Диссертация (1024691), страница 20
Текст из файла (страница 20)
На протяжении первой половины периода ток смещения имеетположительное значение, и рабочая точка находится сначала в положении 1,потом – в положении 2 (рисунок 3.11).Во втором полупериоде ток смещения имеет отрицательное значение, и рабочаяточка находится в положениях сначала – 3, потом – 4. Очевидно, что в такомслучае на протяжении первого полупериода сигнала тока смещения знаккоэффициента наклона касательной к сигнальной характеристике в рабочей точкеположителен, а на протяжении второго полупериода – отрицателен. Такимобразом, после демодуляции полезный сигнал оказывается промодулированнымсигналом тока смещения. Для исключения этого эффекта в канале былпредусмотрен дополнительный сигнал компенсации («КОМП1»), которыйсовпадал по частоте и фазе с сигналом тока смещения и подавался вместе ссигналом модуляции в катушку обратной связи на СКВИДе. Результат действияэтого компенсирующего сигнала можно представить, как сдвиг отрицательнойсигнальной характеристики на половину периода (рисунок 3.11).
В таком случаенаклон сигнальной характеристики во всех положениях рабочей точки одинаков.В дополнение в разработанном канале электроники был использован еще одинсигнал компенсации («КОМП2»), который подавался на сопротивление в цепизадания тока смещения СКВИДа. Этот сигнал позволял исключить попаданиетока смещения в первичную обмотку трансформатора.В плане упрощения схемы представлялось возможным задавать в катушкуобратной связи СКВИДа сигнал, суммирующий переменные сигналы токасмещения (СМ) и компенсации «КОМП1». Но, как показала практика, на этапеотладки работы магнитометрического канала оказалось эффективнее иметь117полный набор сигналов (как представлено на рисунке 3.11), и возможностьзадавать их амплитуды независимо друг от друга непосредственно во времяработы, что и было реализовано в разработанной электронике.Рисунок 3.10 – Блок-схема модуляционной электроники с переменным токомсмещения для использования с ВТСП-СКВИДамиПолезностьподобногорешенияобуславливаласьвпервуюочередьслучающейся неполной симметричностью критических токов джозефсоновскихпереходов ВТСП-СКВИДов и возможностью прямого воздействия, например,сигнала модуляции на приемную петлю СКВИДа и сигнала тока смещения нацепь обратной связи.Для иллюстрации эффективности работы электроники с переменным токомсмещения СКВИДа на рисунке 3.12 представлен спектр шума выходного сигналаСКВИД-магнитометранаосновеВТСП-СКВИД-датчикатипаHTM-6,изготовленного в Исследовательском центре Юлих, Германия.
Во время118регистрации шумовых спектров стеклопластиковый криостат с измерительнымзондом был помещен в дополнительный экран из аморфного пермаллоя дляисключения влияния внешних магнитных помех.Для сравнения был такжеизмерен спектр шума этого датчика при постоянном токе смещения СКВИДа,поскольку созданная электроника позволяла реализовать оба режима работымагнитометра.Рисунок 3.11 – Положение рабочих точек на сигнальной характеристикеСКВИДа при переменном токе смещения и временные диаграммы сигналовмодуляции, тока смещения и компенсацийРазработанные схемы электроники для работы с низкотемпературными ивысокотемпературными СКВИДами были практически реализованы в виде однои многоканальных вариантов, в зависимости от назначения создаваемоймагнитометрическойСКВИД-системы.Управлениережимамиработыэлектроники и настройка рабочих параметров СКВИД-датчиков как правилоосуществлялисьотперсональногокомпьютера.Ручноеуправлениеиспользовалось лишь в некоторых одноканальных вариантах по желаниюпользователей.119Рисунок 3.12 – Спектры шума выходного сигнала магнитометра со ВТСПСКВИД-датчиком HTM-6 (Исследовательский центр Юлих, Германия),помещенного в экран из аморфного пермаллоя, в режимах работы с постоянным ипеременным токами смещения СКВИДа3.3.4 Блоки управления СКВИД-магнитометров для биомагнитных системБлок управления СКВИД-магнитометра по своему составу и назначениюявляется многофункциональным устройством.
Он обеспечивает все электрическиесхемымагнитометраперсональнымпитающимикомпьютером,напряжениями,можетсодержатьосуществляетвсвоемсвязьсоставесряддополнительных устройств, таких, как аналоговые усилители и фильтрывыходных сигналов магнитометров, систему сбора данных. Также для работы вусловиях неэкранированного пространства блок управления содержит схемы«электронного» подавления помех.120В качестве примера на рисунке 3.13 представлен сборочный чертеж блокауправления, разработанного для МКГ-систем серии «МАГ-СКАН». Схема блокавключает в свой состав все перечисленные выше элементы. ПринципиальнойособенностьюсхемотехническогопостроенияблокауправленияСКВИД-магнитометра является необходимость разделить источники питания аналоговыхи цифровых схем, а также все цифровые коды, управляющие режимами работымагнитометра, транслировать в блок СКВИД-электроники через опторазвязки.Это сделано для того, чтобы исключить попадание шумов питающих цифровыесхемы источников в аналоговые цепи СКВИД-магнитометра.Схема питания блока управления МКГ-комплекса содержит преобразователисетевого переменного напряжения 220 В в постоянное напряжение ± 5 В дляпитания аналоговых схем каналов магнитометра и + 5 В для питания цифровыхсхем.Блок управления включает в свой состав схему цифрового управлениямагнитометрическойсистемой,котороеосуществляетсячерезUSB-портперсонального компьютера.
Управление каждым из двенадцати каналов СКВИДэлектроники осуществляется с помощью микроконтроллера ATmega169 на базеядра AVR. В схеме формируется виртуальный СОМ-порт, и каждый каналСКВИД-электроники получает от него команды в виде последовательного кода.При этом в формате команды присутствует уникальный адрес каждого из каналовСКВИД-электроники, что позволяет каждому каналу электроники обрабатыватьтолько команду, предназначенную именно этому каналу.Так же этот микроконтроллер управляет работой системы сложения сигналовоттрехканаловреферентногомагнитометраивыходныхсигналовградиентометрических каналов. Сюда входят команды включения/выключениясмешения сигналов референтного магнитометра с сигналами градиентометров дляработы системы электронного подавления помех, и команды управленияаттенюаторами сигналов трех референтных каналов при смешивании с сигналамиградиентометрических каналов.
Аттенюаторы выполнены на базе микросхем 12-121битныхцифро-аналоговыхпреобразователей(ЦАП)иуправляютсяпоследовательным кодом.Рисунок 3.13 – Фотография блока управления магнитометрического комплексадля исследований магнитокардиограмм человека (без верхней крышки)Связующимзвеноммеждумагнитометромикомпьютеромявляетсяуправляющий 32-битный микроконтроллер AT91SAM7S64 на базе ядра ARM7.Этот микроконтроллер имеет в своем наборе устройств контроллер UDP, спомощью которого осуществляется связь с компьютером по протоколу USB(FullSpeed, 48 МГц). Управляющий микроконтроллер выполняет следующиефункции, получая команды управления от программы на персональномкомпьютере:122• передает микроконтроллеру ATmega169 команды управления каждымканалом СКВИД-электроники.• передает микроконтроллеру ATmega169 команды управления системойэлектронного подавления помех.• управляет микросхемами 24-битных дельта-сигма АЦП и передает вкомпьютер оцифрованные выходные сигналы каналов СКВИД-магнитометров.Так же предусмотрена необходимая обработка измеряемого сигнала во времяизмерения.Программа управления для микроконтроллера ATmega169 была написана наассемблере, используя бесплатный компилятор, предлагаемый производителемданноймикросхемы.AT91SAM7S64Управляющаянаписана наязыкепрограммаC++сдлямикроконтроллераиспользованием бесплатногокомпилятора WinARM.
Программное обеспечение на уровне персональногокомпьютера под операционную систему Windows XP было написано на языкеС++ с помощью оригинальных библиотек.3.3.5Исследованиесобственныхшумовыххарактеристикэлектроникимагнитометрической СКВИД-системыПроверкауровнясобственныхшумовусилительноготрактаСКВИД-электроники осуществлялась в режиме разомкнутой обратной связи магнитометрапри закороченном входе первого транзистора предусилителя. При этомрегистрировалисьимагнитометра.оценкахВанализировалисьрезультатовшумыизмеренийвыходногонапряженияучитываласьвеличинакоэффициента усиления тракта от первого транзистора до выходного каскада.Типичный спектр шумового напряжения на выходе электроники одного из«сигнальных» каналов СКВИД-магнитометра при закороченном входе первоготранзистора показан на рисунке 3.14.
Видно, что в области «белого» шума оно 5-7мкВ/Гц1/2. Учитывая, что коэффициент усиления тракта составляет около 10000,этот уровень шума близок к паспортным значениям использованного полевого123транзистора (для транзистора 2SK369 оно составляет величину около 0,6нВ/Гц1/2).Рисунок 3.14 – Типичный спектр шумового напряжения на выходе каналаэлектроники СКВИД-магнитометра при закороченном входе первого транзисторапредусилителяПоскольку исследуемые биомагнитные сигналы человека имеют очень малыеамплитуды,важноезначениедлятакихизмеренийимеютшумовыехарактеристики системы сбора данных. В ходе разработки комплекта электроникидля МКГ-систем было предложено техническое решение, когда аналого-цифровоепреобразование выходных сигналов выполняется для каждого канала сиспользованием индивидуальных 24-битных АЦП.
Для этих целей одним изподходящих вариантов оказалось использование АЦП марки ADS1251 фирмыTexas Instruments [124].Микросхема ADS1251 является точным дельта-сигма аналого-цифровымпреобразователемс24-битнымразрешениемиширокимдинамическим124диапазоном, АЦП работает от однополярного питания +5 В. Дельта-сигмаархитектура имеет широкий динамический диапазон и разрешение 24 бита безпропуска кода. Эффективное разрешение 19 бит (1.5 ppm из значения шума)достигается при преобразовании до 20 кГц. ADS1251 предназначен длявысокоточныхизмеренийвприложенияхккардиодиагностике,интеллектуальным датчикам, управлению производственными процессами, весах,хроматографии и портативных приборах.
Преобразователь включает в себягибкий двухпроводный синхронный последовательный интерфейс. ADS1251является одноканальным АЦП и изготовлен в SO-8 корпусе.Для МКГ-комплексов серии «МАГ-СКАН» была спроектирована плата сбораданных, устанавливаемая в блок управления и содержащая 12 АЦП снеобходимым архитектурным окружением. Ко входам АЦП подключалисьвыходы девяти каналов регистрации магнитокардиограмм и референтного XYZмагнитометра. Экспериментально был оценен уровень собственных шумов АЦП.Для этого блок управления отсоединялся от блока СКВИД-электроники, на негоподавалось питание, и анализировались спектры шумового напряжения с выходовАЦП.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
