适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器的制作方法

本发明涉及软磁材料的磁特性测试设备，适用于三维磁特性柔性激磁系统谐振电容自动化匹配，可实现不同激磁条件下谐振电容的精确计算与匹配并简化人工计算和操作流程。

背景技术：
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软磁材料的三维磁特性系统能够全面测量材料的磁滞、损耗等磁特性。三维磁特性测试系统主要包括三轴正交的主测量装置，高性能功率放大器，多通道差动放大电路，数字信号处理单元等结构。三维测试仪主磁路由空间正交磁极、磁轭组成，是激磁系统的重要组成部分。激磁部分主要依靠功率放大器对激磁信号进行放大，在激磁线圈上产生激磁电流，产生磁场完成磁特性测量。由于激磁信号是交变信号，随着实验激磁频率的升高，激磁线圈阻抗增大，导致激磁困难，仅仅依靠功放激磁会降低电源效率，功率因数较小。为了补偿激磁线圈的无功电流，设置了不同规格的谐振匹配电容。

已有的测试系统在进行特定频率测量时，需要关闭系统电源，根据线圈电感和激磁频率来计算出相应的匹配谐振电容，然后再通过手动开关来选择相应电容，既操作繁琐又大大降低实验效率。传统的谐振电容器(即电容匹配器)结构示意图如图1所示，为多个基本单元并联组成，每个基本单元是由电容A和拨片开关B串联构成，控制电容是否接入并联电路。实验过程中需要用到相应电容时，需要拨动相应的开关，将不同规格的电容并联起来，才能完成实验。这种电容箱每次选取电容的时候都要计算需要并联的电容；在电路结构上，所有的电容只能并联，限制了等效电容值的范围；外部需要设置拨动开关，自动化程度不高，影响实验效率。因此，设计制作新型自动化容性谐振匹配器对于节省实验时间、简化实验步骤、提升实验效率具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的为针对传统的匹配谐振电容箱的缺点，提供一种适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器。本发明是在传统的电容箱的基础上，将拨片开关改为电子开关，在相邻电容之间增加一条斜向的电容串联通路，并增设两个电子开关控制相邻的电容，通过单片机给出电子开关信号，控制电流流向，从而达到电容既能串联，又能并联的目的。

本发明的技术方案为：

一种适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器，该自动化谐振电容匹配器的组成包括三个电容匹配器和单片机；

其中，三个电容匹配器分别和单片机相连。

所述的电容匹配器包括并联的n个基本单元，每个基本单元包括一个电容、一个电子开关和两个单刀双掷开关；其中，即电子开关与电容串联，电子开关的另一端与第一单刀双掷开关的不动点相连，电容的另一端和第二单刀双掷开关的不动点相连；每个单刀双掷开关有两个动触点；

所述的n个基本单元的并联具体为：第k级的第一单刀双掷开关的第二动触点与下一级的第一单刀双掷开关不动点相连，第k级的第一单刀双掷开关的第一动触点与下一级第二单刀双掷开关的第一动触点相连；第k级的第二单刀双掷开关的第二动触点与上一级的第二单刀双掷开关的不动点相连，第k级的第二单刀双掷开关的第一动触点与上一级第一单刀双掷开关的第一动触点相连；同时，第一基本单元的第二单刀双掷开关去除，第一基本单元中的电容A1的另一端与第二基本单元中的第二单刀双掷开关中的第二动触点相连，并连接一个输出端子E1；最后一级省略的第一单刀双掷开关，电子开关的另一端与上一级基本单元多中的第一单刀双掷开关中的第二动触点相连，并连接一个输出端子E2；E1、E2分别谐振电感组相连；

所述的n＝4～12，k小于n；

所述的基本单元中，电子开关为耗尽型N沟道MOS管，MOS管的源极与电容相连，漏极与第一单刀双掷开关的不动点相连，NMOS管的栅极引出信号线与单片机相连；

所述的单刀双掷开关相同，均为具有单刀双掷开关功能的电子芯片，该芯片具有至少6个端子；其中，三个端子分别作为不动点、第一动触点和第二动触点；第二单刀双掷开关芯片第四端子与上一级的第一单刀双掷开关芯片的第四端子相连，并引出作为信号线Dk，Dk与单片机相连。

所述的单刀双掷开关优选为MAX4644芯片。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够实现计算机数据与下位机通信并控制谐振电容值的改变，自动化程度高，能够极大的减少劳动量并简化电容计算。

(2)相较于传统的谐振电容匹配器，每次进行不同的实验时，需要关闭系统，重新改变谐振电容电路的连接方法。本发明不需要设备暂时停止运行，可以在实验过程中切换谐振电容，保证了实验的连续性。

(3)本发明设计了一种能够自动化实现电容串并联的电路连接方法，能够灵活地控制电容的串并联，不需要人为的干预。

(4)本发明通过电容的串并联，能够得到100余种等效容值，拓展了磁特性测量中谐振频率的选择范围，使磁特性实验能够在中频范围有更多的谐振电容选择。既提高了谐振精度，又节约了实验成本，并简化人工计算和操作流程。

附图说明

图1a为传统的电容匹配器连接单元；图1b为传统的电容匹配器电路连接方式示意图

图2a为本专利的电容匹配器连接单元；图2b为本专利的电容匹配器电路连接方式示意图；

图3为本专利的电容匹配器受控开关的开关信号连接方式示意图；

图4为40uF等值电容开关动作示意图；

图5为第k级基本单元具体电路连接示意图；

图6a为MAX4644时序控制信号；图6b为MAX4644芯片引脚图；

图7为三维磁特性测量系统与本专利连接示意图；

图8为本发明中适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器的运行步骤图。

具体实施方式：

本发明的适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器中，电容匹配器是其基本组成。本发明中的电容匹配器是将传统的的匹配器的基本单元进行改进，如图2a所示，将拨片开关B换为可控的电子开关Bk，并增加两个单刀双掷开关第一单刀双掷开关Ck1、第二单刀双掷开关Ck2(与开关B直接相连的单刀双掷开关命名为第一单刀双掷开关Ck1，与电容Ak直接相连的单刀双掷开关命名为第二单刀双掷开关Ck2)，即电子开关Bk与电容Ak串联，电子开关Bk的另一端与第一单刀双掷开关Ck1的不动点相连，电容Ak的另一端和第二单刀双掷开关Ck2的不动点相连，由此构成一个本专利所述的谐振电容匹配器的基本单元。给第一单刀双掷开关Ck1，第二单刀双掷开关Ck2的两个动触点分别命名为第一动触点1、第二动触点2。

将n个基本单元按照如图2b中所示的方式并联即可完成本专利的电容串并联控制电路(电容匹配器)：第k级的第一单刀双掷开关Ck1的第二动触点与下一级的第一单刀双掷开关C(k+1)1不动点相连，第k级的第一单刀双掷开关Ck1的第一动触点与下一级第二单刀双掷开关C(k+1)2的第一动触点相连；第k级的第二单刀双掷开关Ck2的第二动触点与上一级的第二单刀双掷开关C(k-1)2的不动点相连，第k级的第二单刀双掷开关Ck2的第一动触点与上一级第一单刀双掷开关C(k-1)1的第一动触点相连；同时，第一级的第二单刀双掷开关C12去除，第一基本单元中的电容A1的另一端(相对于与本基本单元中电子开关B1连接端的另一端)与第二基本单元中的第二单刀双掷开关中的第二动触点2相连，并连接一个输出端子E1，作为等值电容输出引脚；最后一级省略的第一单刀双掷开关Cn1，电子开关Bn的另一端与上一级基本单元多中的第一单刀双掷开关中的第二动触点2相连，并连接一个输出端子E2，作为等值电容输出引脚；(E1接第二级单元第二单刀双掷开关的4号引脚。E2接第N-1级单元第一单刀双掷开关的4号引脚。)由此完成电容串并联开关控制电路。

所述的基本单元的数量可以为4～12个。本发明优选为8个。

所述的单刀双掷开关采用具有单刀双掷开关功能的电子芯片，该芯片具有至少6个端子；本发明采用MAX4644芯片作为单刀双掷开关，其中，图6b是芯片的引脚，2号引脚、3号引脚为芯片供电引脚，4号引脚对应于上述所述第一单刀双掷开关Ck1、第二单刀双掷开关Ck2的第二动触点2，6号引脚对应于第一单刀双掷开关Ck1、第二单刀双掷开关Ck2的第一动触点1，5号引脚对应于第一单刀双掷开关Ck1、第二单刀双掷开关Ck2的不动点，1号引脚为上述所述谐振电容匹配器基本单元中单刀双掷开关Ck1、Ck2的控制信号输入引脚。在第k级基本单元中，对应于第一单刀双掷开关Ck1的芯片为第一单刀双掷开关芯片Ck1，对应于第二单刀双掷开关Ck1的芯片为第二单刀双掷开关芯片Ck2。当控制信号输出为低电平(逻辑值为0)的时候(即MAX4644的1号引脚输入为低电平)，单刀双掷开关的不动点与第二动触点2导通，第一动触点1悬空(即MAX4644的5号引脚与4号引脚导通，6号引脚悬空)；当控制信号输出为高电平(逻辑值为1)的时候(即MAX4644的1号引脚输入为高电平)，单刀双掷开关的不动点与第一动触点1导通，第二动触点2悬空(即MAX4644的5号引脚与6号引脚导通，4号引脚悬空))。第k级基本单元中的第二单刀双掷开关芯片Ck2的1号引脚与上一级的第一单刀双掷开关芯片Ck1的1号引脚相连，并引出作为最小位的串联控制信号线Dk。

所述的电子开关Bk由耗尽型N沟道MOS管(NMOS管)构成，源极与电容相连，漏极与第一单刀双掷开关芯片Ck1的不动点(5号引脚)相连，NMOS管的栅极引出信号线作为Fk，与单片机的引脚相连。将Bk开关的最小并联控制位按照编号顺序并排组成F1-F8并联控制信号线，F1-F8并联控制信号线接入单片机PA0-PA7引脚。当Fk的控制信号为高电平(逻辑值为1)的时候(NMOS管的栅极输入高电平)，开关导通；当Fk的控制信号为低电平(逻辑值为0)的时候(NMOS管的栅极输入低电平)，开关关断。

组成如图3所示可控电容串并联开关控制电路。图5是第k级基本单元实际电路连接方式。由此完成一个电容匹配器连接。

图4是实现40uF等值电容时，开关的动作状态。此时F1-F8输入控制信号0x07、D1-D7输入控制信号0x01。电子开关B1、B2闭合，第一单刀双掷开关芯片C1、第二单刀双掷开关芯片C2的不动点(5号引脚)闭合于第一动触点1(6号引脚)，此时57uF电容与10uF电容并联后，与99uF串联，最终的电容值为40uF。

以8个上述所述谐振电容匹配器的基本单元为例，电容串并联控制电路的输出端为E1、E2，与三维磁特性测量系统的谐振电感组相连。图3中所有的Ck1，Ck2单刀双掷开关都均相同，都为电子受控类型单刀双掷开关，本发明采用MAX4644芯片作为单刀双掷开关。

8个基本单元的最小位串联控制信号线Dk按照顺序组成D1-D7串联控制信号线(最末级控制信号没有下一级，所以没有D8信号线，但是为了运行考虑，最后一位恒为0)，并与单片机的PA8-PA14引脚相连。

本发明的适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器，该适配器的组成包括三维磁特性测量系统、三个谐振电感组、三个谐振电容匹配器和单片机控制单元；

其中，三维磁特性测量系统中的三个激磁线圈绕组，每个激磁线圈绕组和一个谐振电感组相连，每个谐振电感组和一个谐振电容匹配器相连，三个谐振电容匹配器分别和单片机控制单元相连，单片机控制单元还直接和三维磁特性测量系统的串口通信接口。

具体如图7所示：三维磁特性测量系统共有三个激磁线圈绕组，对应与X轴、Y轴、Z轴激磁方向。每个方向的激磁线圈绕组都通过相应的谐振电感组与电容匹配器中的输出的电容值匹配，故需要对应有三个电容匹配器。与X轴电感相连的电容匹配器称为X轴谐振电容匹配器；与Y轴电感相连的电容匹配器称为Y轴谐振电容匹配器；与Z轴电感相连的电容匹配器称为Z轴谐振电容匹配器。

所述的单片机控制单元包括单片机。本实施例具体的型号为stm32f103ze。

B1-B8作为16位开关控制信号数据的低8位，D1-D7作为16位开关控制信号数据的高八位。这个16位的开关控制信号数据作为电容串并联开关控制信号，与stm32的16位引脚相连(例如X轴谐振方向开关控制信号数据连接PA0-PA15，Y轴谐振方向开关控制信号数据连接PB0-PB15，Z轴谐振方向开关控制信号数据连接PC0-PC15)，驱动图3中的MOSFET开关B1-B8以及MAX4644的开通或者关断。

在这里的电子受控型单刀双掷开关是指一类受控的三端开关器件，能够通过给控制端逻辑电平信号(0或者1)来控制开关的开合方向，在电路中能够改变电流的流向。以MAX4644SOT23-6芯片为例，这种芯片的1号引脚-IN端是控制端接口，能够改变开关的开合方向。4号引脚、6号引脚是动触点，5号引脚是不动点。程序流程图如图5所示，三维磁特性测量系统的控制端通过串口按照表格二所示的通信协议发送串口数据。单片机解析数据格式，得到功能字指令以及电容值数据。根据功能字判断配置X轴、Y轴或者Z轴的谐振电容。根据电容值数据查表得到开关动作电位。单片机输出动作电位，控制开关开断，完成电容串并联操作。单片机返回ACK信号，通知单片机完成动作电位。

本发明所述的适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器运行时可以通过控制程序实现自动化运行。所述的控制程序由C语言编写完成并下载到单片机中，主要实现两个功能。一，提供与上位机通信的协议；二，根据上位机传来的电容数值，控制相应开关动作，实现电容的串并联操作，从而得到等值的电容数值。具体算法是，将表格一提供的等值电容与单片机控制信号对应的关系以二维数组的形式写入ROM中，解析上位机通过串口发来的电容数据，遍历查询最接近的等值电容，单片机输出这个等值电容对应的开关动作。

步骤一：图1为三维磁特性测量系统示意图，上位机设置激磁频率和激磁线圈电感量，计算得到的电容值通过串口传给下位机分析数据。

步骤二：经过功率放大器放大后的信号加在激磁线圈上，与谐振匹配电容谐振产生激磁电流，从而在三个方向上产生磁场完成三维磁特性测量。下位机解析上位机电容值数据，通过查表得到开关的动作值。

步骤三：在下位机控制下，三个谐振电容箱内的开关动作，谐振电容完成串并联操作。

步骤四：开始三维磁特性测量实验操作，得出三维磁特性数据。

步骤五：上位机输入下一个实验的频率，系统自动从步骤一开始，无需人工干扰。

所述的适用于三维磁特性测量系统的自动化谐振电容匹配器运行中，涉及的相关软件或程序，均为公知技术，本领域普通技术人员根据装置的组成，以及上述运行步骤，很容易编写实现。所述的电容串并联开关控制电路的多个基本单元中，每个单元中的电容的选择上由三维磁特性测量系统选择的试验频率和激磁电感确定，由公式确定出基本的电容容值。

根据三维测特性测量系统中谐振电感的电感量L，和实验要确定的典型激磁频率f，根据公式确定出99uF、57uF、10uF、9uF、3uF、1uF、0.5uF、0.1uF容量的电容。以这这8个典型的电容为例，表格一表示可以通过串并联操作实现的部分电容数值，当需要某个电容容值的时候，对应于单片机应该输出的控制信号。控制信号F是并联控制信号线F1-F8，与单片机对应的引脚相连。控制信号D是串联控制信号线D1-D7，D8恒为0(D8没有具体的电路连接，默认设置为0)。D1-D7与单片机对应的引脚相连。表格中的数据需要单片机写入内存中，作为单片机查表程序重要部分。

表格二、表格三是通信协议部分。本专利中一个单片机需要控制三个谐振电容匹配器，单片机程序是根据一帧通讯数据中的功能字区分某个方向的电容匹配箱(具体为X轴谐振电容匹配器、Y轴谐振电容匹配器、Z轴谐振电容匹配器)、解算出电容数据、并输出相应的控制信号。按照表格二、表格三的通信协议编写程序，单片机即能与三维磁特性测量系统进行通信。

表格一、表格二、表格三，是图8中单片机程序实现的具体细节部分。表格一示例了电容数值与单片机PA、PB或者PC端口输出动作电位的对应关系。表格二定义了串口数据格式。表格三定义了单片机发送信息的数据格式。

谐振匹配器的部分可设置容值和控制信号

表格一

上位机与下位机通信协议

表格二

下位机与上位机通信协议

表格三

本发明未尽事宜为公知技术。