氦光泵磁力仪中压控振荡器设计

[摘 要]压控振荡器是跟踪式氦光泵磁力仪的核心部件。为了满足磁力仪的测量要求，需要一个频率范围宽，且振荡稳定度高，线性度好的压控振荡器。本文采用多个变容二极管并联的方法，设计实现了一个西勒振荡电路，并在氦光泵磁力仪中得到应用。

[关键词]压控振荡器 氦光泵磁力仪 变容二极管 西勒振荡电路

中图分类号：P631.23 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0402-02

1 引言

磁力仪测量技术是研究与磁场相关物理现象的重要手段。近年来，由于军事工程、公安侦破、城市建设、油气田建设、环境保护、考古、医学等众多领域对磁性物体，特别是埋藏地下的管线、炸弹等物体探测的需求，使磁法探测这一以探矿为主要应用的技术，愈来愈在以上领域得到广泛应用[1～2]。

氦光泵磁力仪是利用氦原子在磁场中产生蔡曼分裂为基础，再加上光泵作用和磁共振技术研制而成。压控振荡器是跟踪式氦光泵磁力仪的重要组成部分，它输的线性调频信号作用于探头的压控线圈，进而使氦吸收室中的氦原子发生磁共振作用，磁共振作用最强时压控振荡器输出信号中心频率与氦原子的拉莫尔频率相等，通过频率计测量出该频率便可计算出外界磁场。因此，压控振荡器的频率范围直接决定了氦光泵磁力仪的量程，其频率稳定度等参数也直接决定了氦光泵磁力仪的测量精度。

2 压控振荡器原理

2.1 电路形式选择

压控振荡器的性能直接决定了磁力仪的性能，因此，要求压控振荡器，一是频率范围大，二是短时间内的频率稳定性要高，三是压控的频率电压曲线线性好。综合考虑采用西勒振荡电路，频率稳定性较好。

西勒振荡电路是一种改进型的电容反馈振荡电路，具有振荡频率范围大及振荡频率稳定性高的特点。西勒振荡电路的基本电路如图1所示

西勒振荡电路是在克拉波振荡电路的基础上与电感L并联一个电容。且、远大于、，因此西勒振荡电路的振荡频率近似为

采用西勒振荡电路，因为西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同，由于改变频率主要通过完成的，的改变并不影响接入系数p，所以波段内输出较平稳。而且改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大[2]。

2.2 实验电路设计

本文采用二级放大电路，第一级为西勒振荡电路，第二级为放大电路。第一级中多个变容二极管并联，通过改变变容二极管的反向电压，进而改变振荡频率，第二级为J-FET构成的放大电路。其电路如图2所示

压控振荡器的输入信号是积分器的直流电平加667Hz的低频调制信号。将变容二极管正极接成反偏工作状态，负极接信号输入，正极接地，其工作电压为0.5V～14V。变容二极管串联一个电容与电感并联，并且与（、、和串联电容值）并联。所以振荡频率为

其中，为变容二极管在某一电压值下的电容值。由于，且、和远大于，所以

压控振荡器的振荡频率范围决定了磁力仪的测量量程，因而根据我国区域内地磁场的范围为35000nT～60000nT，考虑到设计余量，磁力仪的测量量程设计为30000nT～65000nT，即要求压控振荡频率的范围为840kHz～1.8MHz。

根据振荡频率，三极管选择高频三极管9018，其特征频率为600MHz，电流放大倍数为270。当电感L=60μH，=39pF时，=840kHz要求=560pF；=1.8MHz要求=91pF。单个变容二极管BB152的特性曲线如图3所示，可以看出0.5V～14V的工作电压范围内，其对应的电容值为8pF～70pF，所以采用8个BB152并联。

3 实验结果及分析

图4为压控振荡器的测试结果波形图，测量仪器为Tektronix-TDS2022示波器。其中图a为低频端866.08kHz，图b为高频端1.833MHz。

表1为压控振荡器输出测试结果，其磁场值范围大约为30000nT～65000nT，在整个频段内不存在局部失真现象，满足设计要求，波段覆盖系数为2.17。由于压控系数的非线性，在外磁场值不同时，由于所取的曲线段不同，使压控系数不同，且当积分器的输出电压直接显示磁场值时，那么不同点的每伏电压所代表的磁场值就不同。压控振荡器的输出频率和输入电压曲线入图5所示，本文设计的压控振荡器的频率电压曲线具有较好线性度，其斜率为73.03kHz/V，非线性度为2.1%[3]，能够很好的减小由于压控系数的非线性引起的误差噪声。

4 结论

本文设计实现了以西勒振荡电路为基础的一个压控振荡电路，其具有振荡频率范围大，频率稳定度高，压控系数的线性度较好等特点。其工作范围为833kHz～1833kHz（对应磁力仪量程30000nT～65000nT），而且在整个频段内，其波形都为较好的正弦波，失真度小，输出幅度在1.5V以上，满足氦光泵磁力仪的需求，已经被应用于跟踪式氦光泵磁力仪。但是，由于变容二极管结电容很小，其结电容随偏置电压变化的范围也不大，导致压控振荡器的工作范围有限。当需要更大的工作范围时，可以采取将电感分档的形式实现。

参考文献

[1] 吴天彪，叶庆华.磁探仪及其应用.国外地质勘探技术第1期.1994.

[2] 阎桂林.考古磁学―磁学在考古中的应用.考古与科技第1期.1997.

[3] 阳昌汉.高频电子线路.哈尔滨工程大学出版社，2001：85～88.

[4] 濮少文，赵泮香.非线性度的测量计算和线性补偿.实验室研究与探索第3期.1996.