高正國 陳 瑾 徐文強 朱向冰

（安徽師范大學物理與電子信息工程學院，安徽 蕪湖241000）

0 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，磁場的應(yīng)用越來越廣泛，在醫(yī)療、教學和通信領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外對磁場的產(chǎn)生和檢測進行了廣泛的研究和產(chǎn)品的開發(fā)，然而關(guān)于磁場產(chǎn)生方面的裝置價格昂貴，操作不便，不利于普及應(yīng)用，并且國內(nèi)外的磁場線圈驅(qū)動裝置主要是通過掃描信號輸出連續(xù)的磁場，難以對于確定的一個固定磁場進行輸出。不利于適用于多種場合。

本磁場發(fā)生裝置可以產(chǎn)生頻率范圍較寬的磁場，通過操作labview的前面板即可調(diào)節(jié)磁場頻率和大小，使用方便且成本較低。而且本項目的產(chǎn)品是固定于一個確定磁場的輸出，便于教學和實驗室使用，彌補了市場上的這方面產(chǎn)品的不足。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文是研制一種基于labview的磁場發(fā)生裝置，通過labview編寫上位機軟件來接受用戶的信息，并發(fā)送給下位機，下位機產(chǎn)生數(shù)字信號，然后通過D/A轉(zhuǎn)換及電路放大信號來驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁場。

圖1是系統(tǒng)的原理框圖，系統(tǒng)分為串口通信模塊、51單片機模塊、DDS模塊、濾波電路模塊、放大電路模塊、采樣電路模塊、外圍電路模塊。其中，單片機控制DDS電路為系統(tǒng)重點。

系統(tǒng)以單片機控制DDS電路產(chǎn)生指定頻率和幅度的正弦信號。此外人機接口采用labview編寫人機界面，通過串口連接單片機。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 程控電流源的設(shè)計

該程控電流源是以DDS模塊為核心，51單片機為主控芯片，對輸出電流進行閉環(huán)控制的電流信號源。

2.1 DDS控制電路設(shè)計

DDS技術(shù)可以理解為數(shù)字信號處理中信號綜合的硬件實現(xiàn)問題，即給定信號幅度、頻率、相位參數(shù)，產(chǎn)生所需要的信號波形。從系統(tǒng)的角度可以認為是給定輸入時鐘fclk和頻率控制字WFC，輸出某一對應(yīng)的正弦信號[1]。DDS電路中采用51單片機為控制核心進行數(shù)據(jù)處理及頻率控制字的發(fā)送，電路如圖2所示。

圖2 DDS控制電路

2.2 濾波器設(shè)計

為了使輸出頻率不受外界和一些雜波的干擾，需要一個低通濾波器濾除高次諧波。

因為DDS產(chǎn)生的信號較小，所以我們使用具有集成運放的開環(huán)電壓增益的有源濾波器，此外有源濾波器具有輸入阻抗均很高，輸出阻抗低的特點。

二階壓控電壓源低通濾波器是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路實際上就是壓控電壓源。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益。

二階壓控電壓源低通濾波器的傳遞函數(shù)A(s)為:

其中：w0為特征角頻率，；

將式（1）化為復頻域后的電壓放大倍數(shù)Au為

2.3 功率放大電路

功率放大電路采用二級功放來設(shè)計，功放芯片的型號為LM3886和AD811。

圖3 功率放大電路

2.4 采樣電路控制算法

在本系統(tǒng)中，我們使用離散增量PID算法來控制電流的輸出。離散增量PID的計算公式為：

其中：E(k)為本次采樣時刻的電流誤差；E(k-1)為上次采樣時刻的電流誤差；E(k-2)為上上次采樣時刻的電流誤差值。

3 磁場線圈

Helmholtz線圈是由2個同軸對稱放置的空心圓柱線圈組成，其幾何形狀和電流密度均相同,且兩線圈間隔為線圈半徑。Helmholtz線圈最大的優(yōu)點是磁場均勻度高，因此，可以用中心磁感應(yīng)強度近似代替軸線上的磁感應(yīng)強度。

如圖4中,取通過兩圓形線圈圓心的直線為x軸,兩圓形線圈圓心之間直線的中點為坐標原點O,設(shè)單匝Helmholtz線圈的半徑為R,兩個線圈位于X=±L的平面上,每個線圈上通入同方向的電流I[3]。

圖4

由安培環(huán)路定則知，Helmholtz線圈的磁感應(yīng)強度的公式為：

其在x=0出的磁場強度，可有公式4得出：

通過公式（5）可得：若電流大小在0到2A之間，同時采用半徑為10cm，匝數(shù)為20的載流圓線圈，則本裝置產(chǎn)生的磁場強度范圍為0到0.360mT之間。

4 LabVIEW上位機系統(tǒng)

通過Labview的圖形化語言編程建立磁場發(fā)生裝置的上位機系統(tǒng)，便于用戶進行人機交互。本上位機系統(tǒng)分為前面板和程序框圖的設(shè)計:

4.1 前面板

4.2 程序框圖

5 結(jié)論

為了滿足磁場發(fā)生裝置的定點輸出和掃頻輸出，我們運用了數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)，可以比較方便的達到這一目標，并且選用選取Helmholtz線圈作為標準磁場發(fā)生裝置，產(chǎn)生的磁場均勻度高，在人機交互方面，利用Labview平臺設(shè)計了方便用戶的上位機系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以較好的應(yīng)用于教學和科普儀器中，但是本裝置不足之處在于電流源不能驅(qū)動線圈產(chǎn)生幅度很大的磁場，且磁場頻率范圍有限。

［1］陶益凡.基于DDS的信號發(fā)生器的研制[D].南京:南京信息工程大學,2006.

［2］高明甫,楊勇,孔令斌.二階壓控電壓源低通濾波器設(shè)計[J].電子技術(shù),2010,47(3):73-75.

［3］鄭敏.Helmholtz線圈的磁場分布及應(yīng)用[J].青海大學學報,2005,23(5):63-64.