一种基于改进的数字锁相放大器的TMR传感器调制解调系统

本发明属于磁传感器信号处理，具体涉及一种基于改进的数字锁相放大器的tmr传感器调制解调系统。

背景技术：

1、隧穿磁电阻(tunnel magnetoresistance，tmr)作为第三代磁电阻传感器，具有灵敏度高、测量范围大、功耗低和易于集成等优点，使其在磁异探潜、智能磁引信、空间弱磁测量和心磁测量等领域具有重要应用价值。但是tmr传感器的缺点在于低频信号输出噪声太大。其主要噪声类型为1/f噪声，即信号频率越低，tmr传感器受噪声影响越大。因此，tmr传感器电路系统对低频噪声抑制要求非常严苛。

2、传统的解决方式是使用调制电路将tmr传感器的输出信号调制到高频，以降低输出信号中的低频噪声，然后使用模拟器件对调制输出信号进行解调。然而，这种方式的缺点在于电路结构复杂(参考图1为现有技术中的调制电路原理图，其电路极其复杂)、工艺水平要求高以及温度稳定性差。另外，虽然也有使用数字锁相放大器对输出信号进行解调，但是这种传统的锁相放大器需要设计一个截止频率极低的低通滤波器，这很难实现。基于传统结构设计的数字锁相放大器在实际应用中存在明显的输出失真与输出波动大的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于改进的数字锁相放大器的tmr传感器调制解调系统，用以解决现有技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种基于改进的数字锁相放大器的tmr传感器调制解调系统，包括：

4、驱动电路，用于产生交流驱动信号，所述交流驱动信号用于驱动tmr传感器产生输出信号；

5、放大电路，用于将tmr传感器产生的输出信号进行放大得到放大输出信号，并将放大输出信号传输至带通滤波电路；

6、带通滤波电路，所述带通滤波电路至少包括带通滤波器芯片、电容和电阻，用于在接收到放大输出信号后对放大输出信号进行滤波处理，并将进行滤波处理后的放大输出信号传输至同步采样电路，在进行滤波处理后能够降低放大输出信号的噪声带宽；

7、同步采样电路，用于在接收到进行滤波处理后的放大输出信号后，对参考信号和进行滤波处理后的放大输出信号做同步采样，并将采样得到的数据传输至微控制器中；

8、微控制器，用于接收采样数据，然后应用改进的数字锁相放大算法对采样数据进行相干解调处理，以得到与待测磁感应强度成线性关系的电压信号并将解调结果输出或保存。

9、可选的，所述同步采样电路包括第一adc采样单元和第二adc采样单元，微控制器在接收到采样数据后应用改进的数字锁相放大算法对采样数据进行相干解调处理，包括：

10、通过第一adc采样单元对进行滤波处理后的放大输出信号进行采样得到采样输出信号；

11、通过第二adc采样单元对所述参考信号进行采样得到采样参考信号；

12、通过微控制器对所述采样参考信号进行90°相移，以得到采样正交参考信号；

13、将所述采样输出信号与采样正交参考信号进行乘积运算得到混频后的第一信号，并将所述采样输出信号与采样参考信号进行乘积运算得到混频后的第二信号；

14、使用积分平均滤波器对第一信号进行积分平均处理以得到去除高频噪声和高频谐波后的第三信号，以及使用积分平均滤波器对第二信号进行积分平均处理以得到去除高频噪声和高频谐波后的第四信号；

15、根据互相关检测理论，并基于所述第三信号和第四信号，计算得到进行滤波处理后的放大输出信号的幅值和相位。

16、可选的，按照如下公式，得到采样输出信号：

17、

18、其中，x(t)表示采样输出信号，u0表示待测信号的幅值，f表示待测信号的频率，表示待测信号的初始相位，n(t)表示噪声，t表示系统时间。

19、可选的，按照如下公式(1)得到采样参考信号以及按照如下公式(2)得到采样正交参考信号：

20、xr1(t)＝ursin(2πfreft)    (1)；

21、xr2(t)＝urcos(2πfreft)    (2)；

22、其中，xr1(t)表示采样参考信号，xr2(t)表示采样正交参考信号，ur表示参考信号的幅值，fref表示参考信号的频率，t表示系统时间。

23、可选的，所述带通滤波电路至少包括带通滤波器芯片、电容和电阻，按照如下公式得到混频后的第一信号和混频后的第二信号：

24、

25、

26、其中，i(t)表示混频后的第一信号，q(t)表示混频后的第二信号，x(t)表示采样输出信号，xr1(t)表示采样参考信号，xr2(t)表示采样正交参考信号，u0表示待测信号的幅值，ur表示参考信号的幅值，f表示待测信号的频率，表示待测信号的初始相位，n(t)表示噪声，fref表示参考信号的频率，t表示系统时间。

27、可选的，使用积分平均滤波器对混频后的第一信号和混频后的第二信号进行积分平均得到第三信号和第四信号,是根据如下公式实现的：

28、

29、

30、其中，t表示积分长度，表示去除高频噪声和高频谐波后的第三信号，表示去除高频噪声和高频谐波后的第四信号。

31、可选的，根据互相关检测理论，随机噪声与参考信号之间不存在相关性，当输出稳定时，采用如下公式得到所述第三信号和第四信号：

32、

33、

34、可选的，通过幅值相位计算模块计算得到进行滤波处理后的放大输出信号的幅值和相位，所述幅值和相位是根据如下公式得到的：

35、

36、

37、有益效果：

38、1.本发明使用交流电压驱动tmr传感器，可以显著降低tmr传感器的低频噪声；

39、2.本发明使用带通滤波电路为adc采样做抗混叠滤波处理，可以降低待解调的传感器输出信号的噪声带宽；

40、3.本发明使用改进的数字锁相放大器对传感器输出信号进行解调，避免了传统锁相放大器中复杂的低通滤波器设计，提高了数字锁相放大器的稳定性和可靠性；

41、4.本发明克服了传统检测方案只能测量动态磁场的限制，本发明也可以测量静态磁场，采用交流调制技术的方案可以检测静态磁场及动态磁场的幅值和相位；

42、5.本发明将tmr传感器的调制解调方案数字化，提高了tmr磁传感系统的小型化和集成化。

技术特征：

1.一种基于改进的数字锁相放大器的tmr传感器调制解调系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同步采样电路包括第一adc采样单元和第二adc采样单元，微控制器在接收到采样数据后应用改进的数字锁相放大算法对采样数据进行相干解调处理，包括：

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，按照如下公式，得到采样输出信号：

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，按照如下公式(1)得到采样参考信号以及按照如下公式(2)得到采样正交参考信号：

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述带通滤波电路至少包括带通滤波器芯片、电容和电阻，按照如下公式得到混频后的第一信号和混频后的第二信号：

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，使用积分平均滤波器对混频后的第一信号和混频后的第二信号进行积分平均得到第三信号和第四信号,是根据如下公式实现的：

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，根据互相关检测理论，随机噪声与参考信号之间不存在相关性，当输出稳定时，采用如下公式得到所述第三信号和第四信号：

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，通过幅值相位计算模块计算得到进行滤波处理后的放大输出信号的幅值和相位，所述幅值和相位是根据如下公式得到的：

技术总结本发明公开了一种基于改进的数字锁相放大器的TMR传感器调制解调系统，包括：驱动电路，用于根据产生的交流驱动信号驱动TMR传感器产生输出信号；放大电路，用于将传感器的输出信号进行信号放大得到放大输出信号；带通滤波电路，用于在接收到放大输出信号后对放大输出信号进行滤波处理；同步采样电路，用于在接收到进行滤波处理后的放大输出信号后，对所述参考信号和进行滤波处理后的放大输出信号做同步采样；微控制器，在接收到采样得到的数据后应用改进的数字锁相放大算法对采样数据进行相干解调处理。本申请改进了传统数字锁相放大器的设计，提高了数字锁相放大器的稳定性和可靠性，同时采用的交流调制技术的方案可以显著降低TMR传感器低频噪声。技术研发人员：史双全,杨建中,陈紫芬,熊浩晨受保护的技术使用者：北京信息科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15