超微晶合金磁特性测量高频小信号放大电路设计
杨新磊++陈龙++张新亮++王苗++汪友华
摘 要： 在超微晶合金样片二维高频旋转磁特性测试时，针对B?H复合型磁滞矢量传感器中传感信号微弱且易受到周围电磁环境的干扰而产生很大的噪声的问题，设计一种以高性能仪表放大器AD8221作为主要器件的差分放大器和高通滤波器、低通滤波器、直流偏置调节电路等组成的高频小信号放大电路。并将该硬件电路应用在H线圈的校准实验中，确定了H线圈的校准系数。
关键词： 磁特性测量； 差分放大； 滤波器； 直流偏置调节； H线圈校准
中图分类号： TN721+.5?34； TN721 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0183?04
Abstract： Since the sensing signal of B?H composite hysteresis vector sensor is weak and easy to produce heavy noise due to interference of the electromagnetic environment when 2D high?frequency rotating magnetic properties of nanocrystalline alloy sample is tested， a high?frequency small signal amplifying circuit is proposed. The circuit is composed of differential amplifier taking the high performance instrumentation amplifier AD8221 as its main device， as well as high?pass filter， low?pass filter， DC bias adjusting circuit and so on. The calibration coefficient of H?coil was determined in the H?coil calibration experiments， in which the hardware circuit was used.
Keywords： magnetic property measurement； differential amplification； filter； DC bias adjustment； H?coil calibration
超微晶合金材料广泛应用在高频和高功率密度的电磁器件中，常用作电感器、限流器和高频变压器的磁芯材料，成为现代通信、航空航天、国防等多个领域中设备的重要组成部分[1]。在高频作用下，与硅钢片材料相比，超微晶合金具有很高的磁导率和很低的涡流损耗 。在高频工况下，其具备极高的应用价值。超微晶合金的高频旋转磁特性的研究对以超微晶合金作为磁芯材料的电磁器件优化与改进有着指导性帮助，有助于降低磁芯损耗，提高电能效率，促进电力、电子仪器设备的节能、降耗；有助于超微晶合金软磁材料的发展及工程应用，对电工设备产品向着高性能、高效率、小型化和轻量化的方向发展提供重要帮助[2]；有助于创建超微晶合金软磁材料的综合磁特性数据库。
在超微晶合金的高频旋转磁特性的研究过程中，逐渐加大激磁信号直至样品饱和。当激磁信号幅值较小、频率较低时，B?H复合型磁滞矢量传感器中传感信号非常微弱，尤其是样品表面磁场传感信号，只有几毫伏（或者更低）到几十毫伏，甚至比周围环境中的干扰信号还要微弱，易受周围电磁环境的干扰[3]。本文针对超微晶合金样片二维高频磁特性测量中，B?H复合型磁滞矢量传感器中的信号容易受干扰、噪声大、信号弱的特点，对高频小信号放大电路进行了重新设计。采用两级放大电路，第一级选用高性能仪表放大器AD8221作为主要器件，差分输入，最大限度的消除共模信号；然后连接滤波电路，将直流信号和其他的噪声去掉；最后连接主放大电路实现信号的最终放大，实现信号的有效采集。并将硬件电路应用在H线圈的校准实验中，确定了H线圈的校准系数。
1 高频放大电路
在B?H复合型磁滞矢量传感器线圈输出的传感信号放大过程中，为了抑制零点漂移，进一步提高共模抑制比，放大电路必须分两级实现，且前置放大器增益不能太高[4]。由于前置放大器是引入噪声的主要部件之一，再加上传感器线圈和周围环境的的各种干扰噪声的叠加，使得叠加后的噪声比有用信号大得多。因此前置放大器采用对于抑制噪声有着卓越表现的差分放大器[5]。差分放大器之后，由滤波器把有用信号频率之外的成分过滤掉，一般需要一个高通滤波器，将直流成分去掉，避免后续放大器出现饱和。经过滤波器后，信号幅值仍然很小，需要一个增益较高的放大器进行最终的放大，实现信号的有效采集。
1.1 前置放大电路
在整个放大电路中，前置放大电路决定了整个系统的噪声情况。由于其输入端为差分信号，会引入较大的共模干扰，且该共模干扰电压一般都比较大。这种干扰信号在信号输入电路参数不对称时会转化为差模干扰并对测量系统产生影响[6]。因此前置放大器以高共模抑制比、低噪音、高增益的AD8221作为前置放大电路的核心器件，并且采用差动输入的方式。高性能仪表放大器AD8221是一款增益可编程，高性能的仪表放大器，在同类产品中，其相对于频率的共模抑制比最高。其他的仪表放大器的共模抑制比在200 Hz处开始下降。与之相比，在G=1，f=10 kHz，AD8221的共模抑制比均保持最低80 dB。因此高共模抑制比使得AD8221可以抑制宽带干扰和线路谐波，大大简化了滤波要求[7]。同时考虑到B?H复合型磁滞矢量传感器线圈输出的传感信号中夹杂着直流信号，太大的前置放大器增益会影响电路的直流稳定性。为了保证不工作在截止区或饱和区[8]，设计的第一级放大倍数为10倍，具体电路如图1所示。
1.2 高通滤波电路
由于电极极化电压的不平衡、前置放大电路的失调漂移，前置放大器输出的信号中除了夹杂着许多的工频干扰，还会有很大的直流或低频分量，将引起传感信号的基线漂移；因此设计了一阶反相高通滤波器来滤除直流和低频分量[9]，如图2所示。
1.4 主放大电路设计
传感器信号的幅度一般在1 mV左右，而A/D转换器的输入范围为0～5 V，所以在低频放大器后采用一个同向比例放大电路进一步提高增益。主放大电路的增益为101，前置放大电路放大倍数为10，所以最终的放大倍数为1 000倍，满足1 mV信号到1 V的转换要求。主放大电路见图4。
由于温漂等影响因素的存在，通过放大电路放大的电压信号可能存在直流偏置现象，为了消除信号放大后可能存在的直流偏置电压，设计了信号直流偏置调节以满足后续电路的需要。放大电路硬件实物图见图5。
电路的具体参数为R6=1 kΩ，R7=10 kΩ，R8=100 kΩ，R9=10 kΩ，R10=100 kΩ，R11=50 kΩ，R12=10 kΩ。
2 放大电路放大性能测试
将硬件放大电路与LabVIEW数据采集系统连接，将LabVIEW数据采集系统的输出端通过bnc接头与放大电路相连接，通过放大电路的电压放大，再将输出电压通过LabVIEW进行数据采集，从而测定放大电路真实的放大倍数，测试连接装置见图6。
实验过程中输入信号为1 mV，调整放大电路的参数设计分别对频率为1 kHz，2 kHz，4 kHz时进行了多组数据测量。放大电路输出波形如图7所示。
根据放大电路输出电压波形和幅值可知，输入信号被成功放大1 000倍左右，且放大后的波形良好，没有发生较大的畸变，满足以下H 线圈的校准实验要求。
3 H线圈的校准实验
由于在实际加工过程中H线圈的等效匝数N和磁通截面积S不易确定，为得到两者的等效乘积，需要对 H线圈进行校准研究，确定线圈系数NS，即。为了对H线圈进行准确的校准，确定线圈系数，本文通过高频产生均匀正弦交变磁场的改进型亥姆霍兹线圈，采用直接测量法进行线圈系数的校准[13]。所谓直接测量法，即将待测线圈以横截面与改进型亥姆霍兹线圈产生的均匀正弦交变磁场垂直的方向，直接放入改进型亥姆霍兹线圈中心转台上，通过放大电路将感应出来的高频小信号感应电压进行放大采集[14]，再利用公式推导出线圈的主窗口系数，测量装置连接图见图8。
表1详细记录了线圈系数校准的实验数据，计算得到了不同电流和频率下改进型亥姆霍兹线圈中心位置产生的磁通密度、线圈的输出电压，从而得到线圈系数以及线圈系数平均值。
4 结 语
本文设计了一种以高性能仪表放大器AD8221作为主要器件的差分放大器和高通滤波器、低通滤波器、直流偏置调节电路等组成的高频小信号放大电路。并将该硬件电路应用在H线圈的校准实验中，确定了H线圈的校准系数。达到了输出信号处理要求，具备一定的实用价值。
参考文献
[1] 顾雪辉.超微晶软磁合金应用研究[J].上海钢研，1994（2）：16?21.
[2] SERGEANT P， DUPRE L. Modeling the electromagnetic behavior of nanocrystalline soft materials [J]. IEEE transactions on magnetics， 2009， 45（2）： 678?686.
[3] YAMAGUCHI T. Theoretical analysis of localized magnetic flux measurement by needle probe [J]. Le Journal de physique IV， 1998， 8（2）： 717?720.
[4] 童诗白.模拟电子技术基础[M].3版.北京：高等教育出版社，2002.
[5] PALLAS?ARENY R， WEBSTER J G. Common mode rejection ratio in differential amplifiers [J]. IEEE transactions on instrum measurement， 1991， 40（4）： 669?676.
[6] Analog Devices. Very low noise quadoperational amplifier [R]. USA： Analog Devices， 2002.
[7] 刘树棠.基于运算放大器和模拟集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2010.
[8] 崔利平.仪表放大电路设计[J].现代电子技术，2009，32（11）：87?89.
[9] HOU Chunli， HUANG Chienchih， LAN Yushi， et al. Current?mode and volt?age?mode universal biquads using a single current?feedback amplifier [J]. International journal of electronics， 1999， 86（8）： 929?933.
[10] SVOBODA J A. Curent conveyors， operational amplifiers and nullors [J]. IEE Proceedings， 1989， 136（6）： 317?322.
[11] SENANI R， SINGH V K. KHN?equlvalent biquadusing current conveyors [J]. Electronics letters， 1995， 31（8）： 19?25.
[12] CARLOSENA Alfonso， MOSCHYTZ Georges. Nullators and Norators in voltage to current mode transformations [J]. International journal of circuit theory and applications， 1993， 21： 421?423.
[13] HASHIMOTO Y， ENOKIZONO M， MOGI H. Measurement of the localized iron loss in electromagnetic steel sheet by using the needle probe method [J]. Journal of applied physics， 2002， 91（10）： 6935?6937.
[14] SENDA K. Localized magnetic properties in grain?oriented electrical steel measured by needle probe method [J]. Electrical engineering in Japan， 1999， 126（4）： 1?11.
摘 要： 在超微晶合金样片二维高频旋转磁特性测试时，针对B?H复合型磁滞矢量传感器中传感信号微弱且易受到周围电磁环境的干扰而产生很大的噪声的问题，设计一种以高性能仪表放大器AD8221作为主要器件的差分放大器和高通滤波器、低通滤波器、直流偏置调节电路等组成的高频小信号放大电路。并将该硬件电路应用在H线圈的校准实验中，确定了H线圈的校准系数。
关键词： 磁特性测量； 差分放大； 滤波器； 直流偏置调节； H线圈校准
中图分类号： TN721+.5?34； TN721 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0183?04
Abstract： Since the sensing signal of B?H composite hysteresis vector sensor is weak and easy to produce heavy noise due to interference of the electromagnetic environment when 2D high?frequency rotating magnetic properties of nanocrystalline alloy sample is tested， a high?frequency small signal amplifying circuit is proposed. The circuit is composed of differential amplifier taking the high performance instrumentation amplifier AD8221 as its main device， as well as high?pass filter， low?pass filter， DC bias adjusting circuit and so on. The calibration coefficient of H?coil was determined in the H?coil calibration experiments， in which the hardware circuit was used.
Keywords： magnetic property measurement； differential amplification； filter； DC bias adjustment； H?coil calibration
超微晶合金材料广泛应用在高频和高功率密度的电磁器件中，常用作电感器、限流器和高频变压器的磁芯材料，成为现代通信、航空航天、国防等多个领域中设备的重要组成部分[1]。在高频作用下，与硅钢片材料相比，超微晶合金具有很高的磁导率和很低的涡流损耗 。在高频工况下，其具备极高的应用价值。超微晶合金的高频旋转磁特性的研究对以超微晶合金作为磁芯材料的电磁器件优化与改进有着指导性帮助，有助于降低磁芯损耗，提高电能效率，促进电力、电子仪器设备的节能、降耗；有助于超微晶合金软磁材料的发展及工程应用，对电工设备产品向着高性能、高效率、小型化和轻量化的方向发展提供重要帮助[2]；有助于创建超微晶合金软磁材料的综合磁特性数据库。
在超微晶合金的高频旋转磁特性的研究过程中，逐渐加大激磁信号直至样品饱和。当激磁信号幅值较小、频率较低时，B?H复合型磁滞矢量传感器中传感信号非常微弱，尤其是样品表面磁场传感信号，只有几毫伏（或者更低）到几十毫伏，甚至比周围环境中的干扰信号还要微弱，易受周围电磁环境的干扰[3]。本文针对超微晶合金样片二维高频磁特性测量中，B?H复合型磁滞矢量传感器中的信号容易受干扰、噪声大、信号弱的特点，对高频小信号放大电路进行了重新设计。采用两级放大电路，第一级选用高性能仪表放大器AD8221作为主要器件，差分输入，最大限度的消除共模信号；然后连接滤波电路，将直流信号和其他的噪声去掉；最后连接主放大电路实现信号的最终放大，实现信号的有效采集。并将硬件电路应用在H线圈的校准实验中，确定了H线圈的校准系数。
1 高频放大电路
在B?H复合型磁滞矢量传感器线圈输出的传感信号放大过程中，为了抑制零点漂移，进一步提高共模抑制比，放大电路必须分两级实现，且前置放大器增益不能太高[4]。由于前置放大器是引入噪声的主要部件之一，再加上传感器线圈和周围环境的的各种干扰噪声的叠加，使得叠加后的噪声比有用信号大得多。因此前置放大器采用对于抑制噪声有着卓越表现的差分放大器[5]。差分放大器之后，由滤波器把有用信号频率之外的成分过滤掉，一般需要一个高通滤波器，将直流成分去掉，避免后续放大器出现饱和。经过滤波器后，信号幅值仍然很小，需要一个增益较高的放大器进行最终的放大，实现信号的有效采集。
1.1 前置放大电路
在整个放大电路中，前置放大电路决定了整个系统的噪声情况。由于其输入端为差分信号，会引入较大的共模干扰，且该共模干扰电压一般都比较大。这种干扰信号在信号输入电路参数不对称时会转化为差模干扰并对测量系统产生影响[6]。因此前置放大器以高共模抑制比、低噪音、高增益的AD8221作为前置放大电路的核心器件，并且采用差动输入的方式。高性能仪表放大器AD8221是一款增益可编程，高性能的仪表放大器，在同类产品中，其相对于频率的共模抑制比最高。其他的仪表放大器的共模抑制比在200 Hz处开始下降。与之相比，在G=1，f=10 kHz，AD8221的共模抑制比均保持最低80 dB。因此高共模抑制比使得AD8221可以抑制宽带干扰和线路谐波，大大简化了滤波要求[7]。同时考虑到B?H复合型磁滞矢量传感器线圈输出的传感信号中夹杂着直流信号，太大的前置放大器增益会影响电路的直流稳定性。为了保证不工作在截止区或饱和区[8]，设计的第一级放大倍数为10倍，具体电路如图1所示。
1.2 高通滤波电路
由于电极极化电压的不平衡、前置放大电路的失调漂移，前置放大器输出的信号中除了夹杂着许多的工频干扰，还会有很大的直流或低频分量，将引起传感信号的基线漂移；因此设计了一阶反相高通滤波器来滤除直流和低频分量[9]，如图2所示。
1.4 主放大电路设计
传感器信号的幅度一般在1 mV左右，而A/D转换器的输入范围为0～5 V，所以在低频放大器后采用一个同向比例放大电路进一步提高增益。主放大电路的增益为101，前置放大电路放大倍数为10，所以最终的放大倍数为1 000倍，满足1 mV信号到1 V的转换要求。主放大电路见图4。
由于温漂等影响因素的存在，通过放大电路放大的电压信号可能存在直流偏置现象，为了消除信号放大后可能存在的直流偏置电压，设计了信号直流偏置调节以满足后续电路的需要。放大电路硬件实物图见图5。
电路的具体参数为R6=1 kΩ，R7=10 kΩ，R8=100 kΩ，R9=10 kΩ，R10=100 kΩ，R11=50 kΩ，R12=10 kΩ。
2 放大电路放大性能测试
将硬件放大电路与LabVIEW数据采集系统连接，将LabVIEW数据采集系统的输出端通过bnc接头与放大电路相连接，通过放大电路的电压放大，再将输出电压通过LabVIEW进行数据采集，从而测定放大电路真实的放大倍数，测试连接装置见图6。
实验过程中输入信号为1 mV，调整放大电路的参数设计分别对频率为1 kHz，2 kHz，4 kHz时进行了多组数据测量。放大电路输出波形如图7所示。
根据放大电路输出电压波形和幅值可知，输入信号被成功放大1 000倍左右，且放大后的波形良好，没有发生较大的畸变，满足以下H 线圈的校准实验要求。
3 H线圈的校准实验
由于在实际加工过程中H线圈的等效匝数N和磁通截面积S不易确定，为得到两者的等效乘积，需要对 H线圈进行校准研究，确定线圈系数NS，即。为了对H线圈进行准确的校准，确定线圈系数，本文通过高频产生均匀正弦交变磁场的改进型亥姆霍兹线圈，采用直接测量法进行线圈系数的校准[13]。所谓直接测量法，即将待测线圈以横截面与改进型亥姆霍兹线圈产生的均匀正弦交变磁场垂直的方向，直接放入改进型亥姆霍兹线圈中心转台上，通过放大电路将感应出来的高频小信号感应电压进行放大采集[14]，再利用公式推导出线圈的主窗口系数，测量装置连接图见图8。
表1详细记录了线圈系数校准的实验数据，计算得到了不同电流和频率下改进型亥姆霍兹线圈中心位置产生的磁通密度、线圈的输出电压，从而得到线圈系数以及线圈系数平均值。
4 结 语
本文设计了一种以高性能仪表放大器AD8221作为主要器件的差分放大器和高通滤波器、低通滤波器、直流偏置调节电路等组成的高频小信号放大电路。并将该硬件电路应用在H线圈的校准实验中，确定了H线圈的校准系数。达到了输出信号处理要求，具备一定的实用价值。
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[10] SVOBODA J A. Curent conveyors， operational amplifiers and nullors [J]. IEE Proceedings， 1989， 136（6）： 317?322.
[11] SENANI R， SINGH V K. KHN?equlvalent biquadusing current conveyors [J]. Electronics letters， 1995， 31（8）： 19?25.
[12] CARLOSENA Alfonso， MOSCHYTZ Georges. Nullators and Norators in voltage to current mode transformations [J]. International journal of circuit theory and applications， 1993， 21： 421?423.
[13] HASHIMOTO Y， ENOKIZONO M， MOGI H. Measurement of the localized iron loss in electromagnetic steel sheet by using the needle probe method [J]. Journal of applied physics， 2002， 91（10）： 6935?6937.
[14] SENDA K. Localized magnetic properties in grain?oriented electrical steel measured by needle probe method [J]. Electrical engineering in Japan， 1999， 126（4）： 1?11.
