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1 bit Sigma-Delta数字磁通门磁强计仿真

吕尚 王劲东 张艺腾

吕尚, 王劲东, 张艺腾. 1 bit Sigma-Delta数字磁通门磁强计仿真[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.03.2024-0061
引用本文: 吕尚, 王劲东, 张艺腾. 1 bit Sigma-Delta数字磁通门磁强计仿真[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.03.2024-0061
LV Shang, WANG Jindong, ZHANG Yiteng. Simulation Study of 1 bit Sigma-Delta Digital Fluxgate Magnetometer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(3): 1-10 doi: 10.11728/cjss2025.03.2024-0061
Citation: LV Shang, WANG Jindong, ZHANG Yiteng. Simulation Study of 1 bit Sigma-Delta Digital Fluxgate Magnetometer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(3): 1-10 doi: 10.11728/cjss2025.03.2024-0061

1 bit Sigma-Delta数字磁通门磁强计仿真

doi: 10.11728/cjss2025.03.2024-0061 cstr: 32142.14.cjss.2024-0061
基金项目: 民用航天技术预先研究项目资助(D050103)
详细信息
    作者简介:
    • 吕尚 男, 1995年3月出生于吉林省吉林市, 现为中国科学院国家空间科学中心博士生, 主要研究方向为地球与空间探测技术. E-mail: lvshang18@mails.ucas.ac.cn
    通讯作者:
    • 王劲东 男, 研究员, 博士生导师, 现为中国科学院国家空间科学中心天气室太阳系探测组主任, 主要研究方向为高精度空间磁场探测技术及应用. E-mail: wjd@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: V447

Simulation Study of 1 bit Sigma-Delta Digital Fluxgate Magnetometer

  • 摘要: 设计了一种基于1 bit Sigma-Delta调制技术的数字磁通门磁强计, 并利用Matlab Simulink工具对其进行仿真建模与分析, 获得了系统在噪声、线性度、动态响应速度以及频率响应等方面的性能参数. 在±1000 nT量程范围内, 该磁强计系统在1 Hz处的噪声为0.17 pT·Hz–1/2, 最大线性误差为1.04 pT, 动态响应速度为1.07×103 nT·s–1, 频率响应带宽超过30 Hz. 仿真结果证实, 采用1 bit Sigma-Delta调制技术显著提高了数模转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)的转换精度, 有效降低了数字磁强计系统的本底噪声和非线性误差, 显著提升了数字磁强计的性能. 基于1 bit Sigma-Delta调制技术的数字磁通门磁强计性能指标能够满足高精度磁场探测任务的要求, 为空间磁场探测领域提供了一种高精度、高可靠性的探测手段, 在深空探测及空间科学领域具有广泛的应用前景.

     

  • 图  1  Sigma-Delta DAC结构

    Figure  1.  Sigma-Delta DAC block diagram

    图  2  数字磁通门磁强计结构

    Figure  2.  Digital fluxgate magnetometer block diagram

    图  3  磁通门探头仿真波形

    Figure  3.  Simulation waveform of fluxgate probe

    图  4  1 bit Sigma-Delta DAC结构

    Figure  4.  1 bit Sigma-Delta DAC structure

    图  5  三级插值滤波器

    Figure  5.  Three-stage interpolation filters

    图  6  1 bit 5阶单环Sigma-Delta调制器

    Figure  6.  1 bit 5-order single loop Sigma-Delta modulator

    图  7  1 bit Sigma-Delta DAC数字部分输出信号功率谱密度

    Figure  7.  Power Spectral Density (PSD) of 1 bit Sigma-Delta DAC digital section output signal

    图  8  系统噪声功率谱密度

    Figure  8.  Power Spectral Density (PSD) of system noise

    图  9  线性拟合结果(a)与误差(b)

    Figure  9.  Result (a)and error of linear fitting(b)

    图  10  系统动态响应速度仿真

    Figure  10.  System dynamic response speed

    图  11  1 bit系统频率响应特性

    Figure  11.  1 bit system frequency response

    图  12  不同量化位数的传感器噪声影响对比

    Figure  12.  Noise of different quantization bits

    图  13  不同量化位数的传感器频率影响对比

    Figure  13.  Frequency response of different quantization bits

    表  1  数字磁强计的性能参数

    Table  1.   Performance parameters of digital magnetometer

    探测任务测量范围/nT噪声/(nT·Hz–1/2)分辨率/bit采样率/Hz
    风云三号05星±650000.012450
    SMILE±64000/±128000.0052440
    金星快车卫星±262/±5240.01201, 32, 128
    THEMIS±250000.0120128
    MMS±10500/±6500.008/0.00124128
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    表  2  1 bit数字磁通门磁强计参数

    Table  2.   Parameters of modules in 1 bit digital fluxgate magnetometer

    磁通门模块参数
    输入信号频率/Hz10
    输入信号量程/nT±1000
    1 bit ADC采样频率/MHz1.024
    相敏检波参考频率/kHz20
    积分器采样频率/MHz1.024
    Sigma-Delta调制器位数/bit1
    反馈模拟滤波器通带/Hz5000
    输出CIC降采样滤波器抽取率8000
    输出信号频率/Hz128
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    表  3  不同量化位数的数字磁通门磁强计仿真系统性能对比

    Table  3.   Performance comparison of digital fluxgate magnetometer simulation systems with different quantization bits

    仿真AD位数/bit噪声功率谱密度/(Hz·pT–1·Hz–1/2)线性度/%动态响应速度/(nT·s–1)频率响应(-3 dB带宽)/Hz
    10.175.21×10–71.068×10532.79
    81.405.70×10–51.399×10535.60
    120.984.33×10–51.396×10535.40
    160.732.40×10–51.385×10535.32
    200.421.95×10–51.343×10534.90
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-22
  • 修回日期:  2024-12-12
  • 网络出版日期:  2024-12-17

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