基于FPGA的铯光泵磁力仪频率计设计.pdf

《基于FPGA的铯光泵磁力仪频率计设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第35卷第2期海洋测绘Vo1．35．NO．22015年3月HYDR0GRAPHICSURVEYINGANDCHARTINGMar．．2015DOI：10．3969／j．issn．1671—3044．2015．02．022基于FPGA的铯光泵磁力仪频率计设计张谨，宗发保，邹鹏毅，陈恩(中国船舶重工集团公司第七一五研究所，浙江杭州310012)摘要：铯光泵磁力仪需要通过测量频率换算得到磁场值。以FPGA(现场可编程门阵列)为核心，采用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)语言设计等精度频率计，完成了对铯光泵磁力仪输出频率的采集。该等精度频率计包含整形模块、FPGA测量模块、单

2、片机模块。经测试，该等精度频率计计数分辨率为0．007Hz，对应磁场值为2pT。关键词：铯光泵磁力仪；频率测量；等精度；VHDL；FPGA中图分类号：P716．8文献标志码：B文章编号：1671—3044(2015)02—0080·03采集，该等精度频率计包含整形模块、标准频率产生1引言模块、FPGA芯片模块、单片机模块。光泵磁力仪是一种高灵敏度和高精度磁测设2等精度测频原理及误差分析备，它是以原子在磁场中产生塞曼能级分裂为基础，加上光泵技术和磁共振技术而制成。光泵磁力仪种常用的直接测频法是在相同的时间间隔内，通类很多，常用的T作元素有：氦(He和He)、铷过计算被测信号

3、和参考频率信号的脉冲个数，根据(Rb和Rb。)、铯(Cs)、钾(K。)、汞(Hg)等卜。频率和周期的倒数关系计算出被测频率或周期的测铯光泵磁力仪在航空物探领域中应用比较广泛，包频方法¨J。这个时间间隔通常被称作为闸门时括美国、加拿大、俄罗斯等国家很早就开始针对铯光间，被测信号和参考信号称作填充脉冲。通常参考泵磁力仪进行研究和应用。最具有代表性的是加拿频率的选择和闸门时间的大小和被测频率的大小有大Scintrex公司的CS一3铯光泵磁力仪和美国关系，测量时，根据被测频率大小和测试精度的要求Geometries公司的G一822铯光泵磁力仪。选择合适的参考信号频率，通常直接测频

4、方法主要铯光泵磁力仪输出的拉莫尔频率与外磁场强成有测频率和测周期两种。正比，可以通过测量频率来完成对外磁场的测量。测频率就是在确定的闸门时间内，记录被测铯(Cs”)旋磁比等于3．498577Hz／nT，则外磁场强信号的变化周期数(或脉冲个数)，则被测信号的度／3．498577(nT)。。，本文通过测量铯光泵磁频率为：力仪的频率来完成对外界磁场的测量。=Nx／(1)常见的频率测量方法有直接测频法和等精度测测周期需要有标准频率的频率．，在待测信号频法。直接测频法对于低频信号采用测周期法，对的一个周期内，记录标准频率的周期数，则被于高频信号采用测频法，因此不便于测试大的频率测信

5、号的频率为：范同，而且不能消除待测信号计数器±1个脉冲的误=f~／Ns(2)差。而等精度测频法测量频率，能消除待测信号计这两种方法的计数值会产生±1个字误差，并且数器±1个脉冲的误差，且相对误差与被测频率的大测试精度与计数器中记录的数值Ⅳ或有关。为小无关，仅与闸门时间和标准频率有关。闸门时间了保证测试精度，一般对于低频信号采用测周期法，越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小卜。对于高频信号采用测频法，因此测试时很不方便。本文以FPGA为核心，采用VHDL语言设计了等精度测频方法是在直接测频方法的基础上发展一种等精度频率计完成了对铯光泵磁力输出频率的起来的。等精度测频系统

6、计数部分一般需要一个高精收稿日期：2014—05—28；修回日期：2014—11-26基金项目：国家863计划(2013AA8112005，2014AA06A611)。作者简介：张谨(1979一)，男，浙江建德人，工程师，主要从事光泵磁力仪研究。第2期张谨，等：基于FPGA的铯光泵磁力仪频率计设计度的基准时钟、一个用于信号同步的触发器、标频信号提高测试速度。表1所列为在标准频率为400MHz计数器、被测信号计数器组成和数据输出接口。和20MHz时闸门时间与最大允许误差的对应关系。测量精度与闸门时间的时序关系分析如下：表1闸门时间与精度的关系如图1所示，门控信号CL给出高电

7、平，此时并未开始进行测频计数，而要等到被测频率的上升沿到来时才开始对标准频率和被测频率同时进行测频计数。当门控信号经过，时间结束时，也要等到被测频率的上升沿到来时才同时停止对标准频计数的闸门时间为，标准频率为，被测频率为，在时间内对标准频率和被测频率的脉冲计数值分别为3硬件设计Ⅳ和，则被测频率可由下式求得：=fs×Nx／Ⅳ(3)基于FPGA等精度频率计设计的单元模块包括：整形模块、FPGA测量模和单片机模块，等精度频率标准频率山山山山ulu【J⋯⋯⋯⋯⋯山山uluuluulu山计系统框图见图2。铯光泵磁力仪的拉莫尔频率范被测频