0 引言
光泵磁力仪是国内外应用于航空和地面磁法测量最多的磁力仪器[1],在地磁场测量等领域得到广泛应用,发挥了重要作用。但随着磁场测量领域的不断发展和新应用的出现,对氦光泵磁力仪性能提出了更高的要求[2-3],尤其是光泵磁力仪的测量精度。影响氦光泵磁力仪测量精度的因素很多,例如氦灯、氦气室制作工艺,射频场调频和光电检测精度等[3⇓-5],其中射频场调频精度是影响氦光泵磁力仪精度的重要因素,本文对氦光泵磁力仪的射频场调频技术进行研究,形成易调节、高精度、高可靠性的调频信号,实现对磁力仪射频场的智能精密调频,增强抗干扰能力,提高氦光泵磁力仪的测量精度,对于实现小型化、智能化、高精度氦光泵磁力仪的研制具有重要意义。
1 研究原理
图1
图1
氦光泵磁力仪探头结构示意
Fig.1
Structure diagram of helium optical pump magnetometer probe
式中:f为共振频率,Hz;B为外磁场强度,nT。
共振时射频场频率精度直接关系到磁力仪的测量精度。因此,通过对氦光泵磁力仪射频场(图1所示射频线圈)的智能调频研究,实时跟踪被测磁场的变化,自动迅速地改变射频场的频率,使之始终维持透过吸收室的光线最弱,以获取到准确的磁场数据。
2 关键器件选择
本文研究的氦光泵磁力仪的测量范围为10 000~100 000 nT,灵敏度5 pT,采样时间0.1 s。通过式(1)可得,射频场的调频范围应为280 KHz~2.8 MHz,在此范围内快速地改变射频场频率以寻找磁共振点,通过智能精密调频实现快速锁定和维持磁共振状态。
调频是在扫频过程中对单点进行的频率调制,以当前的扫频频率为中心频率,按照设置的调制深度与频率进行摆动。根据采样时间,充分考虑极限情况,射频场频率以三角波的形式由高到低再由低到高完成一次全幅变化(即为扫频)的时间为0.1 s,扫频步进设置为10 Hz,对应的扫频速率应能达到504 kHz。为保证调制波形完整,调制频率应能达到1.1 MHz。根据灵敏度要求,频率分辨率应能达到0.1 Hz。
通过研究分析,选取ADI公司生产的具备较好无杂散动态范围(80dB@100MHz(±1MHz))的专用DDS单片电路芯片AD9854。AD9854输出的最高频率信号达150 MHz,具有12位可编程幅度控制寄存器及48位可编程频率控制寄存器[9],在300 M系统时钟下,频率分辨率可达1 μHz,可按需求设定输出信号的频率、幅度和相位等特性,输出频率fout与频率控制字K、系统时钟fc的关系式为:fout=K×fc/2N,N是相位累加器位数48,在系统时钟20 MHz的情况下,频率分辨率为70 nHz[10-11]。具备并行和串行两种通信方式,串行通信速度可达10 MHz,并行通信的速度高达100 MHz;具备一个内部高速比较器,可输出同频率的方波信号。各项指标均优于氦光泵磁力仪在射频场调频中对测量范围、频率分辨率、调频速率的要求。
DDS芯片通信控制采用基于Cortex-M3内核的32位微控制器STM32f103,其具有高达72 MHz工作频率,兼备CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多种外设,易于开发改进[12]。
3 电路设计与实现
3.1 系统整体设计
系统以微控制器STM32103与DDS芯片AD9854为核心,STM32103作为核心处理器进行数据处理与上位机通信,智能控制AD9854输出的调频信号,AD9854输出的调频信号经过滤波与调理放大输出到氦光泵磁力仪探头的射频线圈作用于氦吸收室,实现磁共振,获取磁场值。为检测调频信号是否正确输出,单独加入解调电路进行检测。总体设计如图2所示。
图2
3.2 高速通信电路设计
高速通信电路的设计是为了保证系统能按要求实时输出调频信号。DDS芯片AD9854输出信号的幅值、频率以及相位等信息取决于其内部的功能寄存器上存储的数值,而寄存器的值需通过根据地址总线和数据总线接收到的微控制器STM32f103输出的二进制数据进行设置。
STM32f103通过IO口与AD9854连接,如图3所示。AD9854的6位地址总线和8位数据总线分别与STM32的PB和PD IO口连接,在相应的地址上写入数据。I/O UD CLK接口从高电平到低电平的跳变实现对数据的更新;WR是写入并行数据的控制信号;RD是读取寄存器数据的控制信号,用于软件调试优化中;MASTER RESET作为芯片复位信号,每次需保持10个系统时钟以确保系统成功复位。
图3
图3
STM32与AD9854连接示意
Fig.3
Schematic diagram of connection between STM32 and AD9854
3.3 精密调频电路设计与实现
通过STM32f103对AD9854的控制能初步实现调频信号的输出,但为了获取到高精度、低噪声、稳定以及能够快速变化的方波与正弦波的调频信号,需要对AD9854的管脚进行设置以及输出信号进行处理。
将AD9854芯片的SPSELECT管脚接高电平,采用AD9854的并行通信模式,速度可达100 MHz。外接具有温度补偿的20 M晶振提供系统时钟,以便提高系统的稳定性和精度,减少由温度产生的漂移。AD9854芯片涉及到数字地与模拟地通过0 Ω电阻进行单点连接,有效限制环路电流,抑制噪声。AD9854最大输出电流为20 mA,为获得较好的无杂散动态范围,将DAC-RSET的管脚连接3.9 KΩ电阻,输出电流为10 mA。
AD9854内部具有两路DAC-IDAC和QDAC,其中Q通道对应的一对正交正弦波输出管脚,通过连接输出负载,电压范围可从+0.5~+1.0 V进行调节。为保证芯片正常工作,波形不失真,连接的负载电阻取值50 Ω,输出电压峰值约为+0.5 V。
系统中对AD9854的内部DAC输出信号采用无源120 MHz 7阶椭圆低通滤波器进行低通滤波,可有效滤除高频谐波以及减少信号毛刺。为获得50%占空比的方波,使用AD9854内置高速比较器,VINP和VINN作为比较器的两端输入,分别与输出管脚IOUT2和/IOUT2连接,从Vout输出占空比为50%的频率随正弦波变化而变化的方波,电路连接如图4所示。
图4
3.4 不失真解调电路设计与实现
图5
4 实时控制软件设计
系统以STM32f103作为核心处理器,串口接收上位机指令,根据系统前端数据中基波与二次谐波的幅值检测结果,利用PID(比例积分微分)算法,通过比例控制快速调节偏差,积分控制消除偏差,微分控制对偏差的趋势进行超前控制,调整扫频范围、调频频率对应的调制深度和调制步进,控制AD9854的正弦波和方波的输出,产生射频场调频信号,实现对基波信号幅值的零点跟踪,从而达到跟踪外磁场变化的目的。
程序中,对系统中涉及到的接口、定时器、中断以及AD9854寄存器等进行初始化和参数设定。进入主程序while循环,根据前端数据处理结果利用PID算法与串口接收数据灵活自动的对扫频范围、速率与步进,以及调频信号对应的调制频率与深度进行实时设置。扫频速率与调频速率由程序中的扫频与调频两个定时器中断控制。系统程序流程示意如图6所示。
图6
5 测试结果与分析
在完成调频电路与实时控制软件设计的基础上,集成出磁力仪射频场智能调频系统,开展系统的测试与分析,以验证系统的功能和性能指标。使用示波器扫频信号输出的正弦波和方波进行观测,并对其中的正弦波进行频谱分析。在整个调频范围280 KHz~2.8 MHz内,设置不同扫频范围、速率与步进参数进行测试,测试结果均与设计相符。选取其中扫频范围为1~2 MHz,速率为100 Hz,步进为100 Hz的测试结果进行分析,其输出波形与频谱分析如图7所示。
图7
图7
扫频信号输出波形与频谱分析
Fig.7
Diagram of frequency sweep signal output waveform and spectrum analysis
波形7a是输出的正弦波,当前的扫频频率是1.528 MHz,电压峰峰值为515 mV;波形7b是通过调理放大输出的方波,扫频频率是1.528 MHz,电压峰峰值为4.45 V;波形7c是输出的正弦波的频谱分析结果,当前扫频的中心频率是1.5 MHz。可看出输出的正弦波与方波波形稳定,无毛刺,对应关系好,实际测量结果与设计相符。
利用示波器对解调电路输出的调频信号波形进行观测。在频率范围280 KHz~2.8 MHz内,分别以280 KHz、500 KHz、1 MHz、1.5 MHz、2 MHz、2.5 MHz、2.8 MHz等多点为中心频率进行了不同调制深度与调制频率的测试试验,均能获取到对应的解调信号。分别选取调频信号的中心频率1 MHz、调制频率500 Hz、调制深度500 KHz以及中心频率为2.8 MHz、调制频率500 Hz、调制深度100 KHz进行分析,经过示波器的数字低通滤波,解调出的调制信号如图8所示。
图8
图8
调制信号解调波形(左:中心频率1 MHz;右:中心频率2.8 MHz)
Fig.8
Demodulate waveform of modulating signal (left: center frequency 1 MHz; right: center frequency 2.8 MHz)
图8中,解调出的频率均为500 Hz的三角波,在中心频率为1 MHz的情况下,三角波的形状非常规则,峰峰值为2.06 V;在中心频率为2.8 MHz的情况下,三角波略微失真,峰峰值为25.098 mV;它们都与系统所加的调制波形一致,实际测量结果与当前设计相符。
为测试获取到的磁共振信号,在确保调频信号的正确输出后,将经过调理放大的调频信号加载到氦光泵磁力仪探头的射频线圈上,进行联调试验。在实验室环境下,通过外部恒流源作用于屏蔽筒内的线圈使得屏蔽筒内产生恒定磁场进行实验,磁力仪探头放置在磁屏蔽筒内。
图9
图9
单调频(a)、连续调频(b)磁共振信号
Fig.9
Magnetic resonance signal of single modulation (a) and continuous modulation (b)
6 结论
本文开展了磁力仪射频场的智能调频研究,利用DDS技术与微处理器结合的方式,开发出可智能调节且高精度的调频系统,获得了稳定的磁力仪磁共振信号,优于现有氦光泵磁力仪的指标。该系统具有如下显著特点:
1)可输出高精度、高可靠性的正弦波与方波,系统结构简单可靠,且抗干扰能力强。
2)可实时调节扫频范围、速率、步进以及调频信号的调制速率与调制深度,实现了对磁力仪探头射频场的智能精密调频,调制灵活方便。
3)可为磁力仪提供稳定的磁共振信号,提升了磁力仪的性能指标。
总之,通过基于DDS的氦光泵磁力仪射频场智能调频的研究,实现了既简单可靠,又智能精密的调频,对于提高氦光泵磁力仪的测量精度具有重要意义。
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