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

 

 

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。

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

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。

 

 

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daoAT89C52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(tu)3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。