2018年04月05日 | 详解可自动定标的高精度磁场测量仪设计

该测量仪可以完成对稳恒场，脉冲场峰值，交变场正负峰值、峰峰值及其频率的测量，同时具有自动测量功能。

图1：霍尔效应原理图

测量原理

霍尔效应的基本原理如图1所示。在Y方向通以电流I，并在Z方向施加磁感应强度为90的磁场，那么载流子在X方向受到洛仑兹力作用而在两端产生霍尔电动势EH。根据霍尔效应制造的霍尔器件是具有一定形状的半导体薄片，其霍尔电动势为：

EH=RH（IB0/d）（1）

式中，RH为与材料有关的霍尔系数，d为霍尔器件的厚度，I为流过霍尔器件的电流，Bo为外磁场的磁感应强度。对一个霍尔器件而言，在电流I恒定的情况下，EH与外磁场Bo成正比，设比例系数K=RH。因此，对于不同的霍尔传感器，可以通过改变工作电流I，使其具有相同的比例系数。

霍尔器件的定标就是确定霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系。所以在霍尔器件的线性区，可以通过改变工作电流I，使其达到预先设置的霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系，从而完成线性区的定标。把对应工作电流下的非线性区霍尔电动势与外磁场Bo作成数据表格存储在一个串行的E2PROM中，测量时就可以通过查表和线性拟合的方法求得外磁场Bo。因此，只需在霍尔器件探头上封装一个串行E2PROM，将该探头的工作电流和对应的非线性区表格存储在其中即可。更换探头后磁场测量仪的CPU可以从E2OPROM中取得该探头的工作电流，然后调节一个可控的恒流源完成定标工作。

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硬件设计

该仪器的硬件电路主要由主控电路、定标电路、信号处理与采集电路、频率测量电路等组成。

主控电路

主控电路以AT89C52为核心，包括一个双通道A/D转换器MAXlll、两个D/A转换器MAX541、经8279扩展的键盘显示电路、一个定标参数存储器X24128以及与上位机通讯的RS232接口。为了减少干扰，在模拟电路与数字电路之间加有光电隔离电路。

A/D转换器MAXlll的一路用来检测调零电路输出，另一路用来采集保持后的感应电压信号。两个D/A转换器MAX541中的一个用来输出霍尔不等位电势的补偿电压，另一个用来控制压控恒流源。

经8279扩展六个按键：电源键、定标键、调零键、量程转换键、自动测量键、显示暂停键，键盘以中断方式工作。同时经8279扩展出双8位的数字表头，一个用来显示交变磁场频率，另一个由软件控制根据不同的磁场显示不同数值。当测量稳恒场时，显示磁场值;当测量脉冲场时，显示峰值;当测量交变磁场时，由软件控制依次显示正、负峰值及峰峰值，显示时间间隔由软件控制为5s，当按下显示暂保持键时，保持当前显示数据，再次按显示保持键，显示下一个数据。

参数存储器X24128与霍尔器件封装在一起，通过串行总线和主机相连。

定标电路设计及工作原理

定标电路主要由一个压控恒流源和提供控制电压的D/A转换电路组成。压控恒流源由两个高阻型双运算放大器LM358构成，其原理图如图2所示。

图2：压控恒流源原理图

从图中可得出：

Iout=—4VIN（mA）

式中，VIN由16位D/A转换器MAX541提供，可在0～2.5V之间以0.04mV的分辨率调节。那么恒流源电流可在0～10mA之间以0.161μA的分辨率调节，完全可以满足一般霍尔器件的恒流工作要求。

信号处理与采集电路

为了对不同类型磁场进行高精度测量，本系统信号处理电路由程控放大电路、数字调零电路、峰值检测与保持电路组成。处理后信号的采集由MAXlll通道1完成。

数字调零电路

由于制作工艺的原因，霍尔器件总有不等位电势存在。为了适应自动测量的需要，不等位电压的补偿由数字调零电路实现，其原理图如图4所示。该电路实际上是由两个运算放大器构成的加减运算电路。在系统初始化时，对不同量程进行调零，并将对应的补偿电压数值存在RAM中;测量过程中量程转换或手动选择量程后，可直接查询相应的数值，由D/A转换器输出补偿电压。由于采用了高精度的A/D和D/A转换器，调零后的不等电位小于0.1mV。

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峰值检测与保持电路

为了测量脉冲磁场和交变磁场的峰值，本系统含有由采样保持器LF398［5］和逻辑控制电路组成的正负峰值检测保持电路。正峰值检测保持电路原理图如图 5所示。LF398的控制端8的逻辑值E=（A+B）*D，当E为高时LF398处于跟随状态，输出电压等于输入电压;当E为低时LF398处于保持状态，输出保持不变。峰值保持电路的工作过程是：当进行数据采集时，使P2.0置低电平，P2.1置高，这样LF398的控制端完全取决于LM319比较器的输出端。LM319的输出电平可由LF398的输出电压Vo和输入电压Vin比较的结果决定。当输入电压Vin高于输出电压Vo时，LF398的逻辑控制被置成高电平，使LF398处于跟随状态;当输入电压Vin达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制端被置成低电平，使LF398处于保持状态，从而实现了对“峰值”的保持。在采样状态，为了使保持下来的峰值不被下一个不同的峰值冲掉，当检测到P1.2被置成低电平（LF398已经取得峰值）时，使 P2.1脚置低电平，从而封锁了输入信号。在测量稳恒磁场和交变磁场时，为了提高准确度，常需要转换量程。每次转换量程后，先把P2.0和P2.1置高，使LF398处于跟随状态，延时50μs，使得LF398的输出和输入相等;然后将P2.0置低，进入峰值检测状态，即可完成量程转换。

负峰值检测电路只是在正峰值检测电路之前加了一个反相器，逻辑控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下来的峰值经一个模拟开关CD4051后由MAXlll的通道1检测。