弱磁场信号采集电路的制作方法

本发明属于信号采集领域，尤其涉及一种弱磁场信号采集电路。

背景技术：

目前，磁电阻传感器作为一种重要的磁传感器类型在消费类电子市场，汽车电子市场占据着一定的市场份额。磁电阻磁传感器采用mems加工工艺，具有体积小巧、成本较低和易于大范围组网使用等特点。但是，磁电阻传感器的噪音水平相对较高，特别是在低频领域其固有的“1/f”类型噪音形式影响了其探测灵敏度，难以应用在高灵敏磁场探测领域。

中国发明专利cn106813658a本公开了一种磁场检测电路、磁钉检测装置及磁钉定位方法，其中，磁场检测电路由惠斯通电桥、差分放大电路、低通滤波电路和整流检波电路组成，所述惠斯通电桥由四个金属薄膜磁电阻搭建而成；磁钉检测装置由s个封装了相同的所述磁场检测电路的磁检测模块组成。磁场检测电路、磁钉检测装置可以借助于金属薄膜磁电阻的各向异性磁阻效应，通过惠斯通电桥输出随外部磁场变化的差分电压信号，再对电压信号进行放大、低通滤波和整流检波。

上述专利未针对低频领域进行滤波，不能有效的降低“1/f”噪音，难以提高磁电阻传感器的灵敏度，应用到高灵敏磁场探测领域。

技术实现要素：

本发明针对上述难以降低低频噪音的技术问题，提出一种高灵敏度、低噪音的的弱磁场信号采集电路。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种弱磁场信号采集电路，其特征在于，包括：

电源，为弱磁场信号采集电路提供电力；

磁传感器，检测磁场强度并输出对应磁场强度的电压信号；

信号放大模块，接收磁传感器的电压信号并对电压信号进行差分放大，降低后端电路噪音并输出处理后的信号；

第一滤波模块，接收信号放大模块的信号，过滤目标信号频段外的噪音并输出处理后的信号；

第二滤波模块，接收第一滤波模块的信号，进一步过滤目标频段外的高频噪音并输出最终的信号；

磁传感器顺次电性连接信号放大模块、第一滤波模块和第二滤波模块。

作为优选，磁传感器为磁电阻组成的惠斯通电桥结构，磁传感器第一输出端和第二输出端分别与信号放大模块对应的输入端电性连接。

作为优选，磁电阻为异性磁阻传感器，巨磁阻磁传感器或隧道磁电阻磁传感器中的任意一种。

作为优选，信号放大模块包括可用以过滤低频噪音的第一滤波电路和第二滤波电路，以及可用以放大信号的仪表放大器；仪表放大器的正输入端通过第一滤波电路与磁传感器第一输出端电性连接，仪表放大器的负输入端通过第二滤波电路与磁传感器第二输出端电性连接；信号放大模块还包括可用以调节仪表放大器放大倍数的电阻r1，电阻r1两端分别连接仪表放大器的第一增益设置端和第二增益设置端。

作为优选，仪表放大器采用ad8422。

作为优选，第一滤波模块包括结构相同的第一滤波放大电路和第二滤波放大电路，第一滤波放大电路与第二滤波放大电路串联；第一滤波放大电路包括第一运算放大器，以及可用以配置第一运算放大器放大倍数和过滤目标频段外噪音的多组电阻和电容；第二滤波放大电路包括第二运算放大器，以及可用以配置第二运算放大器放大倍数和过滤目标频段外噪音的多组电阻和电容。

作为优选，第一运算放大器和第二运算放大器均采用tlv2402芯片。

作为优选，第二滤波模块为两级电路级联设计的四阶巴特沃斯低通滤波器；两级电路结构相同，均包括一个运算放大器，以及可用以配置电路过滤高于目标频段噪音的多组电阻和电容。

作为优选，第二滤波模块中的运算放大器均采用tlv2402芯片。

作为优选，本发明的弱磁场信号采集电路采用双端输入电源供电，磁传感器由正电压电源通过稳压芯片产生稳定5v电压供电。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中电路示意图；

图2为本发明实施例中工作原理示意图；

图3为本发明实施例中磁传感器原理图；

图4为发明实施例中的放大倍数随频率的变化图；

图5为本发明实施例中测试系统的时域噪音图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

磁电阻传感器应用于磁异常探测时，磁传感器的信号主要集中于超低频率范围，通常关注的目标信号频率在0.1到10hz。而磁异常信号的强度往往在nt(10^-9t范围)，属于弱磁探测。针对弱磁探测的频率范围，磁传感器的噪音成快速增加趋势，因此需要针对该种特性设计特定的信号采集电路限制极低频率的噪音如0.1hz以下。另外，信号采集电路同样需要针对目标频段以外的高频噪音进行过滤；其中，特别市电电压的频率为50hz，电磁波的辐射形式对信号采集电路造成较大干扰。

如图2所示，本发明设计了一种弱磁场信号采集电路，包括可用以提供电力的电源，可用以检测磁场强度并输出对应磁场强度的电压信号的磁传感器，可用以差分放大电压信号进行差分放大并降低后端电路噪音的信号放大模块，可用以过滤目标信号频段外的噪音的第一滤波模块，可用以过滤目标频段外的高频噪音的第二滤波模块。磁传感器顺次电性连接信号放大模块、第一滤波模块和第二滤波模块，磁传感器产生的信号最终从第二滤波模块输出。

如图1和图3所示，磁传感器采用磁电阻组成的惠斯通电桥结构，惠斯通电桥结构包括四个相同的磁电阻，磁电阻ra、磁电阻rb、磁电阻rc和磁电阻rd，四个磁电阻顺次电性连接形成环形。其中，对磁电阻进行配置，使得磁电阻ra和磁电阻rc的磁化方向相同，磁电阻rb和磁电阻rc的磁化方向相同，并且磁电阻ra的磁化方向与磁电阻rb的磁化方向相反。磁电阻ra与磁电阻rd的连接点与电源vcc电性连接，磁电阻rb与磁电阻rc的连接点接地，磁电阻ra与磁电阻rb的连接点为磁传感器的第一输出端，磁电阻rc与磁电阻rd的连接点为磁传感器的第二输出端。磁传感器处于磁场下时，由于磁化方向的不同，磁电阻ra、rc阻值增加时磁化电阻rb、rd阻值减小，磁电阻ra、rc阻值减小时磁化电阻rb、rd阻值增加；磁传感器的第一输出端与第二输出端将产生差分信号，该差分信号表征对应的磁场强度。磁传感器第一输出端和第二输出端与信号放大模块电性连接。

上述差分信号可以表示为：

公式中，vout为b，d两端所产生的输出信号，vcc为电源供电电压，r为全桥结构中一个单元的电阻值，δr为在磁场作用下产生的磁阻结构单元产生的电阻阻值变化。通常情况下，磁阻元件直接产生的输出信号需要采用信号放大电路进行处理从而可以更加容易探测。而探测电路的设计和优化也极大影响了磁传感器的性能。

信号放大电路包括第一高通滤波电路、第二高通滤波电路和仪表放大器，信号放大电路可以提高输出信号强度同时降低后端测试系统噪音。所述的第一高通滤波电路和第二高通滤波电路均可采用无源rc高通滤波电路的设计。

如图1所示，第一高通滤波电路包括电容c5和电阻r8；电容c5一端与磁传感器第一输出端电性连接，电容c5另一端与电阻r8一端电性连接，电阻r8另一端做接地处理。第二高通滤波电路包括电容c6和电阻r9；电容c6一端与磁传感器第二输出端电性连接，电容c6另一端与电阻r9一端电性连接，电阻r9另一端做接地处理。

信号放大器包括正输入端、负输入端、第一增益设置端、第一增益设置端、正电源端、负电源端、输出端和基准电压端。信号放大器作为前端放大器，希望可以将传感器的信号尽量放大这样在提高输出信号的情况下同时又可降低后端测试系统的噪音对测试的影响。信号放大器的放大倍数的选择取决于传感器本底噪音和后端测试系统噪音之间的关系。对于本发明的采集电路，磁传感器输出的差分信号放到磁传感器的噪音>10倍后端测试系统噪音，能够将后端测试系统噪音的减弱到较低的水平。如果放大倍数选择过大，会超出芯片的输出范围，使测试电路饱和不能测到任何信号。如果放大倍数过低，则达不到抑制后端测试系统噪音的目的，影响传感器的灵敏度。第一增益设置端和第二增益设置端之间设置一电阻r1，电阻r1的阻值与放大倍数满足下面的关系：

其中g为仪表放大器的放大倍数，r0为仪表放大器的额定参数，r为电阻r1的阻值。设置电阻r1的阻值可以调节仪表放大器的放大倍数，满足采集电路的要求。

信号放大器的正电源端与电源正极电性连接，信号放大器的负电源端与电源负极电性连接，信号放大器基准电压端接地处理。

信号放大器的正输入端电性连接电容c5和电阻r8的连接点，信号放大器的负输入端电性连接电容c6和电阻r9的连接点。磁传感器产生的差分信号，经过第一高通滤波电路和第二高通滤波电路的过滤低频噪声，被信号放大器接收。其中，第一高通滤波电路和第二高通滤波电路的截止频率满足：

其中，f为截止频率；r为高通滤波电路的电阻阻值，第一高通滤波电路中r为电阻r8的阻值、c为电容c5的电容值，第二高通滤波电路中r为电阻r9的阻值、c为电容c6的电容值。

本发明的弱磁场信号采集电路的目标频段为0.1hz至10hz，设置电阻r8、电阻r9、电容c5和电容c6的值，调节第一高通滤波电路和第二高通滤波电路的截止频率为0.1hz，过滤低于0.1hz的低频噪音。

信号放大模块接收磁传感器的差分信号，经过其第一高通滤波电路、第二高通滤波电路的降噪以及其信号放大器的放大后，从信号放大器的输出端输出信号。

如图1所示，第一滤波模块包括二级滤波放大电路：第一滤波放大电路和第二滤波放大电路。上述第一滤波放大电路和第二滤波放大电路均可以采用带通滤波放大电路的设计。第一滤波模块针对目标频率外的磁传感器噪音进行进一步的过滤并对目标频率信号进一步放大。

第一滤波放大电路包括第一运算放大器、电阻r2、电阻r4、电阻r6、电容c1和电容c3。第一运算放大器设置有正输入端、负输入端、正电源端和输出端。电阻r2一端电性连接仪表放大器的输出端，电阻r2的另一端电性连接电容c1，电容c1的另一端电性连接第一运算放大器的负输入端，第一运算放大器接收信号放大模块的信号。电阻r6的一端与第一运算放大器的正输入端电性连接，电阻r6的另一端做接地处理。第一运算放大器的正电源端与电源正极电性连接，第一运算放大器的负电源端与电源负极电性连接。电阻r4与电容c3并联后两端分别电性连接第一运算放大器的负输入端和输出端。

第二滤波放大电路包括第二运算放大器、电阻r3、电阻r5、电阻r7、电容c2和电容c4。第二运算放大器设置有正输入端、负输入端、正电源端和输出端。电阻r3一端电性连接第一运算放大器的输出端，电阻r3的另一端电性连接电容c2，电容c1的另一端电性连接第二运算放大器的负输入端，第二运算放大器接收信号放大模块的信号。电阻r7的一端与第二运算放大器的正输入端电性连接，电阻r7的另一端做接地处理。第二运算放大器的正电源端与电源正极电性连接，第二运算放大器的负电源端与电源负极电性连接。电阻r5与电容c4并联后两端分别电性连接第二运算放大器的负输入端和输出端。

第一滤波放大电路中电阻r2和电容c1对低频噪声进行过滤，对应的第二滤波放大电路中电阻r3和电容c3对低频噪声进行过滤，上述两个电路中的高频截止频率均为fl。第一滤波放大电路中电阻r4和电容c3对高频噪声进行过滤，对应的第二滤波放大电路中电阻r5和电容c4对高频噪声进行过滤，上述两个电路中的低频截止频率均为fh。高频截止频率均为fh、低频截止频率均为fl均满足下述公式：

其中，f为截止频率，r为对应滤波电路中电阻的阻值，c为对应滤波电路中电容的电容值。例如，第一滤波放大电路中低频滤波部分，r为电阻r2的阻值，c为电阻c1的电容值。

另外，第一运算放大器放大倍数g在通频范围内，其可近似地满足：g＝r4/r2；第二运算放大器放大倍数g，在通频范围内，其可近似地满足：g＝r5/r3。第一滤波模块的总放大倍数为第一运算放大器放大倍数和第二运算放大器放大倍数之积。

本发明的弱磁场信号频段范围为0.1hz至10hz，对应的磁传感器的噪音包括高于10hz的高频噪音和低于0.1hz的低频噪音。低频噪音主要包括本底噪声和支流噪声；本底噪音主要为1/f噪声，1/f噪声频率越低传感器的本底噪音越高，如果不能滤掉这部分噪音会使传感器产生较大的漂移影响探测分辨率；支流噪音产生自支流地磁场，会对信号产生支流偏置。第一滤波模块能够有效对低频噪音进行过滤，并对高频噪音进行初步的过滤。

本发明的弱磁场信号采集电路的目标频段为0.1hz至10hz，设置第一滤波模块中各个电阻和电阻的值，调节高频截止频率为10hz并且低频截止频率为0.1hz，同时将放大倍数调节到合适的倍数。

第一滤波模块接收磁传感器的信号，经过其第一滤波放大电路、第二滤波放大电路的滤波和放大后，从第二运算放大器的输出端输出信号。

如图1所示，第二滤波模块采用了两级电路级联设计的四阶巴特沃斯低通滤波器，其放大倍数为1，第二滤波模块用以大幅减低高于10hz的高频噪音，特别是极大减少50hz空间电磁场的影响。第二滤波模块如果阶数不够，将不能抑制50hz噪音对信号采集的影响。

第二滤波模块包括第三运算放大器、第四运算放大器以及配合的电阻和电容。第三运算放大器设置有正输入端、负输入端、正电源端和输出端。第三运算放大器正输入端顺次通过电阻r11和电阻r10与第一滤波模块的输出端电性连接，电容c13的一端与第三运算放大器正输入端电性连接，电容c13的另一端做接地处理。第三运算放大器的正电源端与电源正极电性连接，第三运算放大器的负电源端与电源负极电性连接。电阻r15一端电性连接第三运算放大器的负输入端，电阻r15另一端与第三运算放大器的输出端电性连接；电容c7一端电性连接电阻r10和电阻r11的连接点，电容c7的另一端电性连接第三运算放大器的输出端。与第三运算放大器类似，第四运算放大器设置有有正输入端、负输入端、正电源端和输出端。第四运算放大器正输入端顺次通过电阻r13和电阻r14与第三运算放大器的输出端电性连接，电容c11的一端与第四运算放大器正输入端电性连接，电容c11的另一端做接地处理。第四运算放大器的正电源端与电源正极电性连接，第四运算放大器的负电源端与电源负极电性连接。电阻r15一端电性连接第三运算放大器的负输入端，电阻r15另一端与第三运算放大器的输出端电性连接；电容c7一端电性连接电阻r10和电阻r11的连接点，电容c7的另一端电性连接第三运算放大器的输出端。处理完成的信号最终从第四运算放大器的输出端输出，即第四运算放大器的输出端为整个弱磁场信号采集电路的输出端。

本发明中第二滤波模块针对10hz以上频率的噪音进行滤波，其中截止频率由电阻r11(r13)，电容c13(c11)与常数m，n来决定，公式如下：

以第三运算放大器所在的第一级电路为例，

r10＝m·r11c7＝n·c13

对于给定的n值，令m＝1，即r10与r11的阻值相等时q值最大，当m＝1时，可以得到

n＝4q²

相应的，固定电容c7的取值，可以得到电容c13的取值，进而通过预设的截止频率得到电阻值。

第四运算放大器所在的第二级电路设计原则与其一致。根据截止频率10hz就可以得到第二滤波电路相关各个电阻和电容的值。

进一步的，本发明的弱磁场信号采集电路采用双端输入电源供电，同时磁电阻磁传感器模块由正电压电源通过稳压芯片产生稳定5v电压供电。

进一步的，上述磁传感器为异性磁阻传感器(amr)，巨磁阻磁传感器(gmr)和隧道磁电阻磁传感器(tmr)中的任意一种。

进一步的，信号放大模块中的仪表放大器采用adi公司的仪表放大器ad8422。

进一步的，第一滤波模块中的运算放大器采用德州仪器公司的低功耗运算放大器tlv2402。

进一步的，第二滤波模块中的运算放大器同样采用德州仪器公司的低功耗运算放大器tlv2402。

在一个具体的实施例中，弱磁场信号采集电路中，磁场信号采集电路采用双端输入电源供电，磁传感器的磁电阻均采用隧道磁电阻磁传感器(tmr)，同时磁电阻磁传感器模块由正电压电源通过稳压芯片产生稳定5v电压供电，信号放大模块中的仪表放大器采用ad8422芯片，第一滤波模块和第二滤波模块中的运算放大器均采用tlv2402芯片。其中，仪表放大器的放大倍数设置为100倍，第一滤波模块中第一运算放大器和第二运算放大器的放大倍数均设置为10倍(第一滤波模块对应的总放大倍数为100)。该弱磁场信号采集电路的整体放大倍数为10000倍。

针对上述弱磁场信号采集电路进行测试，通过锁相放大器sr865a的正弦信号源产生幅值恒定，频率为0.1hz到100hz的交流信号接入到信号采集电路的输入端，电路的输出端接回到锁相放大器进而得到电路放大倍数和频率的关系，如图4所示。从图中可以看出，电路有着明显的带通特性，其中高频滤波器的截止频率为0.1hz，低频滤波部分的截止频率为10hz。值得注意的是，在工作频带中，放大倍数稳定在80db而在100hz时放大倍数衰减到-20db，充分证明通过引入设计四阶巴特沃斯低通滤波器使得电路在高于工作频带宽度的放大倍数衰减速度达到了100db/dec，极大的减少了高频噪音对于传感器系统的影响。

在将信号采集电路和隧道磁电阻磁传感器模块相结合构成传感器测试系统后，对磁传感器的输出噪音在时域范围内进行测试。过程中，磁传感器系统都由电池组供电，输出信号直接连接到示波器上对其在时域上进行测试，测试结果如图5所示。从结果可以看出在该测试时间范围内，系统的输出噪音峰峰值为1.1v，其有效值为160mv，在考虑到所用磁传感器模块的灵敏度和电路放大倍数的情况下，其等效的磁场噪音为1nt，证明该磁传感系统可以在时域上分辨nt级别的微弱磁场信号，性能达到了市场上一些磁通门传感器的时域分辨率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。