《硅钢片二维磁特性测量中小信号放大电路的设计研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅钢片二维磁特性测量中小信号放大电路的设计研究（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2 0 0 9 年全国电工理论与新技术学术年会论文集 硅钢片二维磁特性测量中小信号放大电路的设计研究 任志强，谢德馨，车新生 沈阳工业大学电气工程学院，沈阳，1 1 0 1 7 8 摘要：为了解决硅钢片二维磁特性测量中试样的日矢量信号小且噪声大的问题，本文设计了二级放大滤波 电路，并通过精度较高的测量仪器对放大电路进行了校验，校验结果证明了本文j 一：作的有效性和正确性。 关键宇；磁特性测量。放大电路，L a b V I E W D e s i g no fS m a l lS i g n a lA m p l i f i c a t i o nC i r c u i t r yf o rT
2、w o D i m e n s i o n a l M a g n e t i cC h a r a c t e r i s t i cM e a s u r e m e n to fS i l i c o nS t e e lS h e e t R e nZ h i q i a n g ，X i eD e x i n ，C h eX i n s h e n g S c h o o lo f E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，S h e n y a n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，S
3、 h e n y a n g , 11 0 1 7 8 ，C h i n a A b s t r a c t ：T h et w o l e v e la m p l i f i c a t i o nf i l t e rs y s t e mi sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fs m a l la n dn o i s e ds i g n a lo f Av e c t o ri nm a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e m e n to fas i
4、l i c o ns t e e ls h e e ts a m p l e T h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r e v e r i f i e du s i n gt h ei n s t r u m e n t sw i t hh i g ha c c u r a c y , a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e da m p l i f i c a t i o ns y s t e mi s c o n f i r m e dp o s i t i v e l y K e
5、 yw o r d s ：M a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e m e n t ，a m p l i f i c a t i o n ，L a b V I E W 1 引言 冷轧硅钢片广泛应用于电机和变压器的铁芯 制造，根据其微观结构和物理特性，可分为晶粒取 向和晶粒无取向两种。由于采用了冷轧和熟处理工 艺，冷轧取向和无取向硅钢的磁特性均具有任意方 向的各向异性。在实际工况下这类各向异性材料中 的局部磁通密度召矢量与磁场强度日矢量方向不 同。为了精确计算电机电器中的电磁场和铁心损 耗，需要进行硅钢片的二维甚至三维磁特性测
6、量。 在对被试样片的B 矢量和日矢量的测量中，日矢 量的测量更为困难。由于日矢量的测量线圈放置在 磁场很弱的空气区域，在两个互相垂直方向上的分 量信号均很小，只有几毫伏到几十毫伏，因而容易 受周围电磁环境的干扰，产生很大的噪声，难以获 得真实的测量结果。为了得到更加精确的测量信 号，本文设计了两级小信号放大滤波电路，主要研 究： 作包括硬件设计和软件设计两部分。 2 放大电路的硬件设计 对于小信号的放大，国内外学者针对不同的应 国家自然科学基金( N o 5 0 7 7 7 0 4 2 ，5 0 8 0 7 0 3 9 ) 资助 用情况设计了各种放大电路，主要有单级放大、二 级放大和三级放大电
7、路。针对日信号容易受干扰、 噪声大、信号弱的特点，本文对现有的二级放人电 路的第一级进行了改进，选用高性能仪表放人器 A D 6 2 0 作为第一级的主要器件，第二级选用通H j 的 O P 0 7 放大器，设计了用于硅钢片二维磁特性测量 中的高精度小信号二级放大滤波电路，用来提高口 矢量的测量精度。 - - 4 2 2 1A D 6 2 0 仪用放大器 仪表放人器是一种具有差分输入和相对参考 端单端输出的闭环增益单元。大多数情况卜，仪表 放火器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型 值1 0 9Q 。其输入偏置电流也应很低，典型值为 ln A 至5 0n A 。与运算放大器一样，其输出阻抗
8、很低，在低频段通常仅有儿毫欧( m Q ) 。 如图l 所示，A D 6 2 0 放大电路是由三个放人器 所共同组成，其中的电阻尺与R ，的阻值需在放火 器的电阻适用范围内( 1 触1 0 娩) 。藉由同定的 电阻R ，我们可以通过调节见来调整放人的增益 2 0 0 9 年全国电工理论与新技术学术年会论文集 VJ 图1A D 6 2 0 仪用放大器内部电路示意图 根据所要放大的信号的大小，本文在该电路的 设计中设定的放大倍数是5 0 倍。第级放大5 倍， 第二级放大1 0 倍，可调电位器R 5 可以调节大小， 以达到所设定的放大倍数。 V o A D 6 2 0 是一种放大两输入信号电压之差而
9、抑 制对两输入端共模的任何信号的器件。冈此A D 6 2 0 在从信号源提取微弱信号时有效地抑制共模干扰。 根据A D 6 2 0 产品说明。第一级放大倍数G 1 由 式( 1 ) 来确定，即 A D 6 2 0 的基本特点为精确度高、使用简单、 噪声低，因而应用十分广泛。 2 2O P 0 7 放大器 O P 0 7 高精度运算放大器具有极低的输入失调 电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电 压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积 分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放 大，尤其适应于宇航、军工领域及要求微型化、高 可靠的精密仪器仪表中。O P 0 7 内部电路原理图如 图2
10、 所示。 lj l 爿 哿Mr U 1 ” O_ JV Lll 生七 t 1 _ l 。I二1 O 一 I 删 L - jI 阜ll ：l 出 H 口 ll 。 、 十 艄P 嗡 州。 L 薛 n 。UVl 旷阿 hh 。一k ! “汗 f 图2 0 P 0 7 内部电路原理图 2 3 放大电路的硬件电路设计 本文设计的二级放大电路的硬件设计如图3 所 示： ， 图3 放大电路的硬件电路图 G 1 ：4 9 4 k f 2 + 1( 1 )U = 十lL ， R 其中兄取为1 2 1 尥( 见图1 ) ，代入式( 1 ) ，可得 G 1 约为5 0 8 倍。为获得精确的放大倍数，冠采用 精度高
11、的金属膜电阻。 O P 0 7 起到准确放大第一级信号的作用。第一 级放大倍数G 由式( 2 ) 确定， G ：盟(2)2 R 2 其中R 2 、R 4 、R 5 分别取为1 0 施、8 2 施和5 0 a 2 。 通过调节可调电位器尺5 ，我们可以得到第二级十倍 左右的放大，以使总的放大倍数为5 0 。 3 放大电路的软件设计 4 3 对于两级放大电路的滤波部分，本文采用虚拟 仪器L a b V I E W ，通过软件实现”。 所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用 户根据自己的需求来定义和设计仪器的测量功能。 其实质是将可以完成传统仪器功能的硬件和最新 计算机软件技术充分地结合起来，用以
12、实现并扩展 传统仪器的功能，来完成数据的采集、分析与显示。 L a b v I E w 是一个优秀的图形化编程开发平台，是 L a b o r a t o r y V i r t u a lI n s t r u m e n t E n g i n e e r i n g W o r k b e n c h 的简称，即实验室虚拟仪器j 1 ：程平台， 是目前应用最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平 台。L a b V i e w 与以往那些基于文本的高级编程语言 不同，它采用的是一种全新的数据流图编程方式， 即用形象的图标和连线来代替一行一行的文本，这 种“画”程序的方法非常符合科学家和J ：程
13、师所习 惯和常用的框图模块方法及思维方式。 本课题完成的L a b V i e w 程序如图4 所示，主要 由三部分组成，即信号采集、滤波系统和波形分析。 信号采集的功能是把被测信号采集到虚拟仪器中。 滤波系统可以针对不同的测量要求，选择相应的滤 波方式。波形分析可以得到信号电压的人小。 2 0 0 9 雹电I 理论与新技$ 学术 Q 文集 孽副 ；j 喜翌乩 苎” 日睁。 ”掣宁。强* i 目一 目譬 闺4 L a b V I E W 编程框圈 通过使用L a b V I E W 软件的编程t 我们可以方便 地实现对所放大信号的滤波。由下硅钢片二维碰特 性测量中通过H 信号测量线圈感应出来的
14、电压信 号主要是上频信号，故图4 所示L a b V I E W 程序中 使用的滤波方式是低通泌波。为了分析5 次以内的 谐波，可将截止频率殴定为2 5 0 j l z 。 4 放大电路的校验结果 本文主要对所设计二二级放大电路的硬件部分 进行校验。校验所采用的仪器是北京普源精电科技 有限公司生产 【勺酗号为1 3 ( 3 2 0 0 0 的任意波形发生器 和D S l 0 0 0 系列的数字示波器”“。D G 2 0 0 0 的幅值 精度为1 ，D S l 0 0 0 的直流精度为3 。 在测定过程中对任意波形发生器的蛤定信号 分别设定为25 m V 、5 m V 、1 0 r a m 、2
15、 5 m V 、5 0 m V 、 I O O m V 五种情况的5 0 H z 的正弦波铡得放火后的 电压太小如固6 一图8 所示。 图8 给定信号为l O O m Y 时放大后的电压波形 表5 放：_ I ：前后电压幅值的对比( m v ) 5 分析与结论 幽6 给定信号为25 m v 时放大后的电压波形 本文设计的小信号放大电路有别r 其他的两 级放大电路，主要有咀F 优点： ( 1 ) 根据校验结果可知除了特别弱小的信号 以外，放大电路的精确度相对较高。 ( 2 ) 由于采用了L a b V I E W 软件滤波可以方便 地调节滤波方式和截止频率大大提高了放大电路 的灵活性 ( 3 )
16、 由于采用了性能稳定的仪州坡人器利稳定 性好的金属膜电阻放大电路的稳定性强。 僵是，目前完成的放大l E 路的精度仍需要提 高尤其是针对弱小信号的放人。拟从以F 弧方面 进行改进： ( 1 ) 使朋精度更高的实验仪器进 i 控验。 ( 2 ) 改进第二级放人电路， 殳置凋零电路。 2 0 0 9 年全国电工理论与新技术学术年会论文集 参考文献 【l 】C h a r l e sK i t c h i n 仪表放大器应用工程师指南 美国模拟器件公司，2 0 0 5 年。 【2 】冈村迪夫O P 放大电路设计科技出版社， 2 0 0 4 年9 月。 4 p 【3 】雷振山L a b V I E W 8 2 基础教程中国铁道出版 社，2 0 0 8 年2 月。 【4 】孟丽霞，于林丽微小信号放人电路设计仪器 仪表学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 6 ) ：1 0 1 2 1 0 1 3 。 楼钢
