【導(dǎo)讀】本文介紹的是可自動(dòng)定標(biāo)的高精度磁場測量儀的設(shè)計(jì)，該測場儀以單片機(jī)為核心，采用串行存儲器擴(kuò)大了磁場測量范圍，采用壓控恒流源技術(shù)解決了霍爾探頭更換后的定標(biāo)問題。具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能，并能同時(shí)測量磁場頻率,特別適合于磁場大、類型未知的測量場合。
該測量儀可以完成對穩(wěn)恒場，脈沖場峰值，交變場正負(fù)峰值、峰峰值及其頻率的測量，同時(shí)具有自動(dòng)測量功能。
圖1：霍爾效應(yīng)原理圖
測量原理
霍爾效應(yīng)的基本原理如圖1所示。在Y方向通以電流I，并在Z方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為90的磁場，那么載流子在X方向受到洛侖茲力作用而在兩端產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢EH。根據(jù)霍爾效應(yīng)制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導(dǎo)體薄片，其霍爾電動(dòng)勢為：
EH=RH（IB0/d）（1）
式中，RH為與材料有關(guān)的霍爾系數(shù)，d為霍爾器件的厚度，I為流過霍爾器件的電流，Bo為外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。對一個(gè)霍爾器件而言，在電流I恒定的情況下，EH與外磁場Bo成正比，設(shè)比例系數(shù)K=RH。因此，對于不同的霍爾傳感器，可以通過改變工作電流I，使其具有相同的比例系數(shù)。
霍爾器件的定標(biāo)就是確定霍爾電動(dòng)勢EH與外磁場Bo的比例關(guān)系。所以在霍爾器件的線性區(qū)，可以通過改變工作電流I，使其達(dá)到預(yù)先設(shè)置的霍爾電動(dòng)勢EH與外磁場Bo的比例關(guān)系，從而完成線性區(qū)的定標(biāo)。把對應(yīng)工作電流下的非線性區(qū)霍爾電動(dòng)勢與外磁場Bo作成數(shù)據(jù)表格存儲在一個(gè)串行的E2PROM中，測量時(shí)就可以通過查表和線性擬合的方法求得外磁場Bo。因此，只需在霍爾器件探頭上封裝一個(gè)串行E2PROM，將該探頭的工作電流和對應(yīng)的非線性區(qū)表格存儲在其中即可。更換探頭后磁場測量儀的CPU可以從E2OPROM中取得該探頭的工作電流，然后調(diào)節(jié)一個(gè)可控的恒流源完成定標(biāo)工作。
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硬件設(shè)計(jì)
該儀器的硬件電路主要由主控電路、定標(biāo)電路、信號處理與采集電路、頻率測量電路等組成。
主控電路
主控電路以AT89C52為核心，包括一個(gè)雙通道A/D轉(zhuǎn)換器MAXlll、兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器MAX541、經(jīng)8279擴(kuò)展的鍵盤顯示電路、一個(gè)定標(biāo)參數(shù)存儲器X24128以及與上位機(jī)通訊的RS232接口。為了減少干擾，在模擬電路與數(shù)字電路之間加有光電隔離電路。
A/D轉(zhuǎn)換器MAXlll的一路用來檢測調(diào)零電路輸出，另一路用來采集保持后的感應(yīng)電壓信號。兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器MAX541中的一個(gè)用來輸出霍爾不等位電勢的補(bǔ)償電壓，另一個(gè)用來控制壓控恒流源。
經(jīng)8279擴(kuò)展六個(gè)按鍵：電源鍵、定標(biāo)鍵、調(diào)零鍵、量程轉(zhuǎn)換鍵、自動(dòng)測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤以中斷方式工作。同時(shí)經(jīng)8279擴(kuò)展出雙8位的數(shù)字表頭，一個(gè)用來顯示交變磁場頻率，另一個(gè)由軟件控制根據(jù)不同的磁場顯示不同數(shù)值。當(dāng)測量穩(wěn)恒場時(shí)，顯示磁場值;當(dāng)測量脈沖場時(shí)，顯示峰值;當(dāng)測量交變磁場時(shí)，由軟件控制依次顯示正、負(fù)峰值及峰峰值，顯示時(shí)間間隔由軟件控制為5s，當(dāng)按下顯示暫保持鍵時(shí)，保持當(dāng)前顯示數(shù)據(jù)，再次按顯示保持鍵，顯示下一個(gè)數(shù)據(jù)。
參數(shù)存儲器X24128與霍爾器件封裝在一起，通過串行總線和主機(jī)相連。
定標(biāo)電路設(shè)計(jì)及工作原理
定標(biāo)電路主要由一個(gè)壓控恒流源和提供控制電壓的D/A轉(zhuǎn)換電路組成。壓控恒流源由兩個(gè)高阻型雙運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成，其原理圖如圖2所示。
圖2：壓控恒流源原理圖
從圖中可得出：
Iout=—4VIN（mA）
式中，VIN由16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX541提供，可在0～2.5V之間以0.04mV的分辨率調(diào)節(jié)。那么恒流源電流可在0～10mA之間以0.161μA的分辨率調(diào)節(jié)，完全可以滿足一般霍爾器件的恒流工作要求。
信號處理與采集電路
為了對不同類型磁場進(jìn)行高精度測量，本系統(tǒng)信號處理電路由程控放大電路、數(shù)字調(diào)零電路、峰值檢測與保持電路組成。處理后信號的采集由MAXlll通道1完成。
數(shù)字調(diào)零電路
由于制作工藝的原因，霍爾器件總有不等位電勢存在。為了適應(yīng)自動(dòng)測量的需要，不等位電壓的補(bǔ)償由數(shù)字調(diào)零電路實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖4所示。該電路實(shí)際上是由兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的加減運(yùn)算電路。在系統(tǒng)初始化時(shí)，對不同量程進(jìn)行調(diào)零，并將對應(yīng)的補(bǔ)償電壓數(shù)值存在RAM中;測量過程中量程轉(zhuǎn)換或手動(dòng)選擇量程后，可直接查詢相應(yīng)的數(shù)值，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出補(bǔ)償電壓。由于采用了高精度的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，調(diào)零后的不等電位小于0.1mV。
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峰值檢測與保持電路
為了測量脈沖磁場和交變磁場的峰值，本系統(tǒng)含有由采樣保持器LF398［5］和邏輯控制電路組成的正負(fù)峰值檢測保持電路。正峰值檢測保持電路原理圖如圖 5所示。LF398的控制端8的邏輯值E=（A+B）*D，當(dāng)E為高時(shí)LF398處于跟隨狀態(tài)，輸出電壓等于輸入電壓;當(dāng)E為低時(shí)LF398處于保持狀態(tài)，輸出保持不變。峰值保持電路的工作過程是：當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，使P2.0置低電平，P2.1置高，這樣LF398的控制端完全取決于LM319比較器的輸出端。LM319的輸出電平可由LF398的輸出電壓Vo和輸入電壓Vin比較的結(jié)果決定。當(dāng)輸入電壓Vin高于輸出電壓Vo時(shí)，LF398的邏輯控制被置成高電平，使LF398處于跟隨狀態(tài);當(dāng)輸入電壓Vin達(dá)到峰值而下降時(shí)，LF398的邏輯控制端被置成低電平，使LF398處于保持狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對“峰值”的保持。在采樣狀態(tài)，為了使保持下來的峰值不被下一個(gè)不同的峰值沖掉，當(dāng)檢測到P1.2被置成低電平（LF398已經(jīng)取得峰值）時(shí)，使 P2.1腳置低電平，從而封鎖了輸入信號。在測量穩(wěn)恒磁場和交變磁場時(shí)，為了提高準(zhǔn)確度，常需要轉(zhuǎn)換量程。每次轉(zhuǎn)換量程后，先把P2.0和P2.1置高，使LF398處于跟隨狀態(tài)，延時(shí)50μs，使得LF398的輸出和輸入相等;然后將P2.0置低，進(jìn)入峰值檢測狀態(tài)，即可完成量程轉(zhuǎn)換。
負(fù)峰值檢測電路只是在正峰值檢測電路之前加了一個(gè)反相器，邏輯控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下來的峰值經(jīng)一個(gè)模擬開關(guān)CD4051后由MAXlll的通道1檢測。
頻率測量
由于AT89C52含有三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，測量頻率非常簡單方便，只需對調(diào)零后的輸出信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅浜蠼?jīng)過一個(gè)過零滯回比較器整形后得到方波信號，再通過一個(gè)四分頻器輸入到AT89C52的計(jì)數(shù)器T1和外部中斷INT0即可。為了更加準(zhǔn)確地測量頻率，當(dāng)信號頻率高于5kHz時(shí)用測頻法，即關(guān)中斷 INT0，把定時(shí)器TO設(shè)定一個(gè)時(shí)間to，開計(jì)數(shù)器T1，計(jì)數(shù)器溢出一次，則把內(nèi)存中某個(gè)單元加1;若to時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值為N1，可求得被測信號的頻率為 4Nl/to。頻率低于5kHz時(shí)用測周期法，即關(guān)計(jì)數(shù)器T1，開定時(shí)器TO，中斷INT0以邊沿方式觸發(fā)，發(fā)生第一次中斷時(shí)，TO計(jì)時(shí)為t1，再次發(fā)生中斷時(shí)關(guān)掉中斷，此時(shí)計(jì)數(shù)器TO計(jì)時(shí)為t2，則被測信號的周期T=（t2-t1）/4、f=4/（t2-t1）。為了測較低的信號頻率，可以使TO循環(huán)計(jì)數(shù)。由于加了四分頻，該方法可測小于2MHz的信號。
圖3：儀器軟件流程圖
儀器的軟件設(shè)計(jì)
儀器軟件采用匯編語言編寫，包括主程序、定標(biāo)子程序、調(diào)零子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、頻率測量程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、D /A轉(zhuǎn)換程序、計(jì)算磁場大小子程序等。系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)測量模式，選擇最大量程。在鍵盤中斷程序中，不同的鍵被按下，執(zhí)行不同的程序。在數(shù)據(jù)采集子程序中，判斷是否為手動(dòng)，若是則直接采集，并保存數(shù)據(jù)。若不是則判斷量程是否合適，不合適則轉(zhuǎn)換量程重新測量，并保存上次測量值。若轉(zhuǎn)換后測量為零，說明為脈沖場，以上次測的值為準(zhǔn)。因此，對于脈沖場，若知道其場強(qiáng)范圍，最好手動(dòng)選擇量程。儀器軟件流程圖如圖3所示。
該測場儀以單片機(jī)為核心，采用串行存儲器擴(kuò)大了磁場測量范圍，采用壓控恒流源技術(shù)解決了霍爾探頭更換后的定標(biāo)問題。該儀器具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能，并能同時(shí)測量磁場頻率，其磁場的測量范圍為：0.01mT～6T，測量精度優(yōu)于量程的±0.2%，特別適合于磁場大、類型未知的測量場合。
