CN120703646A - 一种磁测量信号检测量程自动配置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁测量信号检测量程自动配置系统及方法，属于磁信号测量技术领域，磁测量信号检测量程自动配置系统，引入参考信号，通过待测信号与参考信号的耦合形成目标信号，基于参考信号的幅值判断目标信号的幅值，最后基于目标信号的实际值和测量值，进行放大电路放大倍数的适当调节，从而实现量程的自动准确选择，优化信噪比幅度，从而提升NV色心磁测量设备在生物磁成像等场景的实用化水平，降低设备操作的复杂性。

Description

一种磁测量信号检测量程自动配置系统及方法

技术领域

本发明属于磁信号测量技术领域，具体涉及一种磁测量信号检测量程自动配置系统及方法。

背景技术

氮空位（NV）色心作为固态量子传感器，其磁测量原理依赖于金刚石晶体中NV色心在激光激发下产生的荧光辐射。该荧光信号经光电转换后，输出的电信号具有信噪比低、有效信号幅值微小（μV~mV级）等特征。现有技术普遍采用锁相放大器（LIA）进行信号提取，但面临以下技术瓶颈。

传统LIA需手动设置电压量程（如1μV~1V共6个量级），而NV色心信号强度受磁场强度、激光功率、样品浓度等多因素动态影响。实验表明，在相同磁场下，不同金刚石样品的信号幅值差异可达40dB，操作人员需反复调整量程才能获得最佳信噪比。宽量程模式虽能捕获信号，但引入高频噪声；窄量程可提升信噪比，却易导致信号削波；人工量程选择不正确会导致较大的测量误差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种磁测量信号检测量程自动配置系统，自动实现量程的准确选择，优化信噪比幅度，从而提升NV色心磁测量设备在生物磁成像等场景的实用化水平，降低设备操作的复杂性。

本发明保护一种磁测量信号检测量程自动配置系统，包括调理放大电路、采集卡、波形发生器、信号解调模块、低通滤波器、信号处理模块和示波器；

所述调理放大电路，用于调节输入的磁测量信号的放大倍数；

所述采集卡，用于采集放大后的磁测量信号，形成待测信号，输入示波器；

所述波形发生器，用于生成与目标信号频率一致的参考信号；

所述信号解调模块，用于将待测信号与参考信号相乘，以获取含有直流分量的解调信号；

所述低通滤波器，用于滤除解调信号中的交流分量，仅保留直流分量；

所述信号处理模块，用于根据参考信号的电压幅值，将解调信号中的直流分量换算成目标信号的电压幅值，输入示波器；

所述示波器，用于测量并展示待测信号和目标信号。

可选的，所述波形发生器产生一路参考信号，且该参考信号的相位与目标信号相同，参考信号与目标信号相乘得到

，

其中，V_sig为目标信号的电压幅值，V_r为参考信号的电压幅值，为参考信号的角频率，为目标信号的角频率，为参考信号的初相位，为目标信号的初相位；

经过低通滤波后得到，从而所述信号处理模块可以计算得到。

可选的，所述波形发生器产生两路参考信号，且两路参考信号的相位与目标信号的相位相差90°，两路参考信号分别与目标信号相乘得到

，

其中，V_sig为目标信号的电压幅值，V_r为参考信号的电压幅值，为参考信号的角频率，为目标信号的角频率，为参考信号的初相位，为目标信号的初相位；

经过低通滤波后得到，从而所述信号处理模块可以计算得到。

本发明还保护基于上述磁测量信号检测量程自动配置系统的磁测量信号检测量程自动配置方法，示波器测得目标信号测量值记为，其对应目信号实际值记为，示波器准确测量范围记为a1~a2，a1< a2；

若≤a1，则增大调理放大电路放大倍数n，直至a1<< a2，此时调理放大电路放大倍数n即为目标设定放大倍数；

若≥a2，则减小调理放大电路放大倍数n，直至a1<< a2，此时调理放大电路放大倍数n即为目标设定放大倍数。

作为一种优选方案，若≤a1或≥a2，则增大或减小调理放大电路放大倍数n，直至a1<< <a2，且＞，此时调理放大电路放大倍数n即为目标设定放大倍数。

作为一种优选方案，示波器准确测量范围中间值a3=（a1+a2）/2，通过调节放大电路放大倍数n使得接近a3，具体操作方式为：

从最小值开始，逐渐增大调理放大电路的放大倍数n，依次获得、、、…、、…、、；从开始，比较当前测量值、上一个测量值以及上上一个测量值的大小，当满足| a3- |≤| a3-|≥| a3-|时，对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大倍数。

作为一种优选方案，在满足| a3- |≤| a3-|≥| a3-|的前提下，

若≥，则对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大倍数；

若＜，则减小调理放大电路的放大倍数n，直至≥，此时对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大倍数。

本发明提出的磁测量信号检测量程自动配置系统，引入参考信号，通过待测信号与参考信号的耦合形成目标信号，基于参考信号的幅值判断目标信号的幅值，最后基于目标信号的实际值和测量值，进行放大电路放大倍数的适当调节，从而实现量程的自动准确选择，优化信噪比幅度，从而提升NV色心磁测量设备在生物磁成像等场景的实用化水平，降低设备操作的复杂性。

附图说明

图1为实施例1公开的磁测量信号检测量程自动配置系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

实施例

一种磁测量信号检测量程自动配置系统，如图1所示，包括调理放大电路、采集卡、波形发生器、信号解调模块、低通滤波器、信号处理模块和示波器。

所述调理放大电路，用于调节输入的磁测量信号的放大倍数；

所述采集卡，用于采集放大后的磁测量信号，形成待测信号，输入示波器；

所述波形发生器，用于生成与目标信号频率一致的参考信号；

所述信号解调模块，用于将待测信号与参考信号相乘，以获取含有直流分量的解调信号；

所述低通滤波器，用于滤除解调信号中的交流分量，仅保留直流分量；

所述信号处理模块，用于根据参考信号的电压幅值，将解调信号中的直流分量换算成目标信号的电压幅值，输入示波器；

所述示波器，用于测量并展示待测信号和目标信号。

调理放大电路、采集卡、波形发生器、低通滤波器、信号处理模块、示波器均为现有技术或基于现有技术易于实现，现仅针对信号解调模块所要实现的主要功能进行介绍。

信号解调模块的主要目的在于，结合信号处理模块，获得目标信号电压幅值与参考信号电压幅值之间的关系。本实施例主要介绍两种解调方式，当然具体解调方式并不限于此两种。

一、波形发生器产生一路参考信号

该参考信号的相位与目标信号相同，参考信号与目标信号相乘得到

，

其中，V_sig为目标信号的电压幅值，V_r为参考信号的电压幅值，为参考信号的角频率，为目标信号的角频率，为参考信号的初相位，为目标信号的初相位；

经过低通滤波后得到，由于，从而，进而所述信号处理模块可以计算得到。

二、波形发生器产生两路参考信号

此两路参考信号的相位相差90°，两路参考信号分别与目标信号相乘得到

，

其中，V_sig为目标信号的电压幅值，V_r为参考信号的电压幅值，为参考信号的角频率，为目标信号的角频率，为参考信号的初相位，为目标信号的初相位；

经过低通滤波后得到，由于，从而所述信号处理模块可以计算得到。

基于上述磁测量信号检测量程自动配置系统，量程的调节转化为调理放大电路放大倍数的调节，需要考虑的是：

K1、输入示波器的目标信号幅值应当合适，目标信号幅值相对于示波器的量程太小，则结果准确性较低；

K2、待测信号的大小应当合适，待测信号较大，通常不会影响目标信号的测量准确性，但待测信号过大有可能超出采集卡或者是锁相放大器整个信号通路系统的处理能力，从而导致部分目标信号的丢失，影响目标信号的测量准确性。

实施例

一种磁测量信号检测量程自动配置方法，基于实施例1公开的磁测量信号检测量程自动配置系统。

示波器测得目标信号测量值记为，其对应目信号实际值记为，示波器准确测量范围记为a1~a2，a1< a2。由图1可知，该目标信号测量值与目标信号实际值的关系满足，其中n为调理放大电路的放大倍数，m为信号解调模块、低通滤波器和信号处理模块的综合放大倍数。此处m可视为不变，n可调。理想状态下，当n增大时，应当跟随增大。

首先，调节调理放大电路的放大倍数至最小，获取示波器的目标信号测量值；

若≤a1，则增大调理放大电路放大倍数n，直至a1<< a2，此时调理放大电路放大倍数n即为目标设定放大倍数；

若≥a2，则减小调理放大电路放大倍数n，直至a1<< a2，此时调理放大电路放大倍数n即为目标设定放大倍数。

基于上述操作，可以保证目标信号测量值在示波器准确测量范围内，但V_sig本身也是会变化的，只是在很短的测试周期内，视V_sig为不变，但为了防止V_sig的变化而偏离示波器准确测量范围a1~a2，可以调节调理放大电路的放大倍数，使得接近a1~a2的中间值a3，这样测量时的V_sig不管处于最大值还是最小值，都不会因为V_sig的变化而偏离准确测量范围a1~a2。

通过调节放大电路放大倍数n使得接近a3的具体操作方式为：从最小值开始，逐渐增大调理放大电路的放大倍数n，依次获得、、、…、 、…、、，从开始，比较当前测量值、上一个测量值以及上上一个测量值的大小，当满足| a3- |≤|a3-|≥| a3-|时，对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大倍数。

本实施例公开的磁测量信号检测量程自动配置方法仅考虑K1，并未考虑K2。

实施例

一种磁测量信号检测量程自动配置方法，基于实施例1公开的磁测量信号检测量程自动配置系统。本实施例在考虑K1的基础上，还考虑到K2。

若≤a1或≥a2，则增大或减小调理放大电路放大倍数n，直至a1<< <a2，且≥，此时调理放大电路放大倍数n即为目标设定放大倍数。此处增设条件≥，从而限制了部分目标信号丢失的问题。

同样可以考虑接近a1~a2的中间值a3，在满足| a3- |≤| a3-|≥|a3-|的前提下，

若≥，则对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大倍数；

若＜，则减小调理放大电路的放大倍数n，直至≥，则对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大倍数。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种磁测量信号检测量程自动配置系统，其特征在于，包括调理放大电路、采集卡、波形发生器、信号解调模块、低通滤波器、信号处理模块和示波器；

所述调理放大电路，用于调节输入的磁测量信号的放大倍数；

所述采集卡，用于采集放大后的磁测量信号，形成待测信号，输入示波器；

所述波形发生器，用于生成与目标信号频率一致的参考信号；

所述信号解调模块，用于将待测信号与参考信号相乘，以获取含有直流分量的解调信号；

所述低通滤波器，用于滤除解调信号中的交流分量，仅保留直流分量；

所述信号处理模块，用于根据参考信号的电压幅值，将解调信号中的直流分量换算成目标信号的电压幅值，输入示波器；

所述示波器，用于测量并展示待测信号和目标信号。

2.根据权利要求1所述的磁测量信号检测量程自动配置系统，其特征在于，所述波形发 生器产生一路参考信号，且该参考信号的相位与目标信号相同，参考信号与目标信号相乘 得到，其中V_sig为目标信号 的电压幅值，V_r为参考信号的电压幅值，为参考信号的角频率，为目标信号的角频率，为参考信号的初相位，为目标信号的初相位；

经过低通滤波后得到，从而所述信号处理模块可以计算 得到。

3.根据权利要求1所述的磁测量信号检测量程自动配置系统，其特征在于，所述波形发生器产生两路参考信号，且两路参考信号的相位与目标信号的相位相差90°，两路参考信号分别与目标信号相乘得到

其中，V_sig为目标信号的电压幅值，V_r为参考信号的电压幅值，为参考信号的角频率，为目标信号的角频率，为参考信号的初相位，为目标信号的初相位；

经过低通滤波后得到，从而所述信号处理模块可以计算得到。

4.一种磁测量信号检测量程自动配置方法，其特征在于，基于权利要求1-3任意一项所 述的磁测量信号检测量程自动配置系统，示波器测得目标信号测量值记为，其对应目信 号实际值记为，示波器准确测量范围记为a1~a2，a1< a2；

若≤a1，则增大调理放大电路放大倍数n，直至a1<< a2，此时调理放大电路放大倍 数n即为目标设定放大倍数；

若≥a2，则减小调理放大电路放大倍数n，直至a1<< a2，此时调理放大电路放大倍 数n即为目标设定放大倍数。

5.根据权利要求4所述的磁测量信号检测量程自动配置方法，其特征在于，若≤a1或≥a2，则增大或减小调理放大电路放大倍数n，直至a1<< <a2，且≥，则 对应的调理放大电路放大倍数n即为目标设定放大倍数。

6.根据权利要求4所述的磁测量信号检测量程自动配置方法，其特征在于，示波器准确 测量范围中间值a3=（a1+a2）/2，通过调节放大电路放大倍数n使得接近a3。

7.根据权利要求6所述的磁测量信号检测量程自动配置方法，其特征在于，从最小值开 始，逐渐增大调理放大电路的放大倍数n，依次获得、、、…、 、…、、；从开始，比较当前测量值、上一个测量值以及上上一个测量值的大小，当满足| a3- |≤| a3-|≥| a3-|时，则对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大 倍数。

8.根据权利要求7所述的磁测量信号检测量程自动配置方法，其特征在于，在满足| a3- |≤| a3-|≥| a3-|的前提下，

若≥，则对应的调理放大电路的放大倍数n即为目标设定放大倍数；

若＜，则减小调理放大电路的放大倍数n，直至≥，则对应的调理放大电 路的放大倍数n即为目标设定放大倍数。