一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源的制作方法

1.本发明属于电流源领域，涉及一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源。


背景技术：

2.磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系(如银河系)，行星、卫星，以及星际空间，都存在着磁场。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与电磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官也会产生微弱的磁场。
3.因此磁场的生成在很多领域都有广泛的应用，在材料科学领域，磁场是研究材料本质特性的“放大镜”；在凝聚态物理领域，磁场是探索量子世界的“调制器”；在化学领域，磁场是分子结构的“指示器”；在生物医学领域，磁场是分子结构的“显微镜”，同时磁场在航空航天、医疗卫生、能源电力等领域都有极其重要的应用。本发明设计了一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源，以便应用于磁场的生成。
4.随着对磁场研究的深入，强磁场和极弱磁场的生成应用都越来越广泛，比如对于核磁共振需要强磁场，对于生物磁场的研究需要极弱磁场。例如对于心脏磁场的研究需要产生pt量级的磁场，故需要一种高精度低噪声的电流源才能够模拟产生心脏磁场。本发明设计的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源，可以广泛地应用于静磁场、交变磁场或者极弱磁场的生成，能够满足低噪声和高精度的需求。


技术实现要素：

5.本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源，便于磁场的生成，同时也能够当作低噪声程控电流源使用。对于磁场的生成和程控电流源设计，使用本发明可实现极弱静磁场，极弱交变磁场的生成，同时也能够模拟产生动态信号。本发明克服了程控电流源设计中输出电流不稳、输出精度低、输出噪声水平大、带负载能力低等问题。
6.本发明技术解决方案：一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源，所述系统包括：人机交互模块、mcu模块、电池组供电模块、稳压电源模块、dac输出模块、adc采样模块、恒流源模块；
7.人机交互模块，负责程控电流源的输入部分，方便控制输出磁场的大小，方便选择输出静磁场或交变磁场；
8.mcu模块，负责整个高精度低噪声程控电流源的程序控制，同时负责控制adc模块采集16位低噪声dac模块的参考电压实现闭环高精度电压输出，mcu模块也负责各个模块之间的通信；
9.电池组供电模块，负责整个高精度低噪声程控电流源的供电，采用锂电池组进行供电，能够有效的减少电源噪声对产生磁场的影响；
10.稳压电源模块，使用高精度稳压电源模块用来给芯片提供参考电压，其相对误差
最低为0.02％，有效减少了参考电压波动对产生磁场强度的影响，同时稳压电源模块也负责将电池组供电模块的电压转换成各个芯片所需的供电电压；
11.dac输出模块，使用16位低噪声dac芯片，噪声水平为能够极大的降低电压噪声对磁场强度的影响，同时采用16位dac芯片实现很小的电压分辨力，从而实现nt级极弱磁场的产生；
12.adc采样模块，采集dac模块2.5v参考电压实现高精度闭环控制输出，提高生成磁场的磁场强度的控制精度；
13.恒流源模块，设计用于磁场产生的双运算放大器恒流源模块，其输出电流是双向输出或交流输出，以产生静磁场或交变磁场，产生静磁场的噪声在工作频率1hz
‑
140hz范围内，最大值为最小值为
14.所述电池组供电模块使用锂电池组进行供电可以大幅减少电源纹波的影响，有效减少电源噪声对产生磁场的影响。
15.所述adc采样模块负责采集dac输出模块所用芯片的2.5v参考电压实际值，然后将实际的dac输出模块参考电压真实值反馈给mcu模块，根据这个参考电压实际值，mcu模块实时动态调整dac芯片输出电压公式，实现高精度闭环控制电压输出，使产生的磁场强度与预设值更接近。
16.所述恒流源模块采用一个双通道运算放大器芯片和一个功率放大器芯片进行设计，双通道运算放大器芯片节省资源，同时加上一个功率放大器芯片可以提高恒流源模块的带负载能力，恒流源模块所用的电阻都采用0.1％高精度、低温漂电阻。
17.所述dac输出模块电压最小可调节精度为100μv。
18.本发明提出的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源所具有的优点是：
19.(1)本发明设计的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源具有低噪声的优势,产生静磁场的噪声在工作频率1hz
‑
140hz范围内，最大值为最小值为
20.(2)本发明设计的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源具有高精度的优势，电压最小可调节精度为100μv。
21.(3)本发明设计的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源便于操作，方便改变电流值大小进而改变磁场强度。
22.(4)本发明设计的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源可用于静磁场、交变磁场或者极弱磁场的生成。
23.(5)本发明设计的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源其adc采样模块负责采集dac输出模块所用芯片的2.5v参考电压真实值，然后将真实的dac输出模块参考电压真实值反馈给mcu模块，根据这个参考电压真实值，mcu模块可以实时动态调整dac芯片输出电压公式，实现高精度闭环控制电压输出，使产生的磁场强度与预设值更接近。
附图说明
24.图1为本发明一种用于磁场生成的程控电流源结构示意图；
25.图2为双运算放大器恒流源示意图；
26.图3为稳压电源模块示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明进行详细说明：
28.如图1所示，本发明的一种用于磁场生成的程控电流源结构包括：人机交互模块、mcu模块、电池组供电模块、稳压电源模块、dac输出模块、adc采样模块、恒流源模块。
29.首先采用8节3.7v锂电池18650组成
±
14.8v电池组供电模块给整个系统供电。
30.1)人机交互模块
31.人机交互模块负责本发明的程控电流源的输入部分。人机交互模块采用串口屏幕设计，以串口通信的方式与主控mcu进行通信，串口通信协议简单，便于程序设计。人机交互模块方便实现高精度低噪声程控恒流源的输出电流值设置，同时也方便选择动态信号输出。
32.2)mcu模块
33.mcu模块负责整个程控电流源的程序控制部分，可采用单片机进行设计。本发明的mcu模块采用意法半导体公司的stm32f103zet6单片机作为整个系统的主控，stm32f103zet6单片机最高72mhz主频、3个usart接口、2个spi接口，满足本发明接口需求。
34.3)电池组供电模块
35.电池组供电模块负责整个程控电流源的供电。本发明使用锂电池组进行供电可以大幅减少电源纹波的影响，有效减少电源噪声的影响。
36.4)稳压电源模块
37.稳压电源模块负责将电池组供电模块的电压转换成各个芯片所需的供电电压或者参考电压，本发明使用稳压电源模块将输入的
±
14.8v转换成
±
12v、
±
5v、 3.3v电压值，且本发明使用的稳压电源模块具有低噪声的优点。
38.5)dac输出模块
39.dac输出模块负责将mcu模块发送的数字信号转变成模拟电压值，然后将这个输出的模拟电压值送给恒流源做电压到电流的转换，输出电流值。本发明使用的16位dac芯片采用spi通信协议与mcu模块进行数据交换，能够满足程控电流源其低噪声、高精度的需求。
40.6)adc采样模块
41.adc采样模块负责采集dac输出模块所用芯片的参考电压真实值。因为dac芯片输出电压值与其参考电压真实值相关，所以本发明采用adc采样模块实时采集dac芯片参考电压的真实值用来实现高精度的电压值输出。
42.7)恒流源模块
43.恒流源模块负责电流的输出，本发明设计程控恒流源既能够实现恒定电流值的输出，也能够实现动态模拟电流值的输出。本发明的恒流源采用双通道运算放大器的形式设计，可以利用一个双通道运算放大器芯片实现。将本发明所设计的恒流源模块产生的电流，通入设计好的线圈或者亥姆霍兹线圈中可产生极弱静磁场、极弱交变磁场。
44.如图3稳压电源模块示意图所示，稳压电源模块将
±
14.8v通过mc7812和mc7912转换成
±
12v给功率放大芯片进行供电、
±
12v经过lt3032ide
‑
5.0转换成
±
5v给dac模块进行供电、 12v经过lm2940s
‑
5.0转换成 5v给人机交互模块进行供电、 5v经过ams1117
‑
3.3转
换成 3v给mcu模块进行供电、同时 5v经过adr4533brz转换成精密 3.3v用来给mcu模块、dac模块和adc模块作为参考电压。人机交互模块的设计采用串口通信协议的串口屏幕，用来作为程控电流源的输入和展示部分，可以在人机交互模块上输入想要输出的电流值或者动态模拟信号，人机交互模块和mcu模块采用串口通信的方式，通信协议简单，便于程序设计和调试。mcu模块负责整个系统的程序控制部分，包括与人机交互模块的串口通信、dac模块的spi通信与程序控制、adc采样模块的程序控制、动态模拟信号输出的控制。dac模块负责输出mcu模块给出的电压值，用于给恒流源模块进行电压到电流的转换，dac模块采用16位dac芯片ad5761bruz，ad5761bruz具有16位精度、噪声水平为采用
±
3v输出量程最小可调节电压为100μv，采用
±
3v输出量程时输出电压公式为：3v输出量程时输出电压公式为：
45.上式中v
ref
为16位dac模块内部的参考电压值，d为载入dac寄存器的代码的十进制等效值，v
out
为16位dac模块输出电压值。
46.利用adc采样模块实时采集v
ref
提高dac模块的输出精度，adc采样模块采用stm32f103zet6片上自带12位adc芯片。
47.如图2双运算放大器恒流源示意图所示，本发明恒流源模块采用双运算放大器进行设计，其中电阻r1、r2、r3、r4为相同阻值，为了提高精度电阻采用0.1％高精度、低温飘电阻。由第一个运算放大器u1可知：
[0048][0049]
第二个运算放大器u2构成电压跟随器可知：
[0050]
v2＝v1[0051]
由第一个运算放大器的“虚短”特性可以知道v
in
‑
＝v
in
,所以所以可得：
[0052]
v
out
‑
v1＝dac
out
[0053]
其中v
out
‑
v1为电阻r5两端电压值，故电阻r5上的电流大小只与dac
out
有关，为了提高本发明的精度，r5也采用0.1％高精度、低温飘电阻。因为第二个运算放大器u2的“虚断”特性，r5上的电流全部流入负载load中，这样就是实现了程控电流源的目的，同时采用双运算放大器恒流源有两个显著特点:1.负载可以接地；2.输出电流可以是双向输出或交流输。将程控电流源输出的电流，通入设计好的导线或者亥姆霍兹线圈就能够实现静磁场、交变磁场的产生。
[0054]
本发明设计的具体共工作流程图如下：
[0055]
本发明设计的一种用于磁场生成的高精度低噪声程控电流源的主要实现如下：
[0056]
第一步，设计电源部分，电源部分负责给整个系统供电，其中还涉及到芯片的参考电压部分，所以整个系统的供电采用低电源纹波的锂电池组供电，然后设计稳压电源模块用于转换出系统芯片所需要的供电电压和参考电压。
[0057]
第二步，设计人机交互模块和mcu模块，人机交互模块和mcu模块主要采用串口通信的形式，设计好人机交互模块和mcu模块的通信协议，能够实现本发明所需要的输入和展示功能。
[0058]
mcu模块接收人机交互模块通过串口发送过来的数据，按照设定好的通信协议解析出发送过来的电压值，然后mcu模块根据adc模块采集到的v
ref
数值通过公式：
[0059][0060]
上式中v
ref
为16位dac模块内部的参考电压值，d为载入dac寄存器的代码的十进制等效值，v
out
为16位dac模块输出电压值。
[0061]
计算应该给dac模块发送的载入dac寄存器的代码的十进制等效值。
[0062]
mcu模块计算出应该给dac模块发送的载入dac寄存器的代码的十进制等效值，之后mcu模块将载入dac寄存器的代码的十进制等效值转换成二进制数字信号，然后通过软件模拟spi通信的方式发送给dac模块，载入dac芯片的寄存器，然后控制dac芯片进行输出。
[0063]
第三步，设计dac模块和adc模块，因为有高精度和低噪声的需求，所以本发明的dac模块选择16位的dac芯片，且噪声水平为建立时间为7.5μs。本发明所用dac芯片内部具有2.5v参考电压，且为spi通信协议，方便多通路设计。
[0064]
dac芯片将电压输出给恒流源模块，根据r5数值的大小，输出电流值为：
[0065][0066]
上式中dac
out
为16位dac芯片输出电压值，也是恒流源模块的输入电压；r5如图2所示，代表恒流源模块中用于控制恒流源模块输出电流值大小的电阻。
[0067]
因为所用dac芯片输出电压公式为：
[0068][0069]
上式中v
ref
为16位dac模块内部的参考电压值，d为载入dac寄存器的代码的十进制等效值，m和c的值与dac模块输出电压范围有关。
[0070]
本发明的dac采用
±
5v输出量程，上述公式中的m为4，c为2，d为载入dac寄存器的代码的十进制等效值，所以v
ref
的真实值直接影响dac的输出值v
out
。针对这个问题本发明设计了专用的adc采样模块对v
ref
进行采样，程序编写进行实施采样，根据adc模块采到的值动态调整v
ref
的程序设定值，实现高精度电压值输出。
[0071]
第四步，设计恒流源模块，本发明采用双运算放大器构成恒流源模块，双运算放大器恒流源有两个显著特点:1.负载可以接地；2.输出电流可以是双向输出或交流输出。同时本发明考虑到恒流源模块的带负载能力，所以在第一级运算放大器的输出端，设计了一个功率放大器用于提高恒流源模块的带负载能力。
[0072]
第五步，将产生的电流通入导线或者亥姆霍兹线圈中用于产生磁场。
[0073]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0074]
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。