本發(fā)明涉及軟磁材料的磁特性測試設(shè)備，適用于三維磁特性柔性激磁系統(tǒng)諧振電容自動化匹配，可實現(xiàn)不同激磁條件下諧振電容的精確計算與匹配并簡化人工計算和操作流程。

背景技術(shù)：
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軟磁材料的三維磁特性系統(tǒng)能夠全面測量材料的磁滯、損耗等磁特性。三維磁特性測試系統(tǒng)主要包括三軸正交的主測量裝置，高性能功率放大器，多通道差動放大電路，數(shù)字信號處理單元等結(jié)構(gòu)。三維測試儀主磁路由空間正交磁極、磁軛組成，是激磁系統(tǒng)的重要組成部分。激磁部分主要依靠功率放大器對激磁信號進行放大，在激磁線圈上產(chǎn)生激磁電流，產(chǎn)生磁場完成磁特性測量。由于激磁信號是交變信號，隨著實驗激磁頻率的升高，激磁線圈阻抗增大，導(dǎo)致激磁困難，僅僅依靠功放激磁會降低電源效率，功率因數(shù)較小。為了補償激磁線圈的無功電流，設(shè)置了不同規(guī)格的諧振匹配電容。

已有的測試系統(tǒng)在進行特定頻率測量時，需要關(guān)閉系統(tǒng)電源，根據(jù)線圈電感和激磁頻率來計算出相應(yīng)的匹配諧振電容，然后再通過手動開關(guān)來選擇相應(yīng)電容，既操作繁瑣又大大降低實驗效率。傳統(tǒng)的諧振電容器(即電容匹配器)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為多個基本單元并聯(lián)組成，每個基本單元是由電容A和撥片開關(guān)B串聯(lián)構(gòu)成，控制電容是否接入并聯(lián)電路。實驗過程中需要用到相應(yīng)電容時，需要撥動相應(yīng)的開關(guān)，將不同規(guī)格的電容并聯(lián)起來，才能完成實驗。這種電容箱每次選取電容的時候都要計算需要并聯(lián)的電容；在電路結(jié)構(gòu)上，所有的電容只能并聯(lián)，限制了等效電容值的范圍；外部需要設(shè)置撥動開關(guān)，自動化程度不高，影響實驗效率。因此，設(shè)計制作新型自動化容性諧振匹配器對于節(jié)省實驗時間、簡化實驗步驟、提升實驗效率具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的為針對傳統(tǒng)的匹配諧振電容箱的缺點，提供一種適用于三維磁特性測量系統(tǒng)的自動化諧振電容匹配器。本發(fā)明是在傳統(tǒng)的電容箱的基礎(chǔ)上，將撥片開關(guān)改為電子開關(guān)，在相鄰電容之間增加一條斜向的電容串聯(lián)通路，并增設(shè)兩個電子開關(guān)控制相鄰的電容，通過單片機給出電子開關(guān)信號，控制電流流向，從而達到電容既能串聯(lián)，又能并聯(lián)的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種適用于三維磁特性測量系統(tǒng)的自動化諧振電容匹配器，該自動化諧振電容匹配器的組成包括三個電容匹配器和單片機；

其中，三個電容匹配器分別和單片機相連。

所述的電容匹配器包括并聯(lián)的n個基本單元，每個基本單元包括一個電容、一個電子開關(guān)和兩個單刀雙擲開關(guān)；其中，即電子開關(guān)與電容串聯(lián)，電子開關(guān)的另一端與第一單刀雙擲開關(guān)的不動點相連，電容的另一端和第二單刀雙擲開關(guān)的不動點相連；每個單刀雙擲開關(guān)有兩個動觸點；

所述的n個基本單元的并聯(lián)具體為：第k級的第一單刀雙擲開關(guān)的第二動觸點與下一級的第一單刀雙擲開關(guān)不動點相連，第k級的第一單刀雙擲開關(guān)的第一動觸點與下一級第二單刀雙擲開關(guān)的第一動觸點相連；第k級的第二單刀雙擲開關(guān)的第二動觸點與上一級的第二單刀雙擲開關(guān)的不動點相連，第k級的第二單刀雙擲開關(guān)的第一動觸點與上一級第一單刀雙擲開關(guān)的第一動觸點相連；同時，第一基本單元的第二單刀雙擲開關(guān)去除，第一基本單元中的電容A1的另一端與第二基本單元中的第二單刀雙擲開關(guān)中的第二動觸點相連，并連接一個輸出端子E1；最后一級省略的第一單刀雙擲開關(guān)，電子開關(guān)的另一端與上一級基本單元多中的第一單刀雙擲開關(guān)中的第二動觸點相連，并連接一個輸出端子E2；E1、E2分別諧振電感組相連；

所述的n＝4～12，k小于n；

所述的基本單元中，電子開關(guān)為耗盡型N溝道MOS管，MOS管的源極與電容相連，漏極與第一單刀雙擲開關(guān)的不動點相連，NMOS管的柵極引出信號線與單片機相連；

所述的單刀雙擲開關(guān)相同，均為具有單刀雙擲開關(guān)功能的電子芯片，該芯片具有至少6個端子；其中，三個端子分別作為不動點、第一動觸點和第二動觸點；第二單刀雙擲開關(guān)芯片第四端子與上一級的第一單刀雙擲開關(guān)芯片的第四端子相連，并引出作為信號線Dk，Dk與單片機相連。

所述的單刀雙擲開關(guān)優(yōu)選為MAX4644芯片。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)計算機數(shù)據(jù)與下位機通信并控制諧振電容值的改變，自動化程度高，能夠極大的減少勞動量并簡化電容計算。

(2)相較于傳統(tǒng)的諧振電容匹配器，每次進行不同的實驗時，需要關(guān)閉系統(tǒng)，重新改變諧振電容電路的連接方法。本發(fā)明不需要設(shè)備暫時停止運行，可以在實驗過程中切換諧振電容，保證了實驗的連續(xù)性。

(3)本發(fā)明設(shè)計了一種能夠自動化實現(xiàn)電容串并聯(lián)的電路連接方法，能夠靈活地控制電容的串并聯(lián)，不需要人為的干預(yù)。

(4)本發(fā)明通過電容的串并聯(lián)，能夠得到100余種等效容值，拓展了磁特性測量中諧振頻率的選擇范圍，使磁特性實驗?zāi)軌蛟谥蓄l范圍有更多的諧振電容選擇。既提高了諧振精度，又節(jié)約了實驗成本，并簡化人工計算和操作流程。

附圖說明

圖1a為傳統(tǒng)的電容匹配器連接單元；圖1b為傳統(tǒng)的電容匹配器電路連接方式示意圖

圖2a為本專利的電容匹配器連接單元；圖2b為本專利的電容匹配器電路連接方式示意圖；

圖3為本專利的電容匹配器受控開關(guān)的開關(guān)信號連接方式示意圖；

圖4為40uF等值電容開關(guān)動作示意圖；

圖5為第k級基本單元具體電路連接示意圖；

圖6a為MAX4644時序控制信號；圖6b為MAX4644芯片引腳圖；

圖7為三維磁特性測量系統(tǒng)與本專利連接示意圖；

圖8為本發(fā)明中適用于三維磁特性測量系統(tǒng)的自動化諧振電容匹配器的運行步驟圖。

具體實施方式：

本發(fā)明的適用于三維磁特性測量系統(tǒng)的自動化諧振電容匹配器中，電容匹配器是其基本組成。本發(fā)明中的電容匹配器是將傳統(tǒng)的的匹配器的基本單元進行改進，如圖2a所示，將撥片開關(guān)B換為可控的電子開關(guān)Bk，并增加兩個單刀雙擲開關(guān)第一單刀雙擲開關(guān)Ck1、第二單刀雙擲開關(guān)Ck2(與開關(guān)B直接相連的單刀雙擲開關(guān)命名為第一單刀雙擲開關(guān)Ck1，與電容Ak直接相連的單刀雙擲開關(guān)命名為第二單刀雙擲開關(guān)Ck2)，即電子開關(guān)Bk與電容Ak串聯(lián)，電子開關(guān)Bk的另一端與第一單刀雙擲開關(guān)Ck1的不動點相連，電容Ak的另一端和第二單刀雙擲開關(guān)Ck2的不動點相連，由此構(gòu)成一個本專利所述的諧振電容匹配器的基本單元。給第一單刀雙擲開關(guān)Ck1，第二單刀雙擲開關(guān)Ck2的兩個動觸點分別命名為第一動觸點1、第二動觸點2。

將n個基本單元按照如圖2b中所示的方式并聯(lián)即可完成本專利的電容串并聯(lián)控制電路(電容匹配器)：第k級的第一單刀雙擲開關(guān)Ck1的第二動觸點與下一級的第一單刀雙擲開關(guān)C(k+1)1不動點相連，第k級的第一單刀雙擲開關(guān)Ck1的第一動觸點與下一級第二單刀雙擲開關(guān)C(k+1)2的第一動觸點相連；第k級的第二單刀雙擲開關(guān)Ck2的第二動觸點與上一級的第二單刀雙擲開關(guān)C(k-1)2的不動點相連，第k級的第二單刀雙擲開關(guān)Ck2的第一動觸點與上一級第一單刀雙擲開關(guān)C(k-1)1的第一動觸點相連；同時，第一級的第二單刀雙擲開關(guān)C12去除，第一基本單元中的電容A1的另一端(相對于與本基本單元中電子開關(guān)B1連接端的另一端)與第二基本單元中的第二單刀雙擲開關(guān)中的第二動觸點2相連，并連接一個輸出端子E1，作為等值電容輸出引腳；最后一級省略的第一單刀雙擲開關(guān)Cn1，電子開關(guān)Bn的另一端與上一級基本單元多中的第一單刀雙擲開關(guān)中的第二動觸點2相連，并連接一個輸出端子E2，作為等值電容輸出引腳；(E1接第二級單元第二單刀雙擲開關(guān)的4號引腳。E2接第N-1級單元第一單刀雙擲開關(guān)的4號引腳。)由此完成電容串并聯(lián)開關(guān)控制電路。

所述的基本單元的數(shù)量可以為4～12個。本發(fā)明優(yōu)選為8個。

所述的單刀雙擲開關(guān)采用具有單刀雙擲開關(guān)功能的電子芯片，該芯片具有至少6個端子；本發(fā)明采用MAX4644芯片作為單刀雙擲開關(guān)，其中，圖6b是芯片的引腳，2號引腳、3號引腳為芯片供電引腳，4號引腳對應(yīng)于上述所述第一單刀雙擲開關(guān)Ck1、第二單刀雙擲開關(guān)Ck2的第二動觸點2，6號引腳對應(yīng)于第一單刀雙擲開關(guān)Ck1、第二單刀雙擲開關(guān)Ck2的第一動觸點1，5號引腳對應(yīng)于第一單刀雙擲開關(guān)Ck1、第二單刀雙擲開關(guān)Ck2的不動點，1號引腳為上述所述諧振電容匹配器基本單元中單刀雙擲開關(guān)Ck1、Ck2的控制信號輸入引腳。在第k級基本單元中，對應(yīng)于第一單刀雙擲開關(guān)Ck1的芯片為第一單刀雙擲開關(guān)芯片Ck1，對應(yīng)于第二單刀雙擲開關(guān)Ck1的芯片為第二單刀雙擲開關(guān)芯片Ck2。當(dāng)控制信號輸出為低電平(邏輯值為0)的時候(即MAX4644的1號引腳輸入為低電平)，單刀雙擲開關(guān)的不動點與第二動觸點2導(dǎo)通，第一動觸點1懸空(即MAX4644的5號引腳與4號引腳導(dǎo)通，6號引腳懸空)；當(dāng)控制信號輸出為高電平(邏輯值為1)的時候(即MAX4644的1號引腳輸入為高電平)，單刀雙擲開關(guān)的不動點與第一動觸點1導(dǎo)通，第二動觸點2懸空(即MAX4644的5號引腳與6號引腳導(dǎo)通，4號引腳懸空))。第k級基本單元中的第二單刀雙擲開關(guān)芯片Ck2的1號引腳與上一級的第一單刀雙擲開關(guān)芯片Ck1的1號引腳相連，并引出作為最小位的串聯(lián)控制信號線Dk。

所述的電子開關(guān)Bk由耗盡型N溝道MOS管(NMOS管)構(gòu)成，源極與電容相連，漏極與第一單刀雙擲開關(guān)芯片Ck1的不動點(5號引腳)相連，NMOS管的柵極引出信號線作為Fk，與單片機的引腳相連。將Bk開關(guān)的最小并聯(lián)控制位按照編號順序并排組成F1-F8并聯(lián)控制信號線，F(xiàn)1-F8并聯(lián)控制信號線接入單片機PA0-PA7引腳。當(dāng)Fk的控制信號為高電平(邏輯值為1)的時候(NMOS管的柵極輸入高電平)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)Fk的控制信號為低電平(邏輯值為0)的時候(NMOS管的柵極輸入低電平)，開關(guān)關(guān)斷。

組成如圖3所示可控電容串并聯(lián)開關(guān)控制電路。圖5是第k級基本單元實際電路連接方式。由此完成一個電容匹配器連接。

圖4是實現(xiàn)40uF等值電容時，開關(guān)的動作狀態(tài)。此時F1-F8輸入控制信號0x07、D1-D7輸入控制信號0x01。電子開關(guān)B1、B2閉合，第一單刀雙擲開關(guān)芯片C1、第二單刀雙擲開關(guān)芯片C2的不動點(5號引腳)閉合于第一動觸點1(6號引腳)，此時57uF電容與10uF電容并聯(lián)后，與99uF串聯(lián)，最終的電容值為40uF。

以8個上述所述諧振電容匹配器的基本單元為例，電容串并聯(lián)控制電路的輸出端為E1、E2，與三維磁特性測量系統(tǒng)的諧振電感組相連。圖3中所有的Ck1，Ck2單刀雙擲開關(guān)都均相同，都為電子受控類型單刀雙擲開關(guān)，本發(fā)明采用MAX4644芯片作為單刀雙擲開關(guān)。

8個基本單元的最小位串聯(lián)控制信號線Dk按照順序組成D1-D7串聯(lián)控制信號線(最末級控制信號沒有下一級，所以沒有D8信號線，但是為了運行考慮，最后一位恒為0)，并與單片機的PA8-PA14引腳相連。

本發(fā)明的適用于三維磁特性測量系統(tǒng)的自動化諧振電容匹配器，該適配器的組成包括三維磁特性測量系統(tǒng)、三個諧振電感組、三個諧振電容匹配器和單片機控制單元；

其中，三維磁特性測量系統(tǒng)中的三個激磁線圈繞組，每個激磁線圈繞組和一個諧振電感組相連，每個諧振電感組和一個諧振電容匹配器相連，三個諧振電容匹配器分別和單片機控制單元相連，單片機控制單元還直接和三維磁特性測量系統(tǒng)的串口通信接口。

具體如圖7所示：三維磁特性測量系統(tǒng)共有三個激磁線圈繞組，對應(yīng)與X軸、Y軸、Z軸激磁方向。每個方向的激磁線圈繞組都通過相應(yīng)的諧振電感組與電容匹配器中的輸出的電容值匹配，故需要對應(yīng)有三個電容匹配器。與X軸電感相連的電容匹配器稱為X軸諧振電容匹配器；與Y軸電感相連的電容匹配器稱為Y軸諧振電容匹配器；與Z軸電感相連的電容匹配器稱為Z軸諧振電容匹配器。

所述的單片機控制單元包括單片機。本實施例具體的型號為stm32f103ze。

B1-B8作為16位開關(guān)控制信號數(shù)據(jù)的低8位，D1-D7作為16位開關(guān)控制信號數(shù)據(jù)的高八位。這個16位的開關(guān)控制信號數(shù)據(jù)作為電容串并聯(lián)開關(guān)控制信號，與stm32的16位引腳相連(例如X軸諧振方向開關(guān)控制信號數(shù)據(jù)連接PA0-PA15，Y軸諧振方向開關(guān)控制信號數(shù)據(jù)連接PB0-PB15，Z軸諧振方向開關(guān)控制信號數(shù)據(jù)連接PC0-PC15)，驅(qū)動圖3中的MOSFET開關(guān)B1-B8以及MAX4644的開通或者關(guān)斷。

在這里的電子受控型單刀雙擲開關(guān)是指一類受控的三端開關(guān)器件，能夠通過給控制端邏輯電平信號(0或者1)來控制開關(guān)的開合方向，在電路中能夠改變電流的流向。以MAX4644SOT23-6芯片為例，這種芯片的1號引腳-IN端是控制端接口，能夠改變開關(guān)的開合方向。4號引腳、6號引腳是動觸點，5號引腳是不動點。程序流程圖如圖5所示，三維磁特性測量系統(tǒng)的控制端通過串口按照表格二所示的通信協(xié)議發(fā)送串口數(shù)據(jù)。單片機解析數(shù)據(jù)格式，得到功能字指令以及電容值數(shù)據(jù)。根據(jù)功能字判斷配置X軸、Y軸或者Z軸的諧振電容。根據(jù)電容值數(shù)據(jù)查表得到開關(guān)動作電位。單片機輸出動作電位，控制開關(guān)開斷，完成電容串并聯(lián)操作。單片機返回ACK信號，通知單片機完成動作電位。

本發(fā)明所述的適用于三維磁特性測量系統(tǒng)的自動化諧振電容匹配器運行時可以通過控制程序?qū)崿F(xiàn)自動化運行。所述的控制程序由C語言編寫完成并下載到單片機中，主要實現(xiàn)兩個功能。一，提供與上位機通信的協(xié)議；二，根據(jù)上位機傳來的電容數(shù)值，控制相應(yīng)開關(guān)動作，實現(xiàn)電容的串并聯(lián)操作，從而得到等值的電容數(shù)值。具體算法是，將表格一提供的等值電容與單片機控制信號對應(yīng)的關(guān)系以二維數(shù)組的形式寫入ROM中，解析上位機通過串口發(fā)來的電容數(shù)據(jù)，遍歷查詢最接近的等值電容，單片機輸出這個等值電容對應(yīng)的開關(guān)動作。

步驟一：圖1為三維磁特性測量系統(tǒng)示意圖，上位機設(shè)置激磁頻率和激磁線圈電感量，計算得到的電容值通過串口傳給下位機分析數(shù)據(jù)。

步驟二：經(jīng)過功率放大器放大后的信號加在激磁線圈上，與諧振匹配電容諧振產(chǎn)生激磁電流，從而在三個方向上產(chǎn)生磁場完成三維磁特性測量。下位機解析上位機電容值數(shù)據(jù)，通過查表得到開關(guān)的動作值。

步驟三：在下位機控制下，三個諧振電容箱內(nèi)的開關(guān)動作，諧振電容完成串并聯(lián)操作。

步驟四：開始三維磁特性測量實驗操作，得出三維磁特性數(shù)據(jù)。

步驟五：上位機輸入下一個實驗的頻率，系統(tǒng)自動從步驟一開始，無需人工干擾。

所述的適用于三維磁特性測量系統(tǒng)的自動化諧振電容匹配器運行中，涉及的相關(guān)軟件或程序，均為公知技術(shù)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)裝置的組成，以及上述運行步驟，很容易編寫實現(xiàn)。所述的電容串并聯(lián)開關(guān)控制電路的多個基本單元中，每個單元中的電容的選擇上由三維磁特性測量系統(tǒng)選擇的試驗頻率和激磁電感確定，由公式確定出基本的電容容值。

根據(jù)三維測特性測量系統(tǒng)中諧振電感的電感量L，和實驗要確定的典型激磁頻率f，根據(jù)公式確定出99uF、57uF、10uF、9uF、3uF、1uF、0.5uF、0.1uF容量的電容。以這這8個典型的電容為例，表格一表示可以通過串并聯(lián)操作實現(xiàn)的部分電容數(shù)值，當(dāng)需要某個電容容值的時候，對應(yīng)于單片機應(yīng)該輸出的控制信號?？刂菩盘朏是并聯(lián)控制信號線F1-F8，與單片機對應(yīng)的引腳相連。控制信號D是串聯(lián)控制信號線D1-D7，D8恒為0(D8沒有具體的電路連接，默認設(shè)置為0)。D1-D7與單片機對應(yīng)的引腳相連。表格中的數(shù)據(jù)需要單片機寫入內(nèi)存中，作為單片機查表程序重要部分。

表格二、表格三是通信協(xié)議部分。本專利中一個單片機需要控制三個諧振電容匹配器，單片機程序是根據(jù)一幀通訊數(shù)據(jù)中的功能字區(qū)分某個方向的電容匹配箱(具體為X軸諧振電容匹配器、Y軸諧振電容匹配器、Z軸諧振電容匹配器)、解算出電容數(shù)據(jù)、并輸出相應(yīng)的控制信號。按照表格二、表格三的通信協(xié)議編寫程序，單片機即能與三維磁特性測量系統(tǒng)進行通信。

表格一、表格二、表格三，是圖8中單片機程序?qū)崿F(xiàn)的具體細節(jié)部分。表格一示例了電容數(shù)值與單片機PA、PB或者PC端口輸出動作電位的對應(yīng)關(guān)系。表格二定義了串口數(shù)據(jù)格式。表格三定義了單片機發(fā)送信息的數(shù)據(jù)格式。

諧振匹配器的部分可設(shè)置容值和控制信號

表格一

上位機與下位機通信協(xié)議

表格二

下位機與上位機通信協(xié)議

表格三

本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。