1、分類號： 編號：沈陽化工大學本科畢業論文題 目： 基于at89c52單片機的特斯拉計計算 院 系： 專 業： 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 論文提交日期： 年 月 日摘 要特斯拉計是用于測量各種永磁體表面磁場強度及氣隙磁場強度的測量儀器，是利用霍爾效應原理制成的測磁工具。目前，在科研和生產中，由于特斯拉計在測量磁場過程中靈敏、適應性強、可靠性高、易微型化而被廣泛采用。但由于霍爾探頭本身存在的差異性及測量的非線性，而且在使用過程中容易損壞且定標復雜，所以必須設計出一個方案改變這種狀況，使特斯拉計的應用更簡易，實現自動定標和非線性區的測量。本文主要從硬件電路和軟件結構兩方面介紹單片機

2、控制的特斯拉計。硬件系統以at89c52為核心，主要包括霍爾探頭、主控電路、定標電路、信號采集和處理電路、光電隔離電路、頻率測量電路、數據存儲電路、顯示電路、pc機的通訊接口和鍵盤等。磁場測量主要由霍爾探頭、恒流源、不等位電勢補償電路、程控信號放大電路、a/d轉換器、d/a轉換器組成。定標參數及非線性區數據表格存儲在串行存儲器x24128中，以供單片機讀取，實現定標和非線性區的磁場測量。d/a轉換器采用串行16位精度的max541，其電壓輸出用來控制由lm358雙運算放大器構成的壓控恒流源，為霍爾探頭提供工作電流，完成霍爾探頭的定標。不等位電勢補償電路采用由兩個高精度低漂移運算放大器op07構

3、成的加減法運算電路，在系統出廠前將不同探頭各量程的不等位電勢存儲在e2prom中，測量時提供給數字調零電路。程控放大電路采用模擬選擇開關，利用電阻網絡和一個運算放大器op07組成，可程控調節不同的放大倍數，實現量程的自動轉換功能。a/d轉換電路采用14位串行max110實現，將測量的不同磁場值轉換成數字信號送給單片機，完成數據采集。交變磁場的峰值測量電路采用采樣保持器lf398組成，通過單片機i/o口p1.2、p2.0、p2.1控制正峰值的采樣及保持，p1.3、p2.2、p2.3控制負峰值的采樣及保持來實現。頻率測量只需對調零后信號進行適當的放大，經過一個過零滯回比較器整形得到方波信號，再通過

4、一個四分頻器后，在頻率大于5khz時用計數法，小于5khz時用測周法，由定時器/計數器t0、t1及外部中斷來實現測量。電路中所有與模擬電路有關的低頻接口控制線都采用光電耦合器tlp521進行隔離。顯示電路采用8279led實現，兩行分別用于顯示主機的實時測量數據磁場值和交變磁場頻率值，鍵盤利用單片機的i/o口直接控制，實現五個按鍵：定標鍵、調零鍵、量程轉換鍵、自動測量鍵、顯示暫停鍵，按鍵采用中斷方式響應。關鍵詞：磁場測量；霍爾探頭；自動定標；單片機abstractteslameter is to be used to measure the surface intensity of magne

5、tic field of various permanent-magnets and the intensity of magnetic field of air-gap field. it is a permagnag based on hall effect. at present, teslameter is widely used in research and production for its high sensitiveness，strong adaptability，high stability and easy micromation. but hall probes ar

6、e different and their measurement processes are nonlinear moreover they are brittle and their picketaging processes are complicated. therefore，to change this situation and make the application of teslameter simple，it is meaningful to design a scheme to realize automatic picketaging and nonlinearity-

7、area-measurement.this paper introduces the chip microcomputer controlled teslameter by means of hardware and software structures. hardware system uses the at89c52 as the core. it mainly includes hall probe，main control circuit，picketaging circuit，signal acquisition and process circuit，circuit of pho

8、toelectricity isolation，circuit of measure frequency，data storage circuit，display circuit，keyboard and communication with pc etc. the measurement circuit of magnetic field is mainly composed by the hall probe, constant-current source，the non-idiostatic offset circuit，the signal amplification circuit

9、，the d/a and the a/d transducer circuit. the data form of nonlinear region and the picketaging parameter store in serial memory x24128 for microprocessor fetching to realize picketaging and measuring of nonlinear region. d/a transducer is serial 16-bit dacs max541.the voltage controlled constant-cur

10、rent source，which is composed by dual operational amplifiers lm358，is controlled by the voltage-output of the d/a transducer. and it offers working current for picketaging of hall probe. the non-idiostatic offset circuit is a summing circuit/subtraction circuit. in the process of system initializati

11、on，it stores non-idiostatic from every range in e2prom for digital zeroing. programmable amplification circuit is composed by option switch, resistance network and an operational amplifier op07.it can program control different magnification times of measurement，and realize auto-switch of measurement

12、. a/d transducer is realized by14-bit serial max110.it changes the different magnetic field value into a digital signal and communicates chip microcomputer. the peak value measurement circuit of alternating magnetic field adopts sample-and-hold amplifier lf398，through i/o port p1.2,p2.0,p2.1 control

13、s sample and hold of positive peak，and p1.3,p2.2,p2.3 controls negative peak. frequency measurement by timer/counters t0，t1 and int0 requires the signal zero adjust，appropriate amplification，shaping by zero passage rotary comparator generate square wave signal，passing a four frequency demultiplier a

14、gain. if the frequency is greater than 5 khz counting process measure is used，else periodic time process is used. the display circuit is realized by the ic 1602,，which can sequential show the data of magnetic induction intensity and frequency of alternating magnetic field. the keyboard is directly c

15、ontrolled by chip microcomputer i/o control and realizes six keys: pickage，zero，range-switch，auto-measure，pause-show. the depressed sky adopt interrupt mode to response.key words：measurement of magnetic field；hall probe；auto-picketaging；chip microcomputer.目 錄內容摘要1abstract3第1章 緒論11.1 霍爾傳感器的發展及現狀11.2

16、特斯拉計的主要應用31.3 本文主要完成的工作3第2章 特斯拉計的工作原理52.1 霍爾效應52.2 霍爾傳感器72.2.1 幾種測磁方法72.2.2 霍爾傳感器8第3章 系統的硬件電路設計103.1主控電路設計113.2定標電路的設計113.2.1 d/a轉換器113.2.2壓控恒流源123.3.3參數存儲器143.4信號采集及處理153.4.1程控放大163.4.2數字調零電路173.4.3峰值檢測與保持電路183.4.4 a/d轉換電路203.5頻率測量213.6顯示及鍵盤接口22第4章 系統的軟件設計 244.1定標子程序設計244.2數據采集子程序264.3顯示子程序設計274.4鍵

17、盤中斷服務子程序設計294.5頻率測量程序設計294.7本章小結31第五章 總 結32第1章 緒論傳感器是一種檢測裝置，能夠感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規律轉換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，來滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄及控制等要求。實現自動檢測和自動控制的首要環節就是傳感器。物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。每一個被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。在磁場力作用下，在金屬或通電半導體中會產生霍爾效應，其輸出電壓與磁場強度成正比。基于霍爾效應的霍爾傳感器通常被用于測量磁場強度，其測量范圍從10奧斯特

18、到幾千奧斯特。隨著固態電子技術的發展，霍爾效應開始被人們廣泛應用。自此，霍爾傳感器也得到了飛速的發展，并在各領域中得到廣泛應用，如汽車、工業、計算機等行業，如齒輪速度檢測、運動與接近檢測及電流檢測等。霍爾傳感器的出現，解決了許多以往人們覺得困難的問題。由于霍爾傳感器測量磁場的靈敏度高、適應范圍寬，不但可以測量恒定磁場，而且測量交變磁場，故此它的使用越來越廣泛。但是在使用霍爾傳感器測量過程中，它容易受到人為因素而造成損壞，這樣就需要重新安裝新的探頭。但是不同探頭的不等位電勢和靈敏度不同，因此，需要重新標定，而且標定過程比較復雜，需要較高精度的專業定標設備，普通用戶不具備這樣的條件。目前國內的同類

19、產品是在用戶使用前已經定標完成，如果探頭損壞就只能返廠重新定標。本文針對這種問題，介紹一種可以在更換探頭后自動進行定標和調零，且具有較高的測量精度和較大的測量范圍多功能特斯拉計的軟件結構及硬件系統。1.1 霍爾傳感器的發展及現狀21世紀，是人類全面進入信息電子化的時代。隨著人類探知領域和空間的拓展，使得人們更致力于獲取外界信息的采集技術。敏感元件及傳感器是人類探知外界信息的媒介，它強大的功能可以將人們需要探知的各種非電量信息轉化為電量信息，為人們認識和控制相應的對象提供條件。現在，傳感器技術已成為21世紀人們在高新技術發展方面的一個必備條件。傳感器品種繁多，原理也各式各樣。自1879年美國物理

20、學家edwin herbert hall發現霍爾效應以來，以此為基礎的霍爾傳感器已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品家族，被越來越多地應用于工業控制的每一個領域。而由此衍生的霍爾傳感器產業也在近十幾年逐漸發展壯大起來。霍爾傳感器除了可以直接檢測各種磁性物體的磁場之外，還可以在運動物體上附上永久磁鐵，用霍爾器件去檢測隨之運動的磁場，來檢測運動物體的各種參量，如位置、位移、速度、轉速、轉數、角度等等。把這些測量數據作為計算機自動控制的輸入參量，就可實現各種控制功能。也可以把這些輸入參量用來驅動保護裝置，通過參量的控制，實現安全保護。至今霍爾器件的產品有三大類：分立霍爾元件、霍爾電路和具備各種特殊功能

21、的霍爾傳感器，例如霍爾接近開關、霍爾隔離放大器、霍爾電流傳感器等。分立霍爾元件是一種單獨的霍爾片，當放置在磁感應強度為b的磁場中時，其輸出的霍爾電動勢vh與磁感應強度b成正比，靈敏度較高。目前分立霍爾元件能檢測的最弱磁場可達108t，且線性度好。霍爾電路是將霍爾片、訊號處理電路和輸出電路在同一芯片上進行特定的設計和工藝處理制成的集成器件，它可用標準的雙極工藝或cmos工藝制作。霍爾電路分為開關電路和線性電路，前者在輸出級和差分放大之間加入一個整形電路，將差分放大器輸出的模擬信號轉換成數字信號輸出；后者由霍爾片、差分放大器與輸出級組成。因此，霍爾線性電路的輸出是一個和輸入磁感應強度b成正比的電壓

22、信號。而開關電路輸出的是一個數字信號，與該數字信號狀態變化相對應的是兩個磁感應強度，分別稱工作點磁感應強度bop和釋放點磁感應強度brp。由高電平向低電平轉變及由低電平向高電平轉變兩者之間存在一個bh的差值，由于bh的存在，使開關電路有了較強的抗電磁干擾能力。霍爾傳感器具有很多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1mhz），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性傳感器的精度高、線性度好；霍爾開關傳感器無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達m級）。另外做了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍很寬，可達5

23、5150。成為中等強度磁場檢測中的傳感器首選，得到廣泛的使用。1.2特斯拉計的主要應用20世紀70年代以來，電子技術的廣泛應用，不僅使磁學量測量的范圍擴大，準確度也得到了進一步提高。利用物質量子態變化原理設計的核磁共振測場儀，能以10-5準確度對磁場進行絕對測量。光泵磁強計可測量小于103安米的磁場，其分辨力可達10-7安米。超導量子磁強計可測量小于10-3安米的磁場，分辨力達10-9安米。利用電子積分器設計的直流磁特性測量裝置，可以自動且連續描繪材料的磁化曲線、磁滯回線。利用電壓頻率變換原理設計的數字式直流磁特性測量裝置，其準確度可達0.1。特斯拉計（高斯計）是用于測量各種永磁體表面磁場強度

24、及電磁鐵氣隙中磁場強度的測量儀器，是利用霍爾效應原理制成的測磁工具。就市面上的產品可分為便攜式、指針式、數字式等類型。采用特斯拉計測量永磁產品表面磁場強度，主要是對永磁產品的質量及充磁后磁性能一致性的評估。通常測量磁體表面中心點的磁場強度，通過與標準樣品數據進行比較就能夠判斷產品是否合格，同時也可以保證材料的一致性。測量氣隙磁場的應用比較廣泛，在科研、電子制造、機械等領域均有應用。目前應用比較典型的行業主要有電聲和電機兩大行業。目前，在科學研究和生產過程中，由于特斯拉計在測量磁場的應用中靈敏度較高、適應性強，而被廣泛采用。但由于霍爾探頭本身存在的差異性、容易損壞且定標復雜，而一般特斯拉計又只能

25、測量穩恒磁場，這大大使特斯拉計的應用范圍受到限制，所以必須設計出一個方案改變這種狀況，使特斯拉計的應用更簡易、更廣泛。1.3本文主要完成的工作本文結合磁場測量儀器的應用現狀，通過對探頭工作電流的控制和標準特斯拉計對霍爾探頭進行標定，采用單片機對霍爾探頭進行相關參數的讀取和控制，從而實現對探頭的自動標定和調零，免去了繁瑣的定標工作和所產生的誤差，實現了特斯拉計的高效率高精度測量。本儀器還可以采用單片機的定時器/計數器來測量交變磁場的頻率，并實現了對交變和脈沖磁場的測量。主要工作包括硬件和軟件兩大部分。特斯拉計系統硬件設計。它以at89c52為核心，主要包括霍爾探頭、主控電路、定標電路、信號采集和

26、處理電路、光電隔離電路、頻率測量電路、數據存儲電路、顯示電路、pc機的通訊接口和鍵盤等。磁場測量主要由霍爾探頭、恒流源、不等位電勢補償電路、信號放大電路、a/d轉換器組成。所有與模擬電路有關的低頻接口控制線都采用光電耦合器tlp521進行隔離。基于單片機控制的特斯拉計的軟件設計利用匯編語言，它包括主程序、定標子程序、數據采集子程序、頻率測量程序、鍵盤中斷服務子程序、led顯示子程序、調零子程序、d/a轉換子程序、a/d轉換子程序、串行通信子程序等。第2章 特斯拉計的工作原理2.1霍爾效應霍爾效應是磁電效應的一種，該現象是霍爾（a.h.hall，1855-1938）于1879年在研究金屬的導電結

27、構時發現的。后來發現半導體、導電流體等也有這種效應，而且半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這種現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。將一塊半導體或導體材料置于磁場之中，當施加的外磁場垂直于半導體中流過的電流時，如圖2.1所示，會在半導體內垂直于磁場和電流的方向上產生霍爾電動勢。沿z方向施加磁場b，沿x軸負方向通以工作電流i，那么載流子將在y軸方向受到洛侖茲力的作用，在y軸方向產生霍爾電動勢vh，這一現象稱為霍爾效應。根據霍爾效應制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導體薄片，實驗表明，在磁場不太強時，電位差vh與電流強度

28、i和磁感應強度b成正比，與板的厚度d成反比，即 2.1或 vh=khib 2.2式中：d為霍爾器件厚度；rh是與材料有關的霍爾系數；i為通過霍爾片的電流；b為外磁場的磁感應強度。kh表示單位控制電流和單位磁感應強度下的霍爾電勢，稱為器件的乘積靈敏度，單位為mv/( mat)。對霍爾器件而言，如果霍爾元件的靈敏度kh已知，測出控制電流i和產生的霍爾電壓vh，就可確定霍爾元件所在處的磁感應強度。圖2.1霍爾效應原理圖產生霍爾效應的原因是作定向運動的帶電粒子即載流子（n型半導體中的載流子是帶負電荷的電子，p型半導體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中受到洛侖茲力的作用而產生的。下面以n型半導體為例，

29、討論一下霍爾電動勢的產生，電子所受到的洛侖茲力為： 2.3式中v為電子的漂移運動速度，e為電子的電荷量。fm指向y軸的正方向。自由電子受力偏轉，同時在相反方向上出現相同數量的正電子荷，在兩側面間形成一個沿y軸正方向上的橫向電場eh（即霍爾電場），使運動電子受到一個沿y軸負方向的電場力fe，兩側面之間的電位差為vh（即霍爾電壓），則 2.4電場力將阻礙電荷的積聚，最后達穩定狀態時有即 得 2.5若n型單晶中的電子濃度為n，則流過樣品橫截面的電流得 2.6將2.6式代入2.5式得 2.7式中稱為霍爾系數，它表示材料產生霍爾效應的本領大小；稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說，kh愈大愈好，以便獲得較大的

30、霍爾電壓vh。因kh和載流子濃度n成反比，所以采用半導體材料作霍爾元件靈敏度較高。kh和樣品厚度d成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般d0.2mm。2.2霍爾傳感器恒磁場又稱為靜磁場，但交變磁場，脈動磁場和脈沖磁場屬于動磁場。測量磁場的方法很多，根據磁場的類型以及強度，測量的方法也有所不同，下面介紹幾種測量磁場的方法。并討論霍爾傳感器及其優點和特性。2.2.1幾種測磁方法感應線圈磁力計法是根據法拉第電磁感應定律而制成的，即線圈中感應電壓和線圈中磁場的變化率成正比關系。在線圈中產生和磁場變化率成比例的電流。感應線圈的靈敏度依賴于鐵心、匝數和線圈面積。只要線圈處于變化的磁場中或在磁場中運動，就會產生

31、感應電流。感應線圈大多用于距離探測，不能探測靜態或緩慢變化的磁場。超導測磁法是利用超導結的臨界電流隨磁場周期起伏的現象來測磁的。目前的儀器設計靈敏度很高，測程可從零到數千高斯，能響應零到幾兆甚至到1000mhz快速的磁場變化。工作原理如圖2.2所示。由于低溫超導較難達到，現有超導測磁儀器主要是對高溫超導進行研究的成果。超導量子干涉裝置磁力計可感應磁場范圍從幾到9t，而人腦產生的磁場一般約為數十，因此這種磁力計在醫學領域廣泛應用。圖2.2超導測磁原理示意圖光泵測磁法是應用光學技術物理原理實現的，用光學設備選擇出一定頻率的光照射含有堿金屬蒸汽的吸收室，將其泵激到特定的某個能級（這種技術稱為光泵技術

32、），將交變磁場加在吸收室上，當交變磁場的頻率與電子兩亞能級之間的躍遷頻率相等時，達到共振，將改變吸收室的吸收程度，使其變混濁，由于這一共振頻率與外磁場成正比，所以測量共振頻率就可以求出外磁場的值。光泵測磁儀器是利用近30年來新發展起來的光泵技術制成的高靈敏度測磁儀器，其靈敏度很高。可用來測量原子的超精細結構及地磁場。2.2.2霍爾傳感器霍爾效應原理本章第一節已經介紹。圖2.3所示為霍爾元件基本電路。磁場b穿過元件，控制電流由電源e供給，r為控制電流的調節電阻，霍爾電勢輸出端接負載電阻rl，它可以是一般電阻，也可以是信號放大器的輸入電阻。控制電流i、磁感應強度b兩者均為輸入信號，在它們相互作用下

33、，產生電勢vhkhib。霍爾傳感器既可以測得磁場的大小，又可以測得磁場的方向。霍爾傳感器在平衡點上，載流子大約沿長度方向上作直線運動，另外的電荷不再聚集在側面上。在磁場作用下，兩端電阻幾乎沒有變化。兩側面所測霍爾差分電壓和垂直于半導體片的磁場成正比，符號隨外加磁場方向的改變而改變。霍爾磁場傳感器大多使用n型硅和砷化鎵（），因為它們具有較大的空隙帶和較高的抗溫度變化的能力。此外，砷化銦（）和銻化銦（）等材料由于其載流子的遷移率高，可獲得較大的靈敏度和較高的頻率響應。 圖2.3 霍爾元件的基本電路由于霍爾元件對磁場敏感，且有簡單、頻率響應寬（從直流到微波）、動態范圍大、壽命長、無接觸等優點，因此在

34、測量技術、自動化技術和信息處理等方面得到的應用非常廣。霍爾傳感器典型頻率帶寬可達1020khz，基本特性好，原理及結構簡單，和微電子電路兼容。簡單化使其在不同應用中易于優化及小型化，并且對靈敏度影響不大。和微電子電路的兼容使它可利用微電子工業中的先進校正方法和高質量材料，促進了自身的持續發展。霍爾元件和更好的接口及信號處理電子電路的集成將會導致性價比高的新型傳感器系統的發展。它在電流傳感和無刷電機控制中占有絕對優勢，在磁場的測量中占據著不可替代的重要地位。第3章系統的硬件電路設計本章就所研究的多功能特斯拉計各硬件模塊做了詳細討論，該電路系統主要由主控電路、定標電路、信號處理及采集電路、頻率測量

35、電路等組成。電路的原理框圖如圖3.1所示。壓控恒流源待測磁場霍爾探頭信號預處理信號放大采樣與峰值測量隔離電路數字調零鍵盤顯示a/d轉換cpud/a轉換存儲器頻率測量圖3.1特斯拉計電路原理框圖工作原理：cpu輸出的控制信號經d/a轉換，控制壓控恒流源。當磁場強度小于1.0t時，霍爾探頭輸出與線圈測得的實際場強一致，呈良好線性。這時，可通過改變探頭的工作電流i,使霍爾電壓vh與測量線圈獲得的磁感應強度b成一定的比例關系，完成線性區的標定。當場強大于1.2t時，霍爾探頭輸出呈非線性，a/d轉換的結果必須進行修正才能得到被測磁場的準確值。這時只要單片機讀取與特斯拉計接口處所封裝的e2prom中表格中

36、相應的數值，經過插值運算就可得到磁場的值。該表格是根據每個霍爾探頭特性的各不相同，事先將測得的真實場強數據和對應的霍爾探頭輸出，整理成表格，固化到e2prom中，封裝在霍爾探頭與特斯拉計接口處，待以后使用。以完成非線性區的標定和測量工作。此外，儀器采用程控放大，可實現自動量程轉換。在系統中添加了采樣保持電路，使交變和脈沖磁場的測量成為可能。同時利用單片機的定時/計數器測量磁場的頻率。3.1主控電路設計本文所介紹的特斯拉計主控電路以at89c52為核心，包括一個雙通道雙極性的a/d轉換器max110、兩個串行十六位d/a轉換器max541、一個定標參數表格存儲器x24128、用1602組成的顯示

37、電路以及與微機通訊的rs232串行接口等。為了減少數字信號與模擬信號之間的相互干擾，在模擬電路與數字電路之間添加光電耦合器tlp521。a/d轉換器max110用來采集保持后的感應電壓信號。兩個d/a轉換器max541中的一個用來輸出霍爾不等位電勢的補償電壓，用于數字調零電路中的調零；另一個用來輸出單片機給出的控制信號，控制壓控恒流源。該特斯拉計由i/o口實現六個按鍵：電源鍵、定標鍵、調零鍵、量程轉換鍵、自動測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤采用中斷方式工作。用led顯示實時測量數據，其中一行用來顯示交變磁場頻率，另一行顯示測量的各種類型的磁場數值。當測量穩恒場時，顯示磁場值；當測量脈沖場時，顯示峰值；

38、當測量交變磁場時，由軟件的控制依次顯示正、負峰值及峰峰值，顯示時間間隔由軟件控制定為5s，當按下顯示暫停鍵時，保持當前顯示數據，再次按顯示暫停鍵，顯示下一個數據，從而實現交變場的測量。存有霍爾探頭參數表的存儲器x24128與特斯拉計封裝在一起，當特斯拉計工作時，通過串行總線和主機相連。更換探頭時，通過主機的控制，讀出表格，實現定標等工作。3.2定標電路的設計定標電路主要由一個壓控恒流源和提供控制電壓的d/a轉換電路組成。定標數據存儲在數據存儲器x24128中。下面就這三個方面做出了介紹。3.2.1 d/a轉換器max541是美國maxim公司生產的d/a轉換芯片，它是低功耗（1.5mw），無緩

39、沖電壓輸出，能夠驅動60k的負載，用單+5v電源工作的串行16位數模轉換器。其轉換時間為1s，輸出電壓變換范圍為0vvref。儀器中用max541輸出控制電壓，控制恒流源完成定標。out接壓控恒流源的輸入端。接口電路圖如下圖3.2所示。圖3.2 max541接口電路圖3.2.2壓控恒流源恒流源，是一種能向負載提供恒定電流的電路。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩定其靜態工作點，又可以作為有源負載，以提高放大倍數。恒流源在差動放大電路、脈沖產生電路中得到了廣泛應用。按照恒流源電路主要組成器件的不同，可分為晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源三類。晶體管恒流源利用了晶體三極管集電極電壓變化

40、對電流影響小的特點，并在電路中采用電流負反饋來提高輸出電流的恒定性，有時還經常采用一定的溫度補償和穩壓措施。廣泛地用作差動放大器的射極公共電阻，或作為放大電路的有源負載，也用作偏流使用，還可以作為脈沖產生電路的充放電電流。場效應管恒流源和晶體管恒流源相比，其等效內阻較小，如果增大電流負反饋電阻，場效應管恒流源會取得更好的效果。而且不需要輔助電源，是一個純粹的兩端網絡，可以用來代替任意一個歐姆電阻。通常，將場效應管和晶體管配合使用，其恒流效果會更好。集成運放恒流源具有穩定性更好，恒流性能更高的優點，特別在負載一端需接地，要求大電流的場合，獲得了廣泛應用。本文采用運算放大器lm358構成壓控恒流源

41、，為霍爾元件提供工作電流，控制電壓vi由16位d/a轉換器max541來提供，該恒流源的內阻和輸出電流均能滿足霍爾元件的工作要求，且所組成的電路中，電阻阻值較低，電路較為簡單實用。運算放大器構成恒流源電路如圖3.3所示。由運算放大器a1、a2及其外接電阻組成，a1、a2采用高阻運算放大器lm358，當a1、a2按理想參數考慮并且忽略電源內阻對恒流源輸出特性影響時，該恒流源的有關參數計算如下：圖3.3恒流源電路流過負載rl的電流iout：在圖3.5電路中，運算放大器a1、a2均工作在線性區，且認為a1、a2均為理想運算放大器。a2構成電壓跟隨器，a1構成電壓比較器。設a1的輸出電壓為v1，a2的

42、輸出電壓為v2，由圖3.5可知a2同相端電壓為： 由電壓跟隨器的特點，知a2的輸出電壓： 3.4根據運算放大器“虛斷”的特點，可求出a1同相端電壓： 3.5相同的可求a1反向端電壓值： 3.6根據集成運放工作在線性區“虛短”的特點，可知v1+=v1-，于是由式3.4、3.5、3.6得出 3.7由3.7式整理出： 3.8因為 , 將3.8式代入得： 3.9將電路圖中所選電阻值r1=r2=20k，r3=r4=80k代入3.9中有： 3.10式3.10說明壓控恒流源的輸出電流與負載電阻無關，只由輸入電壓vi控制。vi由十六位d/a轉換器max541提供（dao接out腳），可在02.5v之間以0.0

43、4mv的分辨率調節。這樣恒流源的電流輸出可以在010ma范圍內，以0.16a的分辨率調節，可以完全滿足一般霍爾探頭的恒流工作要求。3.3.3參數存儲器為了實現自動定標的功能，需要將有關霍爾探頭的數據表格存儲在存儲器上，在每次更換探頭的過程中，單片機會自動查詢存儲器上的定標數據，恢復到正常定標后的測量狀態。目前非易失性的數據保存方法大多采用e2prom。本文采用存儲器芯片x24128。x24128為美國xicor公司生產的cmos串行通信e2prom。內部結構為16k字節8位陣列。x24128在2線總線上可同時并聯8片，并具有軟件和硬件寫保護功能。sda總線上通信數據的改變必須在scl總線處于低

44、電平狀態時進行，scl總線處于高電平時，數據處于保持狀態。在通信過程中接收數據的器件每次有效地接收到8位數據后，都給發送數據的器件發送一個負脈沖應答信號。在寫操作過程中，x24128每次接收到8位數據（包括接收到8位地址數據）后，在sda總線上產生一個負脈沖，該脈沖的寬度一直延續到第9個時鐘脈沖信號結束。在讀操作過程中cpu每次接收到x24128所發送的8位數據后，在sda總線上再發送一個負脈沖，以示讀有效，然后x24128就可以繼續發送數據。如果x24128未接收到應答信號，則停止發送數據，直到接收到結束信號時，通信結束。圖3.4 x24128接口電路本儀器在設計過程中，在霍爾探頭與特斯拉計

45、相連接處的接頭內部封裝一個串行x24128，每次霍爾探頭損壞后，更換探頭時，單片機通過定標程序，讀取x24128數據區的定標數據，調節可控恒流源來完成自動定標。當定標完成后，可以在單片機的控制下開始測量磁場，區分線性區和非線性區進行相應的轉換和插值計算得到磁場大小的數值。3.4信號采集及處理 數據采集系統有一些很重要的技術指標，例如系統控制方式，系統總數據量，系統功耗要求，系統可靠性，系統自動增益調節方式等。這里簡單介紹三個主要技術指標：分辨率、精度和通過速率。系統分辨率是指數據采集系統可以分辨的輸入信號的最小變化量。常用最低有效位，系統滿度信號的百分數或系統可分辨的實際電壓數值來表示。、系統

46、精度是指當系統工作于額定通過率下，每個離散的采樣樣本的轉換精度。a/d轉換器是一個系統精度的極限值，對一個八位分辨率的系統，采用一個八位的adc，數據采集系統中的模擬多路開關以及采樣放大器的精度均應顯著優于選用的adc器件，系統精度才能保證。系統通過速率通常又稱為系統速度、傳輸速度、采集速率以及吞吐率等。系統通過速率是指系統每個通道、每秒鐘可采集、處理的樣本數。在時間域上，與通過速率相對應的技術指標是通過周期，這是通過速率的倒數。通過周期又稱為系統響應時間，或系統采集周期，這表明了系統每采集一個有效數據所占用的時間。鑒于要對不同類型的磁場（穩恒場、脈沖場、交變場）進行高精度測量，本系統信號采集

47、和處理電路采用了包括程控放大電路、數字調零電路、峰值檢測與保持電路、max110通道組成的結構。3.4.1程控放大測量儀器中傳感器輸出的信號一般都比較微弱，為了測量信號的研究方便，都要對其進行放大。如果放大倍數的選擇是由人工操作來完成的，往往需要多次試探才能找到合適的放大倍數。這既給操作者帶來困難，同時又降低了測試速度，特別是在要求實時測量的場合，更是難以滿足要求。所以應采用具有可變放大倍數的程控放大器，采用單片機對放大倍數進行選擇并控制，可根據不同的輸入信號，在程序控制下自動選擇合適的放大倍數，從而，加快測試速度提高了測試的自動化水平，簡化了測試工作。本儀器即采用程控放大來實現多種場的測量，

48、用單片機選擇控制放大器的放大倍數，從而為測量增加靈活性，也同時提高了精度，減少了測試時間的浪費。程控放大器是由衰減電阻網絡，一組開關和一個固定放大器組成的輸入衰減固定式pga；由一組開關及電阻網絡組成，基于輸入電阻和反饋電阻的pga和由幾個固定增益的運算放大器及幾個開關組成的串行式pga三種類型。本儀器采用了由一組開關及電阻網絡和一個集成運算放大器組成的程控放大電路，通過單片機控制可控模擬開關選擇性接通就可以得到不同的放大倍數，從而滿足測量需求。本系統要采集的信號較弱，由于被測信號很小，需要選用性能優良的放大器才能實現對這種弱信號的準確放大。因此在器件選擇上應選用高精度、低漂移、高穩定度的運放

49、。在設計中采用了較常用的op07。op07是一種高精度低漂移器件。程控放大電路見圖3.5所示，霍爾電動勢經電壓跟隨器后，通過模擬開關cd4052的選通，選擇不同的電阻接入電路，從而改變了放大的倍數。本文通過選擇電阻組合，可實現5倍、10倍、50倍、100倍的放大倍數。模擬開關的a、b腳由p1.6、p1.7控制，通過檢驗測量數值的大小，來選擇合適的放大系數，達到程控的目的。圖3.5程控放大電路3.4.2數字調零電路由于制作工藝的原因，霍爾器件總有不等位電動勢存在。霍爾元件在額定控制電流作用下，無外加磁場時輸出電極間的開路電勢差，稱為不等位電勢。它是由于兩個輸出電極不在同一個等位面上而造成的。產生

50、的原因主要有材料電阻率的不均勻、基片寬度和厚度不一致及電極與基片之間的接觸位置不對稱等。為了適應自動測量的需要，不等位電壓就必須適時地消除，本儀器的不等位電壓補償由數字調零電路來實現，其原理圖見圖3.6所示。實際上該電路是由兩個高精度低漂移運算放大器op07構成的加減法運算電路。在儀器出廠前，對各種探頭不同的量程進行調零，并將其對應的補償電壓數值存在eprom中；測量過程中量程轉換或手動選擇量程后，可直接查詢相應的數值，由d/a轉換器輸出補償電壓給數字調零電路，進行調零。由于采用了高精度的a/d和d/a轉換器，調零后的不等位電勢小于0.1mv。完全可以保證精確的測量。圖3.6數字調零電路調零網

51、絡需要一個穩定的低壓，儀器采用低壓基準芯片mc1403。其輸出電壓為2.5v25mv，輸入電壓范圍為4.540v，一般常用作812bit的d/a芯片的基準電壓等一些需要精準的基準電壓的場合。 mc1403的輸出vout為2.5v，經預處理及程控放大后的待測信號為vin，由于u1、u2均組成了加法電路，可求u1的輸出v1o， 3.11vdao為dac輸出的補償電壓，u2的輸出電壓v2o為： 3.12最后數字調零電路輸出值為，該值是經過數字調零后的準確值。由圖可知它等于v2o。綜合上面兩式，再將以上電路中電阻數值帶入其中，r1=r4=r6=r7=r9=30k，r2=60k；為2.5v。可得 3.1

52、3可見輸出中已經消除了不等位電勢。3.4.3峰值檢測與保持電路在對高速變化的模擬信號進行采樣時，必須在輸入模擬信號和a/d轉換器之間加上采樣保持電路，才能保證a/d變換的可靠性與準確性。lf398是采樣保持專用的芯片。lf398為美國國家半導體公司研制的集成采樣保持器。它只需外接一個保持電容就能完成采樣保持功能，其采樣保持控制端可直接接于ttl、cmos邏輯電平，輸入偏移調節由單腳執行。電源電壓vcc為（+5+18）v；vee為（-5-18）v，額定功耗為500mw，工作溫度為070，輸入電壓電源電壓，保持電容短路時間為10秒。本儀器為測量交變磁場的峰值，設計了由采樣保持器lf398和邏輯電路

53、組成的正負峰值檢測保持電路。電路的原理圖如下圖3.7所示。圖中由模擬開關cd4052接成兩路開關，當p1.1電平為低時進行負峰值的采樣保持，為高時進行正峰值采樣保持。ap1.2、ap2.0、ap2.1、ap1.3、ap2.2、ap2.3是由單片機i/o口p1.2、p2.0、p2.1、p1.3、p2.2、p2.3經同相光電隔離后的控制信號，分別用來控制正、負峰值的檢測與保持。圖3.7峰值檢測保持電路下面以正峰值采樣保持為例介紹電路的工作原理。當p1.1為高時，lf398的控制端8的邏輯值d=（a+b）c，當d為高電平時lf398處于跟隨采樣狀態，輸出電壓跟隨輸入電壓變化；當d為低電平時lf398

54、處于保持狀態，輸出保持不變。用單片機的p2.0、p2.1、p1.2腳作為控制引腳。當進行數據采集時，置p2.0為低電平，p2.1置高，這樣lf398的控制端高還是低就完全取決于lm319比較器的輸出端。設計電路使lm319的輸出電平由lf398的輸出電壓vo和輸入電壓vin比較的結果而決定。當輸入電壓vin高于輸出電壓vo時，lm319的輸出為高電平，由或和與的邏輯運算，lf398的邏輯控制8腳被置成高電平，使lf398處于跟隨狀態；當輸入電壓vin達到峰值而下降時，vo要大于vin，lm319輸出低電平，lf398的邏輯控制端被置為低電平，使lf398處于保持狀態，從而實現了對峰值的保存。在

55、采樣狀態，為了使保持下來的峰值不被下一個不同的峰值替換掉，當檢測到p1.2被置成低電平（lf398已經取得峰值，vo大于vin）時，單片機控制置p2.1腳為低電平，這樣d只能為低電平，lf398控制端為低，只能處于保持狀態，從而封鎖了輸入信號，當將其值被a/d轉換器讀走之后，再重新置p2.1為高電平，繼續采集下個峰值。當測量穩恒磁場和交變磁場時，為提高測量的準確度，提高精度，常需要轉換量程。這時必須要在每次轉換量程后，先把p2.0和p2.1置高，使lf398處于跟隨狀態，延時50s，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，完成量程轉換，這樣才能保證測量的準確性。負峰值采樣保持與正峰值檢測保持工作原理相似，當p1.1為低時開始工作。邏輯控制部分由單片機的p1.3、p2.2、p2.3腳來完成。保持下來的峰值送給max110里進行檢測。3.4.4 a/d轉換電路因為模數轉換器是一個系統精度的極限值，為了保證數據采集的精度