光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现

第32卷　第2期2011年2月
仪器仪表学报
C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t
V o l .32N o .2
F e b .2011
　收稿日期:2010-07 R e c e i v e d D a t e :2010-07
　＊基金项目:国家“863”计划“十一五”重大项目子课题(2006A A 06A 201)资助项目
光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现
＊
张振宇
1,2
,程德福
1,2
,王　君1,周志坚
1,2
(1　吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室　长春　130026;
2　吉林大学-美国德州仪器D S P 联合实验室　长春　130026)
摘　要:压控振荡器是光泵磁力仪的核心器件。

为使光泵磁力仪能够对整个地磁场范围进行有效测量,需要一种输出频率范围宽。

波段覆盖系数大,并具有较高瞬时稳定度的压控振荡器。

采用多个变容二极管并联的方法,设计了基于西勒振荡电路形
式,具有放大功能的压控振荡器。

实验结果表明,该压控振荡器的输出频率范围大于8～20M H z ,波段覆盖系数达到2.5,输出波形幅度在整个频率范围内均达到3V 以上,信号输出稳定,完全满足光泵磁力仪对地磁测量的要求。

关键词:压控振荡器;光泵磁力仪;变容二极管;波段覆盖系数
中图分类号:T H 867+.7 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460.4045
D e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n o f t h e v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r i n
o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r
Z h a n g Z h e n y u 1,2
,C h e n g D e f u 1,2
,W a n g J u n 1
,Z h o u Z h i j i a n
1,2
(1K e y L a b o r a t o r y f o r G e o p h y s i c a l I n s t r u m e n t a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,J i l i nU n i v e r s i t y ,C h a n g c h u n 130026,C h i n a ;
2T e x a s I n s t r u m e n t -J i l i n U n i v e r s i t y J o i n t D S P s L a b o r a t o r y ,C h a n g c h u n 130026,C h i n a )
A b s t r a c t :V C Oi s t h e c o r e d e v i c e i n o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r .T o e n s u r e t h a t o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r c a n m e a s u r e t h e e n t i r e r a n g e o f t h e g e o m a g n e t i c f i e l d e f f e c t i v e l y ,a V C Oi s n e e d e d ,w h i c h s h o u l d h a v e a w i d e o u t p u t
f r e q u e n c y r a n
g e ,w i d e b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t a n d
h
i g h t r a n s i e n t o u t p u t s t a b i l i t y .I n t h i s p a p e r a V C Ob a s e do n t h e c i r c u i t f o r mo f S e i l e r o s c i l l a t o r i s d e s i g n e d ,w h i c h a d o p t s m u l t i p l e p a r a l l e l v a r a c t o r s a n da l s o h a s a m p l i f i c a t i o n f u n c t i o n .E x p e r i m e n t r e s u l t s s h o wt h a t t h e o u t p u t f r e q u e n c y r a n g e o f t h i s V C Oi s g r e a t e r t h a n 8M H z t o 20M H z ,t h e b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t i s 2.5a n d t h e a m p l i t u d e o f t h e o u t p u t w a v e f o r mw i t h i n t h e e n t i r e f r e q u e n c y r a n g e i s l a r g e r t h a n 3V .T h e o u t p u t s i g n a l o f t h e V C Oi s s t a b l e a n d f u l l y m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r i n g e o m a g n e t i c m e a s u r e m e n t .K e y w o r d s :V C O ;o p t i c a l l y p u m p e d m a g n e t o m e t e r ;v a r a c t o r ;b a n d c o v e r a g e c o e f f i c i e n t
1　引 言
磁场测量技术是研究与磁场有关物理现象的重要手段,在科学研究、矿藏勘探、国防建设、工业生产、日常生活等领域起着至关重要的作用
[1-5]。

光泵磁力仪是以元
素原子的能级在磁场中产生塞曼效应为基础,利用光泵作用和磁共振技术研制而成的一种高灵敏度的磁测设
备
[6-7]。

光泵磁力仪将对磁场的测量转化成对频率的测
量,通过两者的对应关系来实现对被测磁场的测量[8]。

光泵磁力仪是依据原子的光学取向现象而设计的。

压控振荡器是光泵磁力仪的核心器件,在整个闭环系统中,其所提供射频信号的频率大小将决定探头输出信号
的幅度变化。

压控振荡器的振荡信号作用于探头中的射频线圈,用以产生射频场从而实现磁共振作用,而磁场计数单元则读取压控振荡器的振荡信号频率值进行计数后
280　仪　器　仪　表　学　报第32卷
转换成所测磁场值。

压控振荡器的输出频率范围直接决定了光泵磁力仪的测磁量程[9]。

现有的电压/频率(V F C )转换集成模块其输出频率低、输出频率范围窄、精度不高,难以满足光泵磁力仪中压控振荡器的要求;而以往的压控振荡器采用单一变容二极管进行调谐,由于变容二极管的电容变化率还不能做得很大,故其电容变化量有限,导致输出频率的范围不能很宽。

为了使光泵磁力仪拥有较宽的测量范围,从而满足整个地磁场范围内的测磁需求,需要拓宽其压控振荡器的输出频率范围。

本文应用将多个变容二极管并联的方法,并采用具有较大波段覆盖系数、较高频率稳定度的西勒振荡电路形式来设计压控振荡器,使其能够满足大量程光泵磁力仪的测磁要求。

2　压控振荡器的原理
2.1　变容二极管压控振荡器的基本原理
变容二极管是利用P N 结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件,其结电容变化曲线如图1所示。

图1　变容二极管的结电容-电压曲线F i g .1V a r a c t o r j u n c t i o nc a p a c i t a n c e -v o l t a g e c u r v e
变容二极管结电容可表示为:C j =
C j
(0)(1-u U B
)
n
(1)
式中:n 为变容指数,其值随半导体掺杂浓度和P N 结的结构不同而变化;C j
(0)为外加电压u=0时的结电容值;U B 为P
N 结的内建电位差。

变容二极管必须工作在反向偏压状态,所以工作时需加负的静态直流偏压-U Q 。

若交流控制电压u Ψ为正弦信号,变容管上的电压为:
u=-(U Q +u Ψ)=-(U Q +U Ψm c o s Ψt )(2)
则有:
C j =
C j Q (1+u ΨU B +U Q
)
n
=C j Q
(1+m c o s Ψt )n
(3)式中:静态结电容为C j Q =
C j
(0)(1+U Q U B
)
n
,结电容调制度为m =U Ψm
U B +U Q
<1。

将变容二极管作为压控电容接入L C 振荡器中,可组成变容二极管压控振荡器,通常可采用各种形式的三点
式电路[10-12]。

在变容二极管压控振荡电路中,为了使变容二极管能正常工作,必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压,而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰,所以在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容及隔直电容[13-15]。

2.2　西勒振荡电路的分析
西勒电路是一种改进型的电容三点式电路,它具有波段覆盖系数大、输出频率稳定度高的特点,其高频等效电路如图2所示。

图2　西勒振荡电路的高频等效电路F i g .2T h e h i g h f r e q u e n c y e q u i v a l e n t c i r c u i t o f
S e i l e r o s c i l l a t i o n c i r c u i t
西勒电路是在克拉泼电路的基础上,在电感L 两端并联了一个小电容C 4,且满足C 1、C 2远大于C 3和C 4,所
以其回路等效电容为:
C =
C 1C 2C 3
C 1C 2+C 1C 3+C 2C 3
+C 4≈C 3+C 4
(4)
振荡频率为:
f 0=
1
2πL C ≈1
2π
L (C 3+C 4)
(5)
在西勒电路中,由于C 4与L 并联,因此C 4的大小不影响回路的接入系数。

如果使C 3固定,可通过变化C 4来
实现振荡频率的改变,从而实现压控振荡器的功能。

3　压控振荡器的设计
3.1　实验电路
本设计采用2级电路的形式以构成变容二极管压控
　第2期张振宇等:光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现281
　振荡器:第1级电路为西勒振荡电路,用以产生振荡信号;第2级电路接成共射极形式,起到放大的作用。

在第
1级西勒电路中,采用多个变容二极管并联的方法用以实现电容值的大范围变化,从而实现压控振荡器输出频率范围的增大。

其电路图如图3所示。

图3　压控振荡器实验电路
F i g .3T h e V C Oe x p e r i m e n t a l c i r c u i t
压控振荡器的输入信号为光泵磁力仪的积分电路输出电平叠加一低频调制信号,该调制信号对于变容二极管起到交流控制的作用。

变容二极管的正极接到-12V 电源上,从而使其工作在反向偏压状态。

该压控振荡器中,L 为振荡电感,3个变容二极管V D 1、V D 2、V D 3并联后与电容C 4串联,并和L 、C 3一起组成振荡器的感性支路,晶体管集电极和发射极间的振荡电容C 1、基极和发射极间的振荡电容C 2分别为两个容性支路。

C 5、C 6和C 7分别是耦合和旁路电容。

3个并联的变容二极管,其总的等效电容量随着两极所加的反向电压的变化而大幅变化,从而使振荡器的等效振荡电容值发生较大变化,因此可以使压控振荡器实现更宽范围的频率输出,即可得到较大的动态范围。

3.2　参数计算
光泵磁力仪将对磁场的测量转化成对频率的测量,通过两者的对应关系来实现对被测磁场的测量。

为了实现光泵磁力仪对整个地磁场范围的有效测量,将仪器的磁场测量量程设定为35000～90000n T ,则其所对应的频率范围约为8～20M H z ,因此要计算压控振荡器的各主要器件参数以实现该频率范围的全程输出。

根据设计的电路,在感性支路中起到改变电容值作用的是3个并联的变容二极管,其等效电容C V D =C V D 1+
C V
D 2+C V D 3,它与C 4串联后的等效电容C 4′
=C 4C V D
C 4+C V D。

在2个容性支路中,只要选取C 1>>C 3,C 1>>C 4′,C 2>>C 3,C 2>>C 4′
,则该振荡电路的等效振荡电容C≈C 3+C 4′=C 3+C 4C V D C 4+C V D ,振荡频率f 0=1
2πL C
≈1
2
考虑到所要输出频率的范围属于高频段,选取相应电感为3μH ,则当f a =8M H z 时,计算得到C a =1
4π2
f a L ≈132p F ,则当f b =20M H z 时,计算得到C b =1
4π2
f b
L ≈21p F 。

根据此时得到的等效振荡电容的容值变化范围约为21～132p F ,令C 3=10p F ,则C 4′的范围为11～122p F ,由于电容串联将使其容值变小,所以选用的3个并联的变容二极管的等效电容C V D 的变化范围应稍大于上述计算的C 4′的范围。

3.3　器件的应用
压控振荡器中的晶体管采用N E C 公司的2S C 3356,
它是用于构造高频段低噪声放大器的N P N 型硅晶体管,
其具有良好的动态范围和电流特性,其电流放大系数h F E 的标准值为120,特征频率f T 的标准值为7G H z 。

第1级电路产生振荡信号,第2级电路起到放大的作用。

振荡电感也是压控振荡器中的关键元件,考虑到所输出频率为高频段,这里选用5m m×2m m×2m m 的高频铁氧体磁环,采用直径为0.3m m 的铜线均匀缠绕15匝,自制了3μH 的电感,为保证振荡器的稳定工作,这里采用了将制好的电感用硅胶密封固定的措施。

变容二极管的选取非常重要,它直接影响着压控振荡器的输出动态范围和稳定性,考虑到电路中等效振荡电容的容值变化范围较大,这里采用专门用于制作压控振荡器的高频变容二极管B B 152,它具有大峰值反向电压、高线性度、低串联阻抗、宽容值变化范围的特点,十分适合于本电路的设计,其二极管电容值关于反向电压的曲线如图4所示。

考虑到振荡器工作的稳定性,本电路采用相同型号的变容二极管进行并联的方法,这就可以避免由于不同型号变容二极管的工作参数差别较大所引起的振荡器工作的不稳定。

图4　变容二极管电容值与反向电压的关系曲线F i g .4V a r a c t o r c a p a c i t a n c e v s r e v e r s e v o l t a g e
调制信号发生器产生的1k H z 调制信号和可控积分
器的输出电平共同作用,从而使送入压控振荡器的输入信号被1k H z 调制信号所调制,该调制信号作为变容二
282　仪　器　仪　表　学　报第32卷
极管的低频控制电压。

由光泵磁力仪积分器提供的积分电压范围为-11至+11V ,则变容二极管的直流反向电
压V R 的范围为1至23V ,在此范围内二极管电容C d 的容值变化范围约为60p F 至4p F ,采用3个变容二极管B B 152并联后,其容值变化范围约为180p F～12p F ,满足参数计算时的要求。

4　实验结果与分析
为使光泵磁力仪能满足对整个地磁场范围的测磁要求,对所设计的大波段覆盖系数的压控振荡器进行测试,
需测试其输出频率范围及在该频率范围内输出波形的特性参数。

所用测试仪器为R I G O L-D S 1102C D 数字示波器,T e k t r o n i x -T D S 2012示波器。

图5为测试的压控振荡器所输出的4个频点图。

其中图5(a )输出为8.00379M H z ,接近V C O 的输出下限频率;图5(d )输出为20.0770M H z ,接近V C O 的输出上限频率。

表1为压控振荡器的输出测试数据表,其中列出了该压控振荡器在整个输出频率范围内所测试的12个频点的测试结果,这些测试频点的选取是随机的。

从表1中可看到压控振荡器的输出频率范围约是8～20M H z ,在整个范围内不存在局部失振现象,波段覆盖系数达到2.5,而实际的输出频率范围要比该范围更大些;压控系数为0.33～1.055M H z /V ;输出信号的幅值在4V 左右,且随着信号频率的增大而减小,输出幅值平稳度达到3.14d B ;信号的平均值较为稳定,约为2.3V ;表中最后一栏为该频率值经转换后所对应的被测磁场值,由此可见该压控振荡器可用于实现大量程光泵磁力仪的设计,其测磁范围可达35000～90000n T 。

另外,适
当增大积分电压的范围可以扩展该压控振荡器的频率输出范围,同时为了保证压控振荡器工作的稳定性,应尽量
选用相同参数的变容二极管进行并联。

在电路中其他元件参数不变的情况下,再增加所并联的变容二极管的个数并不会得到输出频率范围的扩展,反而有可能使振荡器产生局部失振的现象,这是因为振荡器中所需的变容二极管的数量及所对应的电容变化量是和其他振荡元件相关联的,且是需要通过参数计算而确定的。

表1　压控振荡器的输出测试T a b l e 1　V C O o u t p u t t e s t
测试序号
f /M H z V a m p /V V a v
g /V H /n T 18.003794.652.3135731.229.060924.312.2640450.5310.18034.292.2845447.8411.40704.242.2750924.1512.43624.162.2555518.7613.52443.882.2660376.8714.56463.682.2665020.5815.84723.762.2670746.4916.85693.562.2675254.01018.05583.442.2980606.21119.11063.242.3085315.212
20.0770
3.36
2.34
89629.5
5　结 论
本文在详细分析了压控振荡器工作原理的基础上,
设计了基于多个变容二极管并联,采用西勒振荡电路形式并具有放大功能的压控振荡器。

实验结果表明,该压控振荡器的输出频率范围大于8～20M H z ,在整个范围内不存在局部失振现象,波段覆盖系数达到2.5,信号平均值稳定,输出波形的幅度在整个频率范围内均达到3V 以上,完全满足光泵磁力仪的需要。

该压控振荡器结构简单、性能稳定,能够满足大量程的测磁要求,从而为光泵磁力仪实现对整个地磁场范围的有效测量提供了解决方案。

参考文献
[1]　张昌达,董浩斌.量子磁力仪评说[J ].工程地球物理
学报,2004,1(6):499-507.
Z H A N GC HD ,D O N G HB .Ar e v i e wo f q u a n t u m m a g -n e t o m e t e r s [J ].C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s -i c s ,2004,1(6):499-507.
[2]　A L E X A N D R O VEB .R e c e n t p r o g r e s s i no p t i c a l l y p u m p e d
　第2期张振宇等:光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现283
m a g n e t o m e t e r s[J].P h y s i c a S c r i p t a,2003,T105:27-30.
[3]　姚远.弱磁场的检测与应用技术研究[D].武汉:武
汉理工大学,2001.
Y A OY.T h er e s e a r c ho f d e t e c t i o na n da p p l i c a t i o nt e c h-
n o l o g y o f w e a km a g n e t i c f i e l d[D].Wu h a n:Wu h a n U n i-
v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2001.
[4]　邓明,杜刚,张启生,等.海洋大地电磁场的特征与测
量技术[J].仪器仪表学报,2004,25(6):742-746.
D E N GM,D UG,Z H A N GQS H,e t a l.T h e c h a r a c t e r i s-
t i c a n d p r o s p e c t i n g t e c h n o l o g y o f t h e m a r i n e m a g n e t o t e l l u-
r i cf i e l d[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f S c i e n t i f i cI n s t r u m e n t,
2004,25(6):742-746.
[5]　谭超,董浩斌,葛自强.O V E R H A U S E R磁力仪激发接收
系统设计[J].仪器仪表学报,2010,31(8):1867-1872.
T A NC H,D O N GH B,G EZQ.O V E R H A U S E R m a g n e-
t o m e t e r e x c i t a t i o n a n d r e c e i v i n g s y s t e md e s i g n[J].C h i n e s e
J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t,2010,31(8):1867-1872.
[6]　肖胜红,肖振坤,边少锋,等.弱磁场检测方法与仪器
研究[J].舰船电子工程,2006,26(4):158-162.
X I A OS H H,X I A OZ HK,B I A NS H F,e t a l.R e s e a r c h
o f t h e d e t e c t i n g m e t h o da n d i n s t r u m e n t f o r w e a k m a g n e t i c
f i e l d[J].S h i pE l e c t r o n i cE n
g i n e e r i n g,2006,26(4):
158-162.
[7]　丁鸿佳,刘士杰.我国弱磁测量研究的进展[J].地球
物理学报,1997,40(增刊):238-248.
D I N GHJ,L I US HJ.P r o g r e s s i n t h e s t u d y o f w e a k m a g-
n e t i c m e a s u r e m e n t i nC h i n a[J].A c t aG e o p h y s i c aS i n i-
c a,1997,40(S u p p l.):238-243.
[8]　A L E X A N D R O VE B,B o n c h-B r u e v i c h VA.O p t i c a l l y p u m p e d
a t o m i c m a g n e t o m e t e r s a f t e r t h r e e d e c a d e s[J].O p t i c a l E n g i-
n e e r i n g,1992,31:711-717.
[9]　G R O E G E RS,P A Z G A L E V AS,WE I SA.C o m p a r i s o n
o f d i s c h a r g el a m pa n dl a s e r p u m p e dc e s i u m m a g n e t o m e-
t e r s[J].A p p l i e dP h y s i c s B:L a s e r s a n dO p t i c s,2005,
85:645-654.
[10]　夏定元.U H F频段微带V C O性能参数的改进[J].仪
器仪表学报,2002,23(3):427-428.
X I AD Y.S o m e k e y m e a s u r e s f o r i m p r o v i n g p e r f o r m a n c e
p a r a m e t e r s o f U H FV C O[J].C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f-
i c I n s t r u m e n t,2002,23(3):427-428.
[11]　沈伟慈.通信电路[M].西安:西安电子科技大学出
版社,2004:92-94.
S H E NW C.C o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s[M].X i'a n:U n i-
v e r s i t y o f E l e c t r o n i c S c i e n c e＆T e c h n o l o g yP r e s s,2004:
92-94.[12]　周研,刘祖深,陈应兵.一种新型可调谐微带带通滤波
器的设计[J].电子测量与仪器学报,2010,24(9):
866-870.
Z H O UY,L I UZS H,C H E NYB.D e s i g n o f a n o v e l t u n-
a b l e m i c r o s t r i pb a n d p a s s f i l t e r[J].J o u r n a l o f E l e c t r o n i c
M e a s u r e m e n t a n d I n s t r u m e n t,2010,24(9):866-870. [13]　康华光.电子技术基础模拟部分[M].4版.北京:高
等教育出版社,1999:55-56.
K A N GHG.B a s i s o f a n a l o g u e e l e c t r o n i c t e c h n i q u e[M].
4t he d.B e i j i n g:H i g h e r E d u c a t i o nP r e s s,1999:55-56.
[14]　陈思远,高明伦,肖飞,等.低谐波失真的C M O S正弦
波振荡器设计[J].电子测量技术,2008,31(4):
13-16.
C H E NS Y,G A OM L,X I A OF,e t a l.
D e s i g n o f C M O S
s i n e-w a v e o s c i l l a t o rw i t hl o w o u t p u t h a r m o n i cd i s t o r t i o n
[J].E l e c t r o n i c M e a s u r e m e n t T e c h n o l o g y,2008,31(4):
13-16.
[15]　冯源,樊祥,陈卫,等.宽带跳频信号源的设计[J].电
子测量与仪器学报,2010,24(10):958-962.
F E N GY,F A N X,C H E N W,e t a l.D e s i g no f aw i d e
b a n d f r e q u e n
c y-h o p p i n gs i g n a l g e n e r a t o r[J].J o u r n a l o f
E l e c t r o n i c M e a s u r e m e n t a n dI n s t r u m e n t,2010,24(10):
958-962.
作者简介
张振宇,2007年于吉林大学获得学
士学位,2009年于吉林大学获得硕士学
位,现为吉林大学博士研究生,主要研究
方向为弱信号检测、磁法仪器。

E-m a i l:z h a n g z h e n y u j l u@163.c o m
　Z h a n gZ h e n y ui s a P h.D.c a n d i d a t ei n J i l i nU n i v e r s i t y;h eo b t a i n e d b a c h e l o r d e g r e e i n2007a n dm a s t e r d e g r e ei n2009b o t hf r o m J i l i n U n i v e r s i t y.H i sm a i n r e s e a r c h f i e l d s a r e w e a k s i g n a l d e t e c t i o na n dm a g n e t i c i n s t r u m e n t
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程德福,1983年于长春地质学院获学
士学位,1988年于长春地质学院获硕士学
位,2002年于吉林大学获博士学位,现为
吉林大学教授、博士生导师,主要研究方向
为弱信号检测、地下信息探测仪器。

E-m a i l:c h e n g d e f u@j l u.e d u.c n
C h e n g
D e f ui s a p r o f e s s o r a n dP h.D.s u p e r v i s o r,a n dw o r k s i nJ i l i nU n i v e r s i t y.H e o b t a i n e d b a c h e l o r d e g r e e i n1983,m a s t e r d e g r e e i n1988b o t hf r o mC h a n g c h u nC o l l e g e o f G e o l o g y,a n d o b-t a i n e d P h.D.f r o m J i l i nU n i v e r s i t yi n2002.H i s m a i nr e s e a r c h f i e l d s a r ew e a ks i g n a l d e t e c t i o na n di n s t r u m e n t f o r u n d e r g r o u n d i n f o r m a t i o n d e t e c t i o n.。