一种用于SERF陀螺三维磁补偿的高精度恒流源的制作方法

一种用于serf陀螺三维磁补偿的高精度恒流源
技术领域
1.本发明属于电子电路技术领域，涉及一种高精度可程控恒流源，尤其是一种用于serf陀螺三维磁补偿的高精度恒流源。


背景技术：

2.操控原子自旋处于serf态，是实现超高精度原子自旋陀螺仪的前提；而弱磁场环境条件是原子自旋serf态实现的必要条件。环境磁场直接影响陀螺输出，因此需要主动与被动磁屏蔽技术，尽可能降低环境剩磁。由于地磁存在，需要高性能多层磁屏蔽。但屏蔽桶上存在影响屏蔽性能的通光孔以及屏蔽桶自身剩磁，为更好的实现serf陀螺，在被动磁屏蔽的基础上还需要进行主动三维磁场补偿，进一步降低环境磁场。三维补偿磁场自身的稳定性也是决定陀螺零偏漂移的因素之一，而三维补偿磁场通过向三维磁场线圈通入弱电流来实现，电流输出的稳定性直接决定了三维磁补偿及降低环境剩磁的效果。因此一种用于serf陀螺三维磁补偿的高精度恒流源设计具有重大意义。
3.首先，在serf原理样机搭建的实验过程中，三维磁场线圈通入的电流需要具备较高的精度和稳定性，以满足实验弱磁补偿的要求；serf原子气室的工作环境对温度较为敏感，故而需尽可能采用发热小，热稳定性好的电子器件；而为了便于serf样机系统的总体操控，输出电流大小需由labview上位机软件利用串口通信控制模块进行显示和控制，电流源输出电流可由软件界面设定和显示。
4.现有的电流源电路主要局限性在：
5.由模拟器件搭建的参考电压源易受环境影响，导致输出电流不稳；采用三极管搭建的v/i转换电路长期工作会导致温度升高，影响原子气室工作环境的温度；电流调节功能通常使用电位器改变电压大小实现，而不具备软件控制和人机交互功能。
6.经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的公开文献。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、稳定性高、发热小、上位机可控的高精度的用于serf陀螺三维磁补偿的高精度恒流源。
8.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
9.一种用于serf陀螺三维磁补偿的高精度恒流源，包括：上位机和恒流源输出控制电路，所述恒流源输出控制电路包括：串口通信控制模块、微控制器模块、参考电压源模块、v/i转换模块和负载线圈；上位机利用串口通信控制模块对恒流源输出控制电路发送控制指令；所述串口通信控制模块与微控制器模块相连，用于与微控制器进行串口通信，并对微控制器发送控制指令；所述微控制器模块与参考电压源模块的输入端相连，用于对参考电压源的输出电压进行程控调节；所述参考电压源模块用于输出恒定电压，在微控制器模块作用下可调节参考电压源的输出电压大小，其输出端与v/i转换模块相连接；所述v/i转换模块用于将参考电压源输出的恒定电压经转换电路变为恒定电流输出，其输出端与负载线
圈相连接，通过输出一定数值的电流使得负载线圈获得对应补偿磁场。
10.而且，所述v/i转换模块是由双集成运放搭建的双v/i转换电路，包括：参考电压输入v
ref
，四个定值电阻r1、r2、r3、r4，采样电阻r
ref
，运放u1和运放u2；其中，运放u1构成加法器、运放u2构成跟随器；参考电压输入v
ref
的输入端与定值电阻r1相连，定值电阻r1分别与运放u1输入正极和定值电阻r2相连；定值电阻r2另一端分别与运放u2的输入负极和输出端相连构成跟随器；运放u1的输入负极分别与定值电阻r3、r4相连，r3另一端接地，r4另一端与u1输出端相连；u1输出端还与采样电阻r
ref
相连，采样电阻r
ref
另一端与电流输出正端i0+相连，电流输出负端i
0-接地，负载线圈接入输出正端i0+与电流输出负端i
0-之间。
11.而且，所述serf陀螺的三维磁场线圈包括四个轴向线圈和两对径向线圈；所述轴向线圈为共轴线圈，所述径向线圈采用鞍形线圈；所述两对径向线圈对向设置，并环绕在四个轴向线圈外侧；所述四个轴向线圈和两对径向线圈在一个整体的圆柱形线圈骨架上绕制。
12.而且，所述上位机的输出端通过usb接口与usb转串口设备相连接；其中，usb转串口设备的电平采样接口rxd+与rxd-，分别与串口通信控制模块的电平发送接口txd+与txd-相连；usb转串口设备的电平发送接口txd+与txd-，分别与串口通信控制模块的电平采样接口rxd+与rxd-相连；串口通信控制模块接收到的指令通过微控制器模块的i/o口传递到微控制器模块；usb转串口设备则通过usb接口连接至上位机。
13.本发明的优点和有益效果：
14.1、本发明提出一种用于serf陀螺三维磁补偿的高精度恒流源，包括：用于输出恒定电压的参考电压源模块；由所述参考电压源经转换电路变为电流源输出的v/i转换模块，该v/i转换模块由双集成运放搭建的双v/i转换电路；由改变所述参考电压源从而改变输出电流大小的微控制器模块。其中，参考电压源信号由程序可控的高精度数模转换器给出，并可由上位机串口通信控制算法控制参考电压源的输出电压，从而实现电流输出大小的可调节；相对于微控制器控制，labview上位机串口通信控制具备位数更高，可保留小数等优势，从而获得更高精度的电流控制。
15.2、本发明中由高精度数模转换器搭建的参考电压源，具备可程控、抗干扰能力强的特点。
16.3、本发明由双集成运放搭建的双v/i转换电路回路电流小，发热低，可提高电流输出的稳定性，减小原子气室受温度变化的影响。
17.4、本发明所设计的恒流源电路具备串口通信功能，可实现上位机软件对电流通断及大小的调节控制，更有利于人机交互性。
附图说明
18.图1是本发明的serf陀螺原理样机三维磁场线圈示意图；
19.图2是本发明的高精度恒流源电路原理功能框图；
20.图3是本发明的高精度恒流源电路由双集成运放搭建的v/i转换电路示意图；
21.图4是本发明的高精度恒流源的电流调节的原理实现框图；
22.附图标记说明：
23.1-轴向线圈(barker)；2-径向线圈(鞍形)。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
25.一种用于serf陀螺三维磁补偿的高精度恒流源，包括：上位机和恒流源输出控制电路，所述恒流源输出控制电路包括：串口通信控制模块、微控制器模块、参考电压源模块、v/i转换模块和负载线圈；
26.上位机利用串口通信控制模块对恒流源输出控制电路发送控制指令；所述串口通信控制模块与微控制器模块相连，用于与微控制器进行串口通信，并对微控制器发送控制指令；所述微控制器模块与参考电压源模块的输入端相连，用于对参考电压源的输出电压进行程控调节；所述参考电压源模块用于输出恒定电压，在微控制器模块作用下可调节参考电压源的输出电压大小，其输出端与v/i转换模块相连接；所述v/i转换模块用于将参考电压源输出的恒定电压经转换电路变为恒定电流输出，其输出端与负载线圈相连接，通过输出一定数值的电流使得负载线圈获得对应补偿磁场；
27.在本实施例中，所述v/i转换模块是由双集成运放搭建的双v/i转换电路，包括：参考电压输入v
ref
，四个定值电阻r1、r2、r3、r4，采样电阻r
ref
，运放u1和运放u2；其中，运放u1构成加法器、运放u2构成跟随器；参考电压输入v
ref
的输入端与定值电阻r1相连，定值电阻r1分别与运放u1输入正极和定值电阻r2相连；定值电阻r2另一端分别与运放u2的输入负极和输出端相连构成跟随器；运放u1的输入负极分别与定值电阻r3、r4相连，r3另一端接地，r4另一端与u1输出端相连；u1输出端还与采样电阻r
ref
相连，采样电阻r
ref
另一端与电流输出正端i0+相连，电流输出负端i
0-接地，负载线圈接入输出正端i0+与电流输出负端i
0-之间。
28.在本实施例中，所述serf陀螺的三维磁场线圈包括四个轴向线圈和两对径向线圈；所述轴向线圈为共轴线圈，所述径向线圈采用鞍形线圈；所述两对径向线圈对向设置，并环绕在四个轴向线圈外侧；所述四个轴向线圈和两对径向线圈在一个整体的圆柱形线圈骨架上绕制。
29.在本实施例中，所述上位机的输出端通过usb接口与usb转串口设备相连接；其中，usb转串口设备的电平采样接口rxd+与rxd-，分别与串口通信控制模块的电平发送接口txd+与txd-相连；usb转串口设备的电平发送接口txd+与txd-，分别与串口通信控制模块的电平采样接口rxd+与rxd-相连；串口通信控制模块接收到的指令通过微控制器模块的i/o口传递到微控制器模块；usb转串口设备则通过usb接口连接至上位机。
30.在本实施例中，所述的串口通信控制过程，是为实现上位机软件对恒流源输出的控制，这就需要进行计算机usb接口到通用串口之间的转换，一般串口通信控制过程由usb转串口设备，如usb串口线、moxa盒等与串口通信控制模块通信来实现。常用的通信标准包括rs232、rs422和rs485等。本发明采用rs422串口通信方式，它是一种采用四线、全双工、差分传输，多点通信的数据传输协议，其四线接口定义分别为：txd-，rxd-，txd+和rxd+。串口通信控制模块包括电平采样接口和电平发送接口，具体通信方式为：usb转串口设备的电平采样接口rxd+与rxd-，分别与串口通信控制模块的电平发送接口txd+与txd-相连；usb转串口设备的电平发送接口txd+与txd-，分别与串口通信控制模块的电平采样接口rxd+与rxd-相连；串口通信控制模块接收到的指令通过微控制器模块的i/o口传递到微控制器；usb转串口设备则通过usb接口连接至上位机。
31.图1是serf陀螺三维磁场线圈示意图。它包括四个轴向线圈1、两对径向线圈(为便于观察，图中只画出一个方向的径向鞍形线圈)2。轴向线圈常用共轴线圈，比如helmholtz线圈、barker四线圈。径向线圈一般采用常规的helmholtz线圈，但该线圈零件比较分散，组装不方便，而且在圆筒形磁屏蔽装置中磁场不易均匀，因而采用鞍形线圈代替，可以在一个整体的圆柱形线圈骨架上绕制，避免了上述组装繁琐的缺点，也就实现了一个线圈骨架即可绕制所有三维线圈。
32.图2是高精度恒流源设计原理功能框图。它包括串口通信控制部分、微控制器部分、参考电压源部分、v/i转换部分和负载线圈等。
33.图3是高精度恒流源由集成运放搭建的v/i转换电路示意图。图中v
ref
为参考电压，r
ref
为采样电阻。附图方框内的4个电阻其数值是一样的。由于温度对集成运放参数影响不如对晶体管和场效应管参数影响显著，由集成运放构成的恒流源具有稳定性更好、恒流性能更高的优点。尤其在负载一端需要接地的场合获得了广泛的应用。其中运放u1构成加法器，u2构成跟随器，u1、u2均选用低噪声、低失调、高开环增益双极性运放芯片。
34.理想状况下根据运算放大器的虚短和虚断原则，可得到输出电流：
35.io＝v
ref
/r
ref
36.式中：
[0037]vref
——输入参考基准电压(v)；
[0038]rref
——采样电阻(ω)。
[0039]
由公式看出，当v
ref
与r
ref
的数值不变时，io可恒定输出且与负载的数值大小无关(在运放的线性工作区域以内)。电流大小可通过改变输入参考基准v
ref
或调整参考电阻r
ref
的大小来实现，很容易得到稳定的小电流和补偿校准。本发明中采用改变v
ref
输入参考基准实现电流大小调整。
[0040]
双运放恒流源有两个显著优点：1、负载可以接地；2、输出电流可以是双向输出或交流输出(通常以双电源供电为前提条件)。
[0041]
图4是高精度恒流源的电流调节的原理实现框图。具体工作流程为：由上位机串口获取待发送数字电压数据信息，并待发送数据转换成符合串口通信协议和波特率的编码数据流并下传至usb转串口设备；串口rx电平采样接口接收到编码数据即发送至微控制器进行处理运算，经处理运算后的数据可作为数模转换器的电平控制字，从而改变v
ref
输入参考电压实现电流大小调节。
[0042]
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。