可自动定标的高精度磁场测量仪的设计

　　该测量仪可以完成对稳恒场，脉冲场峰值，交变场正负峰值、峰峰值及其频率的测量，同时具有自动测量功能。

　　

　　图1：霍尔效应原理图

　　测量原理

　　霍尔效应的基本原理如图1所示。在Y方向通以电流I，并在Z方向施加磁感应强度为90的磁场，那么载流子在X方向受到洛仑兹力作用而在两端产生霍尔电动势EH。根据霍尔效应制造的霍尔器件是具有一定形状的半导体薄片，其霍尔电动势为：

　　EH=RH（IB0/d）（1）

　　式中，RH为与材料有关的霍尔系数，d为霍尔器件的厚度，I为流过霍尔器件的电流，Bo为外磁场的磁感应强度。对一个霍尔器件而言，在电流I恒定的情况下，EH与外磁场Bo成正比，设比例系数K=RH。因此，对于不同的霍尔传感器，可以通过改变工作电流I，使其具有相同的比例系数。

　　霍尔器件的定标就是确定霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系。所以在霍尔器件的线性区，可以通过改变工作电流I，使其达到预先设置的霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系，从而完成线性区的定标。把对应工作电流下的非线性区霍尔电动势与外磁场Bo作成数据表格存储在一个串行的E2PROM中，测量时就可以通过查表和线性拟合的方法求得外磁场Bo。因此，只需在霍尔器件探头上封装一个串行E2PROM，将该探头的工作电流和对应的非线性区表格存储在其中即可。更换探头后磁场测量仪的CPU可以从E2OPROM中取得该探头的工作电流，然后调节一个可控的恒流源完成定标工作。

　　硬件设计

　　该仪器的硬件电路主要由主控电路、定标电路、信号处理与采集电路、频率测量电路等组成。

　　主控电路

　　主控电路以AT89C52为核心，包括一个双通道A/D转换器MAXlll、两个D/A转换器MAX541、经8279扩展的键盘显示电路、一个定标参数存储器X24128以及与上位机通讯的RS232接口。为了减少干扰，在模拟电路与数字电路之间加有光电隔离电路。

　　A/D转换器MAXlll的一路用来检测调零电路输出，另一路用来采集保持后的感应电压信号。两个D/A转换器MAX541中的一个用来输出霍尔不等位电势的补偿电压，另一个用来控制压控恒流源。

　　经8279扩展六个按键：电源键、定标键、调零键、量程转换键、自动测量键、显示暂停键，键盘以中断方式工作。同时经8279扩展出双8位的数字表头，一个用来显示交变磁场频率，另一个由软件控制根据不同的磁场显示不同数值。当测量稳恒场时，显示磁场值;当测量脉冲场时，显示峰值;当测量交变磁场时，由软件控制依次显示正、负峰值及峰峰值，显示时间间隔由软件控制为5s，当按下显示暂保持键时，保持当前显示数据，再次按显示保持键，显示下一个数据。

　　参数存储器X24128与霍尔器件封装在一起，通过串行总线和主机相连。

　　定标电路设计及工作原理

　　定标电路主要由一个压控恒流源和提供控制电压的D/A转换电路组成。压控恒流源由两个高阻型双运算放大器LM358构成，其原理图如图2所示。

　　

　　图2：压控恒流源原理图

　　从图中可得出：

　　Iout=—4VIN（mA）

　　式中，VIN由16位D/A转换器MAX541提供，可在0～2.5V之间以0.04mV的分辨率调节。那么恒流源电流可在0～10mA之间以0.161μA的分辨率调节，完全可以满足一般霍尔器件的恒流工作要求。

　　信号处理与采集电路

　　为了对不同类型磁场进行高精度测量，本系统信号处理电路由程控放大电路、数字调零电路、峰值检测与保持电路组成。处理后信号的采集由MAXlll通道1完成。

　　数字调零电路

　　由于制作工艺的原因，霍尔器件总有不等位电势存在。为了适应自动测量的需要，不等位电压的补偿由数字调零电路实现，其原理图如图4所示。该电路实际上是由两个运算放大器构成的加减运算电路。在系统初始化时，对不同量程进行调零，并将对应的补偿电压数值存在RAM中;测量过程中量程转换或手动选择量程后，可直接查询相应的数值，由D/A转换器输出补偿电压。由于采用了高精度的A/D和D/A转换器，调零后的不等电位小于0.1mV。

　　峰值检测与保持电路

　　为了测量脉冲磁场和交变磁场的峰值，本系统含有由采样保持器LF398［5］和逻辑控制电路组成的正负峰值检测保持电路。正峰值检测保持电路原理图如图 5所示。LF398的控制端8的逻辑值E=（A+B）*D，当E为高时LF398处于跟随状态，输出电压等于输入电压;当E为低时LF398处于保持状态，输出保持不变。峰值保持电路的工作过程是：当进行数据采集时，使P2.0置低电平，P2.1置高，这样LF398的控制端完全取决于LM319比较器的输出端。LM319的输出电平可由LF398的输出电压Vo和输入电压Vin比较的结果决定。当输入电压Vin高于输出电压Vo时，LF398的逻辑控制被置成高电平，使LF398处于跟随状态;当输入电压Vin达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制端被置成低电平，使LF398处于保持状态，从而实现了对“峰值”的保持。在采样状态，为了使保持下来的峰值不被下一个不同的峰值冲掉，当检测到P1.2被置成低电平（LF398已经取得峰值）时，使 P2.1脚置低电平，从而封锁了输入信号。在测量稳恒磁场和交变磁场时，为了提高准确度，常需要转换量程。每次转换量程后，先把P2.0和P2.1置高，使LF398处于跟随状态，延时50μs，使得LF398的输出和输入相等;然后将P2.0置低，进入峰值检测状态，即可完成量程转换。

　　负峰值检测电路只是在正峰值检测电路之前加了一个反相器，逻辑控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下来的峰值经一个模拟开关CD4051后由MAXlll的通道1检测。

　　频率测量

　　由于AT89C52含有三个定时计数器，测量频率非常简单方便，只需对调零后的输出信号进行适当的放大，其后经过一个过零滞回比较器整形后得到方波信号，再通过一个四分频器输入到AT89C52的计数器T1和外部中断INT0即可。为了更加准确地测量频率，当信号频率高于5kHz时用测频法，即关中断 INT0，把定时器TO设定一个时间to，开计数器T1，计数器溢出一次，则把内存中某个单元加1;若to时间内计数值为N1，可求得被测信号的频率为 4Nl/to。频率低于5kHz时用测周期法，即关计数器T1，开定时器TO，中断INT0以边沿方式触发，发生第一次中断时，TO计时为t1，再次发生中断时关掉中断，此时计数器TO计时为t2，则被测信号的周期T=（t2-t1）/4、f=4/（t2-t1）。为了测较低的信号频率，可以使TO循环计数。由于加了四分频，该方法可测小于2MHz的信号。

　　

　　图3：仪器软件流程图

　　仪器的软件设计

　　仪器软件采用汇编语言编写，包括主程序、定标子程序、调零子程序、数据采集子程序、显示子程序、键盘中断服务子程序、频率测量程序、A/D转换程序、D /A转换程序、计算磁场大小子程序等。系统默认为自动测量模式，选择最大量程。在键盘中断程序中，不同的键被按下，执行不同的程序。在数据采集子程序中，判断是否为手动，若是则直接采集，并保存数据。若不是则判断量程是否合适，不合适则转换量程重新测量，并保存上次测量值。若转换后测量为零，说明为脉冲场，以上次测的值为准。因此，对于脉冲场，若知道其场强范围，最好手动选择量程。仪器软件流程图如图3所示。

　　该测场仪以单片机为核心，采用串行存储器扩大了磁场测量范围，采用压控恒流源技术解决了霍尔探头更换后的定标问题。该仪器具有自动量程转换功能，并能同时测量磁场频率，其磁场的测量范围为：0.01mT～6T，测量精度优于量程的±0.2%，特别适合于磁场大、类型未知的测量场合。