基于FPGA的单轴数字磁通门传感器设计与实现

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传统的磁通门传感器基于模拟电路设计,随着测量精度和测量范围的提高,传统的模拟信号处理方法逐渐无法满足需求。同时,温度性能差也成为模拟电路的一大缺点。因此,磁通门传感器的发展趋势便是将磁通门信号进行数字化处理。随着数字信号处理技术和FPGA器件的发展,采用FPGA来处理磁通门信号,可大大改善磁通门传感器的温度性能,提高其测量范围和测量精度,并且具有耐震性好、容易修改、稳定性高等特点。由于数字磁通门传感器的这些优点,它被广泛应用到各个科研领域之中,比如航空、航天、地质勘探、环境磁场监测等众多领域。对于双铁芯结构的磁通门传感器,磁通门信号为偶次谐波的叠加,其中的二次谐波最能反映被测磁场的大小,因此需要设计特定的电路,将偶次谐波中的二次谐波提取出来。本文从功能和性能两方面对数字磁通门传感器系统进行分析,并且考虑到系统的运算速度、精度、体积等几个方面,提出了合适的总体方案。采用FPGA产生激励信号对传感头进行激励,从而产生磁通门信号。对信号进行功率放大和选频后,用AD转换电路对信号进行模数转换,再用FPGA对数字信号进行相关处理,最后用DA转换电路对信号进行数模转换。本文介绍了磁通门传感头的结构以及制作,并且详细论述了数字磁通门信号处理系统的工作原理以及设计原理,并据此选择了适当的AD芯片、FPGA芯片以及DA芯片来制作电路。根据数字磁通门信号在FPGA内的走向,分别设计了A/D控制模块、相敏整流模块、FIFO缓存模块、FIR低通滤波器模块以及D/A控制模块等。然后用仿真软件Modelsim对各模块进行了功能仿真,验证了各模块的正确性。最后制作出电路板,用实际电路对相关模块进行了调试,验证了本系统的可行性。本文设计的磁通门传感器具有以下优点:(1)比模拟磁测量系统更稳定、受环境的影响很小、具有较强的抗干扰能力。(2)只需通过一片FPGA就可以完成整流、缓存以及滤波等过程,减小了系统的体积,并且提高了电路集成度。(3)使用灵活方便,方便修改。通过可编程硬件语言来设计信号处理模块,可以通过软件来进行设计修改,而不需要改变电路。顺应磁通门传感器向高精度、微型化、数字化的发展方向,本文设计并实现了数字式磁通门传感器,研究了相关的实现方式,改善了磁通门传感器的性能。实验结果表明,本文设计的磁通门传感器具有较高的精度、较好的稳定性以及温度性能,能够满足一般的磁场测试需求。
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