基于MSP430的質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀設計

　　2.3信號放大器放大器

　　探頭輸出的信號僅數微伏，必須放大到/伏0數量級才能供測量電路進(jìn)行數字頻率測量。因此對放大器的要求是低噪聲、高增益。為提高輸出信號的信噪比，設計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，以便測量不同的磁場(chǎng)強度。

　　放大器的各項指標分別為：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信號頻率測量

　　質(zhì)子磁力儀的測頻方法通常有兩種：鎖相倍頻計數測頻率和分頻測量信號周期。

　　鎖相倍頻計數的方法在國內的儀器中應用較為廣泛。將信號整形后倍頻，再通過(guò)有門(mén)控的計數器計數。通過(guò)數字電路控制門(mén)控時(shí)間使計數值正好是地磁場(chǎng)值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要復雜計算就能實(shí)現頻率到地磁場(chǎng)值的轉換，但是由于信號頻率變化范圍較寬( 1 000~ 3 000H z) ，且信號幅度是指數衰減的，鎖相環(huán)很難實(shí)現在整個(gè)頻帶內精確倍頻，因此這種方法精度較低。分頻測周期的方法電路實(shí)現較容易(見(jiàn)圖2)。將整形后的信號經(jīng)數字電路256分頻后測量其周期，并由單片機運算得出結果，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。

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

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

　　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字電路部分的屏蔽及與模擬信號放大器的隔離。FLASH ROM ( Flash Read Only Memory)采用三星公司的64MB存儲器K9F1208.

　　3單片機軟件開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

　　MSP430開(kāi)發(fā)軟件有功能強大的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，詳細程序不在此列出，需要說(shuō)明兩點(diǎn)。

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

　　2) MSP430的內部測溫二極管的精度較低?？赡苡袔讛z氏度的誤差。但對儀器精度校正，影響并不大。

　　4整機測試

　　測試地點(diǎn)：某市八一鄉大長(cháng)溝南。

　　整機電流：極化電流1200 mA;信號放大測量時(shí)38mA;顯示數據時(shí)15mA;待機電流0.8mA.地磁場(chǎng)測量方法：同一地點(diǎn)測量4次取平均值，測得地磁場(chǎng)值如表1所示。

　　以EVN I ( env ironment)地球測量系統的測量數據作為比較參照，可以得出結論：本儀器分辨力0.1nT，精度0.5nT.

　　5結語(yǔ)

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