【導讀】雖然霍爾效應的磁場測量方法既可測量恒定磁場，又可測量交變磁場，但霍爾探頭容易由于人為因素造成損壞，這樣就需要更換新的探頭。然而不同探頭在相同電流下靈敏度不同，需要重新定標。而定標過程比較復雜且需要較高精度的專業(yè)定標設備，一般用戶不具備這種條件。本文介紹一種更換探頭后可自動重新定標且具有較高測量精度和較大測量范圍的磁場測量儀的硬件組成和軟件結(jié)構。
該測量儀可以完成對穩(wěn)恒場，脈沖場峰值，交變場正負峰值、峰峰值及其頻率的測量，同時具有自動測量功能。
圖1：霍爾效應原理圖
測量原理
霍爾效應的基本原理如圖1所示。在Y方向通以電流I，并在Z方向施加磁感應強度為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)生霍爾電動勢EH。根據(jù)霍爾效應制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導體薄片，其霍爾電動勢為：
EH=RH(IB0/d)(1)
式中，RH為與材料有關的霍爾系數(shù)，d為霍爾器件的厚度，I為流過霍爾器件的電流，Bo為外磁場的磁感應強度。對一個霍爾器件而言，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)。
霍爾器件的定標就是確定霍爾電動勢EH與外磁場Bo的比例關系。所以在霍爾器件的線性區(qū)，可以通過改變工作電流I，使其達到預先設置的霍爾電動勢EH與外磁場Bo的比例關系，從而完成線性區(qū)的定標。把對應工作電流下的非線性區(qū)霍爾電動勢與外磁場Bo作成數(shù)據(jù)表格存儲在一個串行的E2PROM中，測量時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串行E2PROM，將該探頭的工作電流和對應的非線性區(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)一個可控的恒流源完成定標工作。
硬件設計
該儀器的硬件電路主要由主控電路、定標電路、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，包括一個雙通道A/D轉(zhuǎn)換器MAXlll、兩個D/A轉(zhuǎn)換器MAX541、經(jīng)8279擴展的鍵盤顯示電路、一個定標參數(shù)存儲器X24128以及與上位機通訊的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電壓信號。兩個D/A轉(zhuǎn)換器MAX541中的一個用來輸出霍爾不等位電勢的補償電壓，另一個用來控制壓控恒流源。
經(jīng)8279擴展六個按鍵：電源鍵、定標鍵、調(diào)零鍵、量程轉(zhuǎn)換鍵、自動測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤以中斷方式工作。同時經(jīng)8279擴展出雙8位的數(shù)字表頭，一個用來顯示交變磁場頻率，另一個由軟件控制根據(jù)不同的磁場顯示不同數(shù)值。當測量穩(wěn)恒場時，顯示磁場值;當測量脈沖場時，顯示峰值;當測量交變磁場時，由軟件控制依次顯示正、負峰值及峰峰值，顯示時間間隔由軟件控制為5s，當按下顯示暫保持鍵時，保持當前顯示數(shù)據(jù)，再次按顯示保持鍵，顯示下一個數(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相連。
定標電路設計及工作原理
定標電路主要由一個壓控恒流源和提供控制電壓的D/A轉(zhuǎn)換電路組成。壓控恒流源由兩個高阻型雙運算放大器LM358構成，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。為了適應自動測量的需要，不等位電壓的補償由數(shù)字調(diào)零電路實現(xiàn)，其原理圖如圖4所示。該電路實際上是由兩個運算放大器構成的加減運算電路。在系統(tǒng)初始化時，對不同量程進行調(diào)零，并將對應的補償電壓數(shù)值存在RAM中;測量過程中量程轉(zhuǎn)換或手動選擇量程后，可直接查詢相應的數(shù)值，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出補償電壓。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。
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E為高時LF398處于跟隨狀態(tài)，輸出電壓等于輸入電壓;當E為低時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：當進行數(shù)據(jù)采集時，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。當輸入電壓Vin高于輸出電壓Vo時，LF398的邏輯控制被置成高電平，使LF398處于跟隨狀態(tài);當輸入電壓Vin達到峰值而下降時，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不同的峰值沖掉，當檢測到P1.2被置成低電平(LF398已經(jīng)取得峰值)時，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，為了提高準確度，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50μs，使得LF398的輸出和輸入相等;然后將P2.0置低，進入峰值檢測狀態(tài)，即可完成量程轉(zhuǎn)換。
負峰值檢測電路只是在正峰值檢測電路之前加了一個反相器，邏輯控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下來的峰值經(jīng)一個模擬開關CD4051后由MAXlll的通道1檢測。
頻率測量
由于AT89C52含有三個定時計數(shù)器，測量頻率非常簡單方便，只需對調(diào)零后的輸出信號進行適當?shù)姆糯?，其后?jīng)過一個過零滯回比較器整形后得到方波信號，再通過一個四分頻器輸入到AT89C52的計數(shù)器T1和外部中斷INT0即可。為了更加準確地測量頻率，當信號頻率高于5kHz時用測頻法，即關中斷INT0，把定時器TO設定一個時間to，開計數(shù)器T1，計數(shù)器溢出一次，則把內(nèi)存中某個單元加1;若to時間內(nèi)計數(shù)值為N1，可求得被測信號的頻率為4Nl/to。頻率低于5kHz時用測周期法，即關計數(shù)器T1，開定時器TO，中斷INT0以邊沿方式觸發(fā)，發(fā)生第一次中斷時，TO計時為t1，再次發(fā)生中斷時關掉中斷，此時計數(shù)器TO計時為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
儀器的軟件設計
儀器軟件采用匯編語言編寫，包括主程序、定標子程序、調(diào)零子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序、鍵盤中斷服務子程序、頻率測量程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、計算磁場大小子程序等。系統(tǒng)默認為自動測量模式，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，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。因此，對于脈沖場，若知道其場強范圍，最好手動選擇量程。儀器軟件流程圖如圖3所示。
該測場儀以單片機為核心，采用串行存儲器擴大了磁場測量范圍，采用壓控恒流源技術解決了霍爾探頭更換后的定標問題。該儀器具有自動量程轉(zhuǎn)換功能，并能同時測量磁場頻率，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。
