一種方波調(diào)制的TMR磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙宇紅 張?zhí)煅? 崔巖 李博 閆江

摘 ?要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的高精度檢測(cè)，利用隧道磁阻式磁傳感器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種精確分辨微弱磁場(chǎng)場(chǎng)信號(hào)的鎖相放大系統(tǒng)。使用方波調(diào)制傳感器輸出信號(hào)，并利用[Σ?Δ]型ADC實(shí)現(xiàn)平均下抽取結(jié)構(gòu)，抑制方波帶來(lái)的高次諧波干擾，提高了ADC的有效分辨率，降低了系統(tǒng)運(yùn)算量。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)可以有效抑制噪聲與溫漂對(duì)測(cè)量精度的影響，并可精確標(biāo)定nT級(jí)磁場(chǎng)。

關(guān)鍵詞： 隧道磁阻式磁傳感器; 微弱信號(hào); 過(guò)采樣; 方波調(diào)制; 鎖相放大器; [Σ?Δ]模數(shù)轉(zhuǎn)換器

中圖分類號(hào)： TN03?34; TP212 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）01?0148?05

Design and realization of square wave modulated TMR magnetic field detection system

ZHAO Yuhong1， ZHANG Tianyang1， 2， CUI Yan2， LI Bo2， YAN Jiang1

Abstract： A lock?in amplification system for accurately distinguishing weak magnetic field signals was designed and realized by TMR （tunnel magnetoresistance） magnetic sensor to realize the high?precision detection of magnetic field signals. In this system， the sensor output signal is modulated by square wave， and the average?decimation structure is realized by [Σ?Δ] ADC （analog to digital converter） to suppress the high?order harmonic interference caused by square wave， which improves the effective resolution of the ADC and reduces the system operation amount. It is verified by theoretical and experimental analysis that the system can effectively suppress the influence of noise and temperature drift on the measurement accuracy， and can accurately calibrate the nT magnetic field.

Keywords： TMR magnetic sensor; weak signal; oversampling; square wave modulation; lock?in amplifier; [Σ?Δ] ADC

0 ?引 ?言

隧道磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）傳感器作為第三代磁阻式磁場(chǎng)傳感器，相比于各向異性磁電阻傳感器（AMR sensor）和巨磁電阻傳感器（GMR sensor），具有更高的靈敏度與更低的噪聲，非常適合微弱磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域，是目前磁阻式傳感器研究的熱點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于空間弱磁探測(cè)、工業(yè)探傷、醫(yī)療電子、導(dǎo)航制導(dǎo)等諸多領(lǐng)域，是未來(lái)智能磁傳感器市場(chǎng)的主力。

為了最大程度地發(fā)揮TMR傳感器在磁場(chǎng)探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，需要設(shè)計(jì)一款匹配于TMR傳感器輸出特性的高精度的信號(hào)采集系統(tǒng)。TMR傳感器的磁場(chǎng)分辨能力可達(dá)亞nT甚至pT量級(jí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)低至十幾微伏至幾微伏。而電路系統(tǒng)中溫漂、[1f]噪聲以及ADC的量化噪聲均在微伏甚至毫伏量級(jí)，導(dǎo)致TMR傳感器輸出的有效信號(hào)被淹沒(méi)在大量噪聲中。通常來(lái)說(shuō)，利用鎖相放大器（Lock?In Amplifier，LIA）提高信噪比是被廣泛應(yīng)用于磁阻式傳感器信號(hào)檢測(cè)的方法之一[1?3]。然而，目前的研究主要使用單頻正弦波作為傳感器調(diào)制的載波與參考信號(hào)，而高精度的正弦波信號(hào)發(fā)生器需要額外的硬件單元，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。另一方面，由于TMR傳感器輸出電壓為差分矢量信號(hào)，有正負(fù)之分，而被廣泛應(yīng)用于消除載波與參考信號(hào)間相位差影響的正交式鎖相放大器，由于其只能提取信號(hào)的絕對(duì)值，使其應(yīng)用于TMR傳感器信號(hào)檢測(cè)時(shí)具有較大局限性。這使得對(duì)載波相位的準(zhǔn)確跟蹤成為利用鎖相放大原理實(shí)現(xiàn)TMR傳感器信號(hào)高精度檢測(cè)的難點(diǎn)之一。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用于TMR傳感器的基于方波調(diào)制的數(shù)字鎖相放大（Digital Lock?In Amplifier，DLIA）磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)nT級(jí)磁場(chǎng)的精確分辨。

1 ?系統(tǒng)原理與分析

如圖1所示，經(jīng)典鎖相放大器由參考信號(hào)、放大器、相敏檢波器（PSD）和低通濾波器構(gòu)成。對(duì)于直流和慢變的輸入信號(hào)，可采取預(yù)先調(diào)制的方法，將信號(hào)調(diào)制到某一固定頻率。調(diào)制信號(hào)通過(guò)放大器放大至PSD可接受的幅度。載波信號(hào)同時(shí)作為參考信號(hào)，通過(guò)移相器后與已調(diào)制信號(hào)一起輸入PSD進(jìn)行檢波，PSD實(shí)質(zhì)為一乘法器，得到的解調(diào)信號(hào)通過(guò)低通濾波器濾除高頻分量和噪聲，即可恢復(fù)原信號(hào)[4]。

由于正弦波的產(chǎn)生比較復(fù)雜，對(duì)使用條件有較大限制，其數(shù)字解調(diào)端運(yùn)算量也較大，目前很多鎖相放大器利用生成和運(yùn)算均更為簡(jiǎn)單的方波作為載波和參考信號(hào)[5]。設(shè)有幅值為±1，頻率為[fmod]，初始相位為[π2]的方波[Sq]，其傅里葉展開(kāi)為：

[Sq=4πn=1∞12n-1sin[2πfmod（2n-1）t]] （1）

可見(jiàn)，當(dāng)方波作為載波信號(hào)時(shí)，信號(hào)及其噪聲被調(diào)制到[fmod]及其各個(gè)奇次諧波分量上，在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)增益和移相等行為后成為寬帶噪聲，方波載波也會(huì)在系統(tǒng)中引起諸如振鈴和時(shí)鐘饋通效應(yīng)等問(wèn)題[6]。而利用方波作為參考信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，各奇次諧波處的噪聲信號(hào)會(huì)被解調(diào)至0頻點(diǎn)，其幅值疊加在原信號(hào)上，直接影響信噪比。所以，雖然方波鎖相放大器結(jié)構(gòu)與算法較為簡(jiǎn)單，但是噪聲抑制性能及不上使用正弦波的鎖相放大器[7]。

為了抑制方波調(diào)制帶來(lái)的額外干擾，若將方波載波按照極性不同，將其相位劃分為[0，π）與[π，2π）兩個(gè)區(qū)間，由于TMR的輸出信號(hào)為直流至慢變信號(hào)，可認(rèn)為每個(gè)區(qū)間內(nèi)的信號(hào)幅值為一固定值[A]，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)取[N]個(gè)點(diǎn)，將這[N]個(gè)點(diǎn)的平均值[N]作為此區(qū)間內(nèi)信號(hào)的有效值，替代原信號(hào)序列，有：

[N=4Aπn=1∞tt+T212n-1sin[2πfmod（2n-1）t]dtT2] （2）

式中[T]為方波周期。當(dāng)[N]趨于無(wú)窮大時(shí)，有[N=A]，此時(shí)[N]為該區(qū)間內(nèi)TMR傳感器信號(hào)的無(wú)偏估計(jì)。一方面，由于方波載波引起的高次諧波和其他干擾均集中在高頻段，通過(guò)平均可大量抑制，也使方波作為參考信號(hào)時(shí)奇次諧波的影響被極大消除。另一方面，多次平均使采集過(guò)程中ADC產(chǎn)生的量化噪聲也被大幅度削減，即過(guò)采樣技術(shù)。由ADC理想信噪比公式：

[SNR=6n+1.8+10lg OSR] （3）

可以看出，ADC采樣頻率每提高4倍，信噪比提高6 dB，有效分辨率可提高1 bit，以實(shí)現(xiàn)更高的采集精度和更大的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)也使得信號(hào)調(diào)理電路和ADC抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化[8]。由于平均后一個(gè)方波調(diào)制周期內(nèi)序列僅有兩個(gè)有效值輸入PSD，則參考信號(hào)序列變?yōu)閇1，-1]，解調(diào)過(guò)程通過(guò)改變正負(fù)即可實(shí)現(xiàn)，消除了DLIA中所有乘法運(yùn)算，使平均方波鎖相算法在提高系統(tǒng)精度的同時(shí)，極大減少了系統(tǒng)運(yùn)算量，算法更具實(shí)用價(jià)值。

為了驗(yàn)證平均式方波鎖相放大器性能，利用Matlab編寫(xiě)程序，分別編寫(xiě)傳統(tǒng)鎖相算法、方波鎖相算法和平均式方波鎖相算法，并生成幅值為1，相位為[π2]，頻率為200 Hz的方波與正弦波，采樣率設(shè)置為32 kHz，采集32 000個(gè)點(diǎn)，分別添加不同功率的白噪聲，每個(gè)信噪比點(diǎn)做100次重復(fù)測(cè)試并統(tǒng)計(jì)均方差，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)信噪比高于-20 dB時(shí)，三種算法均有高的精度，而隨著信噪比進(jìn)一步下降，傳統(tǒng)方波鎖相放大器的誤差很快上升，其檢測(cè)性能下降十分明顯，而傳統(tǒng)鎖相放大器與相干平均式方波鎖相放大器性能隨信噪比惡化而變化的曲線基本一致，可見(jiàn)平均式方波鎖相算法在大幅減少運(yùn)算量的同時(shí)，性能與傳統(tǒng)算法基本相當(dāng)。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)首先由單片機(jī)產(chǎn)生方波載波，驅(qū)動(dòng)傳感器輸出正比于磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度的電壓信號(hào)，由放大濾波模塊進(jìn)行一級(jí)預(yù)放大后增強(qiáng)信噪比，之后由ADC進(jìn)行采樣與平均下抽取，由單片機(jī)對(duì)平均后的有效值進(jìn)行數(shù)字解調(diào)濾波，恢復(fù)原信號(hào)。系統(tǒng)利用2.5 V基準(zhǔn)電壓芯片提供TMR傳感器的激勵(lì)電壓和ADC的參考電壓。參考信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部生成。整體系統(tǒng)僅需少量元件即可實(shí)現(xiàn)。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 ?調(diào)制電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，為了抑制溫漂和噪聲，TMR傳感器通常設(shè)計(jì)為惠斯頓全橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)外界磁場(chǎng)變化時(shí)，處于對(duì)角位置的磁電阻呈現(xiàn)相同的變化，引起差分輸出[Vout]的變化[9]。

根據(jù)TMR的結(jié)構(gòu)，采用一種MOS全橋斬波電路作為傳感器信號(hào)的調(diào)制器，兩個(gè)橋臂由N溝道?P溝道MOS對(duì)管IRF9389組成。由單片機(jī)GPIO輸出控制信號(hào)，通過(guò)施密特反向器，使到達(dá)Q1，Q2與Q3，Q4的電平相反，導(dǎo)通對(duì)角位置的MOS管，為T(mén)MR傳感器供電。驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平周期性翻轉(zhuǎn)，即可達(dá)到切換傳感器激勵(lì)電壓極性，完成幅值為±1的方波調(diào)制。

2.3 ?信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路作為信號(hào)的預(yù)處理部分，其噪聲性能很大程度影響了系統(tǒng)的分辨能力，本設(shè)計(jì)中著重考慮以下兩點(diǎn)：TMR傳感器典型輸出阻抗大于10 kΩ，對(duì)偏置電流和電流噪聲十分敏感，1 pA的電流噪聲即可增加超過(guò)10 nV的輸入噪聲;為了避免系統(tǒng)整體復(fù)雜度和成本增加，傳感器信號(hào)調(diào)制頻率一般小于1 kHz，需要信號(hào)通道內(nèi)的[1f]噪聲轉(zhuǎn)角頻率較低以保證已調(diào)至信號(hào)頻譜搬移出[1f]噪聲的干擾頻段。

綜上所述，信號(hào)調(diào)理模塊使用OPA2141雙JEFT放大器芯片構(gòu)成三階巴特沃斯低通濾波器，OPA2141為軌到軌輸出，偏置電流僅2 pA，電流噪聲0.8 fA/[Hz]@1 kHz，輸入阻抗為1013 Ω，適合調(diào)理高阻抗傳感器。[1f]的噪聲轉(zhuǎn)角頻率發(fā)生在11 Hz處，即使在較低的調(diào)制頻率下也可有效地消除[1f]噪聲的影響。20 V/μs的壓擺率和600 ns的信號(hào)建立時(shí)間可以快速響應(yīng)方波信號(hào)，信號(hào)在該級(jí)放大4倍。放大濾波模塊原理圖如圖5所示。

2.4 ?采集模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊利用Σ?Δ型ADC實(shí)現(xiàn)平均下抽取和相位同步。Σ?Δ型ADC采用過(guò)采樣技術(shù)、噪聲整形技術(shù)和數(shù)字抽取濾波技術(shù)完成對(duì)模擬信號(hào)的量化，其核心部分Σ?Δ調(diào)制器以很低的采樣分辨率和很高的采樣速率將模擬信號(hào)數(shù)字化[10]。為了濾除高頻量化噪聲信號(hào)和降低信號(hào)速率，現(xiàn)代Σ?Δ ADC均集成片內(nèi)抽取濾波器。Σ?Δ ADC的上述結(jié)構(gòu)使其成為實(shí)現(xiàn)平均方波鎖相系統(tǒng)的首選ADC。

系統(tǒng)選用TI公司的ADS1255，該ADC為24位Σ?Δ型ADC，并集成片上64倍可編程增益放大器，配合信號(hào)調(diào)理模塊共構(gòu)成4～256倍可調(diào)增益。ADS1255抽取環(huán)節(jié)為可編程數(shù)字平均濾波器，可通過(guò)軟件配置平均次數(shù)[N]，完成對(duì)采樣信號(hào)的平均，之后輸出的數(shù)據(jù)即平均后的有效值，后續(xù)系統(tǒng)僅需完成解調(diào)和低通濾波可恢復(fù)信號(hào)，減少了單片機(jī)的運(yùn)算與存儲(chǔ)量。ADS1255利用四線SPI串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，并通過(guò)獨(dú)立的DRDY引腳和SYNC引腳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)采樣的同步操作。ADC與MCU接口電路如圖6所示。

系統(tǒng)參考信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部根據(jù)方波載波相位直接生成，由于信號(hào)通道中的非線性元件以及A/D轉(zhuǎn)換延遲等均會(huì)造成已調(diào)信號(hào)移相，且會(huì)隨溫度、元件容差而變化，使得參考信號(hào)與載波信號(hào)之間會(huì)存在相位差，從而影響檢測(cè)精度。為了解決此問(wèn)題，提出一種同步載波采樣方法，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1） 系統(tǒng)每次翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)載波的GPIO電平后，經(jīng)過(guò)短暫延遲發(fā)送一脈沖電平至SYNC引腳，該電平至少持續(xù)200 ns以啟動(dòng)ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步并開(kāi)始一次轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換過(guò)程包括過(guò)采樣和平均下抽取。

2） 當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后由ADC主動(dòng)拉低DRDY引腳，觸發(fā)單片機(jī)DMA請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)搬運(yùn)至指定RAM并根據(jù)本次GPIO電平極性改變正負(fù)。同時(shí)，單片機(jī)再次對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

由于每次操作過(guò)程中CPU執(zhí)行的指令數(shù)量一致，如此周而復(fù)始，設(shè)ADC輸出速率為[fs]，傳感器理論調(diào)制頻率[fmod=fs2]。既實(shí)現(xiàn)了對(duì)TMR傳感器的調(diào)制，又可保證對(duì)載波相位的精確跟蹤。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

2.5 ?下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)單片機(jī)使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列32位單片機(jī)。軟件流程如圖9 所示，系統(tǒng)的低通濾波器采用滑動(dòng)平均濾波器，初次進(jìn)行采集時(shí)先累積滑窗長(zhǎng)度[L]個(gè)采樣值并求平均，之后每次接收到ADC新的數(shù)據(jù)后都將對(duì)輸出進(jìn)行更新?；伴L(zhǎng)度為[L]的滑動(dòng)平均濾波器輸出[y]的計(jì)算公式為：

[y（n）=y（n-1）+[x（n）-x（n-L）]L] ?（4）

令[L=2n]，則每次新的采樣值僅需進(jìn)行右移[n]位和加法操作即可得到新的輸出值。下位機(jī)與ADC通信通過(guò)DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)，確保CPU及時(shí)響應(yīng)主循環(huán)中的事件。

2.6 ?上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用C#編寫(xiě)，利用SerialPort和chart控件，可根據(jù)不同需求，實(shí)現(xiàn)單位切換、過(guò)采樣率配置、切換直流模式和鎖相模式等功能，并將回傳數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示數(shù)值和繪制波形。上位機(jī)測(cè)試界面如圖10所示。

3 ?系統(tǒng)的性能測(cè)試與分析

3.1 ?系統(tǒng)噪聲測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的噪聲性能，利用4只0.1%精度的20 kΩ電阻焊接成惠斯頓全橋接入系統(tǒng)中，將2個(gè)差分輸出端短接。此時(shí)系統(tǒng)輸出僅為系統(tǒng)內(nèi)噪聲。配置系統(tǒng)增益256倍，平均次數(shù)[N=]60，此時(shí)ADC額定輸出速率為500 S/s，實(shí)測(cè)載波頻率為247 Hz，取滑動(dòng)平均濾波器滑窗長(zhǎng)度[L=32]，采集1 000點(diǎn)，噪聲波形結(jié)果如圖11所示。系統(tǒng)輸出噪聲的峰峰值為0.366 μV，無(wú)溫漂與失調(diào)電壓，使系統(tǒng)具備對(duì)TMR輸出信號(hào)精確檢測(cè)能力，當(dāng)增加平均次數(shù)[N]與滑窗長(zhǎng)度[L]，可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的噪聲性能。

3.2 ?系統(tǒng)磁場(chǎng)探測(cè)性能標(biāo)定

磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境利用磁屏蔽桶、三軸亥姆霍茲線圈和高精度磁通門(mén)傳感器搭建。其中磁屏蔽桶可以屏蔽外部靜磁場(chǎng)，利用高精度磁通門(mén)對(duì)桶內(nèi)磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，屏蔽筒內(nèi)部剩磁大約為±1～2 nT。利用精密電流源驅(qū)動(dòng)可以使三軸亥姆霍茲線圈在其公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生可控的均勻磁場(chǎng)，將待測(cè)系統(tǒng)與磁通門(mén)置于亥姆霍茲線圈的均勻磁場(chǎng)區(qū)中，并一起置于磁屏蔽桶內(nèi)，通過(guò)外接電流源對(duì)亥姆霍茲線圈在桶內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行精確調(diào)控，以間隔10 nT感應(yīng)強(qiáng)度改變磁場(chǎng)若干次，取其中兩次數(shù)據(jù)如圖12所示。

實(shí)驗(yàn)使用的TMR傳感器事先由計(jì)量院標(biāo)定，靈敏度為287 mV/V/Gs，在2.5 V電壓下，對(duì)應(yīng)1 nT的磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為7.17 μV。在±50 000 nT范圍內(nèi)掃描磁場(chǎng)，擬合線性度如圖13所示。

以[3σ]準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算系統(tǒng)對(duì)磁場(chǎng)絕對(duì)值和變化量的分辨能力，得出系統(tǒng)磁場(chǎng)分辨率約為1 nT，擬合線性度為99.5%，傳感器擬合靈敏度為286.87 mV/V/Gs，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)本系統(tǒng)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)RMS值約為1 nT，已經(jīng)可以正確反映出桶內(nèi)剩磁波動(dòng)。系統(tǒng)本底噪聲峰峰值等效約為0.05 nT磁場(chǎng)波動(dòng)，滿足對(duì)更微磁場(chǎng)場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)的要求。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文所實(shí)現(xiàn)的TMR信號(hào)采集系統(tǒng)較傳統(tǒng)的鎖相放大器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高且易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，能有效檢測(cè)出μV級(jí)的電壓信號(hào)，結(jié)合TMR傳感器能夠精確分辨nT級(jí)甚至更微弱的磁場(chǎng)。此外，本系統(tǒng)也能夠推廣到其他的低頻微弱信號(hào)檢測(cè)中，且適用于小型化單片機(jī)系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的工程價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：趙宇紅（1962—），哈爾濱人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電路理論與嵌入式信號(hào)處理。

張?zhí)煅螅?989—），男，北京人，碩士，研究方向?yàn)槲⑷跣盘?hào)檢測(cè)。