高精度數(shù)字特斯拉計(jì)設(shè)計(jì)*

肖 鵬，李 龍，余曉曦，王 巍，白凌志，廖 歐

(中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院 電子研究所，四川 成都610021)

0 引 言

特斯拉計(jì)是中強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量的必備設(shè)備之一。中強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量主要有兩種方法，一種是核磁共振法［1］，該方法從原理上大大提高了磁場(chǎng)的測(cè)量精度，利用該方法研制的設(shè)備一般作為磁學(xué)計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)裝置;另外一種方法是利用半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)［2］，該方法相比較前者具有測(cè)試簡(jiǎn)單方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于各種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

傳統(tǒng)的基于霍爾效應(yīng)的特斯拉計(jì)采用簡(jiǎn)單的放大電路對(duì)霍爾片感應(yīng)的電壓進(jìn)行放大，然后通過(guò)數(shù)字表頭進(jìn)行顯示，整個(gè)儀器的調(diào)零和校準(zhǔn)都采用外置電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度低。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外特斯拉計(jì)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高精度數(shù)字特斯拉計(jì)，該儀器具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了特斯拉計(jì)的數(shù)字化。

1 總體設(shè)計(jì)

該儀器的設(shè)計(jì)原則以實(shí)用、可靠為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)要便于生產(chǎn)調(diào)試。在保證低成本的前提下，滿足0.5%的測(cè)量精度并兼顧高分辨率的要求，儀器最小分辨率為0.001 mT。

該儀器主要由霍爾傳感器、恒流源、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、微控制器(MCU)以及鍵盤(pán)和顯示電路組成，如圖1所示。利用恒流源驅(qū)動(dòng)霍爾傳感器，當(dāng)有磁場(chǎng)磁力線垂直穿過(guò)霍爾片時(shí)，將產(chǎn)生微小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，采用自穩(wěn)零、低噪聲的前置放大器對(duì)霍爾電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行拾取，利用主放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大、調(diào)理，然后經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換送入微控制器進(jìn)行軟件修正，并實(shí)時(shí)顯示。

圖1 總體框圖Fig 1 General block diagram

2 硬件單元電路的設(shè)計(jì)

2.1 霍爾元件的選擇

霍爾元件一般采用具有N 型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成。由于砷化銦元件的輸出信號(hào)沒(méi)有銻化銦元件大，受溫度的影響比銻化銦的要小，而且線性度也較好，因此，本儀器采用砷化銦作為霍爾傳感器。

當(dāng)磁場(chǎng)的磁力線垂直穿過(guò)霍爾元件時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)有

其中，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，I 為恒流源的電流值，KH為霍爾元件的靈敏度。

為了使每一個(gè)霍爾傳感器都可以與主機(jī)配套使用，所以，需要每一只傳感器在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 下都有相同的輸出電壓VH，但是各個(gè)霍爾傳感器KH略有不同，這就要求恒流源I 的值可調(diào)，保持KH·I 為一常數(shù)。本儀器采用的砷化銦傳感器KH在10 mV/T·mA 左右，調(diào)節(jié)恒流源I的大小，使其KH·I 為100 mV/T，即當(dāng)外部磁場(chǎng)為1 T 時(shí)，霍爾器件輸出為100 mV。

2.2 恒流源電流

為了保證磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要高穩(wěn)定度的恒流源驅(qū)動(dòng)霍爾傳感器。因此，該儀器設(shè)計(jì)了電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，如圖2 所示。它主要由參考電壓源、運(yùn)算放大器、場(chǎng)效應(yīng)管以及采樣電阻器組成。運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為電壓跟隨器的形式，運(yùn)算放大器的同向輸入端從參考電壓源取樣，由于運(yùn)放驅(qū)動(dòng)能力有限，如果不增加擴(kuò)流單元會(huì)造成運(yùn)放發(fā)熱、輸出偏移，影響運(yùn)放本身的性能［3］，因此，采用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行擴(kuò)流。與三極管擴(kuò)流相比場(chǎng)效應(yīng)管幾乎不需要電流驅(qū)動(dòng)，避免了靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)。該電路可以驅(qū)動(dòng)比較大的負(fù)載電阻器，不受運(yùn)放的限制，輸出電流為

改變電阻R41的值就可以改變電流值。

圖2 恒流源Fig 2 Constant current source

2.3 放大調(diào)理電路

霍爾電壓的放大調(diào)理電路主要由前置放大器、主放大器以及加法器三部分組成。前置放大器的作用是在復(fù)雜的環(huán)境中盡量不失真地獲取信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗變換，使前置輸出信號(hào)與主放大器的輸入要求匹配，為主放大器提供“干凈”的信號(hào)。本儀器采用斬波放大器ICL7650對(duì)霍爾電壓進(jìn)行前置放大。該放大電路動(dòng)態(tài)校零的穩(wěn)零技術(shù)［4］，減少了運(yùn)放本身的調(diào)零環(huán)節(jié);同時(shí)，該運(yùn)放具有輸入偏置電流小、溫度系數(shù)低、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

為了滿足A/D 的量程范圍，需要通過(guò)主放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的放大，因此，根據(jù)分辨率的要求，設(shè)計(jì)了×1，×10 和×100三檔。量程切換采用了PHOTOMOS 器件作為開(kāi)關(guān)，該器件切換時(shí)間短，遠(yuǎn)小于A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣周期。確保了在信號(hào)下一采樣點(diǎn)可能超量程的情況下，將量程自動(dòng)切換到更高或更低量程，同時(shí)保證測(cè)量值的精度和分辨率。

由于磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)有方向之分，且A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為0～5 V，因此，設(shè)計(jì)了加法電路對(duì)主放過(guò)來(lái)的-2.5 ～+2.5 V的電壓進(jìn)行電平搬移，使其適應(yīng)A/D 轉(zhuǎn)換器的0～5 V輸入范圍。本儀器采用一片四運(yùn)放OP4177 來(lái)完成主放和信號(hào)調(diào)理的電路，這樣既節(jié)約了芯片的成本也減少了PCB 的面積。放大調(diào)理電路如圖3 所示。

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換與微控制器

為滿足精度和分辨率的設(shè)計(jì)要求，本儀器選擇了低成本的16 位Σ-ΔA/D 轉(zhuǎn)換器AD7705。該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高、非線性小，非常適合中強(qiáng)磁場(chǎng)的低頻信號(hào)測(cè)量。從節(jié)約成本考慮，系統(tǒng)微控制器采用Atmega 32，該器件具備一個(gè)主從SPI 接口，與AD7705 的SPI 接口進(jìn)行通信，同時(shí)該控制器還具有2 k 的SRAM 和1k 的EEPROM，這些資源完全滿足儀器軟件對(duì)后續(xù)測(cè)量值的修正和對(duì)系數(shù)的存儲(chǔ)等功能需求。

3 軟件關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 最小二乘法擬合

從成本考慮，本儀器選擇的霍爾傳感器非線性誤差在0～3T 范圍內(nèi)小于1%，要設(shè)計(jì)0.5 級(jí)高精度的數(shù)字特斯拉計(jì)很難滿足要求，為此，儀器采用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合修正。通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出一元二次多項(xiàng)式曲線擬合公式已完全滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)數(shù)據(jù)(xi，yi)為一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中xi為實(shí)際測(cè)量值，yi為擬合值，i=1，2，…，5，采用5 組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，曲線擬合的方程為

圖3 放大調(diào)理電路Fig 3 Amplification－adjustment circuit

要得到該方程的系數(shù)需要對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)矩陣運(yùn)算，這對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)資源來(lái)說(shuō)，很難滿足計(jì)算要求。為此，推導(dǎo)了一元二次多項(xiàng)式最小二乘法待定系數(shù)的代數(shù)計(jì)算公式［5］，并將該計(jì)算公式固化于程序中，在使用時(shí)只需給出5 個(gè)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)值就可以實(shí)現(xiàn)智能化標(biāo)定，計(jì)算得到的系數(shù)存儲(chǔ)于微控制器的EEPROM 中。

3.2 自調(diào)零

由于霍爾傳感器本身的工藝限制，傳感器電壓輸出端兩端很難保持在同一等電勢(shì)面上，這時(shí)即使處于零磁場(chǎng)，傳感器在恒流源的作用下也會(huì)有一個(gè)微小輸出，傳統(tǒng)傳感器往往需要一個(gè)電橋，手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行補(bǔ)償，操作繁瑣。為此，該儀器采用軟件技術(shù)進(jìn)行自調(diào)零［6，7］。軟件調(diào)零的方法為:首先在零磁場(chǎng)時(shí)，測(cè)得100 組A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出值，然后去掉其中的最大值和最小值后取平均值ZERO 作為零磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的A/D 轉(zhuǎn)換值。當(dāng)測(cè)量目標(biāo)磁場(chǎng)時(shí)，只需在A/D 轉(zhuǎn)換測(cè)量值上減去ZERO 的誤差即可，這樣不僅避免了額外的硬件調(diào)節(jié)，還簡(jiǎn)化了儀器的操作。

3.3 量程自動(dòng)切換

當(dāng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度量程固定時(shí)，既要保證測(cè)量的精度，又要保證測(cè)量的分辨率，很難同時(shí)兼顧。因此，該儀器特別設(shè)計(jì)了量程自動(dòng)切換功能，量程的切換自適應(yīng)采集信號(hào)的大小［8，9］。量程自動(dòng)切換的狀態(tài)圖如圖4 所示，量程切換依據(jù)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值|ADC-ZERO|的大小來(lái)改變，其中ADC 為A/D 轉(zhuǎn)換器的瞬時(shí)值，ZERO 為在零磁場(chǎng)時(shí)ADC 的初始零值。

當(dāng)|ADC-ZERO|＞30000 時(shí)，表明放大倍數(shù)K 偏大，需要減小放大倍數(shù)來(lái)擴(kuò)大量程，提高測(cè)量的精度;當(dāng)|ADCZERO|＜300 時(shí)，表明放大倍數(shù)偏小，需要增加放大倍數(shù)來(lái)縮小量程，提高分辨率。

4 系統(tǒng)測(cè)試

該儀器經(jīng)過(guò)對(duì)不同量程分別進(jìn)行5 點(diǎn)標(biāo)定后，利用PT2025 核磁共振特斯拉計(jì)對(duì)該儀器進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，由于PT2025 精度高，完全可以作為標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)其他磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)。本儀器檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

圖4 自動(dòng)切換量程狀態(tài)圖Fig 4 Automatic switching range state diagram

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data

從表1 可以看出:在0～3 T 的范圍內(nèi)，相對(duì)誤差小于0.4%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

對(duì)該儀器還進(jìn)行了穩(wěn)定性和重復(fù)性測(cè)試，24 h 穩(wěn)定性優(yōu)于±0.06%;連續(xù)3 天重復(fù)性測(cè)試結(jié)果小于0.2%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字特斯拉計(jì)通過(guò)硬件電路和軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度高精度、高分辨率的智能化測(cè)量。經(jīng)過(guò)2 年多的長(zhǎng)期使用證明:該儀器性能穩(wěn)定、可靠。與同等精度的特斯拉計(jì)相比，該儀器具有成本低廉、校準(zhǔn)方便等優(yōu)點(diǎn)。該儀器滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高精度特斯拉計(jì)的需求。

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