詳解可自動(dòng)定標(biāo)的高精度磁場測量儀設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2014-07-23 責(zé)任編輯:sherryyu
【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(chǔ)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(duì)應(yīng)的非線性區(qū)表格存儲(chǔ)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(hào)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(chǔ)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(hào)。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(chǔ)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(hào)處理與采集電路
為了對(duì)不同類型磁場進(jìn)行高精度測量,本系統(tǒng)信號(hào)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(hào)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(duì)不同量程進(jìn)行調(diào)零,并將對(duì)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(duì)“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(hào)。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(duì)調(diào)零后的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?,其后?jīng)過一個(gè)過零滯回比較器整形后得到方波信號(hào),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(hào)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(hào)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(hào)的周期T=(t2-t1)/4、f=4/(t2-t1)。為了測較低的信號(hào)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(hào)。
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(duì)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(chǔ)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。
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