該測量儀可以完成對穩恒場，脈衝場峰值
，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，並在Z方向施加磁感應強度為90的磁場，那麼載流子在X方向受到洛侖茲力作用而在兩端產生霍爾電動勢EH。根據霍爾效應製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係數，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
，設比例係數K=RH 。因此
，對於不同的霍爾傳感器
，可以通過改變工作電流I
，使其具有相同的比例係數。

霍爾器件的定標就是確定霍爾電動勢EH與外磁場Bo的比例關係。所以在霍爾器件的線性區，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的比例關係，從而完成線性區的定標。把對應工作電流下的非線性區霍爾電動勢與外磁場Bo作成數據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，隻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表格存儲在其中即可。更換探頭後磁場測量儀的CPU可以從E2OPROM中取得該探頭的工作電流，然後調節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轉換器MAXlll、兩個D/A轉換器MAX541
、經8279擴展的鍵盤顯示電路、一個定標參數存儲器X24128以及與上位機通訊的RS232接口。為了減少幹擾
，在模擬電路與數字電路之間加有光電隔離電路。

A/D轉換器MAXlll的一路用來檢測調零電路輸出
，另一路用來采集保持後的感應電壓信號。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，另一個用來控製壓控恒流源。

經8279擴展六個按鍵：電源鍵
、定標鍵
、調零鍵、量程轉換鍵、自動測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤以中斷方式工作。同時經8279擴展出雙8位的數字表頭，一個用來顯示交變磁場頻率，另一個由軟件控製根據不同的磁場顯示不同數值。當測量穩恒場時，顯示磁場值;當測量脈衝場時，顯示峰值;當測量交變磁場時，由軟件控製依次顯示正
、負峰值及峰峰值，顯示時間間隔由軟件控製為5s
，當按下顯示暫保持鍵時，保持當前顯示數據，再次按顯示保持鍵，顯示下一個數據。

參數存儲器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製電壓的D/A轉換電路組成。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轉換器MAX541提供

，可在0～2.5V之間以0.04mV的分辨率調節。那麼恒流源電流可在0～10mA之間以0.161μA的分辨率調節，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，本係統信號處理電路由程控放大電路、數字調零電路、峰值檢測與保持電路組成。處理後信號的采集由MAXlll通道1完成。

數字調零電路

由(you)於(yu)製(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)的(de)原(yuan)因(yin)，霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)總(zong)有(you)不(bu)等(deng)位(wei)電(dian)勢(shi)存(cun)在(zai)。為(wei)了(le)適(shi)應(ying)自(zi)動(dong)測(ce)量(liang)的(de)需(xu)要(yao)，不(bu)等(deng)位(wei)電(dian)壓(ya)的(de)補(bu)償(chang)由(you)數(shu)字(zi)調(tiao)零(ling)電(dian)路(lu)實(shi)現(xian)，其(qi)原(yuan)理(li)圖(tu)如(ru)圖(tu)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。在係統初始化時
，對不同量程進行調零，並將對應的補償電壓數值存在RAM中;測量過程中量程轉換或手動選擇量程後，可直接查詢相應的數值，由D/A轉換器輸出補償電壓。由於采用了高精度的A/D和D/A轉換器，調零後的不等電位小於0.1mV。

峰值檢測與保持電路

為了測量脈衝磁場和交變磁場的峰值
，本係統含有由采樣保持器LF398[5]和邏輯控製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的控製端8的邏輯值E=(A+B)*D，當E為高時LF398處於跟隨狀態
，輸出電壓等於輸入電壓;當E為低時LF398處於保持狀態

，輸出保持不變。峰值保持電路的工作過程是：當進行數據采集時，使P2.0置低電平，P2.1置高，這樣LF398的控製端完全取決於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比較的結果決定。當輸入電壓Vin高於輸出電壓Vo時
，LF398的邏輯控製被置成高電平
，使LF398處於跟隨狀態;當輸入電壓Vin達到峰值而下降時，LF398的邏輯控製端被置成低電平，使LF398處於保持狀態，從而實現了對“峰值”的保持。在采樣狀態，為了使保持下來的峰值不被下一個不同的峰值衝掉，當檢測到P1.2被置成低電平(LF398已經取得峰值)時，使P2.1腳置低電平，從而封鎖了輸入信號。在測量穩恒磁場和交變磁場時，為了提高準確度，常需要轉換量程。每次轉換量程後，先把P2.0和P2.1置高
，使LF398處於跟隨狀態，延時50μs
，使得LF398的輸出和輸入相等;然後將P2.0置低，進入峰值檢測狀態
，即可完成量程轉換。

負峰值檢測電路隻是在正峰值檢測電路之前加了一個反相器，邏輯控製部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下來的峰值經一個模擬開關CD4051後由MAXlll的通道1檢測。

頻率測量

由於AT89C52含(han)有(you)三(san)個(ge)定(ding)時(shi)計(ji)數(shu)器(qi)，測(ce)量(liang)頻(pin)率(lv)非(fei)常(chang)簡(jian)單(dan)方(fang)便(bian)，隻(zhi)需(xu)對(dui)調(tiao)零(ling)後(hou)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)適(shi)當(dang)的(de)放(fang)大(da)，其(qi)後(hou)經(jing)過(guo)一(yi)個(ge)過(guo)零(ling)滯(zhi)回(hui)比(bi)較(jiao)器(qi)整(zheng)形(xing)後(hou)得(de)到(dao)方(fang)波(bo)信(xin)號(hao)
，再(zai)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)四(si)分(fen)頻(pin)器(qi)輸(shu)入(ru)到(dao)AT89C52的計數器T1和外部中斷INT0即可。為了更加準確地測量頻率

，當信號頻率高於5kHz時用測頻法，即關中斷INT0
，把定時器TO設定一個時間to，開計數器T1，計數器溢出一次，則把內存中某個單元加1;若to時間內計數值為N1，可求得被測信號的頻率為4Nl/to。頻率低於5kHz時用測周期法，即關計數器T1，開定時器TO，中斷INT0以邊沿方式觸發
，發生第一次中斷時
，TO計時為t1，再次發生中斷時關掉中斷，此時計數器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循環計數。由於加了四分頻，該方法可測小於2MHz的信號。

圖3：儀器軟件流程圖

儀器的軟件設計

儀器軟件采用彙編語言編寫
，包括主程序、定標子程序、調零子程序、數據采集子程序
、顯示子程序、鍵盤中斷服務子程序、頻率測量程序


、A/D轉換程序
、D/A轉換程序、計ji算suan磁ci場chang大da小xiao子zi程cheng序xu等deng。係xi統tong默mo認ren為wei自zi動dong測ce量liang模mo式shi，選xuan擇ze最zui大da量liang程cheng。在zai鍵jian盤pan中zhong斷duan程cheng序xu中zhong，不bu同tong的de鍵jian被bei按an下xia，執zhi行xing不bu同tong的de程cheng序xu。在zai數shu據ju采cai集ji子zi程cheng序xu中zhong
，判pan斷duan是shi否fou為wei手shou動dong，若ruo是shi則ze直zhi接jie采cai集ji，並bing保bao存cun數shu據ju。若ruo不bu是shi則ze判pan斷duan量liang程cheng是shi否fou合he適shi，不bu合he適shi則ze轉zhuan換huan量liang程cheng重zhong新xin測ce量liang
，並bing保bao存cun上shang次ci測ce量liang值zhi。若ruo轉zhuan換huan後hou測ce量liang為wei零ling
，說shuo明ming為wei脈mai衝chong場chang
，以yi上shang次ci測ce的de值zhi為wei準zhun。因yin此ci，對dui於yu脈mai衝chong場chang，若ruo知zhi道dao其qi場chang強qiang範fan圍wei，最zui好hao手shou動dong選xuan擇ze量liang程cheng。儀yi器qi軟ruan件jian流liu程cheng圖tu如ru圖tu3所示。

該(gai)測(ce)場(chang)儀(yi)以(yi)單(dan)片(pian)機(ji)為(wei)核(he)心(xin)，采(cai)用(yong)串(chuan)行(xing)存(cun)儲(chu)器(qi)擴(kuo)大(da)了(le)磁(ci)場(chang)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)，采(cai)用(yong)壓(ya)控(kong)恒(heng)流(liu)源(yuan)技(ji)術(shu)解(jie)決(jue)了(le)霍(huo)爾(er)探(tan)頭(tou)更(geng)換(huan)後(hou)的(de)定(ding)標(biao)問(wen)題(ti)。該(gai)儀(yi)器(qi)具(ju)有(you)自(zi)動(dong)量(liang)程(cheng)轉(zhuan)換(huan)功(gong)能(neng)，並(bing)能(neng)同(tong)時(shi)測(ce)量(liang)磁(ci)場(chang)頻(pin)率(lv)，其(qi)磁(ci)場(chang)的(de)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)為(wei)：0.01mT～6T，測量精度優於量程的±0.2%，特別適合於磁場大
、類型未知的測量場合。