磁通门传感器是利用磁饱和效应制作的一种改进型变压器器件[1]。当铁芯磁导率μ随激励磁场强度而变时,感应电动势中就会出现随被测磁场强度而变的偶次谐波信号[2]。相比于其他类型的磁场测量器件,磁通门传感器在灵敏度、线性度、性价比和稳定性等方面均有无可比拟的优势[3-4]。

常用磁通门传感器按输出信号可以分为电流型式、时间差和电压型式[1],与之对应的常用磁通门处理电路也分为电流型磁通门应用电路、时间差型磁通门应用电路和电压型磁通门应用电路。

1989年Primdahl首次提出了电流输出型磁通门传感器及其应用电路[5],这种方式的磁通门是将双铁芯磁通门传感器的输出电流信号转变为电压信号,通过对这个电压信号进行处理来测量被测磁场。这种方式下的磁通门传感器的感应线圈中有电流流过,这个电流会在铁芯中产生磁场,进而影响整个系统,同时,一般磁通门电路需要处理磁通门传感器输出信号中的二次谐波,而这种电路的磁通门感应线圈输出端对地交流短路不利于调谐。

时间差型磁通门传感器通过测量输出信号中所包含的正负脉冲的时间差完成对被测磁场的测量[6-8]。但是想要获得较高的分辨力,需要准确的测量出脉冲的尖峰时刻,同时必须要降低激励频率。通常时间差型磁通门传感器的分辨力能达到60 nT[9],但这还不能够称为高分辨力。

相对于电流型磁通门传感器和时间差型磁通门,电压型磁通门传感器的分辨力及灵敏度要优秀的多。电压型磁通门传感器应用电路主要分为两种:模拟电路磁通门和数字电路磁通门。其主要区别在于前者采用模拟电路处理磁通门输出信号,后者采用数字电路处理磁通门输出信号。由于模拟磁通门电路采用全模拟电路处理磁通门传感器输出信号,且模拟电路受温度影响较大,因此模拟磁通门电路的温度特性较差。同时模拟元器件的参数对于整体电路影响较大,增加了系统的调试难度。基于模拟电路磁通门的上述缺点,数字技术被引入到磁通门电路中。用数字电路代替部分模拟电路,大大简化了磁通门处理电路,同时也提高了磁通门电路的温度性能,降低了调试复杂度。基本原理上数字电路磁通门和模拟电路磁通门没有太大的区别,都是采用了“二次谐波+负反馈”的处理方式。两者所不同的是数字电路磁通门采用了数字处理器,利用数字处理器强大的数字处理功能实现磁通门环路中的相敏整流、积分等功能。数字处理器可选用单片机[10-11]、DSP[12]、FPGA[13]、ARM[14]等。由于引入了数字处理器,提高了磁通门环路的可控性和稳定性。但是这种电路也有自身的缺点,由于需要数字处理器处理大量的数据,会造成系统反应速度下降,不能实时的测量磁场值。同时为了与高速AD和高速DA进行数据传输,数字处理器需具有相应的数字通信接口,这无疑会造成数字处理器的面积偏大、价格偏高,增加了整个系统的体积和成本。

非洲猪瘟可防可控不可怕。广大消费者要坚持做到 “两要两不要”，为打赢非洲猪瘟防控战贡献力量。“两要”：一要购买经检疫检验合格和熟制的猪肉产品;二要积极参与和支持非洲猪瘟防控工作，对涉嫌危害动物疫病防控的违法行为及时举报。“两不要”：一不要携带、网购和邮寄未经检疫检验合格或未熟制的猪肉制品;二不要信谣、传谣。

本文综合数字电路磁通门和模拟电路磁通门的优缺点提出一种改进型的数字相敏整流电路。基于该数字相敏整流电路设计一款高分辨力数字磁通门传感器,该系统既能改善温度特性,同时也可以节约数字接口,减少数字处理器的运算负担。使得磁通门系统反应迅速稳定、调试简单。

1 数字磁通门结构和工作原理

图1是数字磁通门传感器系统结构图。系统主要由磁通门探头、高速AD和DA、微处理器(MCU)、激励电路、逻辑电路等模块组成,其中高速AD模块、DA模块和逻辑电路共同完成数字相敏整流功能。

图1 数字磁通门传感器系统框图

整个系统由单片机作为主控芯片,单片机产生激励信号,由于单片机输出功率比较小,需要连接功率放大模块来激励磁通门探头。通过一片高速ADC采样芯片对经过选频放大后的二次谐波信号进行数字化转换,实现模拟信号转换为数字信号。逻辑处理电路是将高速AD对二次谐波采样得到的数字信号与MCU提供的方波信号通过异或门进行处理后直接传送到高速DA完成数字相敏整流功能。高速DA输出的模拟信号经过积分滤波电路后产生一个积分电压信号,积分电压通过反馈电阻R和感应线圈转换为反馈电流,在该反馈电流的作用下感应线圈会形成一个反馈磁场,当反馈磁场和被测磁场大小相同且方向相反时磁通门传感器工作在零磁场状态,此时感应线圈没有二次谐波信号输出,积分滤波电路输出的积分电压保持不变,整个闭环回路保持稳定。通过一个转换速度较低但转换精度较高的AD采样芯片测量反馈电阻上的电压就可以间接得出被测磁场的强度。

2 异或运算相敏整流电路设计

在磁通门闭环系统电路中,相敏整流电路是整个系统的关键。传统的模拟电路温度特性差主要是由相敏整流电路造成的,数字电路利用数字信号进行相敏整流解决了这个问题。所以通过数字方式实现相敏整流可以改善系统温度特性。但是传统的数字电路磁通门因用算法实现相敏整流功能,所以整个电路系统反应慢且需要大量数字通信接口。鉴于此,本文提出了一种如图2(a)所示的数字化相敏整流电路。该电路工作原理是通过高速AD对二次谐波信号进行采样并转换成串行数字信号,此数字信号与MCU提供的参考方波信号通过异或门进行异或运算,当参考方波信号为低电平时,数字信号不变,当参考方波信号为高电平时,数字信号取反。经过异或运算后的数字信号送入高速DA转换器进行DAC转换得到整流信号,最终实现了对二次谐波信号的相敏整流。

图2 相敏整流

①将标准磁强计放在三轴无磁转台上,在水平面上旋转无磁转台,得出此时的地磁场分量值的最大值Hx=32 082.5 nT。

(1)

探索精神的培养 对毕业论文写作中遇到的具体问题，在分析解决过程中应鼓励学生独立思考和发表个人见解，鼓励学生发挥发散性思维和探索精神，鼓励学生在毕业论文中采用新方法和新理论进行研究。

3.1 本实验确定的AB-8树脂分离纯化玫瑰茄花色苷的最佳条件为：上样花色苷浓度为600 mg/L，平衡3 h，上样体积为183 mL；洗脱剂为60%乙醇，洗脱流速为1 mL/min。纯化后的玫瑰茄花色苷，其色价为43.10±2.17，回收率为(83.62±5.72)%，用pH示差法测得冻干粉花色苷含量为216.50±1.83 mg/g。

2013年我院申报的“怀化医学高等专科学校——株洲千金药业股份有限公司药学专业校企合作人才培养示范基地”，获得了“湖南省实践教学建设项目”立项资助（注：2014年怀化医学高等专科学校升格为湖南医药学院）。按照示范基地建设要求，围绕整体育人教育教学理念，深入开展产学合作办学模式，充分发挥企业在人才培养和实践教学环节的资源优势，加强企业与学校在实践教学各环节的密切联系，使基地建设能充分满足人才培养需要，进一步提高我校药学专业人才培养质量，满足社会对人才的需求。

(2)

对比式(1)和式(2),当二次谐波和参考方波存在一个相位差φ时,相敏整流后的信号直流分量误差(1-cosφ),当φ的值比较小时误差比较小。本文在调试过程中,将参考方波信号和二次谐波信号的相位差控制在±10°,经过相敏整流后的最大直流偏差为(1-cos10°)×2A/π=0.015×2A/π。

图3 数字相敏整流图

宝宝生病的时候，发热只是疾病的表象，疾病的严重程度和发热的高低有时关系并不是很大，倒是宝宝的精神状态很重要，这点爸爸妈妈天天带宝宝应该能注意到，精神状态不好的时候担心有其他并发症，需立即就医。

图3(b)是被测磁场为零时的相敏整流波形图。由于没有被测磁场,磁通门传感器没有输出信号,因此选频放大电路几乎没有二次谐波输出(图3(b)上方波形),即选频放大电路输出直流,且直流电压值应为选频放大电路的中点电压2.5 V,由于隔直电容的存在,此时SSM2603中的高速ADC没有信号输入,那么SSM2603的DAC就没有整流信号输出(图3(b)下方波形),此时SSM2603的DAC输出应该是其中点电压1.5 V。经测量选频放大电路(图3(b)上方波形)的输出值为2.448 V,SSM2603的输出值(图3(b)下方波形)为1.505 V。

3 数字磁通门软件设计

数字磁通门软件部分主要完成系统初始化、反馈电阻A/D采样、控制外设、通信、数据处理与输出等功能。工作流程如图4所示。

图4 系统软件流程图

本系统使用了大量的单片机外设资源,因此系统启动后需要对各个外设进行初始化。对各个外设进行初始化时,应在程序开始前禁止一切中断。根据系统软件流程图,先对串口初始化,本系统采用的单片机是USART3,主要用于单片机和上位机进行通信,配置USART3波特率为115 200,8个数据位,一个停止位,无校验位。由于采用了音频编解码器SSM2603中的高速AD和高速DA进行数字相敏整流,而SSM2603采用IIC通信方式,所以使用单片机的IIC2和SSM2603进行通信,通信速率200 kbit/s。为了实时检测电源电压,采用单片机ADC的模拟看门狗功能,当ADC转换值低于设置阀值时产生中断。为了测量被测磁场值大小需要对反馈电阻上的电压进行实时采样,反馈电阻上的电压值是由高精度AD转换芯片ADS1256进行采样,ADS1256采用SPI通信方式,采用单片机的SPI2,配置SPI空闲电平为低电平,每个周期的第2个时钟沿采样,SPI通信速率4 Mbit/s。本系统设计对时钟信号要求严格,需要各个时钟基准一致,所以电路的所有时钟基准都由单片机产生,系统使用了TIM1～TIM5、TIM8共6个定时器。激励信号由单片机DAC产生,因此需要对DAC进行初始化以产生4 kHz的正弦波。ADS1256是本系统的反馈电阻采样AD,其具有多种工作模式和状态,为了设置ADS1256合适工作状态需要对其进行初始化设置。之后,需要对整个程序用到的数据结构以及存储空间进行初始化,包括读取参考方波相位偏移和补偿系数。至此,单片机程序的初始化全部结束,最后,打开全局中断,用于接收ADS1256数据完成中断。之后单片机进入等待模式,等待ADS1256数据转换完成。

4 实验与结果

为了测量磁通门的测量范围、线性度和频率特性,因此需要产生纯净的可控磁场包括可控恒定磁场和可控交流磁场。图5是测试测量范围、线性度和频率特性的原理框图。在测试实验中采用铜线圈产生可控磁场,为了使产生的可控磁场不受地磁场的干扰,将铜线圈、磁通门探头和标准磁强计探头(中国计量科学研究院制CTM-6W型磁通门磁强计,分辨力为0.1 nT)置于磁屏蔽桶(中国钢铁总院制,φ内 100 mm×300 mm)中。直流信号源(Aglient E3620A)用于产生恒定磁场,低频功率信号发生器(ZN1042)用于产生交流磁场,两者通过选择开关连接到铜线圈。数字万用表(ESCORT EMD3150)用于测量低频功率信号发生器的激励电流的大小,示波器(Aglient DSO6032A)用于测量低频功率信号发生器的信号频率和磁通门感应线圈反馈电阻上的电压值。

图5 直、交流特性测量原理图

4.1 测量范围和线性度

按照图5进行设备连接,将铜线圈、标准磁强计探头和磁通门探头放入磁屏蔽桶中,利用选择开关将直流稳压电源和铜线圈连接到一起,通过调节直流稳压电源输出的电压值使铜线圈产生不同强度的恒定磁场。同时记录标准磁强计显示数据和磁通门的输出数据。测得磁通门输出测量范围:X轴为±62 800 nT,Y轴为±62 900 nT,Z轴为±62 700 nT。图6是磁通门的线性度(以Z轴数据为例)图,其中圆点为测量数据点,直线为拟合直线。可知磁通门的输出值与测量磁场值呈线性关系。

图6 磁通门的线性度

4.2 频率特性测试

按照图5进行设备连接,将铜线圈、标准磁强计探头和磁通门磁强计探头放入磁屏蔽桶中,利用选择开关将低频功率信号发生器和铜线圈连接到一起,利用数字万用表测量激励信号电流值,示波器分别测量激励信号的频率和磁通门传感器反馈电阻的电压值。通过调节低频功率信号发生器输出信号的电压和频率使得铜线圈产生频率可控、幅值不变的正弦磁场。同时记录激励信号频率和反馈电阻上电压的有效值。为了方便处理,将测得的数据进行归一化处理,得到的结果如图7所示。可知磁通门反馈回路的-3 dB带宽约为240 Hz。

在对磁通门进行分辨力测试过程中,对磁场要求较高。要求恒定磁场的变化值不能大于1 nT且磁场值能够以1 nT为步进单位进行递增或者递减。地磁场的稳定性优于人工产生的磁场,因此在地磁场环境下进行磁通门的分辨力测试。具体测试步骤如下:

图7 磁通门频率特性

4.3 分辨力测试

采用origin8.0绘图，采用SPSS20.0对数据进行相关性分析、显著性检验，所得结果用平均值±标准差（±sd）表示，以 p＜0.05作为差异显著性检验标准。

在实际应用中,严格的相位对齐是很难做到的。假设参考方波信号和二次谐波信号的相位差为φ,此时图2(b)上方为滤波后的二次谐波信号为Asin(ωt+φ),经过相敏整流后的波形如图2(b)下方虚线,可以看出相敏整流后的信号也是一个周期信号,其角频率为2ω。则进行相敏整流后信号中的直流分量为:

当二次谐波和参考方波信号严格对齐时,最终实现的理想效果如图2(b)中实线所示。图2(b)上方为滤波后的二次谐波信号(实线)设为Asin(ωt),中间为参考方波信号,下方为整流信号(实线)。从图2(b)可知相敏整流后的信号是一个周期信号,其角频率为2ω。则严格相位对齐进行相敏整流输出信号中直流分量为:

本文使用了具有IIC接口的音频编解码芯片SSM2603和逻辑电路异或门完成数字相敏整流功能。其中芯片SSM2603内含有两个独立的24位AD和两个独立的24位DA。图3是采用芯片SSM2603和异或门完成数字相敏整流的效果图。图3(a)是被测磁场不为零时的相敏整流图。由于存在被测磁场,磁通门传感器存在输出信号,磁通门传感器输出信号经谐振和选频放大后,选频放大电路输出二次谐波(图3(a)上方)传送到芯片SSM2603进行数字相敏整流,经过数字相敏整流后的输出波形为图3(a)下方波形,经测量得知,经过SSM2603相敏整流后的整流信号的平均值为1.281 V,与SSM2603的中点电压1.5 V存在大约0.219 V的电压差,这个电压差间接的反应了被测磁场。

②取下标准磁强计,将磁通门探头安装在无磁转台上,使X轴处于水平面上,在水平面上缓慢地旋转无磁转台,寻找磁通门的X轴输出最大值的位置,记录此刻磁通门的输出数值X0和无磁转台的姿态信息。

③分别沿顺时针、逆时针方向旋转无磁转台,使磁通门输出的数值变为X0-1,对比此刻无磁转台姿态信息和输出最大值的姿态信息,得出旋转角α。

李宝星也提出相关建议，他说：“申请注册的商标，凡不符合商标法有关规定或者同他人在同一种商品或者类似商品上已经注册的或者初步审定的商标相同或者近似的，由商标局驳回申请，不予公告。所以，及时关注商标局的公告信息至关重要，对于侵害商标专用权的初步公告商标，及时向商标局提出异议。以免’生米做成熟饭’另外，他还建议，企业为保护自己的商标权益可以注册防御性商标，即对与主商标相同或相似的商标进行注册，这在法律范围是允许的，也是企业的聪明之举。

④将磁通门探头的Y轴、Z轴分别放置与水平面上,重复步骤2和步骤3。根据式(3)计算磁通门的分辨力。

ΔH=Hx(1-cosα)

(3)

在实验过程中,传感器探头固定不变时,磁通门磁强计的输出值仍会有2 nT左右的跳动,为了方便测量,可以测量多组数据取平均值作为此刻的测量值。本次测试取256个点的平均值,因此在旋转无磁转台过程中一定要慢。测试数据如表1所示,可知磁通门的分辨力在2 nT以内。

“玉风窑”也是无形的，但它可以在邱含、陈敏、何炳钦、曾瑾、彭松等一众成名的艺术家，也在屈晓鸣、周志斌、邢当当、李可荣、孙建文、郭越等一帮第三代艺术家的瓷画艺术里抒发对自然世界的迷恋，在青花与釉里红的美感里展现人类的精神姿态。本文以“回顾”为主题，穿越将近三十多年的时间跨度，通过过去与现在的人、作品与艺术价值的相互对比，再现当年炉火旺盛火红的“玉风窑”盛景。

表1 磁通门分辨力测试数据

Hx=32 082.5 nT旋转角度/(°)ΔH/nTΔH平均值/nTX轴顺时针逆时针0.620.641.872.001.93Y轴顺时针逆时针0.660.622.121.871.99Z轴顺时针0.621.871.93

5 结论

本文设计了一款基于异或运算相敏整流电路的数字闭环式磁通门传感器,有效地提高了磁通门传感器的温度性能;同时,本系统仅通过高速AD、高速DA以及异或门等硬件电路完成数字相敏整流功能,与基于数字处理器(MCU、DSP、FPGA、ARM)通过算法实现数字相敏整流功能相比,不仅节约了数字接口,而且减少了数字处理器的运算负担,为进一步通过数字硬件电路优化相敏整流功能奠定了一定的基础。

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