【摘 要】
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磁场是最基本的物理量之一,精确的测量磁场尤其是弱磁场（＜n T）能够帮助我们更有效的理解这个世界。近年来,随着激光技术与光电检测技术的发展,基于无自旋交换弛豫（Spin-exchange relaxation free,SERF）理论的原子磁力计受到了广泛的关注,目前实现的灵敏度与超导量子干涉仪（Superconducting quantum interference devices,SQUID）
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磁场是最基本的物理量之一,精确的测量磁场尤其是弱磁场（＜n T）能够帮助我们更有效的理解这个世界。近年来,随着激光技术与光电检测技术的发展,基于无自旋交换弛豫（Spin-exchange relaxation free,SERF）理论的原子磁力计受到了广泛的关注,目前实现的灵敏度与超导量子干涉仪（Superconducting quantum interference devices,SQUID）相当,已成为弱磁探测领域中常用的探测仪器。弱磁探测在地质和矿产探测,脑磁、心磁测量,地震预测等领域有着广泛的应用。本文基于现场可编程门阵列（Field-programmable gate array,FPGA）设计开发的SERF原子磁力计探头控制与信号检测电路,实现了包括探头气室温度控制,探头信号检测两大主要功能。其中,利用高频电压信号幅度自动调节实现探头气室温度控制,达到了气室温度120℃～150℃可调同时不引入额外的噪声。在FPGA内部编写锁相放大算法实现探头信号检测,实现了65 ft Hz的探测灵敏度。主要成果如下:1)在探头方面,系统地调研了已有光电二极管型号,并制作探头内光电二极管电路与三轴亥姆霍兹线圈,分别用于激光光强测量与静磁场补偿以及磁场调制。光电二极管电路采用4层FR4电路板设计制作,并使用小型板对板连接器实现与电子学单板的连接。三轴线圈采用4层FPC柔性板设计制作,设计中尽量将线圈冗余走线重叠处理以达到最优的性能。2)在气室温度控制方面,基于外围硬件电路（热电偶温度读取电路、无磁加热片驱动电路）以及温度控制算法（FPGA逻辑代码）实现了探头气室温度控制,最终达到了0.2℃控温精度。3)在探头信号检测方面,首先设计制作了光电转换电路,模数转换器（Analog to digital converter,ADC）与数模转换器（Digital to analog converter,DAC）电路;并研究了直接数字频率合成技术（Direct digital synthesizer,DDS）以及锁相放大相关原理;依据前期理论学习在FPGA内部实现了DDS模块逻辑代码、锁相放大器模块（由乘法器与低通滤波器构成）逻辑代码,其中DDS模块用于产生探头调制信号并为锁相放大模块提供参考信号,锁相放大器模块用于探头信号的解调。
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