一种铯光泵磁共振信号的高精度检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型铯光泵磁共振信号的高精度检测装置包括信号整形电路、混频电路、单片机、液晶电路、由CPLD构成的频率计和数字频率合成器；输入待测铯光泵磁共振信号通过限幅放大电路整形，由一个频率计粗测，获得一个误差在10HZ以内的频率值，该值由单片机进行千位以上的截尾处理，得到千位以上的频率值，然后计算出其频率控制字，该频率控制字送CPLD构成的DDS产生对应频率值的正弦波信号；经10倍频电路处理后再与经过10倍频的原被测信号进行混频，经过低通滤波得到频差信号，该信号经过整形后通过另一个频率计精确测量，再通过单片机处理得到实际频差，该频差与前面得到的整千的频率相加，便得到高精度的铯光磁共振信号对应的频率值。
【专利说明】一种铯光泵磁共振信号的高精度检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于高精度光磁共振信号的频率测量领域，具体涉及到一种铯光泵磁共振信号的高精度检测电路，能够实现对铯光泵弱磁检测系统中的光磁共振信号频率的精确测量，为微弱磁场的的测量奠定技术基础。
【背景技术】
[0002]铯光泵弱磁检测系统是一种能够精确测量微弱磁场的设备，可广泛应用于生产生活中的磁场测量领域。该设备测量弱磁场的原理是通过测量光磁共振信号的频率，再通过相关计算得到最终的磁场测量结果。所以能否精确测量光磁共振信号的频率对整个设备的测量精度至关重要。
[0003]传统的频率测量设备，要么其频率测量精度和测量范围非常有限，要么响应时间较长，无法满足对铯光泵弱磁检测系统中的光磁共振信号的频率测量要求，所以研制一种适合精确测量这种光磁共振信号频率的检测设备成为了需要迫切解决的问题，也对信号的调整以及频率的精确测量提出了更高的要求。因此，必须要研制一种具有较大测量范围，较高测量精度和较短响应时间的可用于铯光泵磁共振信号的高精度检测装置。
[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]为了能够有效提高对铯光磁共振信号的测量精度和测量范围，本实用新型采用了用了测频法和测周期法相结合，充分发挥各自测量优势，并结合混频，采用高稳定度的铷原子时钟源以及屏蔽等措施的测量方案。该装置主要由高稳定度铷原子钟、信号整形电路、低通滤波器，混频电路、单片机控制电路、液晶显示电路、由CPLD构成的频率计和数字频率合成器等组成。基于测频法的频率计I主要实现对铯光磁共振信号的粗测，而基于测周期法的频率计2主要实现对差频信号的精确测量，二者再通过单片机进行数据处理，便可得到精确的光磁共振信号频率值。
[0006]当系统上电以后，首先由CPLD组成的频率计I粗测铯光磁共振信号，得到一个误差为1Hz以内的频率值，通过SPI方式发给MSP430单片机，单片机将该数据进行处理，得到千位以上的频率值对应的产生DDS所需的频率控制字，再将该控制字发给CPLD，当CPLD收到频率控制字后，它产生相应的正弦波与待测信号混频，经过低通滤波和放大整形最终得到差频，再通过基于测周期法的频率计2精确测量差频，然后该测量结果发往单片机，通过单片机的处理便可以得到最终的准确测量结果。
[0007]本实用新型与现有技术相比具有以下主要的优点:
[0008]1.测量装置将测频法和测周期法相结合，充分发挥各自优势，既有效提高了测量的精度还具有较宽的测量范围，同时又具有一定的反应速度，可以实现对信号的连续准确测量，非常适合用于铯光磁共振信号的测量。
[0009]2.测量装置采用铷原子时钟源作为CPLD的工作时钟，该时钟源具有非常高的频率稳定度和精度，频率为10MHz，通过倍频后供给CPLD中的频率计使用。可以避免由于时钟源的不稳定导致的测量误差。
[0010]3.在实现高精度的测量过程中，采用了将具有跟踪功能的DDS产生的正弦信号与待测信号混频后，测量差频的方式间接提高测量的精度，充分利用测周期法，在低频信号测量时的高精度，同时混频时采用了 Min1-circuits生产的ADE系列混频器，混频输出信号的失真非常小，保证了测量的高精度。
[0011]4.CPLD与单片机相结合实现方案具有集成度高，体积小，功耗低等特点，非常适合于用在仪器仪表，以及需要用于像野外地磁场测量的铯光泵弱磁检测系统这类测量装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是铯光泵磁共振信号的高精度检测电路的组成结构框图。
[0013]图2是由CPLD组成的数字频率合成器的组成结构图框图。
[0014]图3是由CPLD组成的频率计的组成结构图框图。
[0015]图4单片机程序流程图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
[0017]本实用新型提供的铯光泵磁共振信号的高精度检测装置，其结构如图1所示，主要由高精度时钟源、整形电路、混频电路、单片机、液晶电路、由CPLD构成的频率计模块和数字频率合成器组成；待测的光磁共振信号经过整形电路处理后，送入CPLD的频率计模块粗测，然后单片机根据粗测的频率，控制CPLD中的DDS模块产生一个信号与待测信号通过混频电路混频；输出的差频信号再经过整形电路后由CPLD中的频率计模块精测，然后由单片机将粗测和精测的值进行相加等处理就得到准确的待测信号频率，最后送给液晶电路显
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[0018]整个装置的基本工作原理如下:首先待测的光磁共振信号经过低通滤波后，再通过限幅放大和整形电路转换成适合测量方波，然后该方波经过由CPLD构成的频率计I粗测，得到一个误差在1HZ以内的频率值，该频率值通过SPI方式由CPLD发到单片机，单片机收到频率数据，截取千位以上部分，生成一个待测信号相差在IKHz以内的正弦信号，然后该信号与待测信号通过混频器混频，得到一个频率在IkHz以内的频差信号，该信号在经过滤波，放大和整形，在送往频率计2，该频率计采用测周期方式工作，测量精度很高，然后将测得的差频数据发往单片机，与前面的产生的正弦信号频率相加，便可得到待测信号的准确值。
[0019]图2是由CPLD组成的数字频率合成器的组成结构图。该数字频率合成器主要由CPLD和MSP430单片机组成，具有较好的动态频率跟踪功能。频率跟踪范围在50kHz到IMHz，频率误差在0.0lHz以内。CPLD中主要存放是DDS的相位累加器，正弦表，在由外部高精度的铷原子时钟源提供的时钟信号的驱动下工作，而单片机中则主要负责根据DDS的频率公式并结合粗测得到的频率值产生相应的频率控制字，并发往CPLD使之产生与待测信号混频的正弦信号。
[0020]图3是由CPLD组成的频率计模块的组成结构图框图。CPLD中的频率计有两个，频率计I按照测频法的原理工作，将闸门时间设置为ls，使用计数器记录在Is内通过的信号脉冲个数，在闸门时间到达时，输出该值并清零计数器，准备下次计数。其目的主要是得到一个与待测信号误差在1Hz以内的频率值，该值将被发往单片机用来产生频率控制字。频率计2按照测周期法的原理工作，用待测信号作为闸门信号，用计数器记录在闸门时间内通过的已知周期的脉冲个数，通过单片机计算得到准确的频率值，该计数器的主要任务是准确测量差频信号的频率值。单片机将这两个计数器的数据进行相应的处理，便可得到待测信号的准确值。
[0021]图4单片机程序流程图。上电后，单片机通过SPI方式，读取频率计I的频率值，然后单片机将该频率值进行截取处理，得到与待测信号相差在IkHz以内的频率值，通过DDS频率计算公式得到相应的频率控制字发给DDS，使CPLD中的DDS输出正弦波。然后通过SPI方式读取频率计2测量的差频信号值，经过一系列的数据处理便得到最终的待测信号的准确值。
【权利要求】
1.一种铯光泵磁共振信号的高精度检测装置，其特征是该装置主要由高精度时钟源、整形电路、混频电路、单片机、液晶电路、由CPLD构成的频率计模块和数字频率合成器组成；待测的光磁共振信号经过整形电路处理后，送入CPLD的频率计模块粗测，然后单片机根据粗测的频率，控制CPLD中的DDS模块产生一个信号与待测信号通过混频电路混频；输出的差频信号再经过整形电路后由CPLD中的频率计模块精测，然后由单片机将粗测和精测的值进行相加等处理就得到准确的待测信号频率，最后送给液晶电路显示。
2.根据权利要求1所述的铯光泵磁共振信号的高精度检测装置，其特征是所述CPLD和单片机之间通过SPI方式进行通信。
【文档编号】G01R33/26GK203858351SQ201320737198
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】陈永泰, 陈亮, 程龙, 王志明, 臧滨, 唐静, 黄杨, 徐林山 申请人:武汉理工大学