基于cpld正交磁通门传感器设计

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1、基于CPLD正交磁通门传感器设计　　摘要：简述了磁通门传感器技术中二次谐波法的原理，用软磁材料坡莫合金制作传感器探头磁芯，设计了基于CPLD的正交磁通门传感器。传感器能够实现水平载体的航向角数值，在0°～360°范围内航向角的测量精度可达1°，系统分辨率可达0.1°，可以满足水平定向导航的性能要求。关键词：CPLD；正交磁通门传感器；水平定向导航中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）17-0037-020引言磁通门传感器是一种利用磁饱和法测量弱磁场的传感器，广泛应用于地磁测量、

2、空间磁场测量、飞行器控制等[1]。以往的磁通门传感器电路复杂，分立元件使用量大，这使得电路参数受温度影响较大且调试困难。为了解决这种问题，本文设计了一种采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）的正交磁通门传感器，减少了电路的复杂程度，并且易于调试，取得很好的效果。1磁通门二次谐波法原理5磁通门现象，简单的说就是一种变压器效应。其结构与变压器类似，但是与普通电器设备中变压器效应不同的是磁通门探头的变压器效应是对被测量的磁场进行调制。磁通门直接检测目标的方式十分简单，即探头感应测量环境磁场在其轴向的分量[2]。磁通门探头的铁

3、心通常都是由高导磁材料如坡莫合金制成的[3]，在其外部缠绕励磁线圈以及测量线圈。磁通门铁心可以采用柱形、跑道型或环形的形状。由以上分析可以看出：待测磁场的感应电压大小只与偶次谐波有关，且高次谐波是逐级衰减的，因此采用二次谐波来测量磁场。2磁通门传感器测角原理如果取二次谐波，采用环形铁心，正交的测量线圈方式，则e为测量线圈法线方向与被测磁场平行时的大小。若有夹角，如图2所示。电动势相位差？兹即为线圈与地磁场夹角，度量出它就可以度量方位角。3正交磁通门传感器的硬件设计电路设计的总体思路是：通过分频激励磁通门探头，磁通门

4、探头输出测磁场轴向的分量相关的信号，将该信号经过放大、移相、求和、滤波等电路，再经过基于CPLD的整形、鉴相电路的处理，将其转换成所需要的数字信号，其整体的框图如图3所示。3.1激励发生电路5采用有源晶体振荡器作为频率源，因其具有非常稳定的固有频率，可以保证频率的稳定性。分频器对晶振信号分别进行360分频和720分频，得到频率为f的方波信号作为鉴相基准信号，以及频率为f/2的方波信号作为磁通门传感器的激励信号。3.2功率放大电路由于从CPLD出来的方波信号功率较小，不足以激励线圈使磁芯达到周期性的过饱和状态。因此，

5、在CPLD产生稳定的方波信号后面，需要配置功率放大电路，可采用集成运放构成的放大电路。3.3移相电路由设计思路可知，磁环次级的两个测量绕组产生的二次电压分量，一路需要经移相器移相90°与另一路信号合成，此处移相90°由一阶全通网络完成。其振幅频率特性和相位频率特性分别为：3.4求和放大电路磁环次级的两个测量绕组产生的二次电压分量，一路经移相器移相90°与另一路信号合成，两路信号输入至求和电路。求和电路采用同相求和运算电路。3.5带通滤波电路由求和放大电路输出的合成信号包含有二次谐波分量和其他谐波分量，其中有用的是二

6、次谐波分量，而其他谐波分量可看做噪声信号，其中幅度最大的是基波和三次谐波，其频率分布在探头输出信号幅值最大的二次谐波两边。所以采用二阶有源带通滤波器，其中心频率为15KHz。带通滤波器提取并放大了二次谐波分量，有效地除去了噪声信号。3.6其他电路5电路中分频器电路、鉴相器电路、计数输出电路及其他数字电路部分均集成在CPLD芯片EPM7128S上，通过仿真测试，符合电路要求。CPLD分频器仿真波形如图4所示。4实验结果测试过程为对磁通门传感器的水平测试，记录脉冲读数。本实验需要用到一种无磁转台作为角度基准[6]。首先

7、调节转台，将其调至水平了，将磁通门传感器放置于转台上，调节磁通门位置，使磁通门传感器的输出计数值为0。以60°为转动间隔，分别正转、反转无磁转台一周，通过示波器读出脉冲个数（即航向角数值），实验数据如表1所示。由表1可以看出，磁通门传感器存在零误差，该误差主要来源于激励磁场的电压或者电流中不对称分量引起的，即偶次谐波成分的影响或外部杂散磁场。因此为了提高激励的对称度，我们要采用高稳定度、电源去耦的振荡器。外部杂散磁场主要由周围环境中的铁磁材料的干扰所引起。因此，探头可以采取适当的屏蔽措施，使用中远离外界磁场及铁磁物

8、质，减小外磁场的影响。5结论测试结果表明，该传感器航向角最大误差为1°，分辨率最低0.1°，精度1°，所设计的磁通门传感器具有良好的性能，满足设计要求。利用CPLD进行电路整合，具有调试方便，误差小，成本低等特点。5参考文献：[1]张莹.基于单片机的数字磁通门传感器.西北工业大学硕士学位论文，2006[2]李大明.磁场的测量.北京：机械工业出版社，1993：