毕业设计-基于AT89C52单片机的特斯拉计计算.doc

分类号： 编号：沈阳化工大学本科毕业论文题 目： 基于at89c52单片机的特斯拉计计算 院 系： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 年 月 日摘 要特斯拉计是用于测量各种永磁体表面磁场强度及气隙磁场强度的测量仪器，是利用霍尔效应原理制成的测磁工具。目前，在科研和生产中，由于特斯拉计在测量磁场过程中灵敏、适应性强、可靠性高、易微型化而被广泛采用。但由于霍尔探头本身存在的差异性及测量的非线性，而且在使用过程中容易损坏且定标复杂，所以必须设计出一个方案改变这种状况，使特斯拉计的应用更简易，实现自动定标和非线性区的测量。本文主要从硬件电路和软件结构两方面介绍单片机控制的特斯拉计。硬件系统以at89c52为核心，主要包括霍尔探头、主控电路、定标电路、信号采集和处理电路、光电隔离电路、频率测量电路、数据存储电路、显示电路、pc机的通讯接口和键盘等。磁场测量主要由霍尔探头、恒流源、不等位电势补偿电路、程控信号放大电路、a/d转换器、d/a转换器组成。定标参数及非线性区数据表格存储在串行存储器x24128中，以供单片机读取，实现定标和非线性区的磁场测量。d/a转换器采用串行16位精度的max541，其电压输出用来控制由lm358双运算放大器构成的压控恒流源，为霍尔探头提供工作电流，完成霍尔探头的定标。不等位电势补偿电路采用由两个高精度低漂移运算放大器op07构成的加减法运算电路，在系统出厂前将不同探头各量程的不等位电势存储在e2prom中，测量时提供给数字调零电路。程控放大电路采用模拟选择开关，利用电阻网络和一个运算放大器op07组成，可程控调节不同的放大倍数，实现量程的自动转换功能。a/d转换电路采用14位串行max110实现，将测量的不同磁场值转换成数字信号送给单片机，完成数据采集。交变磁场的峰值测量电路采用采样保持器lf398组成，通过单片机i/o口p1.2、p2.0、p2.1控制正峰值的采样及保持，p1.3、p2.2、p2.3控制负峰值的采样及保持来实现。频率测量只需对调零后信号进行适当的放大，经过一个过零滞回比较器整形得到方波信号，再通过一个四分频器后，在频率大于5khz时用计数法，小于5khz时用测周法，由定时器/计数器t0、t1及外部中断来实现测量。电路中所有与模拟电路有关的低频接口控制线都采用光电耦合器tlp521进行隔离。显示电路采用8279led实现，两行分别用于显示主机的实时测量数据磁场值和交变磁场频率值，键盘利用单片机的i/o口直接控制，实现五个按键：定标键、调零键、量程转换键、自动测量键、显示暂停键，按键采用中断方式响应。关键词：磁场测量；霍尔探头；自动定标；单片机abstractteslameter is to be used to measure the surface intensity of magnetic 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 are 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-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 photoelectricity 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，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-current 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 initialization，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. 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 controls 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 again. 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 controlled 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 录内容摘要1abstract3第1章 绪论11.1 霍尔传感器的发展及现状11.2 特斯拉计的主要应用31.3 本文主要完成的工作3第2章 特斯拉计的工作原理52.1 霍尔效应52.2 霍尔传感器72.2.1 几种测磁方法72.2.2 霍尔传感器8第3章 系统的硬件电路设计103.1主控电路设计113.2定标电路的设计113.2.1 d/a转换器113.2.2压控恒流源123.3.3参数存储器143.4信号采集及处理153.4.1程控放大163.4.2数字调零电路173.4.3峰值检测与保持电路183.4.4 a/d转换电路203.5频率测量213.6显示及键盘接口22第4章 系统的软件设计 244.1定标子程序设计244.2数据采集子程序264.3显示子程序设计274.4键盘中断服务子程序设计294.5频率测量程序设计294.7本章小结31第五章 总 结32沈阳化工大学学士学位论文 第1章 绪论第1章 绪论传感器是一种检测装置，能够感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律转换成为电信号或其他所需形式的信息输出，来满足信息的传输、处理、存储、显示、记录及控制等要求。实现自动检测和自动控制的首要环节就是传感器。物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。每一个被测信号量的微小变化都将转换成电信号。在磁场力作用下，在金属或通电半导体中会产生霍尔效应，其输出电压与磁场强度成正比。基于霍尔效应的霍尔传感器通常被用于测量磁场强度，其测量范围从10奥斯特到几千奥斯特。随着固态电子技术的发展，霍尔效应开始被人们广泛应用。自此，霍尔传感器也得到了飞速的发展，并在各领域中得到广泛应用，如汽车、工业、计算机等行业，如齿轮速度检测、运动与接近检测及电流检测等。霍尔传感器的出现，解决了许多以往人们觉得困难的问题。由于霍尔传感器测量磁场的灵敏度高、适应范围宽，不但可以测量恒定磁场，而且测量交变磁场，故此它的使用越来越广泛。但是在使用霍尔传感器测量过程中，它容易受到人为因素而造成损坏，这样就需要重新安装新的探头。但是不同探头的不等位电势和灵敏度不同，因此，需要重新标定，而且标定过程比较复杂，需要较高精度的专业定标设备，普通用户不具备这样的条件。目前国内的同类产品是在用户使用前已经定标完成，如果探头损坏就只能返厂重新定标。本文针对这种问题，介绍一种可以在更换探头后自动进行定标和调零，且具有较高的测量精度和较大的测量范围多功能特斯拉计的软件结构及硬件系统。1.1 霍尔传感器的发展及现状21世纪，是人类全面进入信息电子化的时代。随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们更致力于获取外界信息的采集技术。敏感元件及传感器是人类探知外界信息的媒介，它强大的功能可以将人们需要探知的各种非电量信息转化为电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件。现在，传感器技术已成为21世纪人们在高新技术发展方面的一个必备条件。传感器品种繁多，原理也各式各样。自1879年美国物理学家edwin herbert hall发现霍尔效应以来，以此为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的每一个领域。而由此衍生的霍尔传感器产业也在近十几年逐渐发展壮大起来。霍尔传感器除了可以直接检测各种磁性物体的磁场之外，还可以在运动物体上附上永久磁铁，用霍尔器件去检测随之运动的磁场，来检测运动物体的各种参量，如位置、位移、速度、转速、转数、角度等等。把这些测量数据作为计算机自动控制的输入参量，就可实现各种控制功能。也可以把这些输入参量用来驱动保护装置，通过参量的控制，实现安全保护。至今霍尔器件的产品有三大类：分立霍尔元件、霍尔电路和具备各种特殊功能的霍尔传感器，例如霍尔接近开关、霍尔隔离放大器、霍尔电流传感器等。分立霍尔元件是一种单独的霍尔片，当放置在磁感应强度为b的磁场中时，其输出的霍尔电动势vh与磁感应强度b成正比，灵敏度较高。目前分立霍尔元件能检测的最弱磁场可达108t，且线性度好。霍尔电路是将霍尔片、讯号处理电路和输出电路在同一芯片上进行特定的设计和工艺处理制成的集成器件，它可用标准的双极工艺或cmos工艺制作。霍尔电路分为开关电路和线性电路，前者在输出级和差分放大之间加入一个整形电路，将差分放大器输出的模拟信号转换成数字信号输出；后者由霍尔片、差分放大器与输出级组成。因此，霍尔线性电路的输出是一个和输入磁感应强度b成正比的电压信号。而开关电路输出的是一个数字信号，与该数字信号状态变化相对应的是两个磁感应强度，分别称工作点磁感应强度bop和释放点磁感应强度brp。由高电平向低电平转变及由低电平向高电平转变两者之间存在一个bh的差值，由于bh的存在，使开关电路有了较强的抗电磁干扰能力。霍尔传感器具有很多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1mhz），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性传感器的精度高、线性度好；霍尔开关传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。另外做了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围很宽，可达55150。成为中等强度磁场检测中的传感器首选，得到广泛的使用。1.2特斯拉计的主要应用20世纪70年代以来，电子技术的广泛应用，不仅使磁学量测量的范围扩大，准确度也得到了进一步提高。利用物质量子态变化原理设计的核磁共振测场仪，能以10-5准确度对磁场进行绝对测量。光泵磁强计可测量小于103安米的磁场，其分辨力可达10-7安米。超导量子磁强计可测量小于10-3安米的磁场，分辨力达10-9安米。利用电子积分器设计的直流磁特性测量装置，可以自动且连续描绘材料的磁化曲线、磁滞回线。利用电压频率变换原理设计的数字式直流磁特性测量装置，其准确度可达0.1。特斯拉计（高斯计）是用于测量各种永磁体表面磁场强度及电磁铁气隙中磁场强度的测量仪器，是利用霍尔效应原理制成的测磁工具。就市面上的产品可分为便携式、指针式、数字式等类型。采用特斯拉计测量永磁产品表面磁场强度，主要是对永磁产品的质量及充磁后磁性能一致性的评估。通常测量磁体表面中心点的磁场强度，通过与标准样品数据进行比较就能够判断产品是否合格，同时也可以保证材料的一致性。测量气隙磁场的应用比较广泛，在科研、电子制造、机械等领域均有应用。目前应用比较典型的行业主要有电声和电机两大行业。目前，在科学研究和生产过程中，由于特斯拉计在测量磁场的应用中灵敏度较高、适应性强，而被广泛采用。但由于霍尔探头本身存在的差异性、容易损坏且定标复杂，而一般特斯拉计又只能测量稳恒磁场，这大大使特斯拉计的应用范围受到限制，所以必须设计出一个方案改变这种状况，使特斯拉计的应用更简易、更广泛。1.3本文主要完成的工作本文结合磁场测量仪器的应用现状，通过对探头工作电流的控制和标准特斯拉计对霍尔探头进行标定，采用单片机对霍尔探头进行相关参数的读取和控制，从而实现对探头的自动标定和调零，免去了繁琐的定标工作和所产生的误差，实现了特斯拉计的高效率高精度测量。本仪器还可以采用单片机的定时器/计数器来测量交变磁场的频率，并实现了对交变和脉冲磁场的测量。主要工作包括硬件和软件两大部分。特斯拉计系统硬件设计。它以at89c52为核心，主要包括霍尔探头、主控电路、定标电路、信号采集和处理电路、光电隔离电路、频率测量电路、数据存储电路、显示电路、pc机的通讯接口和键盘等。磁场测量主要由霍尔探头、恒流源、不等位电势补偿电路、信号放大电路、a/d转换器组成。所有与模拟电路有关的低频接口控制线都采用光电耦合器tlp521进行隔离。基于单片机控制的特斯拉计的软件设计利用汇编语言，它包括主程序、定标子程序、数据采集子程序、频率测量程序、键盘中断服务子程序、led显示子程序、调零子程序、d/a转换子程序、a/d转换子程序、串行通信子程序等。42沈阳化工大学学士学位论文 第2章 特斯拉计的工作原理第2章 特斯拉计的工作原理2.1霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，该现象是霍尔（a.h.hall，1855-1938）于1879年在研究金属的导电结构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而且半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这种现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。将一块半导体或导体材料置于磁场之中，当施加的外磁场垂直于半导体中流过的电流时，如图2.1所示，会在半导体内垂直于磁场和电流的方向上产生霍尔电动势。沿z方向施加磁场b，沿x轴负方向通以工作电流i，那么载流子将在y轴方向受到洛仑兹力的作用，在y轴方向产生霍尔电动势vh，这一现象称为霍尔效应。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，实验表明，在磁场不太强时，电位差vh与电流强度i和磁感应强度b成正比，与板的厚度d成反比，即 2.1或 vh=khib 2.2式中：d为霍尔器件厚度；rh是与材料有关的霍尔系数；i为通过霍尔片的电流；b为外磁场的磁感应强度。kh表示单位控制电流和单位磁感应强度下的霍尔电势，称为器件的乘积灵敏度，单位为mv/( mat)。对霍尔器件而言，如果霍尔元件的灵敏度kh已知，测出控制电流i和产生的霍尔电压vh，就可确定霍尔元件所在处的磁感应强度。图2.1霍尔效应原理图产生霍尔效应的原因是作定向运动的带电粒子即载流子（n型半导体中的载流子是带负电荷的电子，p型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中受到洛仑兹力的作用而产生的。下面以n型半导体为例，讨论一下霍尔电动势的产生，电子所受到的洛仑兹力为： 2.3式中v为电子的漂移运动速度，e为电子的电荷量。fm指向y轴的正方向。自由电子受力偏转，同时在相反方向上出现相同数量的正电子荷，在两侧面间形成一个沿y轴正方向上的横向电场eh（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿y轴负方向的电场力fe，两侧面之间的电位差为vh（即霍尔电压），则 2.4电场力将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有即 得 2.5若n型单晶中的电子浓度为n，则流过样品横截面的电流得 2.6将2.6式代入2.5式得 2.7式中称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，kh愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压vh。因kh和载流子浓度n成反比，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。kh和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d0.2mm。2.2霍尔传感器恒磁场又称为静磁场，但交变磁场，脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。测量磁场的方法很多，根据磁场的类型以及强度，测量的方法也有所不同，下面介绍几种测量磁场的方法。并讨论霍尔传感器及其优点和特性。2.2.1几种测磁方法感应线圈磁力计法是根据法拉第电磁感应定律而制成的，即线圈中感应电压和线圈中磁场的变化率成正比关系。在线圈中产生和磁场变化率成比例的电流。感应线圈的灵敏度依赖于铁心、匝数和线圈面积。只要线圈处于变化的磁场中或在磁场中运动，就会产生感应电流。感应线圈大多用于距离探测，不能探测静态或缓慢变化的磁场。超导测磁法是利用超导结的临界电流随磁场周期起伏的现象来测磁的。目前的仪器设计灵敏度很高，测程可从零到数千高斯，能响应零到几兆甚至到1000mhz快速的磁场变化。工作原理如图2.2所示。由于低温超导较难达到，现有超导测磁仪器主要是对高温超导进行研究的成果。超导量子干涉装置磁力计可感应磁场范围从几到9t，而人脑产生的磁场一般约为数十，因此这种磁力计在医学领域广泛应用。图2.2超导测磁原理示意图光泵测磁法是应用光学技术物理原理实现的，用光学设备选择出一定频率的光照射含有碱金属蒸汽的吸收室，将其泵激到特定的某个能级（这种技术称为光泵技术），将交变磁场加在吸收室上，当交变磁场的频率与电子两亚能级之间的跃迁频率相等时，达到共振，将改变吸收室的吸收程度，使其变混浊，由于这一共振频率与外磁场成正比，所以测量共振频率就可以求出外磁场的值。光泵测磁仪器是利用近30年来新发展起来的光泵技术制成的高灵敏度测磁仪器，其灵敏度很高。可用来测量原子的超精细结构及地磁场。2.2.2霍尔传感器霍尔效应原理本章第一节已经介绍。图2.3所示为霍尔元件基本电路。磁场b穿过元件，控制电流由电源e供给，r为控制电流的调节电阻，霍尔电势输出端接负载电阻rl，它可以是一般电阻，也可以是信号放大器的输入电阻。控制电流i、磁感应强度b两者均为输入信号，在它们相互作用下，产生电势vhkhib。霍尔传感器既可以测得磁场的大小，又可以测得磁场的方向。霍尔传感器在平衡点上，载流子大约沿长度方向上作直线运动，另外的电荷不再聚集在侧面上。在磁场作用下，两端电阻几乎没有变化。两侧面所测霍尔差分电压和垂直于半导体片的磁场成正比，符号随外加磁场方向的改变而改变。霍尔磁场传感器大多使用n型硅和砷化镓（），因为它们具有较大的空隙带和较高的抗温度变化的能力。此外，砷化铟（）和锑化铟（）等材料由于其载流子的迁移率高，可获得较大的灵敏度和较高的频率响应。 图2.3 霍尔元件的基本电路由于霍尔元件对磁场敏感，且有简单、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围大、寿命长、无接触等优点，因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到的应用非常广。霍尔传感器典型频率带宽可达1020khz，基本特性好，原理及结构简单，和微电子电路兼容。简单化使其在不同应用中易于优化及小型化，并且对灵敏度影响不大。和微电子电路的兼容使它可利用微电子工业中的先进校正方法和高质量材料，促进了自身的持续发展。霍尔元件和更好的接口及信号处理电子电路的集成将会导致性价比高的新型传感器系统的发展。它在电流传感和无刷电机控制中占有绝对优势，在磁场的测量中占据着不可替代的重要地位。沈阳化工大学学士学位论文 第3章 系统的硬件电路设计第3章系统的硬件电路设计本章就所研究的多功能特斯拉计各硬件模块做了详细讨论，该电路系统主要由主控电路、定标电路、信号处理及采集电路、频率测量电路等组成。电路的原理框图如图3.1所示。压控恒流源待测磁场霍尔探头信号预处理信号放大采样与峰值测量隔离电路数字调零键盘显示a/d转换cpud/a转换存储器频率测量图3.1特斯拉计电路原理框图工作原理：cpu输出的控制信号经d/a转换，控制压控恒流源。当磁场强度小于1.0t时，霍尔探头输出与线圈测得的实际场强一致，呈良好线性。这时，可通过改变探头的工作电流i,使霍尔电压vh与测量线圈获得的磁感应强度b成一定的比例关系，完成线性区的标定。当场强大于1.2t时，霍尔探头输出呈非线性，a/d转换的结果必须进行修正才能得到被测磁场的准确值。这时只要单片机读取与特斯拉计接口处所封装的e2prom中表格中相应的数值，经过插值运算就可得到磁场的值。该表格是根据每个霍尔探头特性的各不相同，事先将测得的真实场强数据和对应的霍尔探头输出，整理成表格，固化到e2prom中，封装在霍尔探头与特斯拉计接口处，待以后使用。以完成非线性区的标定和测量工作。此外，仪器采用程控放大，可实现自动量程转换。在系统中添加了采样保持电路，使交变和脉冲磁场的测量成为可能。同时利用单片机的定时/计数器测量磁场的频率。3.1主控电路设计本文所介绍的特斯拉计主控电路以at89c52为核心，包括一个双通道双极性的a/d转换器max110、两个串行十六位d/a转换器max541、一个定标参数表格存储器x24128、用1602组成的显示电路以及与微机通讯的rs232串行接口等。为了减少数字信号与模拟信号之间的相互干扰，在模拟电路与数字电路之间添加光电耦合器tlp521。a/d转换器max110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，用于数字调零电路中的调零；另一个用来输出单片机给出的控制信号，控制压控恒流源。该特斯拉计由i/o口实现六个按键：电源键、定标键、调零键、量程转换键、自动测量键、显示暂停键，键盘采用中断方式工作。用led显示实时测量数据，其中一行用来显示交变磁场频率，另一行显示测量的各种类型的磁场数值。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，由软件的控制依次显示正、负峰值及峰峰值，显示时间间隔由软件控制定为5s，当按下显示暂停键时，保持当前显示数据，再次按显示暂停键，显示下一个数据，从而实现交变场的测量。存有霍尔探头参数表的存储器x24128与特斯拉计封装在一起，当特斯拉计工作时，通过串行总线和主机相连。更换探头时，通过主机的控制，读出表格，实现定标等工作。3.2定标电路的设计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。定标数据存储在数据存储器x24128中。下面就这三个方面做出了介绍。3.2.1 d/a转换器max541是美国maxim公司生产的d/a转换芯片，它是低功耗（1.5mw），无缓冲电压输出，能够驱动60k的负载，用单+5v电源工作的串行16位数模转换器。其转换时间为1s，输出电压变换范围为0vvref。仪器中用max541输出控制电压，控制恒流源完成定标。out接压控恒流源的输入端。接口电路图如下图3.2所示。图3.2 max541接口电路图3.2.2压控恒流源恒流源，是一种能向负载提供恒定电流的电路。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为有源负载，以提高放大倍数。恒流源在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用。按照恒流源电路主要组成器件的不同，可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源三类。晶体管恒流源利用了晶体三极管集电极电压变化对电流影响小的特点，并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流的恒定性，有时还经常采用一定的温度补偿和稳压措施。广泛地用作差动放大器的射极公共电阻，或作为放大电路的有源负载，也用作偏流使用，还可以作为脉冲产生电路的充放电电流。场效应管恒流源和晶体管恒流源相比，其等效内阻较小，如果增大电流负反馈电阻，场效应管恒流源会取得更好的效果。而且不需要辅助电源，是一个纯粹的两端网络，可以用来代替任意一个欧姆电阻。通常，将场效应管和晶体管配合使用，其恒流效果会更好。集成运放恒流源具有稳定性更好，恒流性能更高的优点，特别在负载一端需接地，要求大电流的场合，获得了广泛应用。本文采用运算放大器lm358构成压控恒流源，为霍尔元件提供工作电流，控制电压vi由16位d/a转换器max541来提供，该恒流源的内阻和输出电流均能满足霍尔元件的工作要求，且所组成的电路中，电阻阻值较低，电路较为简单实用。运算放大器构成恒流源电路如图3.3所示。由运算放大器a1、a2及其外接电阻组成，a1、a2采用高阻运算放大器lm358，当a1、a2按理想参数考虑并且忽略电源内阻对恒流源输出特性影响时，该恒流源的有关参数计算如下：图3.3恒流源电路流过负载rl的电流iout：在图3.5电路中，运算放大器a1、a2均工作在线性区，且认为a1、a2均为理想运算放大器。a2构成电压跟随器，a1构成电压比较器。设a1的输出电压为v1，a2的输出电压为v2，由图3.5可知a2同相端电压为： 由电压跟随器的特点，知a2的输出电压： 3.4根据运算放大器“虚断”的特点，可求出a1同相端电压： 3.5相同的可求a1反向端电压值： 3.6根据集成运放工作在线性区“虚短”的特点，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因为 , 将3.8式代入得： 3.9将电路图中所选电阻值r1=r2=20k，r3=r4=80k代入3.9中有： 3.10式3.10说明压控恒流源的输出电流与负载电阻无关，只由输入电压vi控制。vi由十六位d/a转换器max541提供（dao接out脚），可在02.5v之间以0.04mv的分辨率调节。这样恒流源的电流输出可以在010ma范围内，以0.16a的分辨率调节，可以完全满足一般霍尔探头的恒流工作要求。3.3.3参数存储器为了实现自动定标的功能，需要将有关霍尔探头的数据表格存储在存储器上，在每次更换探头的过程中，单片机会自动查询存储器上的定标数据，恢复到正常定标后的测量状态。目前非易失性的数据保存方法大多采用e2prom。本文采用存储器芯片x24128。x24128为美国xicor公司生产的cmos串行通信e2prom。内部结构为16k字节8位阵列。x24128在2线总线上可同时并联8片，并具有软件和硬件写保护功能。sda总线上通信数据的改变必须在scl总线处于低电平状态时进行，scl总线处于高电平时，数据处于保持状态。在通信过程中接收数据的器件每次有效地接收到8位数据后，都给发送数据的器件发送一个负脉冲应答信号。在写操作过程中，x24128每次接收到8位数据（包括接收到8位地址数据）后，在sda总线上产生一个负脉冲，该脉冲的宽度一直延续到第9个时钟脉冲信号结束。在读操作过程中cpu每次接收到x24128所发送的8位数据后，在sda总线上再发送一个负脉冲，以示读有效，然后x24128就可以继续发送数据。如果x24128未接收到应答信号，则停止发送数据，直到接收到结束信号时，通信结束。图3.4 x24128接口电路本仪器在设计过程中，在霍尔探头与特斯拉计相连接处的接头内部封装一个串行x24128，每次霍尔探头损坏后，更换探头时，单片机通过定标程序，读取x24128数据区的定标数据，调节可控恒流源来完成自动定标。当定标完成后，可以在单片机的控制下开始测量磁场，区分线性区和非线性区进行相应的转换和插值计算得到磁场大小的数值。3.4信号采集及处理 数据采集系统有一些很重要的技术指标，例如系统控制方式，系统总数据量，系统功耗要求，系统可靠性，系统自动增益调节方式等。这里简单介绍三个主要技术指标：分辨率、精度和通过速率。系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。常用最低有效位，系统满度信号的百分数或系统可分辨的实际电压数值来表示。、系统精度是指当系统工作于额定通过率下，每个离散的采样样本的转换精度。a/d转换器是一个系统精度的极限值，对一个八位分辨率的系统，采用一个八位的adc，数据采集系统中的模拟多路开关以及采样放大器的精度均应显著优于选用的adc器件，系统精度才能保证。系统通过速率通常又称为系统速度、传输速度、采集速率以及吞吐率等。系统通过速率是指系统每个通道、每秒钟可采集、处理的样本数。在时间域上，与通过速率相对应的技术指标是通过周期，这是通过速率的倒数。通过周期又称为系统响应时间，或系统采集周期，这表明了系统每采集一个有效数据所占用的时间。鉴于要对不同类型的磁场（稳恒场、脉冲场、交变场）进行高精度测量，本系统信号采集和处理电路采用了包括程控放大电路、数字调零电路、峰值检测与保持电路、max110通道组成的结构。3.4.1程控放大测量仪器中传感器输出的信号一般都比较微弱，为了测量信号的研究方便，都要对其进行放大。如果放大倍数的选择是由人工操作来完成的，往往需要多次试探才能找到合适的放大倍数。这既给操作者带来困难，同时又降低了测试速度，特别是在要求实时测量的场合，更是难以满足要求。所以应采用具有可变放大倍数的程控放大器，采用单片机对放大倍数进行选择并控制，可根据不同的输入信号，在程序控制下自动选择合适的放大倍数，从而，加快测试速度提高了测试的自动化水平，简化了测试工作。本仪器即采用程控放大来实现多种场的测量，用单片机选择控制放大器的放大倍数，从而为测量增加灵活性，也同时提高了精度，减少了测试时间的浪费。程控放大器是由衰减电阻网络，一组开关和一个固定放大器组成的输入衰减固定式pga；由一组开关及电阻网络组成，基于输入电阻和反馈电阻的pga和由几个固定增益的运算放大器及几个开关组成的串行式pga三种类型。本仪器采用了由一组开关及电阻网络和一个集成运算放大器组成的程控放大电路，通过单片机控制可控模拟开关选择性接通就可以得到不同的放大倍数，从而满足测量需求。本系统要采集的信号较弱，由于被测信号很小，需要选用性能优良的放大器才能实现对这种弱信号的准确放大。因此在器件选择上应选用高精度、低漂移、高稳定度的运放。在设计中采用了较常用的op07。op07是一种高精度低漂移器件。程控放大电路见图3.5所示，霍尔电动势经电压跟随器后，通过模拟开关cd4052的选通，选择不同的电阻接入电路，从而改变了放大的倍数。本文通过选择电阻组合，可实现5倍、10倍、50倍、100倍的放大倍数。模拟开关的a、b脚由p1.6、p1.7控制，通过检验测量数值的大小，来选择合适的放大系数，达到程控的目的。图3.5程控放大电路3.4.2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动势存在。霍尔元件在额定控制电流作用下，无外加磁场时输出电极间的开路电势差，称为不等位电势。它是由于两个输出电极不在同一个等位面上而造成的。产生的原因主要有材料电阻率的不均匀、基片宽度和厚度不一致及电极与基片之间的接触位置不对称等。为了适应自动测量的需要，不等位电压就必须适时地消除，本仪器的不等位电压补偿由数字调零电路来实现，其原理图见图3.6所示。实际上该电路是由两个高精度低漂移运算放大器op07构成的加减法运算电路。在仪器出厂前，对各种探头不同的量程进行调零，并将其对应的补偿电压数值存在eprom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给数字调零电路，进行调零。由于采用了高精度的a/d和d/a转换器，调零后的不等位电势小于0.1mv。完全可以保证精确的测量。图3.6数字调零电路调零网络需要一个稳定的低压，仪器采用低压基准芯片mc1403。其输出电压为2.5v25mv，输入电压范围为4.540v，一般常用作812bit的d/a芯片的基准电压等一些需要精准的基准电压的场合。 mc1403的输出vout为2.5v，经预处理及程控放大后的待测信号为vin，由于u1、u2均组成了加法电路，可求u1的输出v1o， 3.11vdao为dac输出的补偿电压，u2的输出电压v2o为： 3.12最后数字调零电路输出值为，该值是经过数字调零后的准确值。由图可知它等于v2o。综合上面两式，再将以上电路中电阻数值带入其中，r1=r4=r6=r7=r9=30k，r2=60k；为2.5v。可得 3.13可见输出中已经消除了不等位电势。3.4.3峰值检测与保持电路在对高速变化的模拟信号进行采样时，必须在输入模拟信号和a/d转换器之间加上采样保持电路，才能保证a/d变换的可靠性与准确性。lf398是采样保持专用的芯片。lf398为美国国家半导体公司研制的集成采样保持器。它只需外接一个保持电容就能完成采样保持功能，其采样保持控制端可直接接于ttl、cmos逻辑电平，输入偏移调节由单脚执行。电源电压vcc为（+5+18）v；vee为（-5-18）v，额定功耗为500mw，工作温度为070，输入电压电源电压，保持电容短路时间为10秒。本仪器为测量交变磁场的峰值，设计了由采样保持器lf398和逻辑电路组成的正负峰值检测保持电路。电路的原理图如下图3.7所示。图中由模拟开关cd4052接成两路开关，当p1.1电平为低时进行负峰值的采样保持，为高时进行正峰值采样保持。ap1.2、ap2.0、ap2.1、ap1.3、ap2.2、ap2.3是由单片机i/o口p1.2、p2.0、p2.1、p1.3、p2.2、p2.3经同相光电隔离后的控制信号，分别用来控制正、负峰值的检测与保持。图3.7峰值检测保持电路下面以正峰值采样保持为例介绍电路的工作原理。当p1.1为高时，lf398的控制端8的逻辑值d=（a+b）c，当d为高电平时lf398处于跟随采样状态，输出电压跟随输入电压变化；当d为低电平时lf398处于保持状态，输出保持不变。用单片机的p2.0、p2.1、p1.2脚作为控制引脚。当进行数据采集时，置p2.0为低电平，p2.1置高，这样lf398的控制端高还是低就完全取决于lm319比较器的输出端。设计电路使lm319的输出电平由lf398的输出电压vo和输入电压vin比较的结果而决定。当输入电压vin高于输出电压vo时，lm319的输出为高电平，由或和与的逻辑运算，lf398的逻辑控制8脚被置成高电平，使lf398处于跟随状态；当输入电压vin达到峰值而下降时，vo要大于vin，lm319输出低电平，lf398的逻辑控制端被置为低电平，使lf398处于保持状态，从而实现了对峰值的保存。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替换掉，当检测到p1.2被置成低电平（lf398已经取得峰值，vo大于vin）时，单片机控制置p2.1脚为低电平，这样d只能为低电平，lf398控制端为低，只能处于保持状态，从而封锁了输入信号，当将其值被a/d转换器读走之后，再重新置p2.1为高电平，继续采集下个峰值。当测量稳恒磁场和交变磁场时，为提高测量的准确度，提高精度，常需要转换量程。这时必须要在每次转换量程