本發(fā)明屬于serf(spin-exchange?relaxation-free，無自旋交換弛豫)態(tài)原子超高靈敏慣性測量，具體涉及一種用于serf原子磁強計的雙二階程控濾波系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、serf原子磁強計可以實現(xiàn)超高靈敏度慣性測量(serf，spin-exchangerelaxation-free，無自旋交換弛豫)，超高靈敏度慣性測量裝置主要由探頭、光源和電子測控系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示的單光束serf原子磁強計結(jié)構(gòu)。光源部分以dfb(distributed?feedback?laser，分布式反饋激光器)激光芯片或分布式布拉格反射激光(distributed?bragg?reflection,dbr)芯片作為核心種子光源，后面依次經(jīng)過2個隔離器后再進入光束整形與分光系統(tǒng)，通過光纖耦合器進入單模保偏光纖實現(xiàn)光源到探頭的輸入。輸出的高斯光通過偏振組合鏡轉(zhuǎn)向并轉(zhuǎn)換為一束圓偏振光進入氣室，光電探測器檢測透過氣室后的光強并將其轉(zhuǎn)換為光電流，光電流經(jīng)過雙絞屏蔽線接入電子測控系統(tǒng)。接入電子測控系統(tǒng)的光電流信號首先由跨阻放大器實轉(zhuǎn)換為電壓，然后經(jīng)過模擬信號處理系統(tǒng)濾出攜帶所測信號的1khz信號后進入鎖相放大器，鎖相放大器進行數(shù)據(jù)解調(diào)處理后將解調(diào)信號輸入數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)對微弱磁場信號的測量。其中，電子測控系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生模塊、激光控制模塊、測溫與加熱模塊、模擬信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊和前置放大電路等。

2、在實現(xiàn)極弱磁精密測量的單光束serf原子磁強計中，從光電轉(zhuǎn)換器輸出的電流在被跨阻放大器轉(zhuǎn)換為電壓后的信號中含有各種高頻大幅度噪聲，從中提取微弱低頻信號的模擬信號處理系統(tǒng)中的核心就是濾波器。將跨阻放大器輸出的電壓模擬信號通過濾波器精確地濾除高頻信號，無衰減地完整保留目標(biāo)信號，可以避免信號處理過程中的噪聲干擾，從而使serf原子磁強計系統(tǒng)靈敏度進一步提高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明以經(jīng)典濾波理論為基礎(chǔ)，設(shè)計實現(xiàn)了一種用于serf原子磁強計的雙二階程控濾波系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)增益穩(wěn)定，截止頻率、品質(zhì)因數(shù)q可調(diào)節(jié)，濾波特性可配置，優(yōu)化了模擬電路結(jié)構(gòu)，在簡潔的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)濾波器的最佳性能，可應(yīng)用于測量人體微弱生物磁信號的小型化單光束serf原子磁強計樣機電子測控系統(tǒng)中，能夠形成具有低噪聲、參數(shù)可控的高性能濾波器。本發(fā)明可以有效去除低頻微弱心磁信號中工頻噪聲、基線漂移和尾跡噪聲，具有可以靈活配置的寬頻帶范圍和穩(wěn)定的0db帶內(nèi)增益。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種用于serf原子磁強計的雙二階程控濾波系統(tǒng)，其特征在于，包括雙二階濾波器，所述雙二階濾波器具有信號輸入接口，所述雙二階濾波器通過多路選擇器進行信號輸出，所述雙二階濾波器和所述多路選擇器分別連接控制模塊，所述控制模塊連接上位機，所述雙二階濾波器包括第一運算放大器，第一運算放大器負(fù)向輸入端通過第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接輸入信號端，通過相互并聯(lián)的第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第一電容連接第一運算放大器輸出端，通過第三數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接第三運算放大器的輸出端，第一運算放大器正向輸入端接地，第一運算放大器輸出端通過第四數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接第二運算放大器的負(fù)向輸入端，第二運算放大器負(fù)向輸入端通過第二電容連接第二運算放大器輸出端，第二運算放大器正向輸入端接地，第二運算放大器輸出端通過第五電阻連接第三運算放大器負(fù)向輸入端，第三運算放大器負(fù)向輸入端通過第六電阻連接第三運算放大器輸出端，第三運算放大器輸出端通過第九電阻連接第四運算放大器的負(fù)向輸入端，第四運算放大器正向輸入端接地，第四運算放大器負(fù)向輸入端通過第十電阻連接第四運算放大器輸出端，第一運算放大器輸出端通過第八電阻連接第四運算放大器負(fù)向輸入端，所述輸入信號端通過第七電阻連接第四運算放大器負(fù)向輸入端，第四運算放大器輸出端輸出高通響應(yīng)hp，第三運算放大器輸出端輸出反相低通響應(yīng)lp-，第二運算放大器輸出端輸出同相低通響應(yīng)lp+，第一運算放大器輸出端輸出帶通響應(yīng)bp。

4、所述上位機通過所述控制模塊利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac的頻率控制字與品質(zhì)因數(shù)控制字，達到對濾波器截止頻率fc與品質(zhì)因數(shù)q的精確控制，利用dac的可變電阻特性，通過dac內(nèi)部的集成反饋電阻rfb與fc和q的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)濾波器截止頻率與濾波類型參數(shù)的靈活可調(diào)性。

5、包括第一雙二階濾波器至第四雙二階濾波器，和第一級多路選擇器至第四級多路選擇器，原始信號signal分別提供給第一雙二階濾波器輸入端和第一級多路選擇器至第四級多路選擇器的各自輸入端，第一雙二階濾波器向第一級多路選擇器提供第一級同相低通響應(yīng)和第一級高通響應(yīng)，第一級多路選擇器的第一輸出信號傳輸給第二雙二階濾波器輸入端，第二雙二階濾波器向第二級多路選擇器提供第二級同相低通響應(yīng)和第二級高通響應(yīng)，第二級多路選擇器的第二輸出信號傳輸給第三雙二階濾波器輸入端，第三雙二階濾波器向第三級多路選擇器提供第三級同相低通響應(yīng)和第三級高通響應(yīng)，第三級多路選擇器的第三輸出信號傳輸給第四雙二階濾波器輸入端，第四雙二階濾波器向第四級多路選擇器提供第四級同相低通響應(yīng)和第四級高通響應(yīng)，第四級多路選擇器輸出第四輸出信號。

6、rfb與fc和q的函數(shù)關(guān)系如下：

7、d1＝2n*rfb*2π*c1*fc

8、d2＝(2n*rfb*2π*c1*fc)/q

9、其中d1是dac的二進制截止頻率控制字，n是dac位數(shù)，c1是第一電容，d2是dac的二進制品質(zhì)因數(shù)控制字。

10、所述雙二階濾波電路通過spi接口連接控制模塊，所述選擇電路通過i/o接口連接控制模塊。

11、所述控制模塊通過uart接口連接上位機。

12、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢在于：

13、1、有源濾波器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)過對數(shù)字與模擬濾波器、有源與無源濾波器以及各類先進成熟的系統(tǒng)化濾波結(jié)構(gòu)的調(diào)查對比與仿真實驗，最終確定濾波電路采用由運算放大器和電容和電阻構(gòu)成的雙二階濾波電路實現(xiàn)濾波器性能。它可以同時輸出帶通、低通和高通響應(yīng)，對元件的靈敏度較低，并且決定濾波參數(shù)(截止頻率、q值與增益)的元件可以獨立調(diào)節(jié)，完全符合研究目標(biāo)中對濾波器的性能要求與參數(shù)指標(biāo)，并且可以在雙二階的基礎(chǔ)上采用程控電阻的方式調(diào)節(jié)參數(shù)。從根本上解決了傳統(tǒng)放大器串聯(lián)構(gòu)成的有源濾波器在調(diào)節(jié)參數(shù)時電路結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、調(diào)節(jié)能力范圍有限的缺點，低自噪聲水平、低功耗和低失真率信號輸出特性。

14、2、濾波的參數(shù)獨立可調(diào)。通過對雙二階電路系統(tǒng)函數(shù)的建模獲得其濾波特性的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，用rc元件值之間的函數(shù)關(guān)系或變換電路結(jié)構(gòu)表征濾波性能參數(shù)，如截止頻率、品質(zhì)因數(shù)、增益與滾降階數(shù)等，經(jīng)過多種方案調(diào)研與對比實驗確定使用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片等效電阻作為程控濾波的方式來靈活調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率與品質(zhì)因數(shù)，使用由多路開關(guān)器構(gòu)成的選擇電路控制濾波通帶類型與衰減斜率。最后通過主控芯片分別控制dac芯片與多路選擇器實現(xiàn)整個濾波系統(tǒng)參數(shù)靈活可調(diào)。

15、3、系統(tǒng)低噪聲。噪聲性能是濾波器的重要指標(biāo)之一，在不考慮漂移等非理想因素的情況下，系統(tǒng)的濾波精度由等效輸入噪聲決定，即等效輸入噪聲決定了系統(tǒng)的輸出信噪比，因而在一定程度上減小系統(tǒng)的等效輸入噪聲意義非凡。濾波器噪聲的主要來源是對原始信號濾波的模擬部分，包括運算放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。在實際選型過程中，應(yīng)重點關(guān)注器件的噪聲水平，包括自噪聲和通道間串?dāng)_等方面，在保證濾波系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性的前提下提高電路信噪比，使濾波器的失真度最小。