[实用新型]基于微处理器的巨磁实验仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微处理器的巨磁实验仪，属于大专院校的电磁学、物理学、电子技术等相关课程的实验领域。 

背景技术

巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance，简称GMI)效应，是20世纪90年代发现的新现象，是指材料的交流阻抗随外加直流磁场的改变而发生剧烈变化的特性。巨磁阻抗一般定义为(Z_H-Z₀)/Z₀，其中Z₀和Z_H分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的交流阻抗，其比值的大小表示材料对磁场变化的敏感程度。1992年，日本Mohri教授等人首先在FeCoSiB非晶软磁丝中观察到在磁场下材料的ΔZ/Z₀高达50%以上，灵敏度比金属多层膜Fe/Cr或Co/Ag中的巨磁电阻(Giant Magnetic Resistance，简称GMR)高一个数量级。 

巨磁阻抗效应具有快速响应，温度稳定，无磁滞现象等特点，利用该效应制作的磁传感器，不但继承了传统磁传感器的优点，而且由于GMI磁阻抗变化率高，使它能探测微弱磁场，可广泛应用于交通运输、生物医疗、自动控制、安全生产等各行业，有着广阔的应用前景。 

现有巨磁阻抗的研究，大多集中于科研单位的实验室或是研究生阶段的学生进行研究，对巨磁阻抗现象的实验研究，得动用恒流源、信号发生器等多种实验器材，并进行复杂的组合，不方便于普通学生对巨磁阻抗效应的掌握。 

发明内容

针对现有的实验仪器的不足，本实验仪提出了一种将大电流恒流源、磁场线圈和高精度信号发生器、非晶丝巨磁阻抗传感材料结合起来，并通过新型的微处理器进行精确控制的基于微处理器的巨磁实验仪，可满足高精度的实验教学要求。同时通过对巨磁阻抗输出随磁感应强度变化等的多种关系的测量，使学生能了解与掌握巨磁阻抗效应的原理与应用。实验仪能满足大专院校的电磁学和物理等相关课程的教学实验要求。 

本实验仪由基于微处理器的巨磁实验仪主机和外部可控磁场线圈、巨磁测量实验平台和非晶丝材料组成，基于微处理器的巨磁实验仪主机上设置有五位数显频率表、四位数显的电流表和电压表、功能开关按键、八个数控按键、测量切换按键和两个信号输出端口，基于微处理器的巨磁实验仪主机内设置有微处理器及其控制的大电流恒流源和高精信号发生器。 

本实验仪采用的微处理器是德州仪器公司新开发的MSP430F149，它基于真正的正交16位RISCCPU内核，具有16个可单周期全寻址的16位寄存器，仅27条的精简指令以及7种采用双重取数据技术(DDFT)的一致性寻址方式。MSP430F149具有丰富的片上外围模块，片内包括有精密硬件乘法器、具有60KB的FLASH，2KB的RAM、1个看门狗、6个P端口(P1和P2还具有中断功能)、12位的A/D转换器、2个16位定时器、高精度比较器、高速的USART通信端口，1个DCO内部振荡器和2个外部时钟等常用资源。 

实验仪使用MSP430F149作为控制核心来实现对AD9851的控制，它具有编程简便、接口简单、小型化的特点。同时以微处理器为控制核心，控制由运算放大器和复合型大功率达林顿管构成的恒流源系统，实验仪中的恒流源在20～2000mA输出电流时，输出电流误差小于1mA，控制精度较高。微处理器经过运算形成相应的数字输出量,再经D/A转换器输出相应的控制信号，实现对频率输出和恒流源电流输出的精确调节。数控方式是采用键盘输入方式，去设置所需的频率值或电流值，并由LED数码方式显示出来。 

本实验仪主机内具有了高精信号发生器，它主要采用了德州仪器公司的直接数字频率（DDS）合成芯片AD9851。与早期的直接式频率合成技术和锁相环频率合成技术相比较，其产生的信号具有波形稳定好、频率分辨率高、频率切换速度快等特点，并能实现编程控制。 

AD9851是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。AD9851接口功能控制简单，可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。先进的CMOS工艺使AD9851性能一流，而且功耗低，在3.3V供电时，功耗仅为155mW。本实验仪在工作频率为180MHz的情况下，通过频率控制，可输出频率分辨率为0.1Hz的波形，且输出频率范围是1Hz～50MHz。