超微晶合金磁特性測(cè)量高頻小信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

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(cè)試時(shí)，針對(duì)B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器中傳感信號(hào)微弱且易受到周?chē)姶怒h(huán)境的干擾而產(chǎn)生很大的噪聲的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(hào)放大電路。并將該硬件電路應(yīng)用在H線(xiàn)圈的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，確定了H線(xiàn)圈的校準(zhǔn)系數(shù)。

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

中圖分類(lèi)號(hào)： TN721+.5?34； TN721 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)防等多個(gè)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(jià)值。超微晶合金的高頻旋轉(zhuǎn)磁特性的研究對(duì)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(duì)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(kù)。

在超微晶合金的高頻旋轉(zhuǎn)磁特性的研究過(guò)程中，逐漸加大激磁信號(hào)直至樣品飽和。當(dāng)激磁信號(hào)幅值較小、頻率較低時(shí)，B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器中傳感信號(hào)非常微弱，尤其是樣品表面磁場(chǎng)傳感信號(hào)，只有幾毫伏（或者更低）到幾十毫伏，甚至比周?chē)h(huán)境中的干擾信號(hào)還要微弱，易受周?chē)姶怒h(huán)境的干擾[3]。本文針對(duì)超微晶合金樣片二維高頻磁特性測(cè)量中，B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器中的信號(hào)容易受干擾、噪聲大、信號(hào)弱的特點(diǎn)，對(duì)高頻小信號(hào)放大電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。采用兩級(jí)放大電路，第一級(jí)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(hào)；然后連接濾波電路，將直流信號(hào)和其他的噪聲去掉；最后連接主放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最終放大，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效采集。并將硬件電路應(yīng)用在H線(xiàn)圈的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，確定了H線(xiàn)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(xiàn)圈輸出的傳感信號(hào)放大過(guò)程中，為了抑制零點(diǎn)漂移，進(jìn)一步提高共模抑制比，放大電路必須分兩級(jí)實(shí)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(xiàn)圈和周?chē)h(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(hào)大得多。因此前置放大器采用對(duì)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(hào)頻率之外的成分過(guò)濾掉，一般需要一個(gè)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(guò)濾波器后，信號(hào)幅值仍然很小，需要一個(gè)增益較高的放大器進(jìn)行最終的放大，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效采集。

1.1 前置放大電路

在整個(gè)放大電路中，前置放大電路決定了整個(gè)系統(tǒng)的噪聲情況。由于其輸入端為差分信號(hào)，會(huì)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(hào)在信號(hào)輸入電路參數(shù)不對(duì)稱(chēng)時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為差模干擾并對(duì)測(cè)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(dòng)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(lèi)產(chǎn)品中，其相對(duì)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(kāi)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(xiàn)路諧波，大大簡(jiǎn)化了濾波要求[7]。同時(shí)考慮到B?H復(fù)合型磁滯矢量傳感器線(xiàn)圈輸出的傳感信號(hào)中夾雜著直流信號(hào)，太大的前置放大器增益會(huì)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(jì)的第一級(jí)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(hào)中除了夾雜著許多的工頻干擾，還會(huì)有很大的直流或低頻分量，將引起傳感信號(hào)的基線(xiàn)漂移；因此設(shè)計(jì)了一階反相高通濾波器來(lái)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(jì)

傳感器信號(hào)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(gè)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(mǎn)足1 mV信號(hào)到1 V的轉(zhuǎn)換要求。主放大電路見(jiàn)圖4。

由于溫漂等影響因素的存在，通過(guò)放大電路放大的電壓信號(hào)可能存在直流偏置現(xiàn)象，為了消除信號(hào)放大后可能存在的直流偏置電壓，設(shè)計(jì)了信號(hào)直流偏置調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足后續(xù)電路的需要。放大電路硬件實(shí)物圖見(jiàn)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(cè)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(guò)bnc接頭與放大電路相連接，通過(guò)放大電路的電壓放大，再將輸出電壓通過(guò)LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而測(cè)定放大電路真實(shí)的放大倍數(shù)，測(cè)試連接裝置見(jiàn)圖6。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中輸入信號(hào)為1 mV，調(diào)整放大電路的參數(shù)設(shè)計(jì)分別對(duì)頻率為1 kHz，2 kHz，4 kHz時(shí)進(jìn)行了多組數(shù)據(jù)測(cè)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(hào)被成功放大1 000倍左右，且放大后的波形良好，沒(méi)有發(fā)生較大的畸變，滿(mǎn)足以下H 線(xiàn)圈的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)要求。

3 H線(xiàn)圈的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

由于在實(shí)際加工過(guò)程中H線(xiàn)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(duì) H線(xiàn)圈進(jìn)行校準(zhǔn)研究，確定線(xiàn)圈系數(shù)NS，即。為了對(duì)H線(xiàn)圈進(jìn)行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，確定線(xiàn)圈系數(shù)，本文通過(guò)高頻產(chǎn)生均勻正弦交變磁場(chǎng)的改進(jìn)型亥姆霍茲線(xiàn)圈，采用直接測(cè)量法進(jìn)行線(xiàn)圈系數(shù)的校準(zhǔn)[13]。所謂直接測(cè)量法，即將待測(cè)線(xiàn)圈以橫截面與改進(jìn)型亥姆霍茲線(xiàn)圈產(chǎn)生的均勻正弦交變磁場(chǎng)垂直的方向，直接放入改進(jìn)型亥姆霍茲線(xiàn)圈中心轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)放大電路將感應(yīng)出來(lái)的高頻小信號(hào)感應(yīng)電壓進(jìn)行放大采集[14]，再利用公式推導(dǎo)出線(xiàn)圈的主窗口系數(shù)，測(cè)量裝置連接圖見(jiàn)圖8。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(hào)放大電路。并將該硬件電路應(yīng)用在H線(xiàn)圈的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，確定了H線(xiàn)圈的校準(zhǔn)系數(shù)。達(dá)到了輸出信號(hào)處理要求，具備一定的實(shí)用價(jià)值。

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