基于Labview和DDS的磁場發生裝置的研制

高正國 陳 瑾 徐文強 朱向冰

（安徽師范大學物理與電子信息工程學院，安徽 蕪湖241000）

0 引言

隨著科學技術的發展，磁場的應用越來越廣泛，在醫療、教學和通信領域擁有廣泛的應用。國內外對磁場的產生和檢測進行了廣泛的研究和產品的開發，然而關于磁場產生方面的裝置價格昂貴，操作不便，不利于普及應用，并且國內外的磁場線圈驅動裝置主要是通過掃描信號輸出連續的磁場，難以對于確定的一個固定磁場進行輸出。不利于適用于多種場合。

本磁場發生裝置可以產生頻率范圍較寬的磁場，通過操作labview的前面板即可調節磁場頻率和大小，使用方便且成本較低。而且本項目的產品是固定于一個確定磁場的輸出，便于教學和實驗室使用，彌補了市場上的這方面產品的不足。

1 系統設計

本文是研制一種基于labview的磁場發生裝置，通過labview編寫上位機軟件來接受用戶的信息，并發送給下位機，下位機產生數字信號，然后通過D/A轉換及電路放大信號來驅動線圈產生磁場。

圖1是系統的原理框圖，系統分為串口通信模塊、51單片機模塊、DDS模塊、濾波電路模塊、放大電路模塊、采樣電路模塊、外圍電路模塊。其中，單片機控制DDS電路為系統重點。

系統以單片機控制DDS電路產生指定頻率和幅度的正弦信號。此外人機接口采用labview編寫人機界面，通過串口連接單片機。

圖1 系統組成框圖

2 程控電流源的設計

該程控電流源是以DDS模塊為核心，51單片機為主控芯片，對輸出電流進行閉環控制的電流信號源。

2.1 DDS控制電路設計

DDS技術可以理解為數字信號處理中信號綜合的硬件實現問題，即給定信號幅度、頻率、相位參數，產生所需要的信號波形。從系統的角度可以認為是給定輸入時鐘fclk和頻率控制字WFC，輸出某一對應的正弦信號[1]。DDS電路中采用51單片機為控制核心進行數據處理及頻率控制字的發送，電路如圖2所示。

圖2 DDS控制電路

2.2 濾波器設計

為了使輸出頻率不受外界和一些雜波的干擾，需要一個低通濾波器濾除高次諧波。

因為DDS產生的信號較小，所以我們使用具有集成運放的開環電壓增益的有源濾波器，此外有源濾波器具有輸入阻抗均很高，輸出阻抗低的特點。

二階壓控電壓源低通濾波器是由兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路實際上就是壓控電壓源。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益。

二階壓控電壓源低通濾波器的傳遞函數A(s)為:

其中：w0為特征角頻率，；

將式（1）化為復頻域后的電壓放大倍數Au為

2.3 功率放大電路

功率放大電路采用二級功放來設計，功放芯片的型號為LM3886和AD811。

圖3 功率放大電路

2.4 采樣電路控制算法

在本系統中，我們使用離散增量PID算法來控制電流的輸出。離散增量PID的計算公式為：

其中：E(k)為本次采樣時刻的電流誤差；E(k-1)為上次采樣時刻的電流誤差；E(k-2)為上上次采樣時刻的電流誤差值。

3 磁場線圈

Helmholtz線圈是由2個同軸對稱放置的空心圓柱線圈組成，其幾何形狀和電流密度均相同,且兩線圈間隔為線圈半徑。Helmholtz線圈最大的優點是磁場均勻度高，因此，可以用中心磁感應強度近似代替軸線上的磁感應強度。

如圖4中,取通過兩圓形線圈圓心的直線為x軸,兩圓形線圈圓心之間直線的中點為坐標原點O,設單匝Helmholtz線圈的半徑為R,兩個線圈位于X=±L的平面上,每個線圈上通入同方向的電流I[3]。

圖4

由安培環路定則知，Helmholtz線圈的磁感應強度的公式為：

其在x=0出的磁場強度，可有公式4得出：

通過公式（5）可得：若電流大小在0到2A之間，同時采用半徑為10cm，匝數為20的載流圓線圈，則本裝置產生的磁場強度范圍為0到0.360mT之間。

4 LabVIEW上位機系統

通過Labview的圖形化語言編程建立磁場發生裝置的上位機系統，便于用戶進行人機交互。本上位機系統分為前面板和程序框圖的設計:

4.1 前面板

4.2 程序框圖

5 結論

為了滿足磁場發生裝置的定點輸出和掃頻輸出，我們運用了數字頻率合成DDS技術，可以比較方便的達到這一目標，并且選用選取Helmholtz線圈作為標準磁場發生裝置，產生的磁場均勻度高，在人機交互方面，利用Labview平臺設計了方便用戶的上位機系統，該系統可以較好的應用于教學和科普儀器中，但是本裝置不足之處在于電流源不能驅動線圈產生幅度很大的磁場，且磁場頻率范圍有限。

［1］陶益凡.基于DDS的信號發生器的研制[D].南京:南京信息工程大學,2006.

［2］高明甫,楊勇,孔令斌.二階壓控電壓源低通濾波器設計[J].電子技術,2010,47(3):73-75.

［3］鄭敏.Helmholtz線圈的磁場分布及應用[J].青海大學學報,2005,23(5):63-64.