一种方波调制的TMR磁场探测系统设计与实现

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　　摘  要： 为了实现对磁场信号的高精度检测，利用隧道磁阻式磁传感器，设计并实现了一种精确分辨微弱磁场场信号的锁相放大系统。使用方波调制传感器输出信号，并利用[Σ?Δ]型ADC实现平均下抽取结构，抑制方波带来的高次谐波干扰，提高了ADC的有效分辨率，降低了系统运算量。通过理论与实验分析，验证了系统可以有效抑制噪声与温漂对测量精度的影响，并可精确标定nT级磁场。
　　关键词： 隧道磁阻式磁传感器; 微弱信号; 过采样; 方波调制; 锁相放大器; [Σ?Δ]模数转换器
　　中图分类号： TN03?34; TP212                     文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）01?0148?05
　　Design and realization of square wave modulated TMR magnetic field detection system
　　ZHAO Yuhong1， ZHANG Tianyang1， 2， CUI Yan2， LI Bo2， YAN Jiang1
　　Abstract： A lock?in amplification system for accurately distinguishing weak magnetic field signals was designed and realized by TMR （tunnel magnetoresistance） magnetic sensor to realize the high?precision detection of magnetic field signals. In this system， the sensor output signal is modulated by square wave， and the average?decimation structure is realized by [Σ?Δ] ADC （analog to digital converter） to suppress the high?order harmonic interference caused by square wave， which improves the effective resolution of the ADC and reduces the system operation amount. It is verified by theoretical and experimental analysis that the system can effectively suppress the influence of noise and temperature drift on the measurement accuracy， and can accurately calibrate the nT magnetic field.
　　Keywords： TMR magnetic sensor; weak signal; oversampling; square wave modulation; lock?in amplifier; [Σ?Δ] ADC
　　0  引  言
　　隧道磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）传感器作为第三代磁阻式磁场传感器，相比于各向异性磁电阻传感器（AMR sensor）和巨磁电阻传感器（GMR sensor），具有更高的灵敏度与更低的噪声，非常适合微弱磁场探测领域，是目前磁阻式传感器研究的热点，并被广泛应用于空间弱磁探测、工业探伤、医疗电子、导航制导等诸多领域，是未来智能磁传感器市场的主力。
　　为了最大程度地发挥TMR传感器在磁场探测方面的优势，需要设计一款匹配于TMR传感器输出特性的高精度的信号采集系统。TMR传感器的磁场分辨能力可达亚nT甚至pT量级，对应的输出电压信号低至十几微伏至几微伏。而电路系统中温漂、[1f]噪声以及ADC的量化噪声均在微伏甚至毫伏量级，导致TMR传感器输出的有效信号被淹没在大量噪声中。通常来说，利用锁相放大器（Lock?In Amplifier，LIA）提高信噪比是被广泛应用于磁阻式传感器信号检测的方法之一[1?3]。然而，目前的研究主要使用单频正弦波作为传感器调制的载波与参考信号，而高精度的正弦波信号发生器需要额外的硬件单元，增加了系统的复杂程度。另一方面，由于TMR传感器输出电压为差分矢量信号，有正负之分，而被广泛应用于消除载波与参考信号间相位差影响的正交式锁相放大器，由于其只能提取信号的绝对值，使其应用于TMR传感器信号检测时具有较大局限性。这使得对载波相位的准确跟踪成为利用锁相放大原理实现TMR传感器信号高精度检测的难点之一。
　　针对以上问题，本文设计并实现了一种适用于TMR传感器的基于方波调制的数字锁相放大（Digital Lock?In Amplifier，DLIA）磁场检测系统，实现了对nT级磁场的精确分辨。
　　1  系统原理与分析
　　如图1所示，经典锁相放大器由参考信号、放大器、相敏检波器（PSD）和低通滤波器构成。对于直流和慢变的输入信号，可采取预先调制的方法，将信号调制到某一固定频率。调制信号通过放大器放大至PSD可接受的幅度。载波信号同时作为参考信号，通过移相器后与已调制信号一起输入PSD进行检波，PSD实质为一乘法器，得到的解调信号通过低通滤波器滤除高频分量和噪声，即可恢复原信号[4]。 　　由于正弦波的产生比较复杂，对使用条件有较大限制，其数字解调端运算量也较大，目前很多锁相放大器利用生成和运算均更为简单的方波作为载波和参考信号[5]。设有幅值为±1，频率为[fmod]，初始相位为[π2]的方波[Sq]，其傅里叶展开为：
　　[Sq=4πn=1∞12n-1sin[2πfmod（2n-1）t]] （1）
　　可见，当方波作为载波信号时，信号及其噪声被调制到[fmod]及其各个奇次谐波分量上，在经过系统增益和移相等行为后成为宽带噪声，方波载波也会在系统中引起诸如振铃和时钟馈通效应等问题[6]。而利用方波作为参考信号进行解调，各奇次谐波处的噪声信号会被解调至0频点，其幅值叠加在原信号上，直接影响信噪比。所以，虽然方波锁相放大器结构与算法较为简单，但是噪声抑制性能及不上使用正弦波的锁相放大器[7]。
　　为了抑制方波调制带来的额外干扰，若将方波载波按照极性不同，将其相位划分为[0，π）与[π，2π）两个区间，由于TMR的输出信号为直流至慢变信号，可认为每个区间内的信号幅值为一固定值[A]，在每个区间内取[N]个点，将这[N]个点的平均值[N]作为此区间内信号的有效值，替代原信号序列，有：
　　[N=4Aπn=1∞tt+T212n-1sin[2πfmod（2n-1）t]dtT2] （2）
　　式中[T]为方波周期。当[N]趋于无穷大时，有[N=A]，此时[N]为该区间内TMR传感器信号的无偏估计。一方面，由于方波载波引起的高次谐波和其他干扰均集中在高频段，通过平均可大量抑制，也使方波作为参考信号时奇次谐波的影响被极大消除。另一方面，多次平均使采集过程中ADC产生的量化噪声也被大幅度削减，即过采样技术。由ADC理想信噪比公式：
　　[SNR=6n+1.8+10lg OSR] （3）
　　可以看出，ADC采样频率每提高4倍，信噪比提高6 dB，有效分辨率可提高1 bit，以实现更高的采集精度和更大的动态范围，同时也使得信号调理电路和ADC抗混叠滤波器的设计得到简化[8]。由于平均后一个方波调制周期内序列仅有两个有效值输入PSD，则参考信号序列变为[1，-1]，解调过程通过改变正负即可实现，消除了DLIA中所有乘法运算，使平均方波锁相算法在提高系统精度的同时，极大减少了系统运算量，算法更具实用价值。
　　为了验证平均式方波锁相放大器性能，利用Matlab编写程序，分别编写传统锁相算法、方波锁相算法和平均式方波锁相算法，并生成幅值为1，相位为[π2]，频率为200 Hz的方波与正弦波，采样率设置为32 kHz，采集32 000个点，分别添加不同功率的白噪声，每个信噪比点做100次重复测试并统计均方差，测试结果如圖2所示。
　　当信噪比高于-20 dB时，三种算法均有高的精度，而随着信噪比进一步下降，传统方波锁相放大器的误差很快上升，其检测性能下降十分明显，而传统锁相放大器与相干平均式方波锁相放大器性能随信噪比恶化而变化的曲线基本一致，可见平均式方波锁相算法在大幅减少运算量的同时，性能与传统算法基本相当。
　　2  系统设计与实现
　　2.1  系统整体结构
　　系统首先由单片机产生方波载波，驱动传感器输出正比于磁场感应强度的电压信号，由放大滤波模块进行一级预放大后增强信噪比，之后由ADC进行采样与平均下抽取，由单片机对平均后的有效值进行数字解调滤波，恢复原信号。系统利用2.5 V基准电压芯片提供TMR传感器的激励电压和ADC的参考电压。参考信号由单片机内部生成。整体系统仅需少量元件即可实现。硬件系统框图如图3所示。
　　2.2  调制电路设计
　　如图4所示，为了抑制温漂和噪声，TMR传感器通常设计为惠斯顿全桥结构，当外界磁场变化时，处于对角位置的磁电阻呈现相同的变化，引起差分输出[Vout]的变化[9]。
　　根据TMR的结构，采用一种MOS全桥斩波电路作为传感器信号的调制器，两个桥臂由N沟道?P沟道MOS对管IRF9389组成。由单片机GPIO输出控制信号，通过施密特反向器，使到达Q1，Q2与Q3，Q4的电平相反，导通对角位置的MOS管，为TMR传感器供电。驱动信号电平周期性翻转，即可达到切换传感器激励电压极性，完成幅值为±1的方波调制。
　　2.3  信号调理电路设计
　　信号调理电路作为信号的预处理部分，其噪声性能很大程度影响了系统的分辨能力，本设计中着重考虑以下两点：TMR传感器典型输出阻抗大于10 kΩ，对偏置电流和电流噪声十分敏感，1 pA的电流噪声即可增加超过10 nV的输入噪声;为了避免系统整体复杂度和成本增加，传感器信号调制频率一般小于1 kHz，需要信号通道内的[1f]噪声转角频率较低以保证已调至信号频谱搬移出[1f]噪声的干扰频段。
　　综上所述，信号调理模块使用OPA2141双JEFT放大器芯片构成三阶巴特沃斯低通滤波器，OPA2141为轨到轨输出，偏置电流仅2 pA，电流噪声0.8 fA/[Hz]@1 kHz，输入阻抗为1013 Ω，适合调理高阻抗传感器。[1f]的噪声转角频率发生在11 Hz处，即使在较低的调制频率下也可有效地消除[1f]噪声的影响。20 V/μs的压摆率和600 ns的信号建立时间可以快速响应方波信号，信号在该级放大4倍。放大滤波模块原理图如图5所示。
　　2.4  采集模块设计
　　信号采集模块利用Σ?Δ型ADC实现平均下抽取和相位同步。Σ?Δ型ADC采用过采样技术、噪声整形技术和数字抽取滤波技术完成对模拟信号的量化，其核心部分Σ?Δ调制器以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化[10]。为了滤除高频量化噪声信号和降低信号速率，现代Σ?Δ ADC均集成片内抽取滤波器。Σ?Δ ADC的上述结构使其成为实现平均方波锁相系统的首选ADC。 　　系统选用TI公司的ADS1255，该ADC为24位Σ?Δ型ADC，并集成片上64倍可编程增益放大器，配合信号调理模块共构成4～256倍可调增益。ADS1255抽取环节为可编程数字平均滤波器，可通过软件配置平均次数[N]，完成对采样信号的平均，之后输出的数据即平均后的有效值，后续系统仅需完成解调和低通滤波可恢复信号，减少了单片机的运算与存储量。ADS1255利用四线SPI串口与单片机进行通信，并通过独立的DRDY引脚和SYNC引脚实现系统对采样的同步操作。ADC与MCU接口电路如图6所示。
　　系统参考信号由单片机内部根据方波载波相位直接生成，由于信号通道中的非线性元件以及A/D转换延迟等均会造成已调信号移相，且会随温度、元件容差而变化，使得参考信号与载波信号之间会存在相位差，从而影响检测精度。为了解决此问题，提出一种同步载波采样方法，结构如图7所示。
　　1） 系统每次翻转驱动载波的GPIO电平后，经过短暂延迟发送一脉冲电平至SYNC引脚，该电平至少持续200 ns以启动ADC对信号进行同步并开始一次转换，该转换过程包括过采样和平均下抽取。
　　2） 当转换完成后由ADC主动拉低DRDY引脚，触发单片机DMA请求，将数据搬运至指定RAM并根据本次GPIO电平极性改变正负。同时，单片机再次对载波信号进行翻转。
　　由于每次操作过程中CPU执行的指令数量一致，如此周而复始，设ADC输出速率为[fs]，传感器理论调制频率[fmod=fs2]。既实现了对TMR传感器的调制，又可保证对载波相位的精确跟踪。系统实物图如图8所示。
　　2.5  下位机软件设计
　　本系统单片机使用意法半导体公司的STM32F103系列32位单片机。软件流程如图9 所示，系统的低通滤波器采用滑动平均滤波器，初次进行采集时先累积滑窗长度[L]个采样值并求平均，之后每次接收到ADC新的数据后都将对输出进行更新。滑窗长度为[L]的滑动平均滤波器输出[y]的计算公式为：
　　[y（n）=y（n-1）+[x（n）-x（n-L）]L]  （4）
　　令[L=2n]，则每次新的采样值仅需进行右移[n]位和加法操作即可得到新的输出值。下位机与ADC通信通过DMA搬运数据，确保CPU及时响应主循环中的事件。
　　2.6  上位机软件设计
　　上位机采用C#编写，利用SerialPort和chart控件，可根据不同需求，实现单位切换、过采样率配置、切换直流模式和锁相模式等功能，并将回传数据实时显示数值和绘制波形。上位机测试界面如图10所示。
　　3  系统的性能测试与分析
　　3.1  系统噪声测试
　　为了验证系统的噪声性能，利用4只0.1%精度的20 kΩ电阻焊接成惠斯顿全桥接入系统中，将2个差分输出端短接。此时系统输出仅为系统内噪声。配置系统增益256倍，平均次数[N=]60，此时ADC额定输出速率为500 S/s，实测载波频率为247 Hz，取滑动平均滤波器滑窗长度[L=32]，采集1 000点，噪声波形结果如图11所示。系统输出噪声的峰峰值为0.366 μV，无温漂与失调电压，使系统具备对TMR输出信号精确检测能力，当增加平均次数[N]与滑窗长度[L]，可实现更优的噪声性能。
　　3.2  系统磁场探测性能标定
　　磁场实验环境利用磁屏蔽桶、三轴亥姆霍兹线圈和高精度磁通门传感器搭建。其中磁屏蔽桶可以屏蔽外部静磁场，利用高精度磁通门对桶内磁场进行实时监测，屏蔽筒内部剩磁大约为±1～2 nT。利用精密电流源驱动可以使三轴亥姆霍兹线圈在其公共轴线中点附近产生可控的均匀磁场，将待测系统与磁通门置于亥姆霍兹线圈的均匀磁场区中，并一起置于磁屏蔽桶内，通过外接电流源对亥姆霍兹线圈在桶内产生的磁场进行精确调控，以间隔10 nT感应强度改变磁场若干次，取其中两次数据如图12所示。
　　实验使用的TMR传感器事先由计量院标定，灵敏度为287 mV/V/Gs，在2.5 V电压下，对应1 nT的磁场对应的输出电压为7.17 μV。在±50 000 nT范围内扫描磁场，拟合线性度如图13所示。
　　以[3σ]准则对数据进行分析，分别计算系统对磁场绝对值和变化量的分辨能力，得出系统磁场分辨率约为1 nT，拟合线性度为99.5%，传感器拟合灵敏度为286.87 mV/V/Gs，具体数据如表1所示。
　　通过本系统实测磁场RMS值约为1 nT，已经可以正确反映出桶内剩磁波动。系统本底噪声峰峰值等效约为0.05 nT磁场波动，满足对更微磁场场信号检测的要求。
　　4  结  语
　　本文所实现的TMR信号采集系统较传统的锁相放大器，具有结构简单，精度高且易于实现的优点，能有效检测出μV级的电压信号，结合TMR传感器能够精确分辨nT级甚至更微弱的磁场。此外，本系统也能够推广到其他的低频微弱信号检测中，且适用于小型化单片机系统，具有较强的工程价值。
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　　作者简介：赵宇红（1962—），哈尔滨人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为现代电路理论与嵌入式信号处理。
　　张天洋（1989—），男，北京人，硕士，研究方向为微弱信号检测。
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