基于fpga的氦光泵磁敏传感器数字检测调频器设计

基于fpga的氦光泵磁敏传感器数字检测调频器设计

椰子磁敏传感器是利用光学泵和磁共振器之间的塞曼效应为基础的高灵敏度磁敏传感器。它是基于光学泵和磁共振器之间的相互作用而开发的。目前国内外将其广泛应用于地球物理勘探、潜水艇探测、空间磁测、生物医学磁测等领域。光泵磁敏传感器中的磁共振作用是在垂直于外磁场方向加一交变射频磁场,使射频场的频率等于相邻磁次能级间的跃迁频率,同时在射频场频点加上调制信号,跟踪外磁场变化。因此,射频场调频发生器是光泵磁敏传感器的核心驱动部件,其频率范围、稳定度和调制性能等指标直接影响到光泵磁敏传感器的磁测量程和灵敏度。20世纪50年代发展起来的光泵磁敏传感器,射频场采用变容二极管的压控振荡器(VCO)产生,调频方式是将调制信号作为VCO输入电压实现,通过高精度测频电路测量载波频率得到外磁场值。此种方式存在的主要问题是变容二极管电容变化率和变化量有限,导致频率输出范围窄,限制传感器磁测量程;由于器件的非线性和离散性,导致VCO输出的线性度和频率稳定度不高,影响传感器磁测灵敏度,而且VCO电路及高精度测频电路设计复杂困难。20世纪80年代,数字技术的发展促使光泵磁敏传感器向数字化检测方向发展,采用数字逻辑器件组成的数字振荡器代替传感器中的压控振荡器,用调整频率控制字的方式实现数字调频,用内置温度补偿的晶体振荡器作为参考时钟源,解决了压控振荡器存在的频率稳定度低和频率输出范围窄的问题,同时不需要测频电路,可直接由频率控制字得到外磁场值,但由于采用的是分立数字逻辑器件,导致电路复杂且集成度不高。光泵磁敏传感器中调频器的最新发展是采用AD9832等DDS集成芯片代替数字逻辑器件,以提高系统集成度和稳定性,但由于DDS芯片设计的通用性,直接使用DDS集成芯片存在控制接口复杂和功耗高等问题。针对上述问题,在氦光泵磁敏传感器的高灵敏度数字化检测设计中,本文提出一种利用方波频率合成器实现数字调频的简单方法,并在高速、高性能FPGA芯片上实现并验证。1磁敏传感器的数字检测原理1.1fpga传感器技术传统光泵磁敏传感器通过测频电路测量模拟VCO调频器载波频率,然后通过测磁原理关系式(1)换算得到被测磁场值。f=γsH2π(1)f=γsΗ2π(1)式中,γs为旋磁比。H(nT)≈0.0356f(Hz)(2)对于氦工作物质,被测磁场值(单位nT)与载波频率(单位Hz)的关系为式(2)。传统氦光泵磁敏传感器需要在0.5s的测量时间内,其测频精度要达到10-6以上,电路设计不仅困难,而且引入测频误差。因此,本文提出基于FPGA数字调频器的氦光泵磁敏传感器数字化驱动及检测方案,如图1所示,该方案不需要高精度测频电路,可直接由频率控制字换算为被测磁场值,消除由测频引入的测量误差,而且调频器集成在FPGA控制器里,采用软件方式实现,不需要模拟VCO或DDS集成芯片等硬件电路,降低系统功耗,提高系统硬件集成度和可靠性。氦光泵磁敏传感器数字化驱动及检测组成框图如图1所示,FPGA控制器包括数据采集、PID控制、数字调频等功能,是传感器控制核心。FPGA输出的数字调频信号通过线圈驱动电路输入磁敏传感器射频线圈,传感器光敏二极管输出电压的基波和二次谐波信号幅度通过锁相放大电路提取,由ADC转换为数字量并通过FPGA采集,数字PID控制器根据采集电压值调整调频器频率控制字即载波频率以跟踪外磁场变化。1.2射频场调制深度fw的测量光泵磁敏传感器扫频式磁共振检测原理是向射频线圈输入调频信号,通过微小步进扫频使载波频率缓慢通过共振区的方式来检测磁共振信号。其中调频信号瞬时频率可表示为:f=fc+fwcos(2πfmt)(3)式中:fc为载波频率,fw为调制深度,fm为调制信号频率。传感器光敏二极管检测到的输出信号中包含与调制信号同频的基波分量cos(2πfmt)及其各次谐波。图2中的曲线1是磁敏传感器共振曲线,在调制深度fw一定的情况下,基波信号的幅度可以看成是共振曲线函数的一阶微分,如图2中的曲线2所示,二次谐波信号的幅度可以看成是共振曲线函数的二阶微分,如图2中的曲线3所示。基波和二次谐波信号幅度通过锁相放大的方法检测,如图1所示,通过FPGA串口采集传输数据,在上位机上处理并绘制数据曲线。本文使用光泵磁敏传感器共振曲线的微分信号作为共振信号,若检测到的扫频电压幅度曲线与图2中的曲线2和3相符,则说明检测到磁共振信号。本文依此作为验证FPGA调频器达到氦光泵磁敏传感器调频指标的实验方法。氦光泵磁敏传感器应用在地磁场测量时,测磁范围大约为15000nT～100000nT,由测磁原理关系式(2)可得调频器的载波频率输出范围为420kHz～2800kHz,模拟VCO调频器在这样宽的频率范围内很难保持线性输出,由于FPGA调频器的数字特性则不存在这个问题。射频场调制深度fw的大小非常关键,不能大于共振线宽,同时为了获得较大的检测信号,一般fw取值略小于共振线宽,如氦光泵磁敏传感器共振线宽为650nT左右时,则可取射频场调制深度为18kHz。射频场调制频率值与氦光泵磁敏传感器响应速度和信号提取方式有关,一般为100Hz～1000Hz。2f频器设计2.1fpga频率合成器直接数字频率合成DDS基于采样定理,通过相位累加输出波形,改变相位增量调整输出频率。方波频率合成比正弦信号频率合成容易实现,如图3所示,幅度序列(高低电平)已知,不用进行幅度值查表或计算。图中标注的1表示输出高电平,0表示输出低电平,合成器的输出方波占空比为50%,高低电平对称分布。设序列有2N个数据,采样频率为fs,采样步进为M,则采样2N/M次后完成一个采样周期T(如图3),输出的方波信号频率为:fo=M×fs2N(4)fo=Μ×fs2Ν(4)式中,M称为频率控制字FTW(FrequencyTuningWord),fs称为系统时钟。FPGA设计方案选用Altera公司的CycloneⅢ系列芯片EP3C10E144,使用Verilog语言描述,综合完的FPGA方波频率合成器如图4所示。根据Nyquist采样定理,频率控制字M≤2N-1,由式(4)可得输出频率fo≤fs/2,若系统时钟为50MHz,则最大输出频率为25MHz,可见数字调频器的频率输出范围比模拟VCO调频器宽得多。系统频率分辨力是频率合成器最小输出频率,其对应磁场值要远小于仪器长期分辨力0.1nT,同时输出频率要达到近似连续线性变化,因此本文设计的频率合成器的频率控制字FTW的位数为48bit,频率分辨力:fmin=fc2N=50MHz248=0.18μHzfmin=fc2Ν=50ΜΗz248=0.18μΗzHmin=fmin/28.02356=0.0064fT系统时钟fs是数字调频器及系统各部分所需标准频率参考信号,直接影响磁敏传感器的磁测稳定性和灵敏度。本系统采用带温度补偿的50MHz方波输出的石英晶体振荡器(TCXO),输出频率准确度达到±1×10-6,温度稳定性达到±2×10-6,则在输出载波频率为1MHz时,相应频率稳定性为±2Hz,由式(2)可得对应磁场值为±0.07nT,满足仪器长期分辨力0.1nT的要求。为了最大限度减小时钟源抖动,设计了晶体振荡器电源滤波电路,如图5所示,铁氧体磁珠L1对50MHz以上的频率有很高的阻抗,电源管脚用电容并联去耦,滤波电路布局尽可能靠近晶振。2.2频率控制字空间运行从方波频率合成器输出频率表达式(4)可知只要有规律地改变频率控制字M的值,就能实现数字调频功能。做理论分析时,式(3)的调制信号为余弦形式,但设计中使用的是易于实现的三角波调制形式,如图6所示。通过REF信号同步产生调制信号,则REF信号频率就为输出的调频信号的调制频率,在其低电平时频率控制字从FTW1开始以频率控制字变化量DFW(DeltaFrequencyWord)为递增量线性递增到FTW2,在其高电平时频率控制字从FTW2开始以DFW为递减量线性递减到FTW1,如此形成了按三角波规律变化的频率控制字,同时该频率控制字作为图4的方波频率合成器的输入,由其输出按调频规律进行疏密变化的方波,如图6中的FSK信号。同步信号REF及其二倍频率的信号在相移后作为锁相放大的参考信号检测光敏二极管输出的基波和二次谐波信号幅度。综合完的FPGA调频器如图7所示。若频率控制字的递增(减)速率为系统时钟fs=50MHz,调制深度fw=18kHz,调制信号频率fm=432Hz,如图6所示,可计算得频率控制字变化量DFW为: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由以上计算可知频率控制字变化量对应的磁场值比较小,对磁测分辨力影响可忽略不计。若载波频率fc=1MHz,通过式(4),可计算得图6中的频率控制字变化范围FTW1和FTW2为:fstart=fc-fw/2=0.991MHzFTW1=fstart⋅248fsfend=fc+fw/2=1.009MHzFΤW1=fstart⋅248fsfend=fc+fw/2=1.009ΜΗzFTW2=fend⋅248fsFΤW2=fend⋅248fs3结果3.1fvc转换电路光泵磁敏传感器中使用的射频调频信号在普通示波器上无法捕捉到疏密变化的调频效果,无法测量调频指标。本文设计基于频率电压转换器件AD650的解调电路,调频器输出信号首先经过SN74HC04反相器进行反相放大整形,由74HC4040分频器N=4分频到AD650输入频率范围(<=1MHz)内,由图8所示AD650频率电压转换(FVC)电路转换为电压输出,并经过电压隔直滤波等处理后放大β≈680倍最后由示波器进行测量。实测FVC电路在输入频率200kHz时输出电压0.896V,在700kHz时输出电压3.157V,则其FVC转换系数为:γ=ΔVΔf=2.261V500kHz=0.004522V/kHz(5)γ=ΔVΔf=2.261V500kΗz=0.004522V/kΗz(5)则示波器测得的电压与输入调频信号调制深度的关系为: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)设置载波频率为1MHz,调制频率为1kHz,调制深度为18kHz。用RIGOL-DS1102CD数字示波器进行测量,图9是解调波形测量结果。测得信号频率与调制信号频率相等为1kHz,由式(6)可知电压峰峰值13.8V对应调制深度为17.9kHz,说明本文设计的FPGA调频器达到设计要求。3.2测试环境空间使用图1描述的光泵磁敏传感器数字检测方案,通过扫频式磁共振检测实验验证FPGA调频器应用效果。设定调制信号频率为432Hz,调制深度为18kHz,载波频率扫频范围为800～1500kHz,扫频速率为10Hz,测试环境空间磁场大约为43000nT。图10和图11是在不同时间段用上位机实测到的基波和二次谐波信号幅度曲线,可看出实测结果与图2中的理论曲线2和3相符,且实测曲线光滑,说明本文设计的FPGA调频器满足氦光泵磁敏传感器的数字化检测