霍爾取樣在短波發(fā)射機中的應(yīng)用

李金彤

(國家廣播電視總局七二三臺，河北 石家莊 050408)

0 引言

在改造短波發(fā)射機的自動化控制過程中，自動調(diào)諧技術(shù)是自動化控制的核心部分，而自動調(diào)諧的控制離不開高前屏流、高末柵流、高末簾柵流、高末屏流等一系列模擬量的取樣值。因此，這就要求設(shè)計的模擬量取樣電路具有精度高、速度快、抗干擾等優(yōu)點。

1 霍爾效應(yīng)與霍爾傳感器

1.1 霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn)的?；魻栃?yīng)的原理是將1個半導(dǎo)體垂直放在磁場中，給其通電，導(dǎo)體在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生一個新的電場，他的大小正好可以使載流子平衡洛倫茲力，繼而產(chǎn)生一個電動勢，這就是霍爾電動勢[1]。他需要的磁場以及電場不必是變化的，產(chǎn)生的電動勢也不是變化的，這樣就可以測量直流電的參數(shù)，這點很重要。傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)只能是變化的電磁場，也即只能測量交流電。

1.2 霍爾傳感器原理

由霍爾效應(yīng)的原理得知，霍爾電勢的大小取決于霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)；I為霍爾元件的偏置電流；B為磁場強度；d為半導(dǎo)體材料的厚度，如圖1所示。對于一個給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流I固定時，UH將完全取決于被測的磁場強度B[2]。

圖1 霍爾傳感器結(jié)構(gòu)模型

一個霍爾元件一般有4個引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流I的輸入端，另外兩根是霍爾電壓的輸出端。如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會產(chǎn)生霍爾電流。一般來說，偏置電流的設(shè)定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出；若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的鍍膜合金；這類傳感器的霍爾電勢較大，但在0.05 T左右出現(xiàn)飽和，僅適用于低量限、小量程。

在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。

1.3 霍爾取樣模塊

隨著現(xiàn)代材料加工工藝的進(jìn)步，霍爾傳感器可以做得很小，他的內(nèi)部包含高強度的恒定磁體，而外部的控制電路則是功率要求很小的比例放大電路。

本文以CHB-20/SP系列模塊為例介紹，霍爾取樣模塊的電路模型如圖2所示，其中1為電源負(fù)，2為接地端，3為電源正，4為模擬量輸出端，5為輸入正(IN+)，6為輸入負(fù)(IN-)。

圖2 霍爾模塊電路連接

2 取樣板的設(shè)計

本設(shè)計中需要對發(fā)射機的末前陰流、高前燈絲電流、高末燈絲電流、高末屏壓、高前屏壓等等參數(shù)取樣，這些電流或電壓的值不同，所需要的霍爾傳感器型號也不同，以高末燈絲電流為例，正常工作電流值為交流300 A，可以得知，使用功率較大型號的霍爾傳感器，耐壓高、電流大的霍爾傳感器體積也會隨之增大，因此設(shè)計取樣電路時，經(jīng)過計算高末燈絲變壓器初級與次級的電流相差很大。如果忽略掉變壓器的效率可以認(rèn)為變壓器的輸入功率等于輸出功率，得到U1×I1=U2×I2，230 V×I1=10 V×300 A得到輸入電流為13 A左右，所以把取樣電路設(shè)計到變壓器的初級大大降低了成本，提高了安全性。

其中IN1和IN2外接燈絲變壓器初級電流，霍爾模塊取得燈絲電流值后，以引腳2和引腳4輸出給放大處理電路，具體處理過程如圖3所示。使用了多個比例放大器，可調(diào)電阻，固定電阻，撥碼開關(guān)等等。在電路圖的最左邊是霍爾傳感器，其5-6腳接待測電壓或電流，1-3腳分別接-12 V和+12 V電源，4腳輸出測量值，在此以測量電流I1為例。I1經(jīng)過霍爾傳感器后，經(jīng)引腳4輸出I2，I2首先經(jīng)過D1和C5組成的濾波整流電路，消除電流信號中的毛刺，然后進(jìn)入單刀雙擲開關(guān)K1。當(dāng)K1的公共端鏈接其3-5腳時，能夠?qū)竺娴姆糯箅娐菲鸬秸{(diào)零作用，在電路加電后要對放大電路調(diào)零。而當(dāng)K1的公共端鏈接其4-6腳時，可以對輸入信號進(jìn)行比例放大，調(diào)零完成后，即可把K1撥到4-6腳開始放大工作。

圖3 霍爾電流取樣板設(shè)計原理

2.1 取樣板放大原理分析

第一級是差動電路去除來自電路的共模誤差信號，這個信號主要是由溫漂引起的，其電路如圖4所示。

圖4 差動放大電路

圖4中電流有2個，分別是I1和I2。根據(jù)虛短虛斷原理，在放大器的正負(fù)輸入端電阻無窮大，所以I1由左至右到放大器的負(fù)輸入端向上拐彎；I2由左至右到放大器的正輸入端向下拐彎。另外，放大器的正負(fù)2個輸入端可以看成短路的，可列以下2個公式：

在實際電路中，將4個電阻選擇成同一阻值，即R9=R10=R11=R12，這樣上面的2個公式就可以化簡為2U3=U1+U4，2U3=U2。再化簡就是U4=U2-U1，這樣就可以實現(xiàn)輸出電壓U4等于2個輸入電壓之差。

圖5 比例放大電路

信號經(jīng)過此電路板的處理后，一路送到發(fā)射機面板模擬表頭，一路送給發(fā)射機自動化系統(tǒng)，從而對燈絲電流進(jìn)行監(jiān)測，保障發(fā)射機正常工作。

3 結(jié)語

本文經(jīng)理論設(shè)計和實際試驗得出該方案具有可行性。對信號進(jìn)行取樣處理，根據(jù)控制待測信號的電壓等級，調(diào)整可調(diào)電阻的阻值，讓信號符合后級控制板輸入信號的電平要求。信號處理迅速準(zhǔn)確，既保證了精度又保證了速度。