基于CS5532的數字化弱磁場傳感器的研究

重慶大學電氣工程學院 李昭昱

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基于CS5532的數字化弱磁場傳感器的研究

重慶大學電氣工程學院 李昭昱

【摘要】弱磁場是我們生活及科學研究中最常見的磁場，而因為弱磁場的微弱性及易被周圍噪聲淹沒的特性，使得弱磁場的檢測十分困難。本文設計了一種基于HMC1022及CS5532的數字化弱磁場傳感器，測量精度達1mGauss（），解決了弱磁場難以測量的問題。本文對該數字化傳感器的各模塊設計進行了介紹，并利用亥姆赫茲線圈對其性能進行標定與測試。實驗結果表明，該模塊測量準確，成本較低，使用方便，滿足絕大多數測量場合的需求。

【關鍵詞】微弱信號；弱磁場；磁阻傳感器；HMC1022；CS5532

0　引言

弱磁場是指磁場等級在地磁場附近（0.5Oe）或較弱于地磁場的磁場強度大小。而絕大多數的磁場均位于弱磁場區間。在各個磁場測量領域，如地磁探測，管道漏磁檢測，無損探傷，磁場成像等，均需要較弱而又精度較高的磁場值。[1]

隨著技術的不斷進步，磁場測量傳感器也必將朝著低成本，低誤差，操作簡單，體積較小的方式前進，那些不利于測量或成本較高的方法將會得到改進甚至淘汰，而克服了上述缺點的測量方法也將得到更為廣闊的發展空間。本文采用磁阻是磁阻式磁場傳感器HMC1022，該傳感器輸出為模擬信號。由于磁場較微弱，傳感器電壓信號較低，因此利用24位AD轉換器CS5532將模擬信號轉換為數字信號，形成整體的數字化磁場傳感器模塊。

1　磁阻傳感器測量原理

物質在磁場中電阻率發生變化的現象稱為磁阻效應。對于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當外加磁場平行于磁體內部磁化方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化；當外加磁場偏離金屬的內部磁化方向時，此類金屬的電阻減小，這就是強磁金屬的各向異性磁阻效應。

依據以上原理, Honeywell 公司生產的各項異性磁阻傳感器HMC1001 將4 個磁電阻連成惠斯通電橋的形式, 設磁場H與夾角為H, 則H 與夾角為( 90°- H) , 如圖1所示。

圖1　磁阻傳感器等效電路

輸出電壓為：

（5）式中，K為傳感器的靈敏度，B為待測磁感應強度。U0為外加磁場為零時環境磁場造成傳感器的輸出電壓[2]。

2　硬件設計

數字傳感器模塊的硬件組成包括霍尼韋爾公司的HMC1022型芯片、24位ADC CS5532等。這些芯片配以相應的外圍電路就構成系統的基本硬件結構。下面對各硬件的特點及其在本平臺中它們構成的相關模塊電路分別進行介紹。

圖2　數字化磁場傳感器結構示意圖

2.1 磁場傳感器電路設計

本設計采用霍尼韋爾公司的磁阻型雙軸傳感器HMC1022，該芯片采用惠斯通電橋式結構。因此，在橋上加電源，當磁敏電阻感知到磁場變化時，橋臂將不平衡，導致橋臂兩端有電壓差，該電壓即反應磁場的大小。[3]在設計時，要注意電源電壓的穩定，因此電源供電模塊應使用線性穩壓電源，而盡量不要使用開關電源，并在電橋電源端附近并聯解耦電容，距離電橋電源越近越好。本設計中，電源電壓為5V，磁場傳感器分辨率為1mV/Gauss，及該模擬部分分辨率為5mV/ Gauss。傳感器連接原理圖如圖3所示。

圖3　磁阻傳感器原理圖

2.2ADC及其外圍電路設計

文中設計的數字化磁場傳感器測量精度要求為, 精度要求為1mGauss（1Gauss=），即測量后傳感器輸出最小電壓差為5uV, 則數據采集電路要保證A/D轉換器無噪聲分辨率輸出在21位或以上。綜合考慮精度，參考電壓，放大效果等因素，本設計采用24位高精度A/D轉換器CS5532(B型)。磁場傳感器的模擬信號輸出通過前端調理電路后進入ADC，采樣并編碼后經PGIA放大，數字濾波，50/60Hz抑制，再通過SPI總線輸出[4]。數據采集模塊框圖如圖4所示，信號流程包括：PGIA放大、50/60Hz抑制，數字濾波器、數模轉換等。

圖4　數據采集模塊框圖

2.3可編程儀表放大

由于待測電壓為電橋輸出的偏置電壓，電壓最小是uV量級的，屬于微弱信號，因此，需要做信號放大處理。對于微弱測量電路，CMRR（共模抑制比）是影響精度的關鍵因素。本文采用差分運放構成雙端輸入差分放大電路，該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比等特點，有效的減少了共模噪聲及漂移噪聲對電路的影響。

圖5　可編程儀表放大電路

2.4數字濾波電路

CS5531/32/33/34 的線性相位數字濾波器可編程，以獲得不同的輸出字速率（OWR）。當輸出字速率為3200Sps 和3840Sps（MCLK=4.9152MHz）時，ADC使用Sinc5濾波器，其它所有輸出速率也使用Sinc5濾波器，但其后接著一個可對十進制速率編程的Sinc3濾波器。圖為60Sps時濾波器的幅值響應，圖6所示為120Sps時濾波器的幅值和相位響應。Sinc3 濾波器在除了3200Sps和3840Sps（MCLK ＝4.9151MHz）以外的其它輸出字速率都有效。兩個濾波器的Z變換。對于Sinc3濾波器，“D”為可編程的十進制比率，當FRS＝0時等于3840/ OWR,當FRS＝1時為3200/ OWR。ADC的數字濾波器的拐角頻率與MCLK成正比。例如，對120Sps的輸出字速率，濾波器的典型拐角頻率為31Hz。當MCLK增加到5.0MHz，OWR增加1.0175%，濾波器傳遞函數為：[5]

圖6　二階低通濾波器幅頻特性和相頻特性曲線

2.5模數轉換模塊

本系統模數轉換所采用的是cirrus logic公司生產的24位ΔΣ 模數轉換器CS5532，它有4個通道，可測量4個單端信號或者2個差分信號。在進行A/D轉換前，先要初始化A/D轉換器的配置，包括端口初始化、ADC時鐘使能、工作模式和轉換模式選擇、掃描模式配置、采樣時間設置、觸發方式設置、通道選擇以及AD校準等。該adc進行數據采集的方式有中斷方式和查詢方式，本系統采用查詢方式，為了減小測量誤差，采用多次測量求平均值的方法，將每次采樣結果加和除以采樣次數，消除隨機誤差。

3　磁場傳感器的標定

基于以上所述，數字式磁場傳感器設計完畢，利用磁場測量平臺及亥姆赫茲線圈對磁場傳感器進行標定及性能測試。

將磁場傳感器置于亥姆赫茲線圈中心，磁場傳感器輸出通過spi總線與磁場測量平臺相連，平臺采用stm32F429IGT6芯片，同時輸出數據通過液晶屏顯示。顯示結果如表1所示。

表1　系統測試與標定結果

4　結論

本文論述了基于磁阻傳感器HMC1022及24位ADC CS5532的數字式磁場傳感器的設計，介紹了系統中主要模塊的功能及設計思路，并繪制了原理圖。最后利用亥姆赫茲線圈對系統進行測試及標定，結果證明，系統可測量的信號，分辨率為1mGauss，最大誤差為0.67%，平均誤差為0.23%。證明所設計的測量電路能夠精確地測量微弱磁場信號，該電路應用前景廣闊，可作為管道漏磁檢測，磁偶極子測量，磁矩檢測，地下導體探測及磁場成像等多個領域。并由于其集成度高，成本低，可作為通用模塊供廣大科研愛好者開發研究使用。

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