一种铯光泵拉莫尔频率信号整形电路的制作方法

1.本实用新型涉及地球磁场测量技术领域，具体讲是一种铯光泵拉莫尔信号频率整形电路。


背景技术：

2.铯光泵磁力仪是一种高灵敏度和高精确度的磁力探测仪器。一个装有铯金属蒸汽的容器(吸收室)是光泵磁力仪的核心部件。其基本原理是建立在塞曼效应基础之上，通过测量光检测器上光强度最弱时的震荡电磁场的频率(即拉莫尔频率，该频率与环境磁场有着精确的比例关系)来测量环境磁场的大小，在航空物探、航空、反潜、海洋磁测工程中有着广泛的应用。其优点是(1)灵敏度高，一般为0.01nt 量级，理论灵敏度高达0.01～0.0001nt；(2)响应频率高，可在快速变化中进行测量；(3)可测量地磁场的总向量口及其分量，并能进行连续测量。铯光泵磁力仪输出的信号是与磁场值有着精确比例关系的正弦波信号，现有技术的拉莫尔频率信号整形电路如图1所示：由三个运放u1、u2、u3组成，其中第一级运放u1一般是作为电压跟随器，第二级运放u2一般是作为放大器，第三级运放u3一般是作为比较器使用，上述结构的拉莫尔频率整形电路在实际工作中存在以下不足：前两级放大电路会不可避免的将噪声信号也给放大，使得信号的信噪比较低，即使加入滤波电容，效果也不是很好，还是会有较大的干扰，使得后面的比较器生成的方波频率有一定的失真。而且由于铯光泵磁力仪输出波形的电压变化幅度比较大，现有的整形电路会因此精度受到影响，使得输入到最后比较器输出的方波频率会失真。所以，基于上述原因，亟待需要一种更好的信号整形的方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

3.本实用新型要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺陷，提供一种干扰信号较小的拉莫尔频率信号整形电路。
4.本实用新型的技术方案是，提供一种信号整形电路，如图2所示，包括滤波电容c1～c4，电阻r1～r12，稳压器件，运算放大器u1～u3,1. 第一级运放u1的同相端电路连接：所述电阻r1的一端与电容c1和电阻r2相连，另一端接地，所述电容c1的一端与光泵磁力仪信号输出端相连，另一端与电阻r1和电阻r 2相连。运放u1负反馈回路的电路连接：所述电阻r4和电容c2并联，所组成回路的一端接放大器 u 1的输出，另一端和电阻r3串联，所述电阻r3的另一端接地。2.整形电路的中间级运算放大器u2组成的电路：所述电阻r6和运放的同相端相连，电阻r6的另一端接地。运放u2负反馈回路的电路连接：所述电阻r7的一端与运放u2的输出相连，电阻r7的另一端与运放 u2的反相输入端相连，所述电阻r5的一端与运放u2的反相输入端和电阻r7相连，另一端与运放u1的输出端和稳压器件相连。所述稳压器件的一端与运放u2的输出端相连，另一端与运放u1的输出端相连，所述电容c3的一端与运放u2的输出端相连，另一端与运放u1 的输入端相连。所述电阻r8一端与电阻r7相连，另一端与地和电容 c4相连。所述电容c4一端与电阻r8相连，另一端与电阻r9相连。所述电阻r9一端
与电容c4相连，另一端与运放u2的输出相连。3.运算放大器u3的正反馈回路电路连接：所述电阻r11的一端与运放u3 的同相端输入端相连，另一端与运放u3的输出端相连。所述电阻r10 的一端与运放u3的反相输入端相连，另一端接地。所述电阻r12的一端与放大器的输出相连，另一端接地。
5.采用以上结构后，本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：较高的输入阻抗，通过加偏置电压，有效降低了运放的共模输出，提高了运放的精度，同时放大了输入电流，相对减小了输入噪声。通过在反馈回路并联滤波电容，有效的消除了电路的高频噪声，通过在输入回路加入滤波电容，有效的消除了电路的低频噪声，中间级运放负反馈回路的电路设计有以下优点：1.有效的稳定了输入到第三级比较器运放的电压幅值，2.其采用的缩小输入信号幅值然后利用稳压器件的压降放大输入信号的方式使输入信号的噪声下降了一个量级，而且有效的稳定了放大后信号的幅值，使得输入到最后一级比较器信号的精度和信噪比得到了有效的提升，使得最后一级电压比较器输出的方波有更好的精度。
附图说明
6.图1是传统整形电路的电路原理图；
7.图2是本实用新型拉莫尔频率整形电路的电路原理图。
具体实施方式
8.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
9.如图2所示，本实用新型是一种拉莫尔频率正弦波信号整形电路，包括滤波电容c1～c4，电阻r1～r12，稳压器件，运算放大器u1～u3,1. 第一级运放u1的同相端电路连接：所述电阻r1的一端与电容c1和电阻r2相连，另一端接地，所述电容c1的一端与光泵磁力仪信号输出端相连，另一端与电阻r1和电阻r 2相连。运放u1负反馈回路的电路连接：所述电阻r4和电容c2并联，所组成回路的一端接放大器 u 1的输出，另一端和电阻r3串联，所述电阻r3的另一端接地。2.整形电路的中间级运算放大器u2组成的电路：所述电阻r6和运放的同相端相连，电阻r6的另一端接地。运放u2负反馈回路的电路连接：所述电阻r7的一端与运放u2的输出相连，电阻r7的另一端与运放 u2的反相输入端相连，所述电阻r5的一端与运放u2的反相输入端和电阻r7相连，另一端与运放u1的输出端和稳压器件相连。所述稳压器件的一端与运放u2的输出端相连，另一端与运放u1的输出端相连，所述电容c3的一端与运放u2的输出端相连，另一端与运放u1 的输入端相连。所述电阻r8一端与电阻r7相连，另一端与地和电容 c4相连。所述电容c4一端与电阻r8相连，另一端与电阻r9相连。所述电阻r9一端与电容c4相连，另一端与运放u2的输出相连。3.运算放大器u3的正反馈回路电路连接：所述电阻r11的一端与运放u3 的同相端输入端相连，另一端与运放u3的输出端相连。所述电阻r10 的一端与运放u3的反相输入端相连，另一端接地。所述电阻r12的一端与放大器的输出相连，另一端接地。
10.本实用新型首先用运算放大器u1做一个同相放大器，同相输入可以获得较大的输入阻抗，在输入阻抗较大的情况下输入电流就会比较小，这时候噪声就会相对较大，所以加入电阻r1然后接地，其作用是：1.放大输入电流，输入噪声相对输入电流就会相对减小。2. 电阻r1会给运放u1一个偏置电压使运放共模输出接近零，以提高运放的精度。加入电容c2、
c3、c4以滤除电路的高频噪声，电容c1以滤除电路的低频噪声。最关键的在于运算放大器u 2组成的反相放大电路，这个电路的作用是将运算放大器u2输入信号的幅值进行处理，和对运算放大器u2的输出进行限幅。首先将运放u2的输入信号缩小 10倍，然后通过在电路的负反馈回路中再加入肖特基二极管提供一个600mv左右的压降，具体如公式所示：(uo为运放u2的输出电压值，ui为运放u2的输入电压值)这样使得输入信号的噪声量级下降了10倍，同时还通过肖特基二极管实现了极低噪声的信号放大。通过这种方式，有效的降低了电路的噪声，同时大大提升了输入到比较器信号的电压的稳定性，使得比较器生成的方波精度得到了较大的提升。较高的方波精度也有利于后面的测频电路进行高精度的频率测量。


技术特征：
1.一种铯光泵拉莫尔频率信号整形电路，包括滤波电容c1～c4，电阻r1～r12，稳压器件，运算放大器u1～u3，其特征在于：第一级运放u1的同相端电路连接，电阻r1的一端与电容c1和电阻r2相连，另一端接地，电容c1的一端与光泵磁力仪信号输出端相连，另一端与电阻r1和电阻r2相连；运放u1负反馈回路的电路连接为电阻r4和电容c2并联，所组成回路的一端接放大器u1的输出，另一端和电阻r3串联，所述电阻r3的另一端接地。2.根据权利要求1所述的一种铯光泵拉莫尔频率信号整形电路，其特征在于：中间级运算放大器u2组成的电路是，电阻r6和运放的同相端相连，电阻r6的另一端接地；运放u2负反馈回路的电路连接：电阻r7的一端与运放u2的输出相连，电阻r7的另一端与运放u2的反相输入端相连，电阻r5的一端与运放u2的反相输入端和电阻r7相连，另一端与运放u1的输出端和稳压器件相连，稳压器件的一端与运放u2的输出端相连，另一端与运放u1的输出端相连，电容c3的一端与运放u2的输出端相连，另一端与运放u1的输入端相连；电阻r8一端与电阻r7相连，另一端与地和电容c4相连；电容c4一端与电阻r8相连，另一端与电阻r9相连；电阻r9一端与电容c4相连，另一端与运放u2的输出相连。3.根据权利要求1所述的一种铯光泵拉莫尔频率信号整形电路，其特征在于：运算放大器u3的正反馈回路电路连接是：电阻r11的一端与运放u3的同相端输入端相连，另一端与运放u3的输出端相连；电阻r10的一端与运放u3的反相输入端相连，另一端接地；电阻r12的一端与放大器的输出相连，另一端接地。

技术总结
本实用新型涉及地球磁场测量技术领域，具体讲是一种铯光泵拉莫尔频率信号整形电路，包括滤波电容C1～C4，电阻R1～R12，稳压器件，运算放大器U1～U3，第一级运放U1的同相端电路连接，电阻R1的一端与电容C1和电阻R2相连，另一端接地，电容C1的一端与光泵磁力仪信号输出端相连，另一端与电阻R1和电阻R2相连；运放U1负反馈回路的电路连接为电阻R4和电容C2并联，所组成回路的一端接放大器U1的输出，另一端和电阻R3串联，所述电阻R3的另一端接地。所述电阻R3的另一端接地。所述电阻R3的另一端接地。


技术研发人员：任世杰
受保护的技术使用者：郑州步始智能科技有限公司
技术研发日：2020.12.02
技术公布日：2021/10/8