霍尔传感器位移测量电路的设计.doc

本科课程设计报告题目 霍尔传感器位移测量电路的设计 课程名称:虚拟仿真技术指导教师：秦新燕班级学生姓名（学号）同组学生姓名同组学生姓名10电本一刘建1050720030完成时间： 2013.5.16物理与电子信息学院电子信息系二一三年目 录第一章 虚拟仪器课程设计的意义及任务21.1课程设计的意义21.2 课程设计任务说明2第二章关于虚拟仪器和labview22.1 虚拟仪器简介22.2 labview概述32.2.1 labview的发展历程32.2.2 什么是vi？32.2.3 labview的操作面板3第三章 霍尔传感器位移测量电路的设计53.1 设计要求53.2测量电路原理与设计53.2.1 模型的建立53.2.2 放大电路设计6第四章 对电路仿真分析74.1 交流分析74.2 傅里叶分析84.3 直流扫描分析84.4 传递函数分析94.5 参数扫描分析9第五章 labview显示模块设计105.1 位移测量子程序的设计105.2 接口电路的设计与编译11第六章 总结15第一章 虚拟仪器课程设计的意义及任务1.1课程设计的意义虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新型仪器。在国外，虚拟仪器技术已经比较熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展势也越来越受到重视。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和一个支持模块化i/o集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的了解。 1.2 课程设计任务说明用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm0.6mm的位移测量仪。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器。通过本设计，要掌握以下内容：1）了解霍尔传感器测量位移的原理；2）掌握霍尔元件的测量电路；3）熟悉labview 虚拟仪器向multisim 10.0的导入方法；4）测量电路硬件实现后，当输出模拟信号，会用数据采集卡进行采集；5）掌握采集后的信号在labview中的处理，实现位移值的显示；6）了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在labview中编程与处理的 不同。第二章关于虚拟仪器和labview2.1 虚拟仪器简介和传统的实物仪器相比，虚拟仪器是一种全新的概念。它是利用计算机的硬件资源（cpu、存储器、显示器、键盘、鼠标）、标准数字电路（gpib、rs-232接口总线、新型的vxi接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线）以及计算机软件资源（数据分析与表达、过程通信。图像用户界面等），经过有针对性的开发测试，使之成为一套相当于使用者自己设计的传统仪器。 不管是传统实物仪器还是虚拟仪器，仪器大多由以下三大功能模块组成：对被测信号的采集和控制模块、分析与处理模块，以及测得结果的表达与输出模块。传统仪器的这些功能度是以硬件（或固体化的软件）的形式存在的。将这些功能移植到计算机上完成，在计算机上插上数据采集卡，然后利用软件在屏幕上生成仪器面板，并且用软件来进行信号分析处理，这就构成了一台虚拟仪器。 简单的说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于pc技术的测试和测量解决方案。相对于传统仪器，它有四大优势：性能高、扩张性强、开发时间长、完美的集成功能。 虚拟仪器的五大特点： 具有可变性、多层性、自主性的面板。 强大的信号处理功能。 虚拟仪器的功能、性能、指标可有用户定义。 具有标准的、功能强大的接口总线、板卡以及相应软件。 虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点。2.2 labview概述2.2.1 labview的发展历程labview是美国国家仪器公司（national instrument 简称ni公司）推出的一门图形化编程语言，同时也是优秀而著名的虚拟仪器开发平台。labview是laboratory virtual instrument engineering workbench的英文缩写，即实验室虚拟仪器集成环境，是一种图形化的编程语言g语言。 综上所示，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。2.2.2 什么是vi？用labview开发出的应用程序被称为vi(virtual instrument,即虚拟仪器)。vi是由图标、连线以及框图构成的应用程序，由front panel(前面板)和block diagram(两部分构成)。前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由controls（控制量）和indicators（显示量）构成。后面板是vi的代码部分，也是vi的核心。后面板主要由图标、连线和框图构成，这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、vis，正是它们构成了vi的主体。2.2.3 labview的操作面板在labview的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（tools）模板、控制（controls）模板和函数（functions）模板。（如图22）这些模板集中反映了该软件的功能与特征。图1-2 工具模块、控制模块、函数模块（1） 工具模板（tools palette）该模板提供了各种用于创建、修改和调试vi程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在windows菜单下选择show tools palette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从windows菜单下选择了show help window功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（sub vi）或图标上，就会显示相应的帮助信息。（2）控制模板（control palette）该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示，可以用windows菜单的show controls palette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。 （3）功能模板(functions palette)只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用windows菜单下的show functions palette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。 第三章 霍尔传感器位移测量电路的设计3.1 设计要求用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm0.6mm的位移测量仪。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器。通过本设计，要掌握以下内容：1）了解霍尔传感器测量位移的原理；2）掌握霍尔元件的测量电路；3）熟悉labview虚拟仪器向multisim 10.0的导入方法；4）测量电路硬件实现后，当输出模拟信号，会用数据采集卡进行采集；5）掌握采集后的信号在labview中的处理，实现位移值的显示；6）了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在labview中编程与处理的不同。3.2测量电路原理与设计3.2.1 模型的建立霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下：式中: vh为霍尔电压； kh为霍尔元件灵敏度； i为控制电流； b为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。两块相对的磁铁间形成磁场，当物体在沿垂直于磁场方向运动时，在一定的测量范围内，磁感应强度与位移的关系是近似线性的。所以输出电压与位移也存在线性关系。图1为实际霍尔传感器测量位移的特性。图1 霍尔传感器霍尔传感器测量位移的特性可见在-0.6mm0.6mm之间，电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为：式中:vh为霍尔元件输出电压，单位为mv；x为被测位移量，单位为mm。由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。在mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图2所示，它的测量范围是-0.6mm0.6mm。v1可模拟位移，压控电压源v2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压vh。 图2 霍尔传感器模型 图中1、2为激励电极；3、4为霍尔电极3.2.2 放大电路设计霍尔传感器的电动势一般为毫伏量级，因此，实际使用时必须加放大电路，此处假的是差分放大电路，如图3所示。图 3 差分放大电路第四章 对电路仿真分析4.1 交流分析将图3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电源,设其幅度和频率分别为1v和50hz，然后对电路进行交流分析，设开始和截止频率分别为1 hz和10 mhz，输出节点选择节点10，其他设置按默认设置，仿真结果如图所示，该放大电路的带宽约100khz。交流分析结果4.2 傅里叶分析电路的输入端仍然接上面的交流源，对电路进行傅里叶分析。输出节点仍然选择10，分析结果如图所示，由图可知，电路的总谐波失真(thd)较小，各次谐波的幅值也非常小。傅里叶分析结果4.3 直流扫描分析按图3所示，输入端接霍尔传感器模型，对模拟实际位移量的电压源v1进行直流参数扫描分析。输出节点选择节点10，扫描分析结果如图，由图可知，在-0.60.6mm位移范围内，电路的输出近似线性。直流参数扫描分析结果4.4 传递函数分析将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源，然后进行传递函数分析，结果如图所示。放大电路的放大倍数约为-4.8倍，电路输入阻抗约为20k，输出阻抗约为0.024。传递函数分析结果4.5 参数扫描分析滑动变阻器rw1的中心抽头打在中间位置不变，对电阻r3的阻值进行参数分析扫描，分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。参数扫描的分析结果如图所示，由于电阻r4为51k，所以当反馈回路上的总电阻和r4的阻值不相等，即参数不对称时，放大倍数并不等于反馈回路总电阻与r1阻值的比值，还和r4有关。参数分析扫描结果4.6 实验数据处理电路调好后进行仿真，可得如表所示的实验结果。 实验结果位移x(mm)-0.6-0.4-0.200.20.40.6电压uo（mv）464.408309.659154.9110.162598-154.586-309.334-464.083用matlab进行对上表的实验结果拟合后得：第五章 labview显示模块设计5.1 位移测量子程序的设计由上节公式可得位移表达式：根据上式，可建立一个子vi，其程序框图如图：图4程序框图并定义图标与连接器：双击右上角图标编辑后如图所示。用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择show connector，此时连接窗格为默认模式，右键点选一种单输入单输出的模式，左边窗格与时域信号采集器input相关联，右边窗格与位移显示相关联。关联后的连接器窗格见图（b）。完成上述工作后，将设计好的vi保存。(b)连接器(a)图标5.2 接口电路的设计与编译 把multisim安装目录下samplinglabviewinstrumentstemplatesinput文件夹拷贝到另外一个地方。在labview 中打开步骤中所拷贝的starterinputi-nstrument .lvproj工程，如图5。接口电路的设计是在starter input instrument.vit中进行。图5 starterinputinstrument .lvproj工程图打开starter input instrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择case结构下拉菜单中的update data选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键点击选择select a vi，把在labview完成的子vi添加在update dat-a框中即可。子vi输入端input与multisim的对仪器的输入端相连，在子vi的输出端点击右键创建位移指示表，如图6所示。程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图7所示。之后选择重命名，保存为proj.vit图6 接口部分设计图7 前面板设计编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开subvis下的starter input instrument_multisiminformation.vi的后面板，如图8所示，在仪器id中和显示名称中填入唯一的标识，如一起设为plotterproj。同时把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设为0，此模块不需要输出。设置完后另存为proj_multisiminformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。图8 虚拟仪器基本信息的修改编译属性设置：打开build specifications，右键点击source distribution，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj.lib。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含