[实用新型]三分量磁力梯度仪的测量电路

摘要

本实用新型公开了一种三分量磁力梯度仪的测量电路，该电路包括电源电路、传感器信号采集电路、数据传输电路和主控电路，其中传感器信号采集电路包括信号调理电路和数模转换电路；本实用新型利用了传感器的高分辨率，低功耗等特点。在电源分支中，前级电源采用DC/DC来增加电源的工作效率，后级电源利用线性电源来降低电源的纹波与噪声，为后续电路提供了稳定可靠，干净的电源。电路工作时，工作电流约为170mA，实现了低功耗。在传感器信号调理电路中，选择了极低噪声的运放芯片与高精度的模数转换芯片来提高测量电路的有效分辨率。

主权项

三分量磁力梯度仪的测量电路，包括电源电路、传感器信号采集电路、数据传输电路和主控电路，其中传感器信号采集电路包括信号调理电路和数模转换电路；其特征在于：所述的电源电路包括+13V输出电源电路、‑13V输出电源电路、+6.5V缓冲电压电路、+3.3V输出电源电路、+5V输出电源电路、+4.5V输出电源电路、+2.5V基准电压电源电路；电源电路负责提供正负13V电源给传感器供电，并通过中间得到的+6.5V缓冲电压电路与线性电源电路得到纹波较小的5V和3.3V；其中5V给高精度模数转换器供电，后续产生的4.5V为信号调理电路提供高精度，低温漂的偏置电压；+2.5V基准电压电源电路为模数转换芯片提供稳定的基准电压；+12V输出电源电路包括开关电源芯片IC1、第一非极性电容C1、第二非极性电容C2、第三非极性电容C3、第四非极性电容C4、第五非极性电容C5、第一极性电容Cp1、第二极性电容Cp2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一肖特基二极管D1、第一电感L1、第一贴片开关K1和第一接插件P1；开关电源芯片IC1的7脚、第一非极性电容C1的一端、第二非极性电容C2的一端、第一极性电容Cp1的正极和第一肖特基二极管D1的阴极接+24的输入电压；第一肖特基二极管D1的阳极和第一贴片开关K1的一端相连接，第一贴片开关K1的另一端与第一接插件P1的1脚连接，第一接插件P1的2脚与第一极性电容Cp1的负极连接并接地；开关电源芯片IC1的6脚、9脚、第一非极性电容C1的另一端、第二非极性电容C2的另一端、第二电阻R2的一端、第二极性电容Cp2的负极、第四非极性电容C4的一端和第五非极性电容C5的一端都接地；开关电源芯片IC1的2脚，3脚，5脚都悬空；开关电源芯片IC1的1脚接第三非极性电容C3的一端；开关电源芯片IC1的8脚、第三非极性电容C3的另一端、第二肖特基二极管D2的阴极接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端、第一电阻R1的一端、第二极性电容Cp2的正极、第四非极性电容C4的另一端、第五非极性电容C5的另一端接第三电阻R3的一端；第三电阻R3的另一端作为电压+12V的输出端；第二肖特基二极管D2的阳极接地；第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端连接并接开关电源芯片IC1的4脚；开关电源芯片IC1采用德州仪器公司的高稳定，低温漂电源芯片TPS5430；‑12V输出电源电路包括开关电源芯片IC2，线性稳压器芯片IC3，第三极性电容Cp3，第四极性电容Cp4，第五极性电容Cp5，第六极性电容Cp6，第七极性电容Cp7，第八极性电容Cp8，第九极性电容Cp9，第十极性电容Cp10，第十一极性电容Cp11，第六非极性电容C6，第七非极性电容C7，第八非极性电容C8，第四电阻R4,第五电阻R5,第六电阻R6,第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第二电感L2和第三肖特基二极管D3；开关电源芯片IC2的2脚、第三极性电容Cp3的正极、第四极性电容Cp4的正极、第五极性电容Cp5的正极和第六极性电容Cp6的正极连接并接+24V输入，第三极性电容Cp3的负极接地；开关电源芯片IC2的1脚接第六非极性电容C6的一端；开关电源芯片IC2的3脚悬空；开关电源芯片IC2的4脚接第四电阻R4的一端；第四极性电容Cp4的负极、第五极性电容Cp5的负极和第六极性电容Cp6的负极、第四电阻R4的另一端、开关电源芯片IC2的7脚和9脚、第七非极性电容C7的一端、第八非极性电容C8的一端、第三肖特基二极管D3的阳极、第七电阻R7的一端、第七极性电容Cp7的负极、第八极性电容Cp8的负极、第九极性电容Cp9的负极接第八电阻R8的一端；开关电源芯片IC2的5脚、第七电阻R7的另一端和第六电阻R6的一端相接；开关电源芯片IC2的6脚、第五电阻R5的一端和第八非极性电容C8的另一端相连接；第五电阻R5的另一端接第七非极性电容C7的另一端；开关电源芯片IC2的8脚、第六非极性电容C6的另一端、第三肖特基二极管D3的阴极和第二电感L2的一端相连接；第二电感L2的另一端、第六电阻R6的另一端、第七极性电容Cp7的正极、第八极性电容Cp8的正极和第九极性电容Cp9的正极接地；线性稳压器芯片IC3的2脚、第十极性电容Cp10的负极接到第八电阻R8的另一端；线性稳压器芯片IC3的1脚、第九电阻R9的一端和第十电阻R10的一端相连接；线性稳压器芯片IC3的3脚、第九电阻R9的另一端和第十一极性电容Cp11的负极接到‑12V输出端；第十极性电容Cp10的正极、第十电阻R10的另一端和第十一极性电容Cp11的正极都接地；开关电源芯片IC2采用德州仪器公司电源芯片TPS54360，线性稳压器芯片IC3采用德州仪器公司电源芯片LM337；+6.5V输出电源电路包括开关电源芯片IC4、第八非极性电容C8、第九非极性电容C9、第十非极性电容C10、第十一非极性电容C11、第十二非极性电容C12、第十二极性电容Cp12、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第四肖特基二极管D4和第三电感L3；开关电源芯片IC4的7脚、第八非极性电容C8的一端和第九非极性电容C9的一端接+24的输入电压；开关电源芯片IC4的6脚、9脚、第八非极性电容C8的另一端、第九非极性电容C9的另一端、第十二极性电容Cp12的负极、第十二电阻R12的一端、第十一非极性电容C11的一端和第十二非极性电容C12的一端都接地；开关电源芯片IC4的2脚，3脚，5脚都悬空；开关电源芯片IC4的1脚接第十非极性电容C10的一端；开关电源芯片IC4的8脚、第十非极性电容C10的另一端、第四肖特基二极管D4的阴极接第三电感L3的一端，第三电感L3的另一端、第十一电阻R11的一端、第十二极性电容Cp12的正极、第十一非极性电容C11的一端、第十二非极性电容C12的一端接第十三电阻R13的一端；第十三电阻R13的另一端作为电压+6.5V的输出端；第四肖特基二极管D4的阳极接地；第十一电阻R11的另一端与第十二电阻R12的另一端连接并接开关电源芯片IC4的4脚；开关电源芯片IC4采用德州仪器公司的高稳定，低温漂电源芯片TPS5430；+5V输出电源电路包括线性稳压器芯片IC5、第十三极性电容Cp13、第十四极性电容Cp14、第十五极性电容Cp15、第十六极性电容Cp16；开关电源芯片IC5的3脚、第十三极性电容Cp13的正极和第十四极性电容Cp14的正极接到+6.5V的输出端；开关电源芯片IC5的2脚、第十五极性电容Cp15的正极和第十六极性电容Cp16的正极接到+V5的输出端，第十三极性电容Cp13的负极、第十四极性电容Cp14的负极、第十五极性电容Cp15的负极、第十六极性电容Cp16的负极接地，开关电源芯片IC5的1脚接地；线性稳压器芯片IC5采用凌特公司的电源芯片LT1085；+3.3V输出电源电路包括线性稳压器芯片IC6，第十七极性电容Cp17，第十八极性电容C18，第十三非极性电容C13，第十四非极性电容C14，第十四电阻R14和第十五电阻R15和第一发光二极管；线性稳压器芯片IC6的3脚、第十七极性电容Cp17的正极和第十三非极性电容C13的一端接电源电路的+5V电源输出端；线性稳压器芯片IC6的1脚、第十七极性电容Cp17的负极和第十三非极性电容C13的另一端都接地；线性稳压器芯片IC6的2脚、4脚、第十八极性电容Cp18的正极、第十四非极性电容C14的一端和第十四电阻R14的一端接到一起并通过第十五电阻R15接到+3.3V基准电压输出端；第十四电阻R14的另一端接到第一发光二极管LED1的阳极；第十八极性电容Cp18的负极、第十四极性电容C14的另一端和第一发光二极管LED1的阴极都接地；线性稳压器芯片IC6采用德州仪器公司的电源芯片AMS117‑3.3；+4.5V基准电压电路包括第一基准电压芯片IC7，第一运算放大器芯片IC8，第十五非极性电容C15，第十六非极性电容C16，第十七非极性电容C17，第十八非极性电容C18，第十九非极性电容C19，第十六电阻R4；第一基准电压芯片IC7的2脚和第十五非极性电容C15的一端接电源电路的+5V电源输出端，第一基准电压芯片IC7的4脚和第十五非极性电容C15的另一端接地，第一基准电压芯片IC7的5脚通过第十六非极性电容C16接地，第一基准电压芯片IC7的6脚与第十六电阻R16的一端、第十七非极性电容C17的一端连接，第十七非极性电容C17的另一端接地；第十六电阻R16的另一端、第十八非极性电容C18的一端接第一运算放大器芯片IC8的3脚，第一运算放大器芯片IC8的2脚接地；第一运算放大器芯片IC8的5脚与第十九非极性电容C19的一端连接后接电源电路的+5V电源输出端，第十九非极性电容C19的另一端接地；第一运算放大器芯片IC8的1脚和4脚连接，作为+4.5V基准电压输出端，第一基准电压芯片IC7的1脚、3脚、7脚、8脚架空；第一基准电压芯片IC7采用德州仪器的基准电压芯片REF5045，第一运算放大器芯片IC8采用德州仪器的精密运放芯片OPA376；+2.5V基准电压电路包括第二基准电压芯片IC9，第二运算放大器芯片IC10，第二十非极性电容C20，第二十一非极性电容C21，第二十二非极性电容C22,第二十三非极性电容C23，第二十四非极性电容C24和第十七电阻R17；第二基准电压芯片IC9的2脚和第二十非极性电容C20的一端接电源电路的+5V电源输出端，第二基准电压芯片IC9的4脚和第二十非极性电容C20的另一端接地，第二基准电压芯片IC9的5脚通过第二十一非极性电容C21接地，第二基准电压芯片IC9的6脚和第十七电阻R17的一端、第二十二非极性电容C22的一端连接，第二十二非极性电容C22的另一端接地；第十七电阻R17的另一端、第二十三非极性电容C23的一端接第二运算放大器芯片IC6的3脚，第二运算放大器芯片I0的2脚接地；第二运算放大器芯片IC10的5脚与第二十四非极性电容C24的一端连接后接电源电路的+5V电源输出端，第二十四非极性电容C24的另一端接地；第二运算放大器芯片IC10的1脚和4脚连接，作为+4.5V基准电压输出端，第一基准电压芯片IC9的1脚、3脚、7脚、8脚架空；第二基准电压芯片IC9采用德州仪器的基准电压芯片REF5025，第二运算放大器芯片IC10采用德州仪器的精密运放芯片OPA376；信号调理电路包括第三运算放大器芯片IC11、第二十五非极性电容C25、第二十六非极性电容C26、第二十七非极性电容C27、第十八电阻R18、第十九电阻R9、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二十二电阻R22；第十八电阻R18的一端、第十九电阻R19的一端接第三运算放大器芯片IC11的3脚；第十九电阻R19的另一端作为传感器的电压输出端；第十八电阻R18的另一端接电压输出电路的+4.5V基准电压输出端；第二十电阻R20的一端接第三运算放大器芯片IC11的3脚，另一端接地；第三运算放大器芯片IC11的8脚与第二十五非极性电容C25的一端连接并接接输出电源电路的+5V电源输出端；第二十五非极性电容C25的另一端和第三运算放大器芯片IC11的4脚接地；第二十一电阻R21的一端接第三运算放大器芯片IC11的1脚、2脚；第二十一电阻R21的另一端和第二十二电阻R22的一端、第二十六非极性电容C26的一端相连接作为低通滤波电路的输入端；第二十二电阻R22的另一端、第二十七非极性电容C27的一端和第三运算放大器芯片IC11的5脚连接，第二十七非极性电容C27的另一端接地；第二十六非极性电容C26的另一端接第三运算放大器芯片IC11的6脚和7脚并作为输出端；第三运算放大器芯片IC11采用德州仪器公司的高精密运放芯片OPA2367和OPA376；数模转换电路包括模数转换芯片IC12、第十九极性电容Cp19、第二十极性电容Cp20、第二十一极性电容Cp21、第二十八非极性电容C28、第二十九非极性电容C29、第三十非极性电容C30、第三十一非极性电容C31、第三十二非极性电容C32、第三十三非极性电容C33、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27、第二十八电阻R28、第二十九电阻R29、第三十电阻R30和第一晶振Y1；第二十三电阻R23的一端、第十九极性电容Cp19的正极、第二十八非极性电容C28的一端、第二十九非极性电容C29的一端接模数转换芯片IC12的4脚，第二十三电阻R23的另一端接电源电路的+2.5V参考电压输出端，第二十四电阻R24的一端、第十九极性Cp19的负极、第二十八非极性电容C28的另一端、第二十九非极性电容C29的另一端接模数转换芯片IC12的3脚，第二十四电阻R24的另一端接地；模数转换芯片IC12的1脚、第二十极性电容Cp20的正极和第三十非极性电容C30的一端接电源电路的+5V电源输出端，第二十极性电容Cp20的负极和第三十非极性电容C30的另一端接地；模数转换芯片IC13的7脚、8脚、9脚、10脚、11脚、12脚与信号调理电路的输出端连接；模数转换芯片IC12的5脚通过第二十五电阻R25与电源电路的+2.5V参考电压输出端连接，模数转换芯片IC12的2脚接地；模数转换芯片IC12的14脚、15脚、16脚、第三十三非极性电容C33的一端、第二十一极性电容Cp21的正极接电源电路的+3.3V电源输出端，模数转换芯片IC13的17脚、第三十三非极性电容C33的另一端、第二十一极性电容Cp21的负极接地；第一晶振Y1的一端和第三十一非极性电容C31的一端接模数转换芯片IC12的19脚，第一晶振Y1的另一端和第三十二非极性电容C32的一端接模数转换芯片IC12的18脚，第三十一非极性电容C31的另一端和第三十二非极性电容C32的另一端接地；第二十六电阻R26的一端接模数转换芯片IC12的24脚，第二十七电阻R27的一端接模数转换芯片IC12的23脚，第二十八电阻R28的一端接模数转换芯片IC12的22脚，第二十九电阻R29的一端接模数转换芯片IC12的21脚，第三十电阻R30的一端接模数转换芯片IC13的20脚，第三十电阻R30的另一端接地，模数转换芯片IC13的6脚、13脚、25脚、26脚、27脚、28脚架空；模数转换芯片IC13采用德州仪器公司的24位高精度模数转换芯片ADS1256；数据传输电路包括多通道RS232线路驱动器/接收器IC13，第三十四非极性电容C34、第三十五非极性电容C35、第三十六非极性电容C36、第三十七非极性电容C37、第三十八非极性电容C38；多通道RS232线路驱动器/接收器IC13的1脚与第三十四非极性电容C34的一端连接，3脚与第三十四非极性电容C34的另一端连接，4脚与第三十五非极性电容C35的一端连接、5脚与第三十五非极性电容C35的另一端连接,15脚直接接地，6脚通过第三十六非极性电容C36接地，2脚通过第三十七非极性电容C37接地，16脚与第三十八非极性电容C38的一端连接并接+3.3V输出电源电路的输出端，第三十八非极性电容C38的另一端接地，多通道RS232线路驱动器/接收器IC13的11脚、12脚、13脚、14脚架空，多通道RS232线路驱动器/接收器IC13的7脚与串口线的PC_RXD1端连接，多通道RS232线路驱动器/接收器IC13的8脚与串口线的PC_TX1端相连接，多通道RS‑232线路驱动器/接收器IC13采用德州仪器的MAX3232芯片；主控电路包括主控芯片IC14、第三十九非极性电容C39、第四十非极性电容C40、第四十一非极性电容C41、第四十二非极性电容C42、第四十三非极性电容C43、第三十一电阻R31、第三十二电阻R32、第三十三电阻R33、第三十四电阻R34、第二晶振Y2、第三晶振Y3、纽扣电池BT1、第二开关K2和发光二极管LED2；第三十九非极性电容C39的一端和第二晶振Y2的一端接主控芯片IC14的5脚，第四十非极性电容C40的一端和第二晶振Y2的另一端接主控芯片IC14的6脚，第三十九非极性电容C39的另一端和第四十非极性电容C40的另一端接地，第三十二电阻R32的一端接主控芯片IC6的60脚，另一端接地；第三十一电阻R31的一端、第四十一非极性电容C41的一端、第二开关K2的一端接主控芯片IC14的7脚，第三十一电阻R31的另一端接电源电路的+3.3V电源输出端，第四十一非极性电容C41的另一端和第二开关K2的另一端相连后接地；主控芯片IC14的1脚接纽扣电池BT1的正极，纽扣电池BT1的负极接地，主控芯片IC14的32脚、48脚、64脚、19脚、13脚都接电源电路的+3.3V电源输出端，主控芯片IC14的31脚、47脚、63脚、18脚、12脚都接地；主控芯片IC14的30脚通过第三十三电阻R33接发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极接地；第四十二非极性电容C42的一端、第三十四电阻R34的一端、第三晶振Y3的一端接主控芯片IC15的3脚，第四十三非极性电容C43的一端、第三十四电阻R34的另一端、第三晶振Y3的另一端接主控芯片IC14的4脚，第四十二非极性电容C42的另一端和第四十三非极性电容C43的另一端连接后接地；主控芯片IC14的34脚接数模转换电路中第二十六电阻R26的另一端，35脚接数模转换电路中第二十八电阻R28的另一端，36脚接数模转换电路中第二十七电阻R27的另一端，38脚接数模转换电路中第二十九电阻R29的另一端；主控芯片IC14的20脚、21引脚、22引脚、23引脚分别为片上外设SPI1的NSS、SCLK、MISO、MOSI引脚输出端，与TF卡的SPI总线连接，主控芯片IC14的15脚与多通道RS232线路驱动器/接收器IC13的10脚连接，主控芯片IC14的16脚与多通道RS232线路驱动器/接收器IC13的9脚连接；主控芯片IC14采用意法半导体公司的STM32F103RCT6芯片。