度影响小、无零点离网、精度高的优点，无需精确定向即可观测微弱磁异常，适合在运动中观测。仪器的灵敏度一般为0.1 NAT。但这类仪器的使用受到磁场梯度的限制，经常用于一些需要

16、精确测量绝对磁场的研究领域，如地面、航空、海洋磁测等。我国生产的302海空核旋进磁力仪和CHD地核旋进磁力仪的灵敏度可分别达到0.1纳特和0.15纳特。光泵磁力仪是由光泵磁传感器制成的磁测量仪器。由于光泵排列的原子的磁矩，在特定频率的交变电磁场作用下，会发生共振吸收，从而扰乱原子的排列。发生共振吸收的电磁场频率与样品所在点的外磁场强度成正比，所以通过测量这个频率就可以测出外磁场的值。常见的工作元素有:铷(Rb87，RB85)；铯(CS 133)；氦(He4，He3)等。光泵磁力仪按电路结构特点可分为跟踪型和自激型。这种磁力仪的特点是灵敏度高，可达0.001纳特。它可以测量总磁场强度的绝对值，不

17、受零点和温度的影响，工作时不需要精确定向。适用于运动条件下的高精度快速连续测量，如航空磁测、海洋磁测等。磁通门磁力仪(FGM)，也称为饱和磁力仪。这是一个电子磁力仪。它采用高导磁率的坡莫合金作为敏感元件，可以在弱磁场中实现磁饱和。敏感元件的磁芯为闭合磁路，两侧缠绕匝数相同、方向相反的励磁绕组，输出绕组在外侧。交流电压施加于励磁绕组，使敏感元件接近饱和。如果没有外加磁场，两侧磁芯产生的磁通波形对称相反，那么信号绕组就没有感应电压输出。当沿元件轴向有外磁场时，正反半周两侧磁芯的饱和度不同，产生的磁通不能相互抵消，就会输出感应电压脉冲。它的振幅与外磁场成正比，因此可以测量外磁场。它可用于地面、航空或

18、钻孔磁测。从上面的介绍可以看出，磁通门磁力仪有其自身的优势，是其他磁力仪无法替代的。磁通门是第一个真正投入使用的电子磁力仪。目前磁通门磁力仪非常小型化，便于携带，使用简单，成本相对较低，因此在一般测量中应用广泛。1.3磁通门磁力仪的研究现状磁通门磁力仪利用磁芯在交变磁场的激励下改变其磁导率来调制被测磁场，通过检测调制信号来测量外界磁场。磁通门磁力仪以其宽测量周长、高分辨率、宽频带和经济实用的特点，早在20世纪30年代就被应用于地磁测量。经过不断改进和发展，已成为国际地磁相对记录的主流设备。第一台磁通门磁力仪诞生于20世纪30年代。迄今为止，有许多不同类型的磁通门磁力仪。由于其分辨率、频率响应、

19、动态范围和线性特性能够满足记录地磁场各分量变化的要求，且具有便携、价格低廉、安装调试简单、易于数字化等特点，世界上大多数地磁台都采用磁通门磁力仪作为变化磁场的记录仪器，而不是传统的磁力仪。国际上有代表性的磁通门磁力仪有加拿大的FM20和CANMOS磁通门磁力仪、奥地利的CH IMAG磁通门磁力仪、英国的FLARE磁通门磁力仪和美国的小型磁通门磁力仪。这些磁通门磁力仪代表了仪器技术的先进水平。它们都具有低噪声、高采样率、温度性能好和数字化的特点。我国早在20世纪80年代就将磁通门磁力仪应用于地磁观测的技术研究。2002年，中国地震局地球物理研究所成功研制了GM-1、GM-2单向模拟记录磁通门磁力

20、仪和GM3三分量数字记录磁通门磁力仪。但仪器的长期稳定性和温度特性不能满足地磁台站日常观测的基本要求，因此一直没有得到广泛应用。因此，降低仪器的温度系数，提高仪器的稳定性，降低安装的复杂性，减小仪器的体积，提高仪器的自动化程度一直是仪器开发者不断发展和改进的目标。本文讨论的三分量磁通门地磁场测量装置的主要特点是体积小、安装简单、稳定性高。因为它可以同时测量磁场三个方向的分量，然后进行矢量合成，所以测量的数据具有很高的可靠性。2检测装置的工作原理2.1磁通门传感器的工作原理磁通门传感器是利用一些高磁导率的软磁材料(如坡莫合金)作为磁芯，利用其在交流磁场和法拉第电磁感应原理作用下的亚饱和特性而研制

21、的磁性测量装置。其结构可视为一种特殊的变压器。磁通门磁测量使用这种特殊变压器的磁芯。当交流电流过变压器初级线圈时，磁芯被交变过饱和励磁反复磁化。当存在外磁场时，励磁变得不对称，变压器的输出信号受到外磁场的调制。可以通过检测输出调制信号来测量外部磁场。磁通门探头的输出主要是激励信号的二次谐波，需要经过处理才能获得测量数据。根据磁通门传感器的磁芯几何形状分为闭合式和非闭合式两类：从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯（如图2.1）较多。跑道芯长轴的野边尺寸远大于短轴的野边尺寸。因此，认为跑道铁芯仅被沿轴线方向延伸的磁场磁化。在实际应用中，它仅用于测量沿延伸

22、轴的磁场分量。图2.1所示为跑道磁芯二次谐波法测磁原理。四四一个2ff2腰神经2L2莱索托三图2.1跑道磁芯机构示意图1-敏感元件框架；双初级线圈3输出线圈；4坡莫合金环如果在跑道形磁芯的两条平行长边上分别缠绕一组匝数相同的线圈L1和L2，它们与励磁线圈同向串联；公共测量线圈Ls缠绕在L1和L2之外。向励磁线圈输入正弦交流电I=Imsint，假设L1的磁场H1 = 2hsin t，L2的磁场H2 =-2hsin t。传感器的输出电压如图2.2(d)所示，可表示为以下分段函数: 2.1Es是属周期性的重复脉冲，故可用富氏分解法计算Es的二次谐波分量： 2.2221H男性-Hs医学士(一)(二)

23、= t氘氕He1e2E(四)H=tB1B2(三)B-1-2图2.2磁通门磁传感器的磁性测量原理(一)软磁材料动态磁滞曲线的理想化模型(b)当施加磁场时，两个线圈中的磁场不再对称。(c)当施加磁场时，两个线圈中的磁场出现饱和。(d)正弦波激励下传感器的理论输出波形。2.2检测装置的工作原理三分量磁通门地磁场探测装置主要利用法拉第电磁感应原理来探测地磁场。传感器把地磁信号转换成电信号，探测装置通过探测这个电信号来判断地磁信号的大小，进而判断探测地点的情况。这种判断的实现主要依靠三分量磁通门传感器，每个传感器采用双芯结构，缠绕在两个芯上的励磁线圈反向串联(如图2.1所示)。当励磁电流通过励磁线圈时，

24、两个铁芯中产生的励磁磁场方向相反。如果两个磁芯的形状大小和电磁场参数完全对称，测量线圈中两个磁芯中的磁通量产生的感应电势相互抵消，输出为零；当沿着铁芯的长轴施加外部磁场时，一个铁芯的磁场在另一个铁芯之前达到饱和，导致测量线圈中的感应电势不能相互抵消，并且输出不对称的波形。波形的主要成分是激励信号的二次谐波。因为由外部磁场产生的感应电势的幅度与外部磁场的大小成比例，所以可以通过测量输出信号的二次谐波分量来测量外部磁场。为了便于研究，将等式2.2改写为以下形式: 2.3传统的处理方法是采用模拟电路进行相敏检波，具体做法是：用两路频率与ES一样的参考信号，两者相位相差90度，假设分别为和，这时ES与

25、参考信号相比有一个相移，表达为示成式2.4的形式： 2.4ES分别乘以参考信号，得到如下结果： 2.5 2.6 对式2.5和式2.6表示的信号进行积分处理（实质上就是对信号进行低通滤波）之后得到以下结果： 2.7 2.8 2.9传统的方法要通过硬件电路实现模拟信号的乘法运算和积分运算，这对乘法器和积分电路的精度等参数要求很高，而且要求参考信号的幅度稳定，两参考信号的相位差必须保证是90度。这种处理方法数字化程度低,信号处理过程中易受干扰，所以设计采用数字检波的方法。下面详细论述如何采用数字检波的方法得到测量数据：首先，我们不用正弦波作参考信号，换作与正弦波参考信号相位一样的方波和： 2.10

26、2.11我们对信号进行4倍频采样，采样点设为，。在这里，我们假设为初始采样点的相位。那么，原信号可以表示为： 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16现用式2.10和式2.11表示的方波对上述信号进行调制，得到的采样信号表示如下：其一， 2.17采样信号为 2.18其二， 2.19采样信号为 2.20对这两种信号分别进行采样求和后取平均值（与模拟信号的积分类似），得到以下结果： 2.21 2.22对采样信号进行求和去均值运算，相当于对原信号进行以下处理： 2.23 2.24式中为采样周期，即。经过上述分析，我们可以通过下面的计算得到最终的结果： 2.252.3地磁检测装置的主要功能三分

27、量磁通门地磁场探测装置主要是通过探测地磁场在三个相互垂直的方向上的分量来测量地磁场的总场强。三分量磁通门传感器可以检测地磁场各分量的调制信号，通过选频放大电路可以得到幅值与分量大小成正比的二次谐波。这些信号用16位A/D进行四次采样，采样数据通过外部中断送到单片机。单片机读取足够两个周期的采样数据(共三组，每组16字节，即8个16位数据)后，由MAX232进行电平转换，通过串口发送。三分量磁通门地磁场检测装置硬件电路设计3.1前端检测电路的设计前端检测电路的原理框图如下:212212传感器驱动电路16位模数四倍采样振荡分频器29信号变换频率选择放大器图3.1预检测电路原理框图分频电路采用20M

28、Hz晶振，分频输出采用212倍分频作为驱动电路的输入信号，经功率放大后作为传感器的激励信号。29倍分频由信号转换电路整形，并用作A/D转换的时钟信号。下面是电路各部分的详细描述:3.1.1分频电路和信号转换电路的设计:磁通门传感器需要5kHz的激励信号，需要一个振荡电路提供其频率源。应时晶体振荡器产生的信号频率为20MHz，需要分频4000次(约2 12 = 4096次)。同时，A/D需要40kHz的时钟信号进行4倍采样，占空比接近100%(详见AD7656的工作时序)，因此分频器的29倍分频输出需要连接一个信号转换电路。分频器采用14位二进制计数分频器74HC4060，电路原理图如图3.2所

29、示。在图13中，引脚13是一个29分频输出。1nF电容和1.6k电阻构成差分电路，与非门整形电路构成信号转换电路，为A/D转换电路提供启动信号。图3.2分频电路和信号转换电路3.1.2驱动电路的设计:分频器的输出承载能力较弱，不能直接用作激励。因此，需要驱动电路来放大功率。理想的激励信号应该是频率为5kHz，振幅为3v的正弦波，正弦波的振幅应该非常稳定，所以实际的激励信号是振幅为3V的5kHz方波。分频器的输出幅度约为6V，功放电路的输出幅度经5.6k缓冲电阻降压后约为4V，需要进行电压变换。电路设计如图3.3所示:图中隔离线圈为手绕式，其中初级线圈的计算匝数为:29匝(其中为线圈两端交流电压

30、的幅值，取4v；4.88103Hz是信号频率，取；b为磁环磁通量，一般取0.3Wb，A为磁环截面积，取2.4 10-5)，实际绕组为50匝，二次绕组为40匝。图3.3驱动电路3.1.3选频放大器电路的设计:有必要测量传感器输出的二次谐波分量。所以传感器的输出信号不能直接放大采样，必须通过带通滤波器滤除二次谐波，再放大采样。设计了压控电压源的二阶带通滤波器，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电路结构简单。滤波器要求的设计参数为:中心频率10kHz，Q值10，中心频率放大倍数30倍。实际电路形式如图3.4所示。传感器的输出信号经过滤波，幅度不够采样，所以放大一级。图3.4频率选择放大器电路模拟结果如

31、下图所示:图3.5带通滤波器的波特图仿真结果从上图可以看出，滤波器设计合理，仿真结果接近设计目标。实际仿真参数如下:中心频率9.573kHz，Q值9.4，中心频率放大倍数28.548dB(26.75倍)，二次谐波(实际频率9.76kHz)放大倍数27.645dB(24.15倍)，满足设计要求。3.2 16位A/D转换器4倍采样的硬件设计3.2.1根据A/D采集电路的设计要求，选择合适的A/D:由于本题设计要求A/D实现二次谐波的四次频率采样，所选A/D的转换速率必须在40kHz以上；主题的分辨率需要16位以上；因为采样频率必须正好是频率的四倍，所以A/D采样速率应该是可变的。当交流信号被采样时

32、，A/D应该能够进行正负采样；为了实现三分量测量，有三路信号输入，要求同时采样三路信号。因此，A/D需要同时采样三个以上的信号。根据以上要求，最终选择了逐次逼近型16位A/D数据采集电路AD7656。AD7656最高采样频率可达250kHz，属于逐次逼近型。采样频率是可变的。通过转换使能引脚输入启动信号，可以控制六个通道同时执行数据转换。这里，我们只使用三个通道。每次转换后，各通道的转换结果可以通过16位并行数据线依次传输到单片机。图3.6是AD7656的工作时序图:图3.6 ad 7656的时序图A/D采集电路的设计:图3.7 ad 7656框图从AD7656的框图和时序图可以看出，AD76

33、56既可以通过硬件电路控制，也可以通过软件编程操作，使用起来方便灵活。使用软件操作时，数据传输可以采用字节形式，即并行传输8位数据(详见AD7656数据转换中的引脚描述)。此时的工作顺序如图3.8所示。考虑到数据传输的效率，我们需要16位数据并行传输，可以通过硬件电路控制，通过硬件中断读取数据。具体电路形式如图3.9所示。在图中，为确保电路清晰方便，电路中AD7656的所有电源引脚均未连接。这里说明一下:AVCC和DVCC都接+5V电源，AGND和DGND分别接数字地和模拟地(实际电路不区分模拟地和数字地)，VSS接-9V电源，VDD接+9V电源，其他管脚悬空。图3.8 ad 7656通过字节

34、传输的工作序列图3.9 AD采集电路另外，图中单片机型号为STC89C54RD+，其部分集成了MAX810专用复位电路，所以复位学科直接接地。使用MCU的外部时钟源，时钟由40MHz有源晶振提供。转换期间，AD7656的BUSY引脚处于高电平，转换后变为低电平，可以用作中断信号。3.3电源设计整个电路采用12V外接电源供电，因为前端电路需要9V电源，而A/D和MCU电路需要+5V电源，所以供电电路需要三端稳压管7809、7909和7805。具体电路如图3.10所示:图3.10电源电路四分量磁通门地磁场检测装置的软件设计4.1 STC 89 c 54 rd+单片机介绍本设计采用STC89C54R

35、D+单片机，具有以下显著特点:超强抗干扰1、高抗静电(ESD保护)；2.轻松通过4KV快脉冲干扰(EFT测试)；3、宽电压，不怕电源抖动；4.温度范围宽，-40 85；5.I/O端口经过特殊处理；6.单片机部电源系统经过特殊处理；7.单片机部的时钟电路经过特殊处理；8.单片机复位电路经过特殊处理；9.MCU部门的看门狗电路经过特殊处理。1时钟/机周期，低频晶振可以用来大大降低EMI(电磁干扰)。1.禁止ALE输出；2.如果选择6个时钟/机器周期，外部时钟频率可以减半；3.单芯片时钟振荡器的增益可以设置为1/2。超低功耗1.掉电模式:典型功耗 0.1A；2.空闲模式:典型功耗 1.3mA；3.正

36、常工作模式:典型功耗为2.7ma-7mA；4.掉电模式可以通过外部中断唤醒，适用于电池供电的系统，如水表、气表、便携设备等。在线可编程，无需编程器，可远程升级；集成MAX810专用复位电路，可以使用原厂复位电路，复位引脚直接短接到地。A/D的软件控制AD7656软件控制的引脚连接(如图3.9所示)如下:CS P2.7研发 P2.6重置 P2.5DB07 P0.00.7DB815 P1.01.7BUSY INT0根据图3.6所示的AD7656的工作顺序，转换完成后，A/D向CPU发送中断请求，CPU向A/D发送片选信号读取数据，一次读取一个通道。三次读取后，一次中断完成。程序流程图流程图如图4.

37、1所示。1S延迟后启动模数转换器，等待模数转换。转换完成后，A/D向MCU发送中断请求，MCU对中断做出响应，并通过16位并行端口读取A/D。当单片机执行8次中断(读取两周器件的转换数据)时，关闭中断，同时停止A/D转换。单片机工作在查询模式，通过串口将所有数据发送给计算机，计算机对数据进行处理。普通普通YY普通初始化开始转换结束？输入中断八次中断？串口发送目标图4.1程序流程图示例程序系统开启后，需要1秒的延迟来启动AD。以下是延迟程序的一个示例:#包含“startup.h”./包含头文件等。# defineuint8无符号字符/关键字简化和控制与AD的连接void delay1ms(无符号

38、整数K)；/函数和变量的声明主() RS = 1；/复位AD7656delay 1 ms(1000)；RS = 0；/1s延迟后开始AD。while(1)void delay1ms(无符号整数K)无符号int i，j；for(I = 0；I K；+)/多少个1毫秒for(j = 0；j = 240+)/延迟约1ms。串口发送的硬件设计串行通信采用的主芯片是MAX232，其低功耗关断模式适用于电池供电系统。外部电路简单，非常适合面积有限的印刷电路板。它有一个双通道电荷泵DC-DC电压转换器，RS232驱动器和RS232接收器，可以使接收器和发射器的控制输入。MAX232有两个电荷泵，将+5V转换

39、为+10V(空载)，为RS-232驱动器提供工作电压。第一个转换器使用电容C1将+5V输入加倍，以在V+输出C3获得+10V，第二个转换器使用电容C2将+10V转换为V-输出C4的-10V。可以从+10V (V+)和-10V (V-)输出端子获得少量功率，为外部电路供电。串行连接电路如图4.2所示:图4.2串联电路如图13所示，当外部中断执行8次(两个A/D采样周期)时，外部中断关闭。此时，三个字符数组存储在CPU的存储器中，每个数组包含16字节的字符数据。CPU工作在查询模式，通过串口将数据发送给计算机。测试结果和分析爆破网路试验用DF4321(20MHz)示波器测试，20MHz晶振产生的波

40、形如下图所示(扫描时间为0.2S):图5.1晶体振荡器的振荡波形图5.2 212分频输出波形5kHZ(扫描时间100S)的激励信号是将晶体振荡器的频率除以212倍得到的，如图5.2所示，其幅度约为5V(电压档为2V)。5.2功率驱动电路的测试功率放大后，变压器输出波形，如图5.3所示。电压档为1V，幅值为2.5V，图中扫描时间为100 s图5.3驱动电路的输出信号5.3信号转换电路的测试对分频器的29分频输出进行微分，得到如图5.4所示的信号(扫描时间为10s，电压档为2V)。对这个信号整形后，就得到A/D转换器的启动信号，如图5.5所示。频率40kHz左右(扫描时间10s)，电压档2V。图5

41、.4微分后的波形图5.5整形信号5.4带通滤波器的测试其中一个传感器的输出如图5.6所示，峰峰值约为90mV(电压档为20mV)，频率约为10kHz(图中扫描时间档为50s)。图5.6传感器输出波形图5.7滤波器输出将传感器的输出连接到滤波器，并在滤波器的输出端获得二次谐波。波形如图5.7所示，频率约为10kHz(扫描时间在50s)，峰峰值约为180mV(电压在50mV)。三分量测量通道差校正方案设计三分量磁通门地磁场探测装置设计和制造的难点在于预处理各个分量的各个通道的增益不能完全一致，这会导致测量误差，影响测量结果的准确性和可靠性。这里有两个解决这个问题的方法:方案一:硬件电路调试校正。硬

42、件校正的原理是:三分量信号的通道增益差是在传感器输出和前端电路信号处理过程中产生的，也就是说各通道选频放大环节的差异和传感器之间的差异是造成这种差异的主要原因，可以通过调整放大器的放大倍数来进行校正。具体调整方法，将图3.4所示选频放大电路的后置放大电路改为图6.1所示增益可调的放大器。标定时，固定三分量磁通门传感器后，用其中一个传感器测试三个通道，通过调节图中的变阻器来调节通道增益，使各通道的测量结果一致。图6.1可调增益的后置放大器校正采用调节放大器增益的方法。该方案的特点是易于调试，但需要对原设计的硬件电路进行修改。方案二:通过软件编程对测量结果进行修正。硬件电路调试的方法是对被测信号的

43、幅度进行修正，从而达到精确测量的目的。实际上，我们可以通过编程引入修正系数，直接对测量结果进行修正。下面详细介绍一下软件修正的具体方法:首先，为了描述方便，我们对传感器和每个信号通道进行标记。固定好三分量传感器后，我们将三个传感器分别标记为A、B、C，还将三个信号通道分别标记为X、Y、Z。接下来进行三次测量：第一次，用X通道测量传感器A输出，Y通道测量传感器B输出，Z通道测量传感器C输出，记录测量数据、；第二次，用X通道测量传感器B输出，Y通道测量传感器C输出，Z通道测量传感器A输出，记录测量数据、；第三次，用X通道测量传感器C输出，Y通道测量传感器A输出，Z通道测量传感器B输出，记录测量数据

44、、。进行以下计算： 6.1计算出了和，就可以得到各通道的校正系数： 6.2计算机在完成数据处理后，只要对相应的通道数据乘以校正系数就可以得到准确可靠的测量数据。总结设计的检测装置可以检测地磁场三个分量的磁场信号，信号经前置电路滤波放大后得到测量所需的二次谐波。AD7656对二次谐波进行四次采样，每次采样的16位数据在中断模式下并行传输到单片机。当单片机接收到两个周期的数据时，中断关闭，单片机工作在查询模式，将读取的数据通过串口电路发送给计算机。设计中采用了高精度模数转换技术、单片机中断服务和串行通信。16位模数转换器采用SAR A/D转换器AD7656，采用+5V和9V电源供电，输出数据为16

45、位二进制数。采用宏景公司生产的单片机STC89C54RD+，用编程软件KEIL C51用C语言编程。该设计主要利用单片机的外部中断和串行通信。设计了计算机数据处理的具体方法，将测得的数据送入计算机进行处理和分析。参考文献和参考文献1王军，凌振宝。传感器原理与检测技术M(第55-64页)。大学2何乔，段庆明，邱春玲。单片机原理及应用。中国铁路3戴嘉、戴。51单片机C语言应用程序设计实例。电子工业。二零零六年四月4，方，王军.地学传感器原理与应用.地质学。一九九三年八月5念强，焕春，余爱琴。数字相敏检波器的设计与实现。电气测量与仪器. 2001.56党，郝，高，史浩良.基于Nios系统的数字相敏检

46、测系统设计。测井和射孔。2007.17卢昌厚，文心，艾星。数字相敏检波技术及其应用。制造技术和机床。1997年7月8洪孝礼，黄，。精密电感测微仪中数字相敏检测技术的研究。测量和设备9简狄。娇蛮。宋安定。一种数字高分辨率感应测井工具。伐木技术。2007年8月10盛虎，邢亚民，.数字相敏检波在随钻电阻率测井仪中的应用。国外测井技术. 2007.811舒洁，华超，支贤，董波。采用数字相敏检波器消除电容传感器漏电引起的测量误差。仪器技术与传感器. 2007.812朱宏，杰，詹。近红外光谱仪中数字锁相技术的研究。中国科学仪器杂志。2006年十月13宋浩然，铁龙。AD7656的原理及其在继电保护产品中的应

47、用。电子技术的应用2007.414岳、傅、。参考信号频率自调整的数字相敏检波器算法研究。1998年4月15洪祥。AD7656在测量中的应用. 2007.716 14位二进制分频器/计数器数据。74HC4060.pdf . 21ic.2009年3月17 TTL电平移位电路数据。MAX232.pdf.21ic.2009.31816位高速模数转换器的数据。AD7656.pdf.21ic.2009年3月19单片机数据STC89C54RD+。pdf。MCU-存储器.鸿景公司.2009年5月致谢本文是在段庆明老师的悉心指导下完成的。从论文的开篇、内容的研究到最后的综述，都凝聚了段老师的大量心血。借此机会，

48、我由衷地感受到段老师对我的指导。段老师的学术知识不仅渊博，而且严谨，对育人有着执着的敬业精神和孜孜不倦的态度，值得我们尊敬和学习。在段老师的指导下，我不仅在学习上取得了很大的进步，也获得了更多的专业知识。更何况我得到了一次精神洗礼。在此，向段老师致以崇高的祝愿。我真诚地感受到仪器科学与电气工程学院的所有老师在我的学习和生活中给予了我你们的帮助和指导。你们在教学科研中无私的工作精神感染了我，你们指引我走过了四年的大学生活。同时，你也将是我今后工作中学习的榜样。感谢尚师兄和吴海燕师兄的帮助和建议，在我繁忙的学习和研究过程中，他们不辞辛苦地为我提供技术支持。我感觉这四年来650505班所有的同学都在

49、帮助和支持我，你们给我创造了一个轻松愉快的学习环境。特别是和宗，他们给了我很多帮助。此时此刻，请允许我向多年来教导和支持我的父母和兄弟们表达我的感情。我的成长过程体现了你们对我无私的爱和殷切的期望。最后，向本文引用的学术著作和研究成果的作者，向所有将审阅本文的老师，表示诚挚的感情。你的宝贵意见将使我受益匪浅。英语翻译性能:集成6通道模数转换真双极性模拟输入10V、5v输入电压可通过引脚/软件选择。高吞吐量:高达250kSPS。4.5V至5.5V电源是可选的。低功耗:5V电源下250kSPS 160mW宽输入带宽:当输入频率为50kHz时，信噪比为85dB。片内提供2.5V基准电压和基准电压缓冲

50、器。支持并行和串行接口。高速串行接口兼容SPI、QSPI、Wire和DSP待机模式下的最大电流为5 A。采用iCOMS加工技术64引脚LQFP封装应用:电力线检测系统和仪器控制系统。多轴定位系统简单描述:AD7656芯片集成6通道、16位、高速、低功耗、逐次逼近型ADC。在4.5V-5.5V电源下正常工作，吞吐率可达250kSPS。该芯片内置一个低噪声、高带宽采样保持器件，可以处理最高8MHz的输入频率。转换和数据采集由CONVST信号和本地时钟控制。三位CONVST允许三对ADC同时独立采样。AD7656具有高速并行和串行接口，可以与微处理器和数字信号处理器接口。使用串行接口模式时，AD76

51、56的菊花链特性允许连接多个ADC和一个串行接口。AD7656可以提供10V和5v的双极性模拟信号输入范围。该芯片集成2.5V基准电压源，也可以外接基准电压。如果外部基准电压为3V，模数转换器的最大允许输入电压为12v。因此，VDD和VSS电源引脚应分别连接到+12V和-12V。Pin描述:REFCAPA、REFCAPB、REFCAPC:基准电压引脚。这些引脚应通过10F和100nF去耦电容接地，以降低ADC通道基准电压缓冲的衰减。V1-V6:模拟输入引脚1-6，为模拟前端输入，对应的通道输入电压取决于RANGE引脚的设置。模拟接地端子。所有模拟输入信号和外部参考信号都应该是与该地相对应的电压

52、。所有agnd应连接到系统和agnd具有相同电位的点。理想情况下，AGND和DGND应处于同一电位，且电位偏差不应超过0.3VDVCC:数字电源，通常为5V。理想情况下，DVCC和AVCC应处于同一电位，电位偏差不应超过0.3V。将DGND与10F和100nF去耦电容相连。CONVSTA，B，C:转换使能逻辑输入。每对ADC都有自己的CONVST，用于启动每对或2、4、6个ADC的同步采样。/CS:片选信号，当逻辑电平为低时使能。/RD:读取信号，逻辑低时使能。BUSY: busy信号输出，转换开始时为高电平，转换结束前保持高电平。SER/PAR:串行/并行选择输入，逻辑电平低时并行输出。DB

53、0/SEL A: 0位并行数据/串行选择A输出。DB1/SEL B: 1位并行数据/串行选择B输出。DB2/SEL C:并行数据2位/串行选择C输出。DB3/DCIN C:并行数据的3位/C方式是菊花链式的。DB4/DCIN B:并行数据的4位/B方式是菊花链式的。DB5/DCIN答:并行数据的5位/A方式是菊花链式的。DB6/SCLK:并行数据6位/串行时钟。DB7/HBEN/DCEN:并行数据7位/高位使能/菊花链使能。DB8/DOUT A: 8位并行数据/串行数据输出A。DB9/DOUT B: 9位并行数据/串行数据输出B。DB10/DOUT C: 10位并行数据/串行数据输出C。DB

54、11/DGND:并行数据11位/数字地。DB12:13，DB15:并行数据12，13，15位。DB14/REFBUFEN/DIS: 14位并行数据/参考缓冲器使能(低电平)/禁用(高电平)。复位:复位引脚，启动时需要大于100ns的复位电平。/STBY:待机模式选择引脚，低电平时进入待机模式。W/B:字/字节选择输入。在低层，数据以字的形式输出和读入。翻译英文原文特征6个独立ADC真双极性模拟输入引脚/软件可选范围:10V，5V快速吞吐速率:250 kSPS额定电压为4.5 V至5.5 V的VCC低功耗:160mW，250 kSPS，5 V电源宽输入带宽:50 kHz输入频率时信噪比为85 d

55、B片内基准电压源和基准电压缓冲器并行和串行接口高速串行接口SPI/QSPI/Wire/DSP兼容待机模式:最大5 AiCMOSTM工艺技术64 LQFP封装应用程序电力线监控系统仪表和控制系统多轴定位系统总体描述AD7656在一个封装中集成了6个16位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC。AD7656内核采用4.5V至5.5 V单电源供电，吞吐速率高达250kSPS。这些器件内置低噪声、宽带宽采样保持放大器，可以处理最高8 MHz的输入频率。转换过程和数据采集由转换信号和内部振荡器控制。三个CONVST引脚允许对三个ADC对进行独立同步采样。AD7656具有高速并行和串行接口，允许这些器件与微处理

56、器或DSP接口。在串行接口模式下，这些器件具有菊花链特性，允许多个ADC连接到一个串行接口。AD7656可以支持10V和5V范围内的真双极性输入信号。它内置一个2.5v内部基准电压源，也可以接受外部基准电压源。如果将3V外部基准电压施加于VREF引脚，ADC可以适应真双极性12V模拟输入范围。该12V输入范围需要12V的VDD和VSS电源。引脚功能描述REFCAPA、REFCAPB、REFCAPC:去耦电容连接到这些引脚，以便对每个ADC对的基准电压缓冲器去耦。每个REFCAP引脚应通过10 F和100 nF电容去耦至AGND。V1V6:模拟输入1-6。这些是6路单端模拟输入。这些通道上的模拟

57、输入范围由range引脚决定。AGND:模拟地。AD7658/AD7657/ AD7656上所有模拟电路的接地基准点。所有模拟输入信号和任何外部基准信号都应参考该AGND电压。所有11个AGND引脚都应连接到系统的接地层。理想情况下，AGND和DGND的电压应处于同一电位，且相差不得超过0.3 V，即使是瞬态电压也是如此。DVCC:数字力量。通常为5V。理想情况下，DVCC和AVCC的电压应处于相同的电位，即使在瞬态情况下，其差值也不得超过0.3 V。这种供应应该与DGND脱钩。应将10 F和100 nF去耦电容放在VCC引脚上。CONVSTA、B、C:转换开始输入A、B、C，逻辑输入。这些输

58、入用于启动ADC对的转换。CONVSTA用于启动V1和V2的同步转换。CONV机顶盒用于在V3和V4上同时启动转换。CONVSTC用于启动V5和V6上的同步转换。当CONVSTX从低电平切换到高电平时，所选ADC对上的跟踪保持开关从跟踪切换到保持，转换开始。/CS:片选。低电平有效逻辑输入。该输入构成数据传输的帧。在并行模式下，当/CS和/ RDare均为逻辑低电平时，输出总线使能，转换结果通过并行数据总线输出。在并行模式下，当/ CS和WR均为逻辑低电平时，DB15:8用于将数据写入片内控制寄存器。在串行模式下,/CS用于使能串行读传输。/RD:读取数据。在并行模式下，当/CS和/RD均为逻

59、辑低电平时，输出总线使能。在串行模式下,/RD线应保持低电平。BUSY:输出繁忙。转换开始时变为高电平，并保持高电平，直到转换完成，转换数据锁存到输出数据寄存器中。串行/并行:串行/并行选择输入。低电平时，选择并行端口。高电平时，选择串行接口模式。在串行模式下，DB10:8执行SDATA C:A功能，DB0:2执行DOUT选择功能，DB7执行DCEN功能。在串行模式下，DB15和DB13:11应连接到DGND。DB0/SEL A:数据位0/Select DOUT A，当SER/PAR = 0时，此引脚用作三态并行数字输出引脚。当SER/PAR = 1时，此引脚承担SEL A功能，用于配置串行接口。如果此引脚为1，串行接口将使用一个/两个/三个DOUT输出引脚工作，并使能DOUT A作为串行输出。在串行模式下工作时，此引脚应始终= 1。DB1/SEL B:数据位1/Select DOUT B，当SER/PAR = 0时，此引脚用作三态并行数字输出引脚。当SER/PAR = 1时，此引脚承担SEL B功能，用于配置串行接口。如果此引脚为1，串行接口将使用两个/三个DOUT输出引脚工作，并使能DOUT B作为串行输出。如果此引脚为0，则DOUT B不能用作串行数据输出引脚，只能使用一个DOUT输出引脚。DB2/S