該測量?jì)x可以完成對穩恒場(chǎng)，脈沖場(chǎng)峰值，交變場(chǎng)正負峰值、峰峰值及其頻率的測量，同時(shí)具有自動(dòng)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，并在Z方向施加磁感應強度為90的磁場(chǎng)，那么載流子在X方向受到洛侖茲力作用而在兩端產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢EH。根據霍爾效應制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導體薄片，其霍爾電動(dòng)勢為：
EH=RH(IB0/d)(1)
式中，RH為與材料有關(guān)的霍爾系數，d為霍爾器件的厚度，I為流過(guò)霍爾器件的電流，Bo為外磁場(chǎng)的磁感應強度。對一個(gè)霍爾器件而言，在電流I恒定的情況下，EH與外磁場(chǎng)Bo成正比，設比例系數K=RH 。因此，對于不同的霍爾傳感器，可以通過(guò)改變工作電流I，使其具有相同的比例系數。

霍爾器件的定標就是確定霍爾電動(dòng)勢EH與外磁場(chǎng)Bo的比例關(guān)系。所以在霍爾器件的線(xiàn)性區，可以通過(guò)改變工作電流I，使其達到預先設置的霍爾電動(dòng)勢EH與外磁場(chǎng)Bo的比例關(guān)系，從而完成線(xiàn)性區的定標。把對應工作電流下的非線(xiàn)性區霍爾電動(dòng)勢與外磁場(chǎng)Bo作成數據表格存儲在一個(gè)串行的E2PROM中，測量時(shí)就可以通過(guò)查表和線(xiàn)性擬合的方法求得外磁場(chǎng)Bo。因此，只需在霍爾器件探頭上封裝一個(gè)串行E2PROM，將該探頭的工作電流和對應的非線(xiàn)性區表格存儲在其中即可。更換探頭后磁場(chǎng)測量?jì)x的CPU可以從E2OPROM中取得該探頭的工作電流，然后調節一個(gè)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(gè)雙通道A/D轉換器MAXlll、兩個(gè)D/A轉換器MAX541、經(jīng)8279擴展的鍵盤(pán)顯示電路、一個(gè)定標參數存儲器X24128以及與上位機通訊的RS232接口。為了減少干擾，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(lái)檢測調零電路輸出，另一路用來(lái)采集保持后的感應電壓信號。兩個(gè)D/A轉換器MAX541中的一個(gè)用來(lái)輸出霍爾不等位電勢的補償電壓，另一個(gè)用來(lái)控制壓控恒流源。

經(jīng)8279擴展六個(gè)按鍵：電源鍵、定標鍵、調零鍵、量程轉換鍵、自動(dòng)測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤(pán)以中斷方式工作。同時(shí)經(jīng)8279擴展出雙8位的數字表頭，一個(gè)用來(lái)顯示交變磁場(chǎng)頻率，另一個(gè)由軟件控制根據不同的磁場(chǎng)顯示不同數值。當測量穩恒場(chǎng)時(shí)，顯示磁場(chǎng)值;當測量脈沖場(chǎng)時(shí)，顯示峰值;當測量交變磁場(chǎng)時(shí)，由軟件控制依次顯示正、負峰值及峰峰值，顯示時(shí)間間隔由軟件控制為5s，當按下顯示暫保持鍵時(shí)，保持當前顯示數據，再次按顯示保持鍵，顯示下一個(gè)數據。

參數存儲器X24128與霍爾器件封裝在一起，通過(guò)串行總線(xiàn)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(gè)壓控恒流源和提供控制電壓的D/A轉換電路組成。壓控恒流源由兩個(gè)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。那么恒流源電流可在0～10mA之間以0.161μA的分辨率調節，完全可以滿(mǎn)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(lèi)型磁場(chǎng)進(jìn)行高精度測量，本系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。處理后信號的采集由MAXlll通道1完成。

數字調零電路

由于制作工藝的原因，霍爾器件總有不等位電勢存在。為了適應自動(dòng)測量的需要，不等位電壓的補償由數字調零電路實(shí)現，其原理圖如圖4所示。該電路實(shí)際上是由兩個(gè)運算放大器構成的加減運算電路。在系統初始化時(shí)，對不同量程進(jìn)行調零，并將對應的補償電壓數值存在RAM中;測量過(guò)程中量程轉換或手動(dòng)選擇量程后，可直接查詢(xún)相應的數值，由D/A轉換器輸出補償電壓。由于采用了高精度的A/D和D/A轉換器，調零后的不等電位小于0.1mV。

峰值檢測與保持電路

為了測量脈沖磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的峰值，本系統含有由采樣保持器LF398[5]和邏輯控制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的控制端8的邏輯值E=(A+B)*D，當E為高時(shí)LF398處于跟隨狀態(tài)，輸出電壓等于輸入電壓;當E為低時(shí)LF398處于保持狀態(tài)，輸出保持不變。峰值保持電路的工作過(guò)程是：當進(jìn)行數據采集時(shí)，使P2.0置低電平，P2.1置高，這樣LF398的控制端完全取決于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高于輸出電壓Vo時(shí)，LF398的邏輯控制被置成高電平，使LF398處于跟隨狀態(tài);當輸入電壓Vin達到峰值而下降時(shí)，LF398的邏輯控制端被置成低電平，使LF398處于保持狀態(tài)，從而實(shí)現了對“峰值”的保持。在采樣狀態(tài)，為了使保持下來(lái)的峰值不被下一個(gè)不同的峰值沖掉，當檢測到P1.2被置成低電平(LF398已經(jīng)取得峰值)時(shí)，使P2.1腳置低電平，從而封鎖了輸入信號。在測量穩恒磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)時(shí)，為了提高準確度，常需要轉換量程。每次轉換量程后，先把P2.0和P2.1置高，使LF398處于跟隨狀態(tài)，延時(shí)50μs，使得LF398的輸出和輸入相等;然后將P2.0置低，進(jìn)入峰值檢測狀態(tài)，即可完成量程轉換。

負峰值檢測電路只是在正峰值檢測電路之前加了一個(gè)反相器，邏輯控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下來(lái)的峰值經(jīng)一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)CD4051后由MAXlll的通道1檢測。

頻率測量

由于A(yíng)T89C52含有三個(gè)定時(shí)計數器，測量頻率非常簡(jiǎn)單方便，只需對調零后的輸出信號進(jìn)行適當的放大，其后經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)零滯回比較器整形后得到方波信號，再通過(guò)一個(gè)四分頻器輸入到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，當信號頻率高于5kHz時(shí)用測頻法，即關(guān)中斷INT0，把定時(shí)器TO設定一個(gè)時(shí)間to，開(kāi)計數器T1，計數器溢出一次，則把內存中某個(gè)單元加1;若to時(shí)間內計數值為N1，可求得被測信號的頻率為4Nl/to。頻率低于5kHz時(shí)用測周期法，即關(guān)計數器T1，開(kāi)定時(shí)器TO，中斷INT0以邊沿方式觸發(fā)，發(fā)生第一次中斷時(shí)，TO計時(shí)為t1，再次發(fā)生中斷時(shí)關(guān)掉中斷，此時(shí)計數器TO計時(shí)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(huán)計數。由于加了四分頻，該方法可測小于2MHz的信號。

圖3：儀器軟件流程圖

儀器的軟件設計

儀器軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，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(pán)中斷服務(wù)子程序、頻率測量程序、A/D轉換程序、D/A轉換程序、計算磁場(chǎng)大小子程序等。系統默認為自動(dòng)測量模式，選擇最大量程。在鍵盤(pán)中斷程序中，不同的鍵被按下，執行不同的程序。在數據采集子程序中，判斷是否為手動(dòng)，若是則直接采集，并保存數據。若不是則判斷量程是否合適，不合適則轉換量程重新測量，并保存上次測量值。若轉換后測量為零，說(shuō)明為脈沖場(chǎng)，以上次測的值為準。因此，對于脈沖場(chǎng)，若知道其場(chǎng)強范圍，最好手動(dòng)選擇量程。儀器軟件流程圖如圖3所示。

該測場(chǎng)儀以單片機為核心，采用串行存儲器擴大了磁場(chǎng)測量范圍，采用壓控恒流源技術(shù)解決了霍爾探頭更換后的定標問(wèn)題。該儀器具有自動(dòng)量程轉換功能，并能同時(shí)測量磁場(chǎng)頻率，其磁場(chǎng)的測量范圍為：0.01mT～6T，測量精度優(yōu)于量程的±0.2%，特別適合于磁場(chǎng)大、類(lèi)型未知的測量場(chǎng)合。