超微晶合金磁特性測量高頻小信號放大電路設(shè)計

楊新磊++陳龍++張新亮++王苗++汪友華

摘 要： 在超微晶合金樣片二維高頻旋轉(zhuǎn)磁特性測試時，針對B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器中傳感信號微弱且易受到周圍電磁環(huán)境的干擾而產(chǎn)生很大的噪聲的問題，設(shè)計一種以高性能儀表放大器AD8221作為主要器件的差分放大器和高通濾波器、低通濾波器、直流偏置調(diào)節(jié)電路等組成的高頻小信號放大電路。并將該硬件電路應(yīng)用在H線圈的校準(zhǔn)實驗中，確定了H線圈的校準(zhǔn)系數(shù)。

關(guān)鍵詞： 磁特性測量； 差分放大； 濾波器； 直流偏置調(diào)節(jié)； H線圈校準(zhǔn)

中圖分類號： TN721+.5?34； TN721 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0183?04

Abstract： Since the sensing signal of B?H composite hysteresis vector sensor is weak and easy to produce heavy noise due to interference of the electromagnetic environment when 2D high?frequency rotating magnetic properties of nanocrystalline alloy sample is tested， a high?frequency small signal amplifying circuit is proposed. The circuit is composed of differential amplifier taking the high performance instrumentation amplifier AD8221 as its main device， as well as high?pass filter， low?pass filter， DC bias adjusting circuit and so on. The calibration coefficient of H?coil was determined in the H?coil calibration experiments， in which the hardware circuit was used.

Keywords： magnetic property measurement； differential amplification； filter； DC bias adjustment； H?coil calibration

超微晶合金材料廣泛應(yīng)用在高頻和高功率密度的電磁器件中，常用作電感器、限流器和高頻變壓器的磁芯材料，成為現(xiàn)代通信、航空航天、國防等多個領(lǐng)域中設(shè)備的重要組成部分[1]。在高頻作用下，與硅鋼片材料相比，超微晶合金具有很高的磁導(dǎo)率和很低的渦流損耗 。在高頻工況下，其具備極高的應(yīng)用價值。超微晶合金的高頻旋轉(zhuǎn)磁特性的研究對以超微晶合金作為磁芯材料的電磁器件優(yōu)化與改進(jìn)有著指導(dǎo)性幫助，有助于降低磁芯損耗，提高電能效率，促進(jìn)電力、電子儀器設(shè)備的節(jié)能、降耗；有助于超微晶合金軟磁材料的發(fā)展及工程應(yīng)用，對電工設(shè)備產(chǎn)品向著高性能、高效率、小型化和輕量化的方向發(fā)展提供重要幫助[2]；有助于創(chuàng)建超微晶合金軟磁材料的綜合磁特性數(shù)據(jù)庫。

在超微晶合金的高頻旋轉(zhuǎn)磁特性的研究過程中，逐漸加大激磁信號直至樣品飽和。當(dāng)激磁信號幅值較小、頻率較低時，B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器中傳感信號非常微弱，尤其是樣品表面磁場傳感信號，只有幾毫伏（或者更低）到幾十毫伏，甚至比周圍環(huán)境中的干擾信號還要微弱，易受周圍電磁環(huán)境的干擾[3]。本文針對超微晶合金樣片二維高頻磁特性測量中，B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器中的信號容易受干擾、噪聲大、信號弱的特點，對高頻小信號放大電路進(jìn)行了重新設(shè)計。采用兩級放大電路，第一級選用高性能儀表放大器AD8221作為主要器件，差分輸入，最大限度的消除共模信號；然后連接濾波電路，將直流信號和其他的噪聲去掉；最后連接主放大電路實現(xiàn)信號的最終放大，實現(xiàn)信號的有效采集。并將硬件電路應(yīng)用在H線圈的校準(zhǔn)實驗中，確定了H線圈的校準(zhǔn)系數(shù)。

1 高頻放大電路

在B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器線圈輸出的傳感信號放大過程中，為了抑制零點漂移，進(jìn)一步提高共模抑制比，放大電路必須分兩級實現(xiàn)，且前置放大器增益不能太高[4]。由于前置放大器是引入噪聲的主要部件之一，再加上傳感器線圈和周圍環(huán)境的的各種干擾噪聲的疊加，使得疊加后的噪聲比有用信號大得多。因此前置放大器采用對于抑制噪聲有著卓越表現(xiàn)的差分放大器[5]。差分放大器之后，由濾波器把有用信號頻率之外的成分過濾掉，一般需要一個高通濾波器，將直流成分去掉，避免后續(xù)放大器出現(xiàn)飽和。經(jīng)過濾波器后，信號幅值仍然很小，需要一個增益較高的放大器進(jìn)行最終的放大，實現(xiàn)信號的有效采集。

1.1 前置放大電路

在整個放大電路中，前置放大電路決定了整個系統(tǒng)的噪聲情況。由于其輸入端為差分信號，會引入較大的共模干擾，且該共模干擾電壓一般都比較大。這種干擾信號在信號輸入電路參數(shù)不對稱時會轉(zhuǎn)化為差模干擾并對測量系統(tǒng)產(chǎn)生影響[6]。因此前置放大器以高共模抑制比、低噪音、高增益的AD8221作為前置放大電路的核心器件，并且采用差動輸入的方式。高性能儀表放大器AD8221是一款增益可編程，高性能的儀表放大器，在同類產(chǎn)品中，其相對于頻率的共模抑制比最高。其他的儀表放大器的共模抑制比在200 Hz處開始下降。與之相比，在G=1，f=10 kHz，AD8221的共模抑制比均保持最低80 dB。因此高共模抑制比使得AD8221可以抑制寬帶干擾和線路諧波，大大簡化了濾波要求[7]。同時考慮到B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器線圈輸出的傳感信號中夾雜著直流信號，太大的前置放大器增益會影響電路的直流穩(wěn)定性。為了保證不工作在截止區(qū)或飽和區(qū)[8]，設(shè)計的第一級放大倍數(shù)為10倍，具體電路如圖1所示。

1.2 高通濾波電路

由于電極極化電壓的不平衡、前置放大電路的失調(diào)漂移，前置放大器輸出的信號中除了夾雜著許多的工頻干擾，還會有很大的直流或低頻分量，將引起傳感信號的基線漂移；因此設(shè)計了一階反相高通濾波器來濾除直流和低頻分量[9]，如圖2所示。

1.4 主放大電路設(shè)計

傳感器信號的幅度一般在1 mV左右，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為0～5 V，所以在低頻放大器后采用一個同向比例放大電路進(jìn)一步提高增益。主放大電路的增益為101，前置放大電路放大倍數(shù)為10，所以最終的放大倍數(shù)為1 000倍，滿足1 mV信號到1 V的轉(zhuǎn)換要求。主放大電路見圖4。

由于溫漂等影響因素的存在，通過放大電路放大的電壓信號可能存在直流偏置現(xiàn)象，為了消除信號放大后可能存在的直流偏置電壓，設(shè)計了信號直流偏置調(diào)節(jié)以滿足后續(xù)電路的需要。放大電路硬件實物圖見圖5。

電路的具體參數(shù)為R6=1 kΩ，R7=10 kΩ，R8=100 kΩ，R9=10 kΩ，R10=100 kΩ，R11=50 kΩ，R12=10 kΩ。

2 放大電路放大性能測試

將硬件放大電路與LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，將LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端通過bnc接頭與放大電路相連接，通過放大電路的電壓放大，再將輸出電壓通過LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而測定放大電路真實的放大倍數(shù)，測試連接裝置見圖6。

實驗過程中輸入信號為1 mV，調(diào)整放大電路的參數(shù)設(shè)計分別對頻率為1 kHz，2 kHz，4 kHz時進(jìn)行了多組數(shù)據(jù)測量。放大電路輸出波形如圖7所示。

根據(jù)放大電路輸出電壓波形和幅值可知，輸入信號被成功放大1 000倍左右，且放大后的波形良好，沒有發(fā)生較大的畸變，滿足以下H 線圈的校準(zhǔn)實驗要求。

3 H線圈的校準(zhǔn)實驗

由于在實際加工過程中H線圈的等效匝數(shù)N和磁通截面積S不易確定，為得到兩者的等效乘積，需要對 H線圈進(jìn)行校準(zhǔn)研究，確定線圈系數(shù)NS，即。為了對H線圈進(jìn)行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，確定線圈系數(shù)，本文通過高頻產(chǎn)生均勻正弦交變磁場的改進(jìn)型亥姆霍茲線圈，采用直接測量法進(jìn)行線圈系數(shù)的校準(zhǔn)[13]。所謂直接測量法，即將待測線圈以橫截面與改進(jìn)型亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的均勻正弦交變磁場垂直的方向，直接放入改進(jìn)型亥姆霍茲線圈中心轉(zhuǎn)臺上，通過放大電路將感應(yīng)出來的高頻小信號感應(yīng)電壓進(jìn)行放大采集[14]，再利用公式推導(dǎo)出線圈的主窗口系數(shù)，測量裝置連接圖見圖8。

表1詳細(xì)記錄了線圈系數(shù)校準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)，計算得到了不同電流和頻率下改進(jìn)型亥姆霍茲線圈中心位置產(chǎn)生的磁通密度、線圈的輸出電壓，從而得到線圈系數(shù)以及線圈系數(shù)平均值。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種以高性能儀表放大器AD8221作為主要器件的差分放大器和高通濾波器、低通濾波器、直流偏置調(diào)節(jié)電路等組成的高頻小信號放大電路。并將該硬件電路應(yīng)用在H線圈的校準(zhǔn)實驗中，確定了H線圈的校準(zhǔn)系數(shù)。達(dá)到了輸出信號處理要求，具備一定的實用價值。

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