基于Labview和DDS的磁场发生装置的研制

高正国 陈 瑾 徐文强 朱向冰

（安徽师范大学物理与电子信息工程学院，安徽 芜湖241000）

0 引言

随着科学技术的发展，磁场的应用越来越广泛，在医疗、教学和通信领域拥有广泛的应用。国内外对磁场的产生和检测进行了广泛的研究和产品的开发，然而关于磁场产生方面的装置价格昂贵，操作不便，不利于普及应用，并且国内外的磁场线圈驱动装置主要是通过扫描信号输出连续的磁场，难以对于确定的一个固定磁场进行输出。不利于适用于多种场合。

本磁场发生装置可以产生频率范围较宽的磁场，通过操作labview的前面板即可调节磁场频率和大小，使用方便且成本较低。而且本项目的产品是固定于一个确定磁场的输出，便于教学和实验室使用，弥补了市场上的这方面产品的不足。

1 系统设计

本文是研制一种基于labview的磁场发生装置，通过labview编写上位机软件来接受用户的信息，并发送给下位机，下位机产生数字信号，然后通过D/A转换及电路放大信号来驱动线圈产生磁场。

图1是系统的原理框图，系统分为串口通信模块、51单片机模块、DDS模块、滤波电路模块、放大电路模块、采样电路模块、外围电路模块。其中，单片机控制DDS电路为系统重点。

系统以单片机控制DDS电路产生指定频率和幅度的正弦信号。此外人机接口采用labview编写人机界面，通过串口连接单片机。

图1 系统组成框图

2 程控电流源的设计

该程控电流源是以DDS模块为核心，51单片机为主控芯片，对输出电流进行闭环控制的电流信号源。

2.1 DDS控制电路设计

DDS技术可以理解为数字信号处理中信号综合的硬件实现问题，即给定信号幅度、频率、相位参数，产生所需要的信号波形。从系统的角度可以认为是给定输入时钟fclk和频率控制字WFC，输出某一对应的正弦信号[1]。DDS电路中采用51单片机为控制核心进行数据处理及频率控制字的发送，电路如图2所示。

图2 DDS控制电路

2.2 滤波器设计

为了使输出频率不受外界和一些杂波的干扰，需要一个低通滤波器滤除高次谐波。

因为DDS产生的信号较小，所以我们使用具有集成运放的开环电压增益的有源滤波器，此外有源滤波器具有输入阻抗均很高，输出阻抗低的特点。

二阶压控电压源低通滤波器是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，其中同相比例放大电路实际上就是压控电压源。其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益。

二阶压控电压源低通滤波器的传递函数A(s)为:

其中：w0为特征角频率，；

将式（1）化为复频域后的电压放大倍数Au为

2.3 功率放大电路

功率放大电路采用二级功放来设计，功放芯片的型号为LM3886和AD811。

图3 功率放大电路

2.4 采样电路控制算法

在本系统中，我们使用离散增量PID算法来控制电流的输出。离散增量PID的计算公式为：

其中：E(k)为本次采样时刻的电流误差；E(k-1)为上次采样时刻的电流误差；E(k-2)为上上次采样时刻的电流误差值。

3 磁场线圈

Helmholtz线圈是由2个同轴对称放置的空心圆柱线圈组成，其几何形状和电流密度均相同,且两线圈间隔为线圈半径。Helmholtz线圈最大的优点是磁场均匀度高，因此，可以用中心磁感应强度近似代替轴线上的磁感应强度。

如图4中,取通过两圆形线圈圆心的直线为x轴,两圆形线圈圆心之间直线的中点为坐标原点O,设单匝Helmholtz线圈的半径为R,两个线圈位于X=±L的平面上,每个线圈上通入同方向的电流I[3]。

图4

由安培环路定则知，Helmholtz线圈的磁感应强度的公式为：

其在x=0出的磁场强度，可有公式4得出：

通过公式（5）可得：若电流大小在0到2A之间，同时采用半径为10cm，匝数为20的载流圆线圈，则本装置产生的磁场强度范围为0到0.360mT之间。

4 LabVIEW上位机系统

通过Labview的图形化语言编程建立磁场发生装置的上位机系统，便于用户进行人机交互。本上位机系统分为前面板和程序框图的设计:

4.1 前面板

4.2 程序框图

5 结论

为了满足磁场发生装置的定点输出和扫频输出，我们运用了数字频率合成DDS技术，可以比较方便的达到这一目标，并且选用选取Helmholtz线圈作为标准磁场发生装置，产生的磁场均匀度高，在人机交互方面，利用Labview平台设计了方便用户的上位机系统，该系统可以较好的应用于教学和科普仪器中，但是本装置不足之处在于电流源不能驱动线圈产生幅度很大的磁场，且磁场频率范围有限。

［1］陶益凡.基于DDS的信号发生器的研制[D].南京:南京信息工程大学,2006.

［2］高明甫,杨勇,孔令斌.二阶压控电压源低通滤波器设计[J].电子技术,2010,47(3):73-75.

［3］郑敏.Helmholtz线圈的磁场分布及应用[J].青海大学学报,2005,23(5):63-64.