毕业论文(磁通门传感器)

1、吉林大学本科毕业论文（设计） 1 摘要 三分量磁通门地磁场检测装置是应用磁通门传感器对地磁场进行测量 的矢量检测装置。与其它类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨率高， 测量弱磁场范围宽，体积小、重量轻、功耗低，经济性好，能够直接测量 磁场的失量和适于在高速运动系统中使用等特点，被广泛应用于各种领域。 本文分析了磁通门传感器的工作原理，详细论述了如何采用数字检波 的方法进行信号处理.本文还介绍了三分量地磁场检测装置硬件电路的设 计和单片机程序。检测装置主要由三分量磁通门传感器、单片机最小系统、 A/D 数据采集电路和串口电路构成。三分量磁通门传感器检测到磁场的矢 量大小，输出信号经过有源滤波器

2、和放大器处理后得到三路幅度与磁场各 分量大小成正比的正弦信号。A/D 同时对三路信号进行 4 倍频采样，将两 个周期的采样数据传送到单片机，然后单片机通过串行端口将数据发送到 计算机，最后由计算机完成数据的处理和分析。 关键词关键词 三分量 地磁场 数字检波 数据采集 串行端口 吉林大学本科毕业论文（设计） 2 The Design of Geomagnetic Field Detection Device Based on Three-component Fluxgate Sensors AbstratAbstrat The three-component fluxgate geoamagn

3、etic field detection device is a kind of vector detection device which can measure the geoamagnetic field directly.Compared with other instruments which can measure geomagnetic field,the fluxgate sensor has the virtue of small size,light weight, low power consumption and good economy,is used widely

4、in different fields. This paper introduces the working principle of the fluxgate sensor and the digital demodulation method in detail. The design of hardware circuit of the three-component fluxgate geomagnetic field detection device and progamming of MCU are also introduced in this paper. The detect

5、ion device consists of three-component fluxgate sensors, MCU system, A/D data acquisition circuit and com port communication circuit. The magnetic vector is detected by the three-component fluxgate sensors,signals output from the senors are processed by active filters and amplifiers.Then there are t

6、hree sinusoidal signals,whose amplitude are proportional to the magnitude of geomagnetic field component. The A/D convertor produces 4 points sampling signals, and transmits data of two cycles to CPU, then CPU send the data to computer via the com port. Finally,the data is processed and analyzed by

7、computer. Keywords three components geomagnetic field Digital demodulation 吉林大学本科毕业论文（设计） 3 Data Acquisition Com Port 目录目录 摘要 .1 ABSTRAT.2 1 绪论 .1 1.1 研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义 .1 1.2 各种测磁仪器 .2 1.3 磁通门测磁仪器的研究现状 .5 2 检测装置的工作原理 .6 2.1 磁通门传感器的工作原理 .6 2.2 检测装置的工作原理 .8 2.3 地磁检测装置的主要功能 .12 3三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路

8、设计 .12 3.1 前置检测电路的设计 .12 3.1.1 分频电路和信号转换电路的设计： .13 3.1.2 驱动电路的设计： .13 3.1.3 选频放大电路的设计： .14 3.2 16 位 A/D 转换器 4 倍频采样的硬件设计 .16 3.2.1 根据 A/D 采集电路的设计要求选择合适的 A/D：.16 3.2.2A/D 采集电路的设计：.17 3.3 内部电源的设计 .18 4 三分量磁通门地磁场检测装置的的软件设计 .19 4.1 STC89C54RD+单片机介绍.19 4.2A/D 的软件控制.20 4.3程序流程图 .21 4.4示例程序 .21 4.5串口发送的硬件设计

9、 .23 5测试结果及分析 .24 吉林大学本科毕业论文（设计） 4 5.1分频器电路测试 .24 5.2 功率驱动电路的测试 .25 5.3 信号转换电路测试 .25 5.4 带通滤波器的测试 .26 6对三分量测量的通道差异进行校正的方案设计 .28 6.1方案 1：通过硬件电路的调试进行校正 .28 6.2方案 2：通过软件编程对测量结果进行校正 .29 总结 .30 参考文献及参考资料 .31 致谢 .33 英文翻译 .34 英文翻译原文 .37 吉林大学本科毕业论文（设计） 1 1 绪论绪论 1.11.1 研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的

10、和意义 在介绍三分量磁通门地磁场检测装置之前，首先介绍一下它的研究目 的和意义。检测装置主要是通过检测地磁场的大小来寻找铁磁性物质的。 铁磁性物质中很重要的一类就是铁。 我国是最早发现和使用铁的国家，同时铁也是世界上发现并使用最早 的一种金属材料。 世界铁资源丰富，据美国地质调查所和矿业局 1996 年 1 月的统计， 世界铁矿石资源量超过 8000 亿吨，折合金属量超过 2300 亿吨。1995 年 世界铁矿石储量 1 500 亿吨、储量基础 2300 亿吨，折合铁金属量分别为 650 亿吨、1000 亿吨。我国铁金属储量 73.29 亿吨，应在俄罗斯、澳大利 亚、加拿大、巴西之后居世界第

11、5 位。 截至 1996 年底，全国共查明铁矿产地 1834 处。累计探明铁矿石储量 504.78 亿吨，按全国铁矿石平均含铁品位 33%计算，铁金属量为 166.58 亿吨。扣除历年开采与损失，尚保有铁矿石储量 463.47 亿吨，铁金属 152.95 亿吨。 根据 80 年代中期地质科研部门对我国铁矿资源的预测，将全国大陆 划分为 17 个预测区，共有有望航磁异常区 1084 处，预测资源潜力 606 亿 t。其中 11 个预测区分布在东经 105线以东地区，有望航磁异常区 754 处，预测资源潜力为 317 亿 t，东部地区找矿程度较高，预测资源多以隐 伏矿或盲矿体分布在已知矿带的深部和

12、周边部。东经 105线以西地区， 包括 6 个预测区，有望航磁异常 330 处，预测资源潜力为 289 亿 t，西部 地区找矿和研究工作程度较低或很低，尚有发现新矿区的前景。 中国的铁矿资源很丰富，但铁矿石进口量却居世界第一。近年来，中 吉林大学本科毕业论文（设计） 2 国主要进口铁矿石的一些来源国不断调高铁矿石的出口价格。面对这种形 势，中国自己开采铁矿的需求越来越迫切。中国铁矿资源有两个特点：一 是贫矿多，贫矿出储量占总储量的 80%；二是多元素共生的复合矿石较 多。此外矿体复杂；有些贫铁矿床上部为赤铁矿，下部为磁铁矿。因此， 开采铁矿不能漫无目的，我们需要有效的探测手段确保有价值的开采，

13、所 以地磁检测装置的研究是非常必要的。本文要介绍的基于三分量磁通门测 磁法的地磁检测装置就是一种高效的测磁手段。 磁通门测磁法问世后不久，在第二次世界大战中就被应用于探雷、探 潜等方面，战后又被广泛应用于地面磁场研究、航空磁测、地震预报研究、 地下矿床勘探、生物医学研究、星际间磁测等领域。几十年来，尽管测量 磁场的新方法不断涌现，磁通门传感器仍以其测量灵敏度高、坚固小巧、 使用灵活、工作可靠，电路功耗低、结构简单等显著优点，被普遍应用于 弱磁场测量领域。 目前地磁测量所使用的测磁仪器多数是进口产品，价格昂贵，维修比 较困难。 基于该现状，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，

14、测量数据的处理完全数字化，操作方便，成本较低，设计模块化， 并且易于维修。而且，与大多数测磁仪器相比，检测装置的功耗非常低， 采用12V 外部电源供电，测量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。 下面先介绍一下各种测磁仪器。 1.21.2 各种测磁仪器各种测磁仪器 测磁仪器根据采用磁敏传感器的种类分为很多种。已经被淘汰的是采 用机械式磁敏传感器的机械式磁力仪；目前应用比较广泛的磁敏传感器有 磁通门式磁敏传感器、质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、 吉林大学本科毕业论文（设计） 3 SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器、光纤式磁敏传感器、半导体磁 敏传感器；处于研究、试验

15、阶段的测磁仪器有固体电子自旋共振磁力仪、 原子磁力仪等。 下面就以下几种测磁仪器做简单介绍： 机械式磁力仪（mechanical magnetometer）又称作磁秤，利用一个可 绕固定轴自由旋转的磁棒，其偏转角的大小与外磁场强度成比例的关系来 测量磁场大小。利用磁棒放置位置的不同可以分别测定垂直磁异常和水平 磁异常，其相应的仪器为垂直磁秤和水平磁秤。由于是用重力矩来平衡磁 力矩，所以只能测垂直（或水平）地磁场相对于一个固定点的改变值。从 制造工艺上讲，要采用精度很高的设备加工机械零件和光学零件，调试过 程也比较复杂。总之，无论是操作使用还是制造工艺，跟电子测磁仪器相 比，都很复杂。机械式磁力

16、仪于 1991 年停产，取而代之的是电子磁力仪。 超导磁力仪（superconducting magnetometer, SQUID）是利用约瑟夫逊 效应测量磁场的测磁仪器。测量仪器应用了超导量子干涉器。采用超导材 料制成的闭合环对外磁场会产生周期效应，其磁通变化与外磁场变化成正 比。超导磁力仪正是利用这个原理来测量磁场的。这种仪器的灵敏度可达 10-510-6纳特。可制成航空磁力梯度仪，也可用于地面磁场的研究及弱 磁性岩石的磁性测定。常用在对测量精度要求高的地方，成本相对稍高一 些。 质子磁力仪（proton precession magnetometer）是应用质子旋进式磁敏 传感器制成的

17、测磁仪器。氢原子核的质子是一种带有正电荷的粒子，其本 身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁场的作用下自旋质子将按一定 方向排列，称为核子顺磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆 磁性物质中才能反映出来，如某些碳氢氧化合物液体(水、酒精、甘油等)。 吉林大学本科毕业论文（设计） 4 在这些样品中质子受某强磁场激发而具有定方向排列，去掉外磁场，则 质子在地磁场作用下将以同相位绕地磁场 T 旋进，其旋进频率 f 与地磁 场 T 有以下关系：T=2.34872f，单位为纳特。当测定出频率 f 以后即可计 算出总磁场强度 T 的数值。利用这种原理制成的仪器称为质子旋进式磁 力仪，或称核子旋进式磁

18、力仪。质子旋进磁力仪稳定性好。温度影响小、 没有零点掉格、精度高，可观测弱磁异常工作时不必准确定向，适于在运 动状态下观测。仪器灵敏度一般为 0.1 纳特。但这类仪器的使用要受到磁 场梯度范围的限制，常用于地面、航空和海洋磁测等一些要求准确测量出 绝对磁场大小的研究领域。我国生产的这类仪器有 302 型海空核子旋进磁 力仪灵敏度可达 0.1 纳特，CHD 型地面核子旋进磁力仪灵敏度可达 0.15 纳特。 光泵磁力仪（optical pumping magnetometer）是应用光泵式磁敏传感 器制成的测磁仪器。因为由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定频率的交 变电磁场的作用下，又将产生共振吸收

19、作用，打乱原子的排列情况。发生 共振吸收现象的电磁场的频率与样品所在点的外磁场强度成一比例关系， 故测定这一频率就可以测出外磁场的值。常用的工作元素有；铷 (Rb87，Rb85)；铯(Cs133)；氦(He4，He3)等。光泵磁力仪按线路结构特 点又可分为跟踪式及自激式两大类。这类磁力仪的特点是灵敏度高，可达 0.001 纳特。可以测定总磁场强度的绝对值，没有零点掉格及温度影响， 工作时不需准确定向，适于在运动条件下进行高精度快速连续测量，如航 空磁测和海洋磁测等。 磁通门磁力仪（fluxgate magnetometer，FGM） ，又称饱和式磁力仪。 它是一种电子磁力仪。它利用高磁导率的坡

20、莫合金作灵敏元件，在弱磁场 中就能达到磁饱和。灵敏元件的磁芯为闭合磁路，在其两边绕以匝数相同、 绕向相反的激励绕组，外侧是输出绕组。对激励绕组给以交变电压，使灵 吉林大学本科毕业论文（设计） 5 敏元件达到近于饱和，若无外磁场存在，则两边磁芯产生的磁通波形对称 而反向，这时讯号绕组将没有感应电压输出。当沿元件轴向存在有外磁场， 则两边磁芯在正、负半周内饱和程度不一，产生的磁通量不能互相抵消， 将有感应电压脉冲输出。其幅度与外磁场大小成正比，据此即可测定外磁 场的大小。可用于地面、航空或井中磁测。 由上面的介绍可以看出磁通门测磁仪器有它自身的优势，是其他测磁 仪器无法替代的。磁通门是第一种实际投

21、入使用的电子式磁力仪。现在的 磁通门测磁仪器做得非常小型化，携带方便，仪器使用简单，成本相对比 较低，因此在一般测量中使用的较多。 1.31.3 磁通门测磁仪器的研究现状磁通门测磁仪器的研究现状 磁通门测磁仪器是利用磁芯在交变磁场激励下发生导磁特性变化从而 调制被测磁场，通过对调制信号的检测实现对外磁场的测量。磁通门测磁 法以其测量范围宽、分辨率高、频带宽及经济实用的特点，早在 20 世纪 30 年代就开始应用于地磁测量，经过后来的不断完善与发展，目前已成 为国际地磁相对记录的主流设备。 第一台磁通门磁力仪产生于 20 世纪 30 年代，迄今己有多种不同类型 的磁通门磁力仪。因其分辨率、频率响

22、应、动态范围和线性特性都能满足 记录地磁场各分量变化的要求，具有轻便、价格低廉、安装调试简单和容 易实现数字化等特点，所以世界大多数地磁台站都使用磁通门测磁仪器作 为变化磁场的记录仪器，代替了传统的磁变仪。国际上比较有代表性的磁 通门磁力仪有加拿大的 FM20 型和 CANMOS 型磁通门磁力仪、奥地利的 CH IMAG 型磁通门磁力仪、英国的 FLARE 磁通门磁力仪、美国的 SMALL 磁通门磁力仪。这些磁通门磁力仪代表了该仪器技术的先进水平， 它们都具有低噪声、采样率高、温度性能良好、数字化等特点。 在我国，早在 20 世纪 80 年代就开始将磁通门磁力仪应用于地磁观测 吉林大学本科毕业

23、论文（设计） 6 的技术研究。在 2002 年时中国地震局地球物理研究所己经研制成功了 GM-1 型、GM-2 型单向模拟记录磁通门磁力仪和 GM3 型三分量数字记录 磁通门磁力仪。但由于仪器的长期稳定性、温度特性等还不能满足地磁台 站日常观测的基本要求，所以未能得到广泛应用。因此降低仪器的温度系 数、提高仪器的稳定性，降低安装的复杂程度、减小仪器的体积、提高仪 器的自动化程度一直是仪器研制者持续开发与改进的目标。 本文讨论的这种三分量磁通门地磁场将测装置具有的主要特点是体积 小、安装简单、稳定性高，由于它可以同时测量磁场在三个方向的分量， 然后进行矢量合成，所以测得的数据有很高的可靠性。 2

24、 检测装置的工作原理检测装置的工作原理 2.12.1 磁通门传感器的工作原理磁通门传感器的工作原理 磁通门传感器就是利用某些高磁导率的软磁材料（如坡莫合金）作磁 芯，以其一起在交流磁场作用下的次饱和特性及法拉第电磁感应原理研制 成的测磁装置。其结构可以看成一个特殊的变压器，磁通门测磁法正是利 用这种特殊变压器的磁芯，当交变电流流过该变压器原边线圈时，磁芯反 复被交变过饱和励磁所磁化，当有外磁场存在时，励磁变得不对称，变压 器的输出信号受到外磁场的调制。通过检测输出的调制信号就可以实现对 外磁场的测量。磁通门探头的输出主要是激励信号的二次谐波，需要经过 处理得到测量数据。 根据磁通门传感器的磁芯

25、几何形状分为闭合式和非闭合式两类： 圆形磁芯 跑道形磁芯 长方形磁芯 闭合式磁芯 长条形双磁芯 长条形单磁芯 非闭合式磁芯 磁芯 吉林大学本科毕业论文（设计） 7 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。 跑道型磁芯的长轴场边尺寸远大于短轴尺寸，因此，认为跑道型磁芯 仅被延长轴方向的磁场所磁化。在实际应用中，也仅用它来测量延长轴方 向的磁场分量。图 2.1 所示为跑道型磁芯的二次谐波法测磁原理。 41 2f f 2 L L1 1 L L2 2 L LS S 3 图 2.1 跑道型磁芯机构示意图 1 灵敏元件架；2初级线圈 3输出线

26、圈； 4坡莫合金环 若在跑道形磁芯的彼此平行的两长边上，分别绕一组匝数相同的线圈 L1、L2，同向串联作为激励线圈；在 L1、L2 外侧绕一公用的测量线圈 Ls。在激励线圈中输入正弦交变电流 I=Imsint，假定 L1 中磁场 H1=2Hmsint，L2 中磁场 H2=-2Hmsint。传感器的输出电压如图 2.2（d）所示，可以表示成下面的分段函数的形式： 0 cos102 0 cos102 0 8 8 SH SH E sm sm S 2 2 2 21 11 12 2 吉林大学本科毕业论文（设计） 8 2.1 Es 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： 2.2

27、 t e H H H fS s n d E m s S 2sin 8 1016 2 1 H He -Hs Bm (a) （b ） = t H2 H1 H e1 e2 E （d） H = t B1 B2 （c） B -1 - 2 图 2.2 磁通门式磁敏传感器测磁原理 （a）软磁材料动态磁回滞曲线的理想化模型 （b）外加磁场时，两线圈中的磁场不再对称 （c）外加磁场时，两线圈中磁场出现饱和段 （d）传感器在正弦波激励时的理论输出波形 2.22.2 检测装置的工作原理检测装置的工作原理 三分量磁通门地磁场检测装置主要利用法拉第电磁感应原理实现对地 磁场的检测。传感器将地磁信号转化为电信号，检测装置

28、通过检测这种电 信号来判断地磁信号大小，进而判断检测地点的状况。实现这种判断主要 吉林大学本科毕业论文（设计） 9 依靠三分量磁通门传感器，它的每个传感器都采用双铁芯结构，在两根铁 芯上缠绕的激励线圈反向串联（如图 2.1 所示） ，励磁电流通过激励线圈 时，在两铁芯中产生的激励磁场方向相反，若两铁芯形状尺寸和电磁场参 数完全对称，两铁芯中的磁通在测量线圈中产生的感应电势互相抵消，输 出为零；当沿铁芯长轴方向施加外部磁场时，其中一个铁芯的磁场先于另 一个达到饱和，造成测量线圈中的感应电势不能互相抵消，输出非对称的 波形，波形的主要成分是激励信号的二次谐波。由于外磁场产生的感应电 势的幅值与外磁

29、场大小成正比，可通过测量输出信号的二次谐波分量来测 量外磁场。为便于研究，将式 2.2 改写成如下形式： 2.3）（t e AHES2sin 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相同的参考信号，两者相位相差 90 度，假设分别为和）（t2sin ，这时 ES与参考信号相比有一个相移，表达为示成式 2.4 的）（t2cos 形式： ）（t e AHES2sin 2.4 ES分别乘以参考信号，得到如下结果： 2.5 )4cos(cos2/12)2cos( 2)2cos(2/1)sin(2 ttt tt e AHtES 2.6 sin)4sin(2/12)2si

30、n( 2)2sin2/1)(2c ttt tt e AHtosES（ 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 0 cos2/1)2()2sin( 1 e AHtdtER S 吉林大学本科毕业论文（设计） 10 2.8 sin2/1)2()2cos( 1 2 0e AHtdtEX S 2.9 22 2XRAHe 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

31、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相同 的方波和： 1 S 2 S 2.10 0 1 S1 ) 12(2 22 kk kk 2.11 0 1 S2 2/322/2 /2k2/2-2k kk 我们对信号进行 4 倍频采样，采样点设为，。在 1S E 2S E 3S E 4S E 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）（t e AHES2sin 2.13sin 1 eS AHE 2.14cos 2 eS AHE 2.15sin 3 eS AHE 2.16

32、cos 4 eS AHE 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 吉林大学本科毕业论文（设计） 11 信号表示如下： 其一， 2.17 1 SEE SS 采样信号为 2.18 cos sin cos sin 4 3 2 1 eS eS eS eS AHE AHE AHE AHE 其二， 2.19 2 SEE SS 采样信号为 2.20 cos sin cos sin 4 3 2 1 eS eS eS eS AHE AHE AHE AHE 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： )cos(sin2/1)(4/14/1

33、4 3 2 1 3 0i SSSSSi EEEEEI 2.21 )cos(sin2/1)(4/14/1 4 3 2 1 3 0i SSSSSi EEEEEQ 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 dtitI i 3 0 S )/(E4/1 2.24 dtitQ i 3 0 S )/(E4/1 吉林大学本科毕业论文（设计） 12 式中为采样周期，即。/2 经过上述分析，我们可以通过下面的计算得到最终的结果： 2.25 22 QIQIAHe 2.32.3 地磁检测装置的主要功能地磁检测装置的主要功能 三分量磁通门地磁场检测装置主要是通过检测地磁场在三个互相

34、垂直 的方向上的分量来测量地磁场总场强度的。三分量磁通门式磁敏传感器能 检测到地磁场的各个分量被调制后的信号，经选频放大电路得到幅值与分 量大小成正比的二次谐波，用 16 位 A/D 对这些信号进行 4 倍频采样，通 过外部中断的方式将采样数据分别送入单片机，单片机在读够两个周期的 采样数据（共三组，每组 16 个字节即 8 个 16 位数据）后，经 MAX232 进行电平转换通过串口发送的方式将数据送到计算机，有计算机完成最终 的数据处理和分析。 3 三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计 3.13.1 前置检测电路的设计前置检测电路的设计 前置检测

35、电路的原理方框图如下： 212 传感器 驱动 电路 16 位 A/D 四倍频采样 振荡 分频器 29信号 转换 选频 放大器 图 3.1 前置检测电路原理框图 吉林大学本科毕业论文（设计） 13 分频电路采用 20MHz 晶振，分频输出用 212倍分频作为驱动电路的输 入信号，经功率放大用作传感器激励信号；29倍分频经信号转换电路整形， 用作 A/D 转换的时钟信号。下面具体介绍一下各部分电路： 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 激励信号，需要有振荡电路为其提供频率源。 石英晶振振荡器产生的信号频率为 20MHz，需要进行 4000 倍（约 212=409

36、6 倍）分频。同时，A/D 进行 4 倍频采样，需要 40kHz 的时钟信 号，并且要求占空比接近 100%（详见 AD7656 工作时序） ，所以分频器的 29倍分频输出需要接信号转换电路。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。 图中 13 脚为 29倍分频输出，1nF 电容和 1.6k 电阻形成微分电路，和 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。 74HC4060 O12 2 O13 3 RTC 10 O3 7 MR 12 RS 11 O4 5 O5 4 O6 6 O7 14 O8 13 O9 15 O11 1 CTC

37、9 20MHz 2M 30pF 30pF 1nF 1.6k 5.6k 74HC00（ A（ 图 3.2 分频电路及信号转换电路 3.1.2 驱动电路的设计： 分频器输出带载能力较弱，不能直接用作激励因此需要驱动电路进行 功率放大。理想的激励信号应该是频率为 5kHz、幅度为 3V 的正弦波， 要求正弦波的幅度非常稳定，所以实际激励信号采用 5kHz 的方波，幅度 吉林大学本科毕业论文（设计） 14 为 3v。分频器的输出幅度约为 6V，经 5.6k 缓冲电阻减压，功放电路输出 幅度约为 4V，需要进行变压处理，电路设计如图 3.3： 图中的隔离线圈是手工绕制成的，其中，初级线圈的计算匝数为：

38、fBAVNi4/ 29 匝（式中 iV 为线圈两端交流电压的幅度，取 4V； f 为 信号频率，取 4.88103Hz；B 为磁环磁通量，一般取 0.3Wb，A 为磁环 截面积，取 2.410-5 2 m ） ，实际绕了 50 匝，次级为 40 匝。 V1 9 V V2 9 V 8050 8550 1.6k 1.6k 100nF 100nF 100nF 47uF 图 3.3 驱动电路 3.1.3 选频放大电路的设计： 测量需要传感器输出的二次谐波成分，因此，传感器的输出信号不能 直接进行放大、采样，必须经过带通滤波器滤出二次谐波，放大后在进行 采样处理。 滤波器的设计采用压控电压源型二阶带通滤

39、波器，其特点是输入阻抗 高，输出阻抗低，而且电路结构简单。滤波器要求的设计参数为：中心频 率为 10kHz，Q 值为 10，对中心频率的放大倍数为 30 倍。实际电路形式 如图 3.4 所示。传感器的输出信号经滤波处理后其幅度不足以进行采样， 故加一级放大。 吉林大学本科毕业论文（设计） 15 LM258 1nF 16k 9V -9V XBP1 INOUT XFG1 1nF 33k 16k 5.6k 3k LM258 16k 100k 9V -9V 16k 图 3.4 选频放大电路 仿真结果如下图所示： 图 3.5 带通滤波器伯德图仿真结果 从上图可以看到，滤波器设计合理，而且仿真结果接近设计

40、目标，实 吉林大学本科毕业论文（设计） 16 际仿真参数如下：中心频率为 9.573kHz，Q 值为 9.4，中心频率出放大倍 数为 28.548dB（26.75 倍） ，对二次谐波（实际频率为 9.76kHz）的放大 倍数为 27.645dB（24.15 倍） ，符合设计要求。 3.23.2 1616 位位 A/DA/D 转换器转换器 4 4 倍频采样的硬件设计倍频采样的硬件设计 3.2.1 根据 A/D 采集电路的设计要求选择合适的 A/D： 由于课题设计要求 A/D 实现对二次谐波的四倍频采样，所以，所选 A/D 的转换速率必须在 40kHz 以上；分辨率课题要求 16 位以上；由于采

41、样频率必须精确为四倍频，因此 A/D 采样率应该可变；由于是对交流信 号采样，故 A/D 应能进行正负采样；课题要实现三分量测量，有三路信 号输入，要求同时对三路信号采样，故要求 A/D 能实现三路以上同时采 样。根据以上要求，最终选择逐次逼近型 16 位 A/D 数据采集电路 AD7656。 AD7656 的最高采样频率可达到 250kHz，属于逐次逼近型，采样频率 可变，通过转换使能脚输入启动信号，控制六个通道同时进行数据转换， 这里我们只用其中三个通道。各通道的转换结果在每次转换结束后可通过 16 位并行数据线依次传送到单片机。图 3.6 是 AD7656 的工作时序图： 图 3.6 A

42、D7656 的时序图 吉林大学本科毕业论文（设计） 17 3.2.2A/D 采集电路的设计： 图 3.7 AD7656 内部结构框图 从 AD7656 的内部结构图和时序图可以看出，AD7656 既可以用硬件 电路控制，也可以通过软件编程来操作，使用起来方便灵活。使用软件操 作时，数据的传输可以以字节的形式，即进行 8 位数据的并行传输（详见 AD7656 资料翻译中的管脚说明） ，此时的工作时序如图 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，采用硬件电路控制即可, 数据的读取采用硬件中断的方法。具体的电路形式如图 3.9 所示。在图中， 为保证电路看起来清楚、方便

43、，电路中所有 AD7656 的电源引脚都没有连 接。在此加以说明：AVCC 和 DVCC 均接+5V 电源，AGND 和 DGND 分 别接数字地和模拟地（实际电路对模拟和数字接地并没有加以区分） ， VSS 接-9V 电源，VDD 接+9V 电源，其余管脚做悬空处理。 吉林大学本科毕业论文（设计） 18 图 3.8 AD7656 采用字节传送方式的工作时序 图 3.9 AD 采集电路 另外，图中单片机型号为 STC89C54RD+，内部集成了 MAX810 专用 复位电路，所以 RESET 管教直接接地。单片机采用外部时钟源，时钟由 40MHz 有源晶振提供。 AD7656 的 BUSY 脚

44、在转换时为高电平，当转换结束后转为低电平， 可用作中断信号。 3.33.3 内部电源的设计内部电源的设计 整体电路采用12V 外部电源供电，因前置电路需要9V 电源，而 吉林大学本科毕业论文（设计） 19 A/D 和单片机电路需要+5V 电源，所以电源电路需要用到三端稳压管 7809、7909 和 7805，具体电路如图 3.10 所示： 图 3.10 内部电源电路 4 三分量磁通门地磁场检测装置的的软件设计三分量磁通门地磁场检测装置的的软件设计 4.14.1 STC89C54RD+STC89C54RD+单片机介绍单片机介绍 设计采用 STC89C54RD+单片机，该单片机具有以下显著特点：

45、超强抗干扰 1 、高抗静电（ESD 保护） ； 2 、轻松过 4KV 快速脉冲干扰(EFT 测试） ； 3 、宽电压，不怕电源抖动； 4 、宽温度范围, -4085； 5 、I/O 口经过特殊处理； 6 、单片机内部的电源供电系统经过特殊处理； 7 、单片机内部的时钟电路经过特殊处理； 8 、单片机内部的复位电路经过特殊处理； 9 、单片机内部的看门狗电路经过特殊处理。 吉林大学本科毕业论文（设计） 20 1 个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低 EMI（电磁干扰， 英文 Electromagnetic Interference 的简称） 1 、禁止 ALE 输出； 2 、如选 6 时钟/

46、机器周期，外部时钟频率可降一半； 3 、单片机时钟振荡器增益可设为 1/2gain。 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 、正常工作模式： 典型功耗 2.7mA-7mA； 4 、掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统，如水表、气 表、便携设备等。 可在线编程, 无需编程器, 可远程升级； 内部集成 MAX810 专用复位电路，原复位电路可以不用，RESET 脚直接短到地。 4.24.2 A/DA/D 的软件控制的软件控制 AD7656 软件控制的引脚连接（如图 3.9 所示）如下： CS P2.7 RD P2.6 RESET P

47、2.5 DB07 P0.00.7 DB815 P1.01.7 BUSY INT0 根据图 3.6 所示 AD7656 的工作时序，转换结束后 A/D 向 CPU 发送中 吉林大学本科毕业论文（设计） 21 断请求，CPU 响应后送片选信号给 A/D 进行读数据操作，每次读一个通 道，执行三次读数操作后一次中断完成。 4.34.3程序流程图程序流程图 程序流程图如图 4.1 所示。开机后经过 1S 延时启动 A/D 转换器工作， 等待 A/D 转换。A/D 在转换结束后向单片机发送中断请求，单片机相应 响应中断，通过 16 位并口从 A/D 读数。当单片机执行 8 次中断（读到两 周器的转换数据

48、）后，关中断，同时让 A/D 停止转换，单片机工作在查 询方式，通过串口将所有数据发送到计算机，由计算机进行数据的处理。 N N 初始化 开始 转换结束？ 进入中断 中断 8 次？ 串口发送 结束 图 4.1 程序流程图 吉林大学本科毕业论文（设计） 22 4.44.4 示例程序示例程序 系统在开机后需要一个 1s 的延时来启动 AD，下面以延时程序为例给 出一段示例程序： #include startup.h . /包含头文件等 #define uint8 unsigned char /关键字的简化及 AD 的控制连接 void delay1ms(unsigned int K); /函数及变

49、量声明 main() RS=1; /将 AD7656 复位 delay1ms(1000); RS=0; /开机 1s 延时后，启动 AD while(1) void delay1ms(unsigned int K) unsigned int i,j; for(i=0;iK;i+) /多少个 1ms for(j=0;j=240;j+) /延时约为 1ms 吉林大学本科毕业论文（设计） 23 4.54.5 串口发送的硬件设计串口发送的硬件设计 串口通信用到的主要芯片是 MAX232，它的低功耗关断模式适合电池 供电系统。外接电路简单，很适合应用于面积有限的印刷电路板。它有双 路电荷泵 DC-DC

50、电压转换器，RS232 驱动器、RS232 接收器，以及接收 器与发送器使能控制输入。MAX232 内部有两个电荷泵，将5V 转换为 10V(空载)，为 RS-232 驱动器提供工作电压，第一个转换器利用电容 C1 将5V 输入加倍，得到 V输出端 C3 上的10V，第二个转换器利 用电容 C2 将10V 转换为 V输出端 C4 上的10V。可以从 10V（V）和10V（V）输出端获取少量的电源功率，为外部电路 供电。 串口连接电路如图 4.2 所示： 图 4.2 串口连接电路 吉林大学本科毕业论文（设计） 24 如图 13，当外部中断执行 8 次（A/D 采样两个周期）后，关外部中 断，这时

51、 CPU 内部存储器中存放有 3 个字符数组，每个数组中有 16 个字 节的字符数据，CPU 工作在查询方式下，通过串口将数据发送到计算机。 5 测试结果及分析测试结果及分析 5.15.1 分频器电路测试分频器电路测试 用 DF4321（20MHz）型示波器测试，20MHz 晶振振荡产生波形如 下图所示（扫描时间为 0.2S）： 图 5.1 晶振振荡波形 吉林大学本科毕业论文（设计） 25 图 5.2 212倍分频输出波形 对晶振频率 212倍分频得到 5kHZ（扫描时间为 100S）激励信号如图 5.2，其幅度约为 5V（电压档位在 2V 档） 。 5.25.2 功率驱动电路的测试功率驱动电

52、路的测试 功率放大后经变压器输出波形，如图 5.3 所示，电压档位在 1V 档， 其幅度为 2.5V。图中扫描时间为 100s。 吉林大学本科毕业论文（设计） 26 图 5.3 驱动电路输出信号 5.35.3 信号转换电路测试信号转换电路测试 将分频器的 29倍分频输出进行微分得到信号如图 5.4 所示（扫描时间 为 10s，电压档位在 2V 档） 。对该信号进行整形后得到 A/D 转换器的启 动信号，如图 5.5 所示，频率约 40kHz(扫描时间 10s)，电压档位在 2V 档。 吉林大学本科毕业论文（设计） 27 图 5.4 微分后的波形 图 5.5 整形后的信号 5.45.4 带通滤波

53、器的测试带通滤波器的测试 在其中一个传感器的输出如图 5.6 所示，峰峰值的最大值约为 90mV（电压档位在 20mV 档） ，频率约为 10kHz（图中扫描时间的档位 在 50s 档） 。 吉林大学本科毕业论文（设计） 28 图 5.6 传感器输出波形 图 5.7 滤波器输出 将传感器输出接到滤波器，在滤波器的输出端得到二次谐波，波形如 图 5.7 所示，频率约为 10kHz（扫描时间的档位在 50s 档） ，峰峰值约 180mV（电压档位在 50mV） 。 吉林大学本科毕业论文（设计） 29 6 对三分量测量的通道差异进行校正的方案设计对三分量测量的通道差异进行校正的方案设计 三分量磁通门

54、地磁场检测装置在设计制作中的难点是进行三分量测量 时，对各分量进行前置处理的各个通道，其增益不可能完全一致，这会导 致测量误差，影响测量结果的准确性和可靠性。下面对此问题提出两种解 决方案： 6.16.1 方案方案 1 1：通过硬件电路的调试进行校正：通过硬件电路的调试进行校正 硬件校正的原理是：三分量信号的通道增益差异是在前置电路传感 器输出和信号处理过程中产生的，也就是说各通道的选频放大环节的差异 和传感器之间的差异是产生这种差异的主要原因，这些都可以通过调节放 大器的放大倍数来纠正。具体的调节方法，将图 3.4 所示的选频放大电路 的后级放大电路改成图 6.1 所示增益可调的放大器。在校

55、正时，将三分量 磁通门传感器固定好之后，用其中一个传感器分别对用三个通道进行测试， 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相符合。 图 6.1 增益可微调的后级放大 吉林大学本科毕业论文（设计） 30 利用调节放大器增益的方法进行校正，这种方案的特点是：调试方 便，但需要对原来设计的硬件电路做修改。 6.26.2 方案方案 2 2：通过软件编程对测量结果进行校正：通过软件编程对测量结果进行校正 采用硬件电路调试的方法，是对测量信号进行幅度的校正，从而达 到准确测量的目的。实际上，我们可以用编程的方法引入校正系数直接对 测量结果进行校正。下面详细介绍一下软件校正的具体方法： 首先

56、为方便叙述，我们对传感器和各信号通道进行标记，将三分量 传感器固定好之后，将三个传感器分别标记为 A、B、C，同样将三个信 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、 a x 、；第二次，用 X 通道测量传感器 B 输出，Y 通道测量传感器 b y c z C 输出，Z 通道测量传感器 A 输出，记录测量数据、； b x c y a z 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、。进行以下计算

57、： c x a y b z 6.1 3/13/13/1 3/13/13/1 3/13/13/1 3/13/13/1 zyxr zzzz yyyy xxxx cba cba cba 计算出了和，就可以得到各通道的校正系数：xyzr 吉林大学本科毕业论文（设计） 31 6.2 / / / zrJz yrJy xrJx 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。 总结总结 设计的检测装置能够检测到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需要的二次谐波，AD7656 对该二次谐波进行四 倍频采样，每次采样的 16 位数据在中断工作方式下

58、 16 位并行传输到单片 机，当单片机接收到两个周期的数据后，关中断，单片机工作在查询方式 将读到的数据经串口电路发送到计算机。 设计中用到了高精度模数转换技术和单片机的中断服务及串口通信。 16 位模数转换器采用 SAR 型 A/D 转换器 AD7656，采用+5V 和9V 电 源供电，输出数据为 16 位二进制数。单片机采用广东宏晶公司生产的 STC89C54RD+单片机，用 KEIL C51 编程软件应用 C 语言编程。设计主 要利用单片机的外部中断和串口通信。 设计给出了计算机数据处理的具体方法，测量数据可以发送到计算机 进行处理和分析。 吉林大学本科毕业论文（设计） 32 参考文献及

59、参考资料参考文献及参考资料 1 王君，凌振宝. 传感器原理及检测技术M（55 页至 64 页）. 吉林大 学出版社. 2003.9 2 何桥，段清明，邱春玲. 单片机原理及应用. 中国铁道出版社. 2005.9 3 戴佳，戴卫恒. 51 单片机 C 语言应用程序设计实例精讲. 电子工业出 版社. 2006.4 4 刘希芳，王君. 地学传感器原理及应用. 地质出版社. 1993.8 5 李念强，张焕春，禹艾芹. 数字相敏检波器的设计与实现. 电测与仪 表. 2001.5 6 党瑞荣，杨灏，高国旺，石浩亮. 基于 Nios 系统的数字相敏检波系 统设计. 测井与射孔. 2007.1 7 路长厚，刘

60、文信，艾兴. 数字相敏检波技术及其应用. 制造技术与机 吉林大学本科毕业论文（设计） 33 床. 1997.7 8 洪小丽，黄登红. 精密电感测微仪中的数字相敏检波技术研究. 测量 与设备. 2007.5 9 杨健弟. 李娇蔓. 杨国华. 宋安定. 一种数字高分辨率感应测井仪. 测 井技术. 2007.8 10 刘升虎，邢亚敏，胡启. 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. 2007.8 11 张述杰，韩华超，张芝贤，刘东波. 利用数字相敏检波器消除电容式 传感器漏电产生的测量误差. 仪表技术与传感器. 2007.8 12 朱虹，林君，吴忠杰，王智宏，占细雄. 近红外光谱仪中