譚 超,楊 哲,潘禮慶,龔曉輝,樂周美

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué)理學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

磁場是一個矢量,同時具有大小與方向?qū)傩?其測量儀器分為標(biāo)量測量和矢量測量兩大類。其中,高精度的標(biāo)量測量儀器有質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀和原子磁力儀等,它們在空間、海洋、地球物理勘探以及生物醫(yī)學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-3]。然而標(biāo)量磁力儀只能測量磁場的大小而無法測量其方向,因此在諸如地磁導(dǎo)航、未爆炸物檢測、反潛探測和電子羅盤等應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的限制。相較之下,矢量磁力儀由于可同時得到磁場的大小和方向[4],在這些應(yīng)用領(lǐng)域更具優(yōu)勢,所以發(fā)展高性能的矢量磁場傳感器是未來磁場測量的趨勢[5]。

目前,性能較好的矢量磁場傳感器有磁通門(Flux-gate)傳感器[6]、各向異性磁阻(AMR)傳感器[7]、巨磁阻(GMR)傳感器[8]、巨磁阻抗(GMI)傳感器[9]和隧道磁電阻(TMR)傳感器[10],它們都有著各自的特點(diǎn)。其中磁通門傳感器功耗低且穩(wěn)定性好[11];GMR傳感器體積小且有著極低的功耗[12];GMI傳感器線性度差但響應(yīng)速度很快[13];TMR傳感器磁滯大但靈敏度極高[14]。然而就集成性而言,AMR傳感器是其中最具優(yōu)勢的,它的芯片內(nèi)部集成了兩個電流帶,可分別用于置位/復(fù)位和閉環(huán)反饋,降低了信號調(diào)理的難度。因此當(dāng)研制高性能的磁場測量儀器時,AMR傳感器是一種很好的選擇。

1 信號調(diào)理電路

1.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

本文提出的閉環(huán)式AMR傳感器信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可知,信號調(diào)理電路由HMC1001磁阻傳感器、前置放大器P、電容C、開關(guān)同步檢波PSD、積分器I、V/I轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器LPF和同步時鐘組成。其中磁阻傳感器內(nèi)部包括惠斯通電橋、偏置電流帶和置位/復(fù)位線圈。

電路工作時,各點(diǎn)波形如圖2所示。具體工作過程如下:電路上電時,傳感器偏置電流帶中無電流,傳感器會輸出與外部待測磁場BX成正比的電壓信號;該信號先由前置放大器放大,后經(jīng)同步檢波和積分,在圖1所示d點(diǎn)得到一個逐漸增大的積分電壓輸出;將該電壓進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)生一個反饋電流作用于偏置電流帶,此時偏置電流帶中會產(chǎn)生一個反饋磁場BI,其方向與外部待測磁場BX方向相反;由于反饋磁場BI隨著d點(diǎn)積分電壓的增加而增加,因此它們的合成磁場會逐漸減小,從而導(dǎo)致HMC1001傳感器輸出電壓隨d點(diǎn)電壓的增加而降低,其過程如圖2中的曲線A、B、C所示。盡管HMC1001傳感器輸出的電壓減小,但是只要此電壓非零,即反饋磁場BI與外部待測磁場BX的大小不相等,圖1中d點(diǎn)的積分電壓將繼續(xù)增大,直到HMC1001傳感器的輸出電壓為零,電路達(dá)到平衡狀態(tài)為止,此時圖1中d點(diǎn)的積分電壓保持恒定狀態(tài),如圖2中曲線D的Q點(diǎn),該電壓大小與外部待測磁場呈正比。

圖1 電路結(jié)構(gòu)整體

圖2 各點(diǎn)信號波形圖

除此之外,由HMC1001傳感器數(shù)據(jù)手冊可知,傳感器輸出信號存在零點(diǎn)偏置,且其值隨著溫度變化而改變,利用置位/復(fù)位技術(shù)對傳感器進(jìn)行置位與復(fù)位以后,傳感器輸出波形如圖2中的波形A所示,由圖可知,被放大的傳感器輸出信號關(guān)于偏置電壓對稱,若環(huán)境溫度發(fā)生變化,則偏置電壓也會隨之改變。對此,本電路通過圖1中的耦合電容C消除直流偏置,使耦合后的輸出電壓關(guān)于零電壓正負(fù)對稱,且電壓大小正比于外部待測磁場,輸出電壓的正負(fù)由置位/復(fù)位脈沖決定,波形圖如圖2中的波形B所示。經(jīng)過交流耦合后,無論圖1中a點(diǎn)直流偏執(zhí)電壓隨環(huán)境溫度如何變化,圖1的b點(diǎn)波形仍然關(guān)于零電壓正負(fù)對稱,且電壓大小正比于待測磁場,只要傳感器自身的電壓靈敏度系數(shù)不隨溫度變化而變化,則圖1的b點(diǎn)電壓大小與溫度變化之前一直,從而達(dá)到抑制溫度漂移的效果。圖1中開關(guān)同步檢波電路的時鐘與置位/復(fù)位電路時鐘完全同步,以實(shí)現(xiàn)對b點(diǎn)信號波形進(jìn)行同步檢波,其波形變換過程如圖2中的波形B與波形C所示,檢波后波形為直流信號,最后在積分器完成電壓積分。

1.2 測量原理

已知地球磁場范圍為20 000 nT～120 000 nT,而對于單分量的矢量傳感器而言,±50 000 nT的測量范圍基本能夠滿足工程需求,因此本設(shè)計(jì)擬將±50 000 nT 的待測磁場BX調(diào)理到±2.5 V電壓,進(jìn)而可算出其理論上的靈敏度SN:

式中Vd為積分輸出電壓。由數(shù)據(jù)手冊可知:HMC1001傳感器內(nèi)部自帶用于產(chǎn)生反饋磁場的偏置電流帶,其線圈常數(shù)k約為51 mA/GS。所以反饋磁場BI可表示為:

式中I為反饋電流。又由圖3所示的V/I轉(zhuǎn)換電路可知,V/I轉(zhuǎn)換電路輸出的反饋電流公式為:

I=Vd/R

(3)

式中R為V/I轉(zhuǎn)換電路中的反饋電阻。將式(3)代入式(2),即可得積分電壓Vd與反饋磁場BI的關(guān)系式:

圖3 V/I轉(zhuǎn)換電路

(4)

又因?yàn)殡娐菲胶鈺r,傳感器工作于零磁場,即BI=BX,所以根據(jù)式(1)和式(4)可得調(diào)理電路的實(shí)際靈敏度為:

SN=kR

(5)

由式(5)可知,通過改變反饋電阻R的阻值,可調(diào)整信號調(diào)理電路的靈敏度。增加電阻R,調(diào)理電路的輸出電壓靈敏度會增加,但是輸出量程也會隨之降低,如當(dāng)R=100 Ω時,計(jì)算出的電壓靈敏度為51 μV/nT,根據(jù)式(1),對應(yīng)量程為±50 000 nT;當(dāng)R=200 Ω時,電壓靈敏度可達(dá)102 μV/nT,但是量程僅為±25 000 nT。

2 噪聲分析

2.1 傳感器噪聲分析

為了研究HMC1001傳感器的噪聲性能,搭建了如圖4所示的硬件測試平臺,以實(shí)現(xiàn)對不同放大倍數(shù)條件下傳感器的輸出噪聲的測試。該平臺主要由HMC1001傳感器和ADUCM360低功耗精密模擬微控制器組成,微控制器自帶雙24位ADC和可編程增益放大器(PGA),其中ADC均方根噪聲約為52 nV,放大器增益范圍為1～128倍。從圖4中可知,搭建的測試平臺具有3個噪聲源,它們分別為傳感器本底噪聲、放大器噪聲和ADC噪聲。

圖4 噪聲測試平臺

測試時,過程如下:調(diào)整ADUCM360內(nèi)部PGA增益,分別將其設(shè)為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍和128倍,即對傳感器輸出信號放大不同的倍數(shù);然后分別對不同增益條件下的放大信號進(jìn)行采集,一共得到8組,每組數(shù)據(jù)采樣6 000個點(diǎn),任意選取其中4 096個數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,得到不同增益條件下傳感器輸出信號的噪聲電壓功率譜密度譜,其圖形如圖5所示。從圖中可知:當(dāng)放大倍數(shù)為1至8倍時,噪聲電壓功率譜密度變化并不明顯,說明噪聲主要由放大器噪聲和ADC噪聲引起;當(dāng)放大倍數(shù)大于8倍時,噪聲電壓功率譜密度隨放大倍數(shù)的增加有明顯的增大,說明當(dāng)放大倍數(shù)大于8倍時,傳感器的噪聲是電路的主要噪聲源。

圖5 噪聲電壓頻譜圖

對目前常用的開環(huán)結(jié)構(gòu)的AMR傳感器信號調(diào)理電路而言(其噪聲模型如圖6所示,由圖中可知其噪聲來源主要為HMC1001傳感器固有噪聲NAMR、放大器輸入噪聲NIA和ADC噪聲),為了增加電路輸出電壓靈敏度,其信號調(diào)理電路的放大倍數(shù)往往在100倍以上,雖然較大的放大倍數(shù)使信號調(diào)理電路輸出電壓靈敏度得到了提升,但是信號中的噪聲也會被放大相同的倍數(shù),因此其信噪比并沒有得到改善。如前分析:對開環(huán)結(jié)構(gòu)而言,當(dāng)放大倍數(shù)大于某一值時,系統(tǒng)主要噪聲由傳感器固有噪聲NAMR決定,因此傳感器自身的噪聲性能決定了整個測量系統(tǒng)的噪聲性能。

圖6 開環(huán)結(jié)構(gòu)噪聲模型

綜上所述,放大器直接放大只能提高傳感器輸出電壓靈敏度而無法改善其信噪比。

2.2 閉環(huán)結(jié)構(gòu)噪聲分析

圖7 閉環(huán)結(jié)構(gòu)噪聲模型

根據(jù)圖1所示電路結(jié)構(gòu),得到的閉環(huán)電路噪聲模型如圖7所示。由該圖可知,該電路噪聲包括傳感器固有噪聲NAMR、放大器噪聲NIA、同步檢波電路噪聲NPSD以及V/I轉(zhuǎn)換電路噪聲NV/I?；谏鲜鲈肼暷Ｐ团c測量原理分析,可得如下兩個結(jié)論:

②信噪比提高。如前所述,開環(huán)式信號調(diào)理電路通過提高放大倍數(shù)來提高輸出電壓靈敏度,由數(shù)據(jù)手冊可知HMC1001傳感器的電橋靈敏度為0.16 μV/nT,為達(dá)到50 μV/nT的輸出電壓靈敏度,它需要被放大312.5倍,但是放大電路在放大信號的同時,噪聲也將會被同步放大,所以其信噪比并未得到改善。在閉環(huán)式信號調(diào)理電路中,放大電路的放大倍數(shù)為10倍,所以電路中的噪聲同時被放大了10倍,且由上文所述,閉環(huán)電路的實(shí)際輸出電壓由積分電路積分所得,積分電路自身不會產(chǎn)生噪聲,所以在相同的電壓靈敏度條件下(根據(jù)式(5),閉環(huán)結(jié)構(gòu)靈敏度由反饋電阻R決定),相當(dāng)于利用積分電路將信號放大了312.5倍,而噪聲不變,由此可計(jì)算出:理論上閉環(huán)電路能將傳感器的信噪比提高29.89 dB。就實(shí)際而言,由于電路中存在同步檢波電路噪聲和電流反饋電路噪聲,其實(shí)際信噪比改善度應(yīng)小于該理論值。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺及設(shè)備

為驗(yàn)證閉環(huán)式信號調(diào)理電路的性能,對其噪聲及線性度進(jìn)行了測試,并與開環(huán)式信號調(diào)理電路的性能進(jìn)行對比,其測試原理圖如圖8(a)所示。實(shí)驗(yàn)時,由PCB設(shè)計(jì)軟件畫圖并定制了三通道信號調(diào)理電路的PCB板,但考慮到本電路使用對象主要為單分量的矢量磁場傳感器且三個通道的信號處理效果相同,因此選擇用其中一個通道進(jìn)行測試并完成了實(shí)物焊接,實(shí)物如圖8(b)所示。

對比實(shí)驗(yàn)在噪聲測試平臺上進(jìn)行,平臺照片分別如圖8(c)所示。噪聲測試平臺包括五層磁屏蔽筒、直流電壓源、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī),分別用來屏蔽干擾磁場、給樣機(jī)與設(shè)備供電、采集輸出信號和數(shù)據(jù)存儲分析。

圖8 測試平臺

3.2 噪聲測試與分析

噪聲測試在五層磁屏蔽筒中進(jìn)行,以屏蔽外部磁場的干擾。使用直流電壓源(5 V)為信號調(diào)理電路供電,然后通過數(shù)據(jù)采集得到這兩種信號調(diào)理電路的輸出電壓值,再根據(jù)輸出電壓靈敏度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的磁場值。測試時,兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)理電路輸出信號采樣頻率都為100 Hz,經(jīng)過一段時間的采樣,每種電路約采集8 000個數(shù)據(jù),然后從中隨機(jī)選取連續(xù)的4 096個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其時間域波形如圖9所示。從圖中可知,開環(huán)式信號調(diào)理電路的磁場波動范圍約為13 nT,而閉環(huán)式信號調(diào)理電路磁場波動范圍約為2 nT,可見閉環(huán)式信號調(diào)理電路的穩(wěn)定性更好。

圖9 開(閉)環(huán)電路時間域波形

為研究其噪聲性能,對圖11所示兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了功率譜分析,得到兩種調(diào)理電路的噪聲功率譜圖如圖10所示。

圖10 噪聲功率譜圖

為了對調(diào)理電路噪聲性能作進(jìn)一步研究,在上文采集的兩組數(shù)據(jù)中各選取了10組連續(xù)的數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)100個點(diǎn),并對這100個點(diǎn)做均方差計(jì)算得到電壓均方差,然后根據(jù)輸出電壓靈敏度換算為磁場均方差,其結(jié)果如圖11所示。

圖11 磁場均方差

由圖11中的10個點(diǎn)計(jì)算可得,開環(huán)式信號調(diào)理電路10組數(shù)據(jù)的磁場噪聲均方根平均值為2.738 nT,閉環(huán)式信號調(diào)理電路10組數(shù)據(jù)的磁場噪聲均方根平均值為0.457 nT,這說明閉環(huán)式信號調(diào)理電路輸出信號離散程度更低。除此以外,由以上磁場均方差計(jì)算可得,閉環(huán)式信號調(diào)理電路信噪比改善度如下式:

該值小于上文中理論計(jì)算結(jié)果,其原因在于:除了傳感器本底噪聲及放大器噪聲外,電路中還存在開關(guān)同步檢波電路噪聲和電流反饋電路噪聲,并且采集數(shù)據(jù)時所用的數(shù)據(jù)采集卡也存在一定噪聲,這些噪聲也會被引入輸出電壓,所以其實(shí)際值低于理論值。

4 結(jié)論

本文通過研究不同倍數(shù)的放大器增益對傳感器噪聲性能的影響,結(jié)合比例積分控制和閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)提出了一種基于PI閉環(huán)控制的AMR磁場傳感器信號調(diào)理電路,對其原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析,并通過實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對于AMR傳感器而言,該電路能有效提高其信噪比,改善噪聲性能。除此以外,本文中信號調(diào)理電路的測量范圍為±50 000 nT,積分輸出電壓為±2.5 V,靈敏度約為50 μV/nT,在相同的輸出電壓范圍內(nèi),通過調(diào)節(jié)反饋電阻阻值可改變磁場測量量程,但其靈敏度與噪聲性能也會隨之改變,即提出的調(diào)理電路結(jié)構(gòu)可為其他不同量程、靈敏度與噪聲性能需求的磁場測量應(yīng)用提供參考。