【地磁强度测试仪系统硬件和软件设计8600字（论文）】

地磁强度测试仪系统硬件和软件设计目录第1章前言 51.1问题的提出 51.1.1研究背景 51.1.2研究意义 51.2系统设计方案选用 51.2.1前级放大部分 51.2.2可控增益放大部分 61.2.3功率放大部分 71.2.4有效值检测部分 71.3系统功能设计要求 81.3.1地磁强度测试仪的基本原理 81.3.2设计目标 8第2章地磁强度测试仪系统硬件设计 102.1FPGA主板电路分析 102.1.1FPGA的选用 102.1.2时钟模块电路 102.1.3复位电路 112.1.4电源模块 112.1.4晶振电路 122.2系统外设模块电路 122.2.1蜂鸣器 122.2.2显示器模块 132.3线圈式磁场传感器测量 132.3.1磁场探头设计 132.3.2数字激磁电路设计 152.3.3磁场信号采集电路 152.4磁通门信号调理电路设计 162.4.1放大电路 162.4.2滤波器设计 172.3.5有效值检测模块 172.4.3频率补偿电路 182.4.4振荡电路设计 18第3章软件程序设计与仿真 203.1EDA概述 203.1.1VHDL 203.1.2开发软件 203.2主流程仿真设计 203.2.1A/D转换值处理 203.2.2分频模块仿真 213.2.3键盘模块仿真 223.2.4显示模块仿真 223.2.5激励模块 233.2.6D/A控制模块的设计 233.3仿真验证叙述及效果分析 243.3.1仿真电路 243.3.2仿真运行结果 27结论 28参考文献 29第1章前言1.1问题的提出1.1.1研究背景磁场测量在国防安全、军事技术、工程、环境、考古、资源勘查、医学诊断等领域均有着重要的意义。在这些电子设备中，放大电路的作用是将微弱的信号放大，以便于人们测量和利用。至今，在信息技术和微电子技术的不断发展中，鉴于地磁信号特别微弱,输出阻抗较高,而且一般均包含直流成分，在地磁信号的采集过程当中还易受到肌电，心电等其他电生理信号以及周围电磁环境的干扰。地磁强度测试仪以其低噪声、低非线性失真以及良好的匹配性等特点，成为现代通信系统中的一种极为重要的放大器类型，在地磁信号监测系统中，地磁强度测试仪也同样占有重要地位。在许多生物电信号测试、高精度电位测量和物理电测量过程中，常常需要对一些高内阻、弱信号传感器的输出信号进行放大处理。处理的信息从直流成分到几十赫兹带宽内，几乎所有生物电信号的频率范围内都混有工频信号和工频谐波干扰，因此设计地磁强度测试仪是很有现实意义的。1.1.2研究意义随着社会生产力的发展，斩波技术也得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而且人们在日常生活中需要随时随地准确的传递多媒体信息，地磁强度测试仪又是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分，其得到了广泛的应用。因此，地磁强度测试仪在地磁检测系统中有着非常重要的作用，也有着非常好的市场前景。为此，进行地磁强度测试仪的研究极具现实意义。本文设计的系统成本低廉，拓展了直流地磁强度测试仪在其技术领域的用途，可以满足一般生产科研实验要求，也可应用于多种场合，具有推广性。1.2系统设计方案选用本设计由三个模块电路构成：前级放大电路(带AGC部分)、后级放大电路和单片机显示与控制模块。1.2.1前级放大部分使用斩波运算放大器，采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，并能提高输入阻抗。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与V场效应管与对的分压。图1.1场效应示意图1.2.2可控增益放大部分直接选择可控增益放大器AD603实现，用电压控制增益，便于单片机控制。AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF（31.07~51.07）的放大器、0~-42.14dB的斩波精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。在1MHz斩波，最大不失真输出为1Vrms时，输出x信噪比为86.6dB。其内部有梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算被控制D/A转换器输出控制电压得到，从而实现精准的控制。此外AD603能提供30MHz以上的带宽，两级级联后得到40dB以上的增益，这种电路有优点电路集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化处理。图1.2增益电路图1.2.3功率放大部分采用高速、地磁强度测试仪AD811作为后级放大。带宽可以从30MHz到180MHz的调整V型和BW引脚之间连接一个电阻。电压转换速率为2500V/us。输入阻抗为1.5兆欧，输出阻抗为11欧姆。采用±15V电源、负载为200欧姆时，输出的电压峰峰值可以达到25V，有较强的后级驱动能力，因此常用于功率放大电路中。采用AD811实现的另一种简单功率放大电路如图3-25所示，通过采用两片AD811组成桥式功率放大，驱动后级负载。AD811的单位增益带宽为140MHZ，摆率为2500V/uS，输出电流可达100mA，采用集成运放电路简单，干扰较少，很容易实现放大器的稳定性和带内幅度稳定的要求；该方案硬件、软件简单，精度也很高。图1.3桥式功率放大电路1.2.4有效值检测部分采用集成真有效值变换芯片AD637，斩波宽允许测量200mV均方根、频率最高达600kHz的输入信号以及1V均方根以上、频率最高达8MHz的输入信号。AD637可以对输出电平信号的以dB形式指示，可以测出任意波形交变信号的有效值。AD637的输入电路受到保护，可以承受高于电源电平的过载电压。如果电源电压丧失，输入信号不会损坏输入端。芯片AD637外围器件少、频带宽，输出有效值用A/D采样来进行单片机处理。取样回来的输出电压经过二极管和电容进行峰值检波，并经过高精度运算放大器进行衰减和保持后输入A/D转换器转换为数字信号进行显示，这样精度可以得到保证，不过会有一定的管压降，使用检波用肖特基二极管大概会有0.2V压降，完全可以通过单片机进行显示上的补偿。1.3系统功能设计要求1.3.1地磁强度测试仪的基本原理该地磁信号强度测试仪的基本工作原理是利用FPGA单片机作为微控制器。通过有效值检波电路，将输出电压的有效值经过AD转换电路，把输出模拟电压有效值转换成数字信号，送给微控制器处理并显示。输入信号经前级放大后经一个射随器进入可控增益放大，其放大倍数由单片机通过D/A转换器调整AD603的控制电压Vg。输出电压经有效值检波得到峰值电压并反馈到单片机，经运算和线性补偿得到有效值，同时由单片机推到液晶显示出来。经微控制器数据处理后，通过D/A输出的电压值调节程控放大器的放大倍数，使输出值达到预设值，从而形成一个闭环控制系统。1.3.2设计目标本文预设计并制作一个地磁强度测试仪，系统指标具体要求如下所示：1、输入阻抗不小于100Ω的情况下进一步增大输入阻抗，单端输入，输入电压范围:5mV-20mV。2、输出阻抗不小于800Ω的情况下进一步减小输出阻抗，单端输出，输出电压大于或等于2V。3、3dB通频带0-5MHz，在0-5MHz频率内增益起伏至小于或等于1dB;进一步展宽通频带（0-10MHz），并使得输出信号波形无明显失真。4、最大增益呈60dB，增益可调范围0-30dB。图1.4整体设计方案结构图第2章地磁强度测试仪系统硬件设计2.1FPGA主板电路分析2.1.1FPGA的选用FPGA的可编程实际上是改变了CLB和IOB的触发器状态，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和航天级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。在Altera公司的SRAMLUT结构的FPGA器件中，FPGA可使用6种配置模式，这些模式通过FPGA上的两个模式选择引脚MSEL1和MSEL0上设定的电平来决定。在载入配置数据的过程中，嵌入在配置文件中的CRC值与在FPGA值中计算的CRC值比较。本次FPGA芯片运用的是低电平复位，同时也会对上电复位和手动复位进行支持操作，在按下RESET之后会会产生低电平（图2-1）。最小系统设计时将FPGA的所有I/O口全部引到外部接口，实现了接口开放化，方便在设计上任意使用。由于晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，所以该电阻的大小变化，不会引起晶振输出频率的改变。2.1.2时钟模块电路FPGA内部没振荡电路，使用有源晶振是比较理想的选择。当输入时钟频率较低时，可以使用FPGA的内部PLL调整FPGA所需的系统时钟，使系统运行速度更快。核心板包含一个50MHz的有源晶振作为系统的时钟源。为了得到一个稳定、精确的时钟频率，有源晶振的供电电源经过了LC滤波。图2.1系统时钟电路图2.1.3复位电路FPGA的复位引脚（Reset）连接高电平超过两个机器周期，即可产生复位的动作。以12MHz的始终脉冲为例，每个时钟脉冲为1/12μs，2个机器周期为2μs。在运行中，外界干扰等因素可使FPGA的程序陷入死循环状态或跑飞。为摆脱困境，可将FPGA复位，以重新启动。因此，可在FPGA复位引脚上连接一个可让该引脚上产生一个2μs以上的高电平脉冲，即可产生复位的工作，如图2.2所示。其中电容两端并接的按钮开关的作用是手动强制复位。图2.2复位电路随时间的增加，电容上面的电压值慢慢增大，而RST引脚上的电压值逐渐降低，当RST引脚的电压值降低至低电平时，89S51FPGA恢复到正常状态，称为上电复位。2.1.4电源模块采用3节5号电池进行供电，由J10接入，其中前后两组电容用来去耦滤波，使其供给芯片的电源更加干净平滑。为了获得标准的3.3伏电压，在电路上加入SPY0029三端稳压器和两个二极管，是为了防止误将电源接反造成不必要损失而设置的。在操作过程中千万不要将电源接反，因为反向电压超过一定值，二极管将会被损坏，达不到保护的目的。图2.3电源模块2.1.4晶振电路众所周知，单片机的正常运行离不开时钟元件产生的时钟频率。而常用的时钟元件为晶体振荡器，其产生的晶振是单片机所有指令正常执行的前提陆智超，赵旦峰，朱铁林.一种MSK调制解调器的硬件实现方案[J].黑龙江科技信息.2015(05)。这时的时钟电路需要外界的定时原件来加以辅助，外部原件可通过XT2的进出两个端口与电路连接，从而产生自激振荡。这个外部原件一般都是一个并联谐振电路，其中包含石英晶振和瓷片电容。其电路图如下3-5所示。陆智超，赵旦峰，朱铁林.一种MSK调制解调器的硬件实现方案[J].黑龙江科技信息.2015(05)图2.4单片机晶振电路2.2系统外设模块电路2.2.1蜂鸣器采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5-15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。图2.5音频输出电路图2.2.2显示器模块最简单的显示器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，为了实时的得到测量结果，该系统的人机接口就是液晶显示。其内部含七对达林顿放大管，其主要功能:当输入为高电平时，输出为低电平；输入为低电平时，输出为高电平。每个时钟信号的上升沿加到CP端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8为二进制数个部移入74LS164中，MR为复位端，当该位为低电平时，移位寄存器各位复O。当它为高电平时时钟脉冲才起作用。图2.6显示电路2.3线圈式磁场传感器测量2.3.1磁场探头设计要准确的测量出所测点的磁场，磁场探头的设计就显得尤为重要。当线圈涉及的区域过大时，耦合到线圈内部的磁通量为其体积内的平均值，不能准确反映出所测磁场的测量值，所以线圈的截面积要尽可能小，使线圈所限范围内的磁场能被看作是均匀的。但是如果线圈的截面积太小，又会降低测量的灵敏度。图2.7磁通门探头的结构2.3.2数字激磁电路设计根据磁通门的工作原理，磁通门的探头需要给激磁线圈通入一定频率的交变电流，以使探头达到周期性过饱和，这个交变电流就是所谓的激磁信号。通常激磁信号有正弦波、方波和三角波。考虑到方波较易实现数字化，所以本系统采用方波激励。磁通门激磁电路包括频率源和功率放大电路。频率源用来产生频率稳定的信号，系统选用单片机产生的波形作为频率源。功率放大电路选用高精度、低噪声的运算放大器。激磁电路如图所示。图2.8激磁电路由于激磁频率是有单片机的定时器产生的，故该频率是程序可调的。当更换探头时，能很方便地改变探头的最佳激磁频率。2.3.3磁场信号采集电路由于磁通门处理电路输出的是模拟的电压信号，为了便于单片机进行数字化处理，所以需要先将模拟信号进行A/D采样，转化为数字电平。AD7705顺应了集成化、;高精度、多功能、自动补偿和自动校准的发展要求，集放大、滤波和A/D转换单元于一体，只需接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容即可连续进行A/D转换。因此本次设计中AD7705的数字电源采用5V供电，既避免了控制信号的电平转换和两个电源之间不必要的干扰，又减少了硬件电路所采用的器件。由于系统的测量范围是，而系统分辨率要达到，如果用内部自带的电压基准显然不够，所以设计运用了一块专门的电压基准芯片LM4040提供高精度的4.09V电压基准。图2.9磁场信号采集电路2.4磁通门信号调理电路设计2.4.1放大电路为了产生较大的磁场，需要使用大电流来激励线圈，因此必须对激励信号进行功率放大。一般的，采用功率运放来对信号进行功率放大。放大电路是对差分信号进行放大，而对共模信号进行抑制，且其具有抗干扰能力强，漂移小、级与级之间易于直接耦合等优点。图2.10差分放大电路上图中管为差分放大电路提供稳定的电流，与管作为差分输入对管，而电流源、作为负载，这种电路结构是实际电路设计中使用最广泛的一种电路结构，是把差分放大电路的双端输出转换成单端输出的一种行之有效的电路结构。第一级运算放大器的作用是将DAC0832输出的电流信号转化为电压信号V1，第二级运算放大器的作用是将V1通过反向放大电路放大-（R2/R1）倍。在第二个运算放大器的输出端连了一个20K的电位器。通过电位器来调节波形振幅的大小，同时在输出端接到地磁强度测试仪的输入端，通过地磁强度测试仪观察产生的波形。2.4.2滤波器设计在本设计中，由于信号频率较低，因此滤波器设计成为本电路的关键。为了满足题目带宽要求，同时抑制高频干扰。在可控增益放大部分之后加入一个低通滤波器。低通滤波器采用一个无源LC滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。为了使通带内的信尽量平坦，选用通带比较平坦的巴特沃斯滤波器。2.3.5有效值检测模块幅值的检测主要通过有效值检测芯片AD637实现，它可以测量任意波形的有效值。AD637是有效值/直流变换芯片，它可测量的有效值可达到7V，精度优于0.5％，准确度为±0.05%RDG＋0.25mV，输入阻抗为100MΩ，且外围电路少，频带宽。但是该器件不适合测量高于8Mhz的信号。AD637通过检测13脚的输入信号得到其有效值，再将其有效值通过A/D转换芯片TLC5510，转换成数字信号，送给控制器处理。真有效值检测电路图如图2.11所示。图2.11真有效值检测电路2.4.3频率补偿电路从传感器检测到的交变磁场信号转化为电压信号首先需送入电压跟随器，起到缓冲的作用。本文设计采用的频率补偿为接入电容与电阻串联的方式，其电路图如图3.2所示，其中电阻是由NMOS管组成，Vout1接输入差分放大电路的输出，Vf接多级放大器的第二级。图2.12频率补偿电路图2.4.4振荡电路设计本设计的振荡电路采用RC振荡电路，如图2.13所示可以将振荡电路分为三部分:第一部分是正弦振荡电路，将采用RC环形多谐振荡器，在简单环形振荡电路中引进RC电路作为延时环节，形成RC环形多谐振荡器。第二部分是产生方波，由正弦波到方波可以通过与非门再经过非门反向得到。第三部分是三角波产生，三角波可以通过一个积分电路对方波进行积分得到。图2.13振荡电路的总体框图在数字电路中常采用多谐振荡器的矩形波作为系统的时钟脉冲，调节系统的状态变化，也可以用来计数。RC环形多谐振荡器由三个非门和电阻、电容元件就可以组成。第3章软件程序设计与仿真3.1EDA概述3.1.1VHDLVHDL已经成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持，越来越多的硬件设计者使用VHDL描述数字系统。各种硬件描述语言中，VHDL

的抽象描述能力最强，因此运用VHDL进行复杂电路设计时，往往采用自顶向下结构化的设计方法。3.1.2开发软件在设计中，本人用的开发软件是QuartusII。QuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境,由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。QuarttusII不仅支持VHDL、Verilog、AHDL语言，原理图的设计，且支持多种语言嵌套使用。能直接调用这些工具。QuartusⅡ编译器的主要任务是对设计项目进行检查并完成逻辑综合，同时将项目最终设计结果生成器件的下载文件。3.2主流程仿真设计3.2.1A/D转换值处理如图3-1可知，当有温度数据采样到时，调用温度均值处理程序，以防在采样过程中外界干扰而造成采样数据的不准确。然后确定温度系数，使采样转换得到的电压信号转换成温度值，并进行十进制转换，用于显示和PID计算。其中均值处理是一个比较重要的过程，是A/D转换前必须进行的工作。图3.1A/D处理流程图3.2.2分频模块仿真通过设置功能仿真，检查代码的正确性。由于FPGA内部提供的时钟信号频率大约为50MHz，在这需要将它转化成1Hz的标准时钟信号供数字钟的计时显示；在此采用了级联分频法。图3.2分频模块波形仿真图右上图可以知道，计数寄存器count累加到23999时，重新变为0，共计数了24000个值。触发clk1跳变，使得count1加一，count1累加到499的时候，下一个数据为0，共计数500个值。所以，sec信号的频率为1Hz，满足设计要求。3.2.3键盘模块仿真键盘模块的脉冲输入来自分频模块。其中，输入端口为两位二进制数，分别接两个按键，来对预设温度进行加减调控。输出有两个端口，xianshi端口作为保留端口，存储着当前预设温度的数值，可外接显示设备。图3.3按键模块仿真图图中，shuru（1）为频率减按键，shuru（0）为频率加按键，相应的预设温度对应相应的ADC0809输出值，由图2得，当预设频率为15.625KHz时，对应换算后的ADC0809输出数据为97，与计算相符。键盘输入模块工作正常。3.2.4显示模块仿真编译程序，进行功能仿真，记录仿真图形：图3.4显示模块仿真图通过上面的图可以知道，LED数码管是通过扫描的方式实现数据更新，通过dig，seg寄存器的数据可以知道，数据能正常显示，满足设计要求。3.2.5激励模块激励模块的作用是产生一个激励信号，用来激励传感头产生磁通门信号，它其实就是系统时钟的一个分频信号。系统时钟频率为50MHz，因此对它进行3200分频就能得到频率为15.625KHz的激励信号。用Modelsim仿真软件对激励模块进行仿真，得到的仿真时序图如图3.5：图3.5激励模块仿真时序由图3.5可见，产生的激励信号的周期为64us，也就是频率为15.625KHz，符合设计要求。3.2.6D/A控制模块的设计本设计选用的AD7849只有串行接口工作方式，它的工作时序图如图3.6：图3.6AD7849工作时序SYNC的上升沿距第16个SCLK的下降沿最小距离为70ns。CLR为清零输入，高电平时它将模拟输出清零，本文使CLR保持低电平。D/A控制模块经过QuartusII综合后得到RTL视图如图3.7。图3.7D/A控制模块仿真时序3.3仿真验证叙述及效果分析3.3.1仿真电路根据电路原理图，在Multisim里画好设计好的电路原理图，画好电路原理图之后运用Multisim软件进行仿真。但仿真软件所设定的数据以及仿真所出的波形只能作为一个参考，在实际应用中应注意修改。仿真原理图如图3.8所示。图3.8仿真电路原理图取电感L1，L2的值为0.33UH0.1UH，只要开环增益A>1，即可起振。若使振荡频率f=8MHz，有公式ω=1/得，此时电容C=800PF。为保证三极管能够正常放大，要合理设置静态偏置，取R1=10kΩ，R2=100kΩ，Vb=R2/（R1+R2），Ve=Vb-0.7，Ve=5V，Ve>Vb>Vc，发射级正偏，集电极反偏，三极管处于放大区。为了防止高频信号干扰直流电源，故接一滤波电容C5以消除影响。由于频率较高，如果在输出端直接接地磁强度测试仪，由于地磁强度测试仪电容的影响，振荡回路频率将发生变化。为了减少地磁强度测试仪对振荡回路的影响，故加入射级跟随器。旁路电容C4、C6均取0.1uf，起到隔直通交的作用。仿真地磁强度测试仪显示如图3.9：图3.98MHZ波形显示加入缓冲级之后的仿真结果，可以看出正弦波明显变得平滑，失真度变小，且输出电压峰峰值接近2V，但频率未变，基本满足实验要求。修改参数可以使震荡频率达到20MHZ，但是信号质量不好，有严重的失真。原理图如下图3.10。图3.1020MHZOTA振荡器原理图仿真地磁强度测试仪显示如下。图3.11地磁强度测试仪显示图3.1220MHZ信号质量图3.138MHZ信号质量当电容C很小时，输出频率可以达到很高（20MZH），但是输出波形产生了越来越明显的失真，如上图所示。这说明OTA正弦波振荡器在很高振荡频率状态下的反馈电压中高次谐波分量较多，导致输出波形差李静，刘辉华.超低电压正交压控振荡器设计[J].微电子学与计算机.2014(02)李静，刘辉华.超低电压正交压控振荡器设计[J].微电子学与计算机.2014(02)3.3.2仿真运行结果图3.14仿真波形如图3.14所示，经过调节三极管静态工作点、反馈元件、和震荡回路可调电容，得出以上比较好的输出波形。但这个仿真工具和实际会有所差别，所调试出的数