基于MSP430的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀設(shè)計(jì)

　　2.3信號(hào)放大器放大器

　　探頭輸出的信號(hào)僅數(shù)微伏，必須放大到/伏0數(shù)量級(jí)才能供測(cè)量電路進(jìn)行數(shù)字頻率測(cè)量。因此對(duì)放大器的要求是低噪聲、高增益。為提高輸出信號(hào)的信噪比，設(shè)計(jì)放大器具有選頻特性，通過(guò)改變配諧電容來(lái)改變放大器的中心頻率，以便測(cè)量不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

　　放大器的各項(xiàng)指標(biāo)分別為：工作頻率范圍1 300 ~ 3 100 H z，增益大于118 dB，輸入阻抗大于10 k8，選頻通帶f = 40~ 100H z.

　　2.4信號(hào)頻率測(cè)量

　　質(zhì)子磁力儀的測(cè)頻方法通常有兩種：鎖相倍頻計(jì)數(shù)測(cè)頻率和分頻測(cè)量信號(hào)周期。

　　鎖相倍頻計(jì)數(shù)的方法在國(guó)內(nèi)的儀器中應(yīng)用較為廣泛。將信號(hào)整形后倍頻，再通過(guò)有門(mén)控的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。通過(guò)數(shù)字電路控制門(mén)控時(shí)間使計(jì)數(shù)值正好是地磁場(chǎng)值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜計(jì)算就能實(shí)現(xiàn)頻率到地磁場(chǎng)值的轉(zhuǎn)換，但是由于信號(hào)頻率變化范圍較寬( 1 000~ 3 000H z) ，且信號(hào)幅度是指數(shù)衰減的，鎖相環(huán)很難實(shí)現(xiàn)在整個(gè)頻帶內(nèi)精確倍頻，因此這種方法精度較低。分頻測(cè)周期的方法電路實(shí)現(xiàn)較容易(見(jiàn)圖2)。將整形后的信號(hào)經(jīng)數(shù)字電路256分頻后測(cè)量其周期，并由單片機(jī)運(yùn)算得出結(jié)果，由于誤差只由256分頻的最后一個(gè)周期的上升沿引起，因此誤差很小，精度較高。

　　頻率測(cè)量電路采用由可編程邏輯器件( CPLD： Complex Programm able Logic Device)組成分頻測(cè)周期邏輯電路，由高穩(wěn)定晶振提供測(cè)量時(shí)鐘源。此電路對(duì)選頻放大器輸出的旋進(jìn)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字周期測(cè)量，石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 40 MHz，精度可達(dá)±25 ns.將其作為計(jì)數(shù)脈沖，由測(cè)量電路的計(jì)數(shù)器記錄脈沖個(gè)數(shù)，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算處理可得到精確的頻率值，如圖3所示。

　　考慮到低功耗設(shè)計(jì)及3.3 V供電電源，電路采用EPM 7064AET I44-10 CPLD芯片，而且儀器在非測(cè)量狀態(tài)下將關(guān)閉此部分電源以節(jié)省電量。用Verilog HDL ( Verilog High speed integrated circuit hardw are Descript ion Language)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)編程。

　　2.5其他電路器件的選擇

　　考慮到儀器的工作溫度范圍較大，液晶顯示器采用耐低溫特性較好的圖形液晶顯示器。為降低功耗，提高電源利用率，各級(jí)電路采用LM 2674供電。這是一款紋波及干擾較小的DC-DC芯片，但仍要做好電源及數(shù)字電路部分的屏蔽及與模擬信號(hào)放大器的隔離。FLASH ROM ( Flash Read Only Memory)采用三星公司的64MB存儲(chǔ)器K9F1208.

　　3單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

　　MSP430開(kāi)發(fā)軟件有功能強(qiáng)大的C編譯器，故軟件部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。這里采用IAR公司EW-430 V2120A版MSP430開(kāi)發(fā)軟件。

　　由于篇幅的限制，詳細(xì)程序不在此列出，需要說(shuō)明兩點(diǎn)。

　　1) MSP430單片機(jī)的總線(xiàn)是不對(duì)外開(kāi)放的。要對(duì)液晶及FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行信號(hào)傳送，只能用I/O口模擬總線(xiàn)。這一點(diǎn)對(duì)編程來(lái)說(shuō)略顯不便。

　　2) MSP430的內(nèi)部測(cè)溫二極管的精度較低。可能有幾攝氏度的誤差。但對(duì)儀器精度校正，影響并不大。

　　4整機(jī)測(cè)試

　　測(cè)試地點(diǎn)：某市八一鄉(xiāng)大長(zhǎng)溝南。

　　整機(jī)電流：極化電流1200 mA;信號(hào)放大測(cè)量時(shí)38mA;顯示數(shù)據(jù)時(shí)15mA;待機(jī)電流0.8mA.地磁場(chǎng)測(cè)量方法：同一地點(diǎn)測(cè)量4次取平均值，測(cè)得地磁場(chǎng)值如表1所示。

　　以EVN I ( env ironment)地球測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為比較參照，可以得出結(jié)論：本儀器分辨力0.1nT，精度0.5nT.

　　5結(jié)語(yǔ)

　　采用MSP430F149作為處理芯片，外圍元件少;系統(tǒng)故障率低;功耗低;電池使用時(shí)間長(zhǎng);儀器內(nèi)部元件對(duì)放大器的電磁干擾小;儀器的體積小。采用分頻測(cè)周期的間接測(cè)頻方法，儀器的測(cè)量精度高。但同某些高檔進(jìn)口儀器相比還有一定的差距，以后還可對(duì)其作進(jìn)一步改進(jìn)。