三維數字式霍爾磁場測量儀的製作方法
2023-07-02 17:10:41 1
專利名稱：三維數字式霍爾磁場測量儀的製作方法
技術領域：
一種三維數字式霍爾磁場測量儀涉及到三維恆定磁場測量技術領域。
背景技術：
與傳統模擬測量計相比較，數字式磁場測量儀在微弱磁場測量以及高頻磁場測量方面都能達到模擬方法所沒有的測量精度及準確度。在國外，已研製出了新一代的三維霍爾晶片，並廣泛應用於超導的均勻性無損傷檢測、磁碟轉速測量等場合，並且有著一維磁場測量儀無法達到的準確度。
在文獻「TitleMethod for offset-compensated magnetic field measurement using Hall sensor；involves obtaining measuring signals at two sensitivities and using equation to determine offsetInventor Name(s)FISCHER R，MAECKEL R，SCHULZ T Patent Assignee Name(s)andCode(s)DAIMLERCHRYSLER AG(DAIM) Derwent Primary Accession Number2000-664789[49]」(″採用霍爾傳感器進行偏置補償磁場測量的方法採用雙靈敏度獲取測量信號；採用公式確定偏置量″發明者姓名FISCHER R，MAECKEL R，SCHULZ T，專利受理人名和代碼AIMLERCHRYSLER AG(DAIM)，Derwent主要數據2000-664789[49]″)中，霍爾器件後採用了放大器(誤差)，這樣會造成模擬信號調理不足，從而得不到較高的解析度。
在外文獻檢索中，沒有檢索到有關三維霍爾磁場測量儀電路方面的文獻，在國內，目前還沒有高精度的三維數字霍爾磁場測量儀產品。實用新型內容
本實用新型所提供的三維數字式霍爾磁場測量儀，採用了三維霍爾晶片對磁場進行檢測，並引入了一種高精度數模轉換器(ADC)，利用它補償模擬信號調理不足，使得測量儀解析度提高，數字轉換後的信號送入單片機中進行處理，從而測得X、Y、Z三方向的磁場，同時還採用了一種能夠提高供電效率，延長工作時間的電源。
本實用新型所提供的三維數字式霍爾磁場測量儀，含有以三維霍爾晶片為主的測量電路、電源和液晶顯示模塊，其特徵在於，所述測量電路含有兩個其輸入端分別與上述三維霍爾晶片的輸出端相連的高精度模數轉換晶片U2A和U2B；其選通信號輸入端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片U2A的x方向磁場Bx，z方向磁場分量Bz1和U2的y方向磁場By，z方向磁場分量Bz2的兩組信號輸出端相連的單片機；其輸入端與上述單片機的設置信號片選輸出端相連，而輸出端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片的設置信號輸入端相連的設置信號片選邏輯電路(1)；其輸入端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片的選通信號輸出端相連，而輸出端分別與上述單片機的選通信號輸入端相連的信號選通邏輯電路(2)；其輸入端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片的請求中斷信號輸出端相連，而輸出端與上述單片機的中斷信號輸入端相連的中斷信號選通邏輯電路(3)。
上述設置信號片選邏輯電路(1)由兩個與門U3A和U3B組成，其各自的一個輸入端共同連接上述單片機的設置信號輸出端，另一個輸入端分別連接上述單片機的兩個片選信號輸出端，其輸出端分別連接所述兩個高精度模數轉換晶片各自的設置信號輸入端。
上述信號選通邏輯電路(2)由三個或非門U4A、U4B和U4C組成，其中U4A和U4B各自的一個輸入端分別連接所述高精度模數轉換晶片U2A的Bx、Bz1信號輸出端和U2B的By、Bz2信號輸出端，其另一個輸入端分別連接所述單片機的兩個片選信號輸出端，而兩個輸出端與U4C的輸入端相連，U4C的輸出端與所述單片機的選通信號輸入端相連。
上述中斷信號選通邏輯電路(3)由三個與非門U5A、U5B和U5C組成，其中U5A和U5B各自的一個輸入端分別與所述兩個高精度模數轉換晶片的請求中斷信號輸出端相連，另一個輸入端分別與所述單片機的兩個中斷選通信號輸出端相連，而兩個輸出端與U3C的輸入端相連，U3C的輸出端與所述單片機的中斷信號輸入端相連。
上述電源含有一個其輸入端與電池相連的由一個CMOS降壓型開關穩壓器晶片P1及其典型外圍電路所組成的斬波電路(4)；其輸入端與所述斬波電路(4)的輸出端相連的濾波電路(5)；其輸入端與所述濾波電路(5)的輸出端相連，而輸出端與有關晶片的模擬電壓或數字電壓輸入端相連的π型電路(6)；一個其輸入端與所述濾波電路(5)的電壓輸出端相連的電壓反向晶片P2；一個其輸入端與電池相連，而輸出端與所述三維霍爾晶片的電流輸入端相連，以輸出恆定電流的晶片P3。
上述三維霍爾晶片的型號為3D-H-30，兩片高精度模數轉換晶片的型號均為Max1400，單片機的型號為AT90S8515。
上述電源中的降壓型開關穩壓器晶片P1的型號為MAX638，電壓反向晶片P2的型號為MAX660，產生恆定電流的晶片P3的型號為REF02。
實驗證明，本實用新型所提供的三維數字式霍爾磁場測量儀能夠測得X、Y、Z三方向的磁場，同時能夠補償模擬信號調理不足的缺點，使得測量儀解析度提高，其使用的電源還能夠提高供電效率，延長工作時間，達到了預期的目的。
圖1為測量儀電路原理框圖2為測量儀電路原理圖，分畫在兩頁紙上，其電路連接關係及信號流通方向由箭頭和相應
的字符標明；
圖3為電源電路原理圖。
具體實施方式
如圖1所示
三維霍爾探頭在磁場中檢測到磁場信號後，將信號送入高精度模數轉換器ADC1和ADC2，將轉換後的數字量通過邏輯電路的選通，送入單片機(MCU)中進行處理，將處理後的數據通過液晶顯示模塊在液晶顯示屏上顯示；測量儀中還含有供各晶片工作的電源，和能夠實現各種功能切換的控制鍵盤。
各晶片的型號及連接關係見圖2和圖3。
1)三維霍爾晶片採用的是Sentron公司生產的3D-H-30型霍爾晶片，其主要技術指標如下
標稱控制電流3mA
靈敏度(控制電流3mA)x，y方向 275mV/T
z方向 100mV/T在控制電流的作用下，晶片產生4路電壓信號SX1、SX2、SY1、SY2，通過運算可得到x、y、z方向的磁場，即四路差分電壓Bx＝Sx1-Sx2、By＝SY1-SY2、Bz1＝SX1-SY1、Bz2＝SX2-SY2，而Bz＝Bz1+Bz2。其中Bx和Bz1的計算在高精度模數轉換晶片ADC1中進行，By和Bz2的計算在高精度模數轉換晶片ADC2中進行，而Bz＝Bz1+Bz2的計算在單片機中進行。
2)本實用新型所採用的高精度模數轉換晶片是的MAX1400型晶片，MAX1400晶片內集成了多路模擬開關。通過模擬開關，MAX1400晶片可實現對3路差分電壓的轉換，從而為進一步簡化外部的模擬電路提供了方便。MAX1400晶片實現了片內的數字濾波器，通過適當設置濾波器的陷波頻率，可有效抑制工頻和高頻幹擾，尤其適於低頻和直流電壓的測量。MAX1400晶片與單片機的接口為SPI(串行外設接口)結構。通過對晶片內部各個寄存器的讀寫，用戶可對各差分電壓通道分別設置PGA增益，濾波器陷波頻率等參數進行設置，具有很高的靈活性。MAX1400晶片的PGA增益和濾波器陷波頻率的設置方法在MAX1400晶片使用說明書中有清楚說明。
MAX1400晶片的主要功能是將輸入模擬信號進行AD轉換，並將四路測量信號SX1，SX2，SY1，SY2轉化為X，Y，Z方向的磁場量。由於一片MAX1400晶片只能輸入三路差分電壓(圖2中晶片的AIN1～AIN6端即為三路差分電壓的輸入端)，如果只用一片MAX1400晶片就需要外加模擬開關切換測量通道，這樣會引入更多的失調和噪聲，而且讀數刷新的速度也會由於各通道測量頻率的降低而變慢。本實用新型採用兩片MAX1400晶片，每片只輸入兩路差分電壓信號，不用外接模擬開關，能很好的解決這一問題。圖2中MAX1400晶片的AIN1～AIN4腳分別是以AIN6為參照地的兩組差分模擬數據輸入端，晶片的DOUT輸出端依次輸出AD轉換後的AIN1-AIN2，AIN3-AIN4信號。本實用新型中ADC1的DOUT端輸出數字量Bx＝SX1-SX2，Bz1＝SX1-SY1；ADC2的DOUT端輸出數字量By＝SY1-SY2，Bz2＝SX2-SY2。Bz＝Bz1+Bz2的運算，在單片機中實現。
MAX1400晶片的外圍電阻和電容R1，C1構成的電路為輸入輔助電路，C1穩壓，R1限制輸入電流；其他相似結構作用類同；電阻R9，R10是典型接法，表示MUXOUT端和ADCIN端之間無數據外部處理。
3)單片機(MCU)採用Atmel公司的AT90S8515型8位單片機。由於採用Harvard結構和精簡指令集(RISC)，該單片機在一個時鐘周期內即可完成一條指令，比傳統的51系列8位機速度提高5倍以上。具有4個8位I/O口，可以對每個I/O管腳分別設置輸入、輸出及片內的上拉電阻，對外圍設備的控制功能強大。其所具有的高速SPI接口，可方便的與MAX1400晶片進行連接。其有兩種睡眠模式，可在高精度模數轉換晶片ADC進行轉換時進入睡眠狀態以減少耗電和對ADC的幹擾。
4)在兩片MAX1400晶片與單片機的連接中需要考慮單片機對ADC晶片的工作模式進行選通設置，對其數據輸出信號和中斷信號進行選通的問題。由於每種信號只有兩路需要選通，為了保持靈活性，本系統不用數據選擇器而是採用普通的二輸入與門、與非門和或非門進行選通。(1)對ADC接收單片機MOSI埠輸出設置信號的選通採用圖2中所示的「設置信號片選 邏輯電路(1)」，該電路由兩個與門組成，其型號均為7408，其連接關係如圖所示， 邏輯表達式為
DIN1＝CS1·MOSI
DIN2＝CS2·MOSI
其選通結果如表1所示(2)對ADC數據輸出信號的選通採用圖2中所示的「信號選通邏輯電路(2)」，該電路由三 個或非門組成，其型號均為7428，其連接關係如圖所示，邏輯表達式為
其中ADCS1，ADCS2為單片機輸出的選通信號，ADOUT1，ADOUT2為ADC1和
ADC2的數據輸出信號。其選通結果如表2所示表2(3) 對ADC中斷信號的選通採用圖2中所示的「中斷信號選通邏輯電路(3)」，該電路由三
個與非門組成，其型號均為74LS00，邏輯表達式為
其中INTMASK1，INTMASK2為單片機輸出的選通信號。ADINT1，ADINT2為ADC
的中斷信號，其選通結果如表3所示表3
5)液晶顯示模塊採用MDLS-81809晶片，用於顯示讀數和操作的提示信息，其4位並行數據傳輸口與單片機晶片的PC4～PC7相連，接收單片機傳輸的數據。
圖2中U7指控制鍵盤，S1～S5鍵盤上的各按鍵開關，開關的一個輸出端分別連接單片機晶片的PA0～PA4端，另一個輸出端共同連接單片機晶片的鍵盤中斷信號輸入端INT1，各按鍵開關分別執行如下功能，其功能的實現是通過在單片機中編程而實現。S1HOLD按鈕，讀數保持功能電源接通時磁場儀的讀數處於不斷更新的狀態。按下HOLD
按鈕，磁場儀的讀數顯示停止更新；釋放HOLD按鈕，磁場儀的讀數重新開始更新。S2RANGE按鈕，切換量程；量程在1999mT，199.9mT，19.99mT之間循環變化。S3BY按鈕，切換三維和一維測量功能；電源接通時，磁場儀顯示的是空間三維磁場的合
矢量大小B，接下來每按一次按鈕，按照By、Bx、Bz、B的順序循環顯示。S4ZERO按鈕，用戶校零功能；如果使用者需要重新校零，則應當把磁場儀探頭置於零磁
場盒內，按下ZERO按鈕，接著再按下HOLD按鈕，磁場儀自動對各通道校正零點(User’s
Offset)，同時零點數據被保存在EEPROM中，下次使用仍可恢復上次用戶校正的零點。S5RESET按鈕，恢復系統零點功能；如果想要恢復經過計量部門校準過的零點(System
Offset)，則按下RESET按鈕，接著再按下HOLD按鈕，這樣磁場儀就恢復使用校準過的
零點。
6)如圖3所示，由於傳統的線性穩壓模塊(如7805)工作在+9V到+5V的工況下的效率太低(接近50％)，對於延長電池工作時間十分不利，難以達到系統易用性的要求。本測量儀採用的供電方式主要是9V疊層電池，利用Maxim公司的MAX638型CMOS降壓型開關穩壓器晶片實現+9V(電池電壓)到+5V的轉換，對系統內各晶片供電。
MAX638型CMOS降壓型開關穩壓器晶片具有轉換效率高(90％以上)、外接元件少、輸出電壓可調的優點，能夠大大減少電能損耗，實現磁場測量儀對省電的高要求，同時，其低電壓檢測功能可實現開機時電池電壓自動檢測。其缺點主要在於輸出電壓具有較大紋波，對於高精度的測量系統有一定影響，故需採用合理的元件參數及適當的濾波環節，以獲得良好的電源質量。本實用新型採用斬波電路來實現濾波，穩定輸出波形。
圖示的電源電路原理圖中，+9V電壓經過MAX638晶片及外圍的電容、電感和二極體構成的斬波電路(4)降為+5V電壓，+5V電壓經過濾波電路(5)和π型電路(6)輸出模擬電壓和數字電壓供各元件使用。在斬波電路的電壓輸出端連接有電壓反向晶片MAX660，將+5V電壓轉換為-5V。同時MAX638晶片的LBO端還引出信號線LOBAT，當電池電壓降到8V以下時，LOBAT會由高電平變為低電平，可用於開機時系統自動檢測電池電壓情況，LOBAT與單片機晶片的PA5端相連。電源中所採用的REF02晶片能夠產生+5A的恆定電流，供霍爾晶片使用。
權利要求1、三維數字式霍爾磁場測量儀，含有以三維霍爾晶片為主的磁場測量電路、電源和液晶顯示模塊，其特徵在於，所述磁場測量電路含有兩個其輸入端分別與上述三維霍爾晶片的輸出端相連的高精度模數轉換晶片U2A和U2B；其選通信號輸入端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片U2A的x方向磁場Bx，z方向磁場分量Bz1和U2的y方向磁場By，z方向磁場分量Bz2的兩組信號輸出端相連的單片機；其輸入端與上述單片機的設置信號片選輸出端相連，而輸出端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片的設置信號輸入端相連的設置信號片選邏輯電路(1)；其輸入端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片的選通信號輸出端相連，而輸出端分別與上述單片機的選通信號輸入端相連的信號選通邏輯電路(2)；其輸入端分別與上述兩個高精度模數轉換晶片的請求中斷信號輸出端相連，而輸出端與上述單片機的中斷信號輸入端相連的中斷信號選通邏輯電路(3)。
2、如權利要求1所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述設置信號片選邏輯電路(1)由兩個與門U3A和U3B組成，其各自的一個輸入端共同連接上述單片機的設置信號輸出端，另一個輸入端分別連接上述單片機的兩個片選信號輸出端，其輸出端分別連接所述兩個高精度模數轉換晶片各自的設置信號輸入端。
3、如權利要求1所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述信號選通邏輯電路(2)由三個或非門U4A、U4B和U4C組成，其中U4A和U4B各自的一個輸入端分別連接所述高精度模數轉換晶片U2A的Bx、Bz1信號輸出端和U2B的By、Bz2信號輸出端，其另一個輸入端分別連接所述單片機的兩個片選信號輸出端，而兩個輸出端與U4C的輸入端相連，U4C的輸出端與所述單片機的選通信號輸入端相連。
4、如權利要求1所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述中斷信號選通邏輯電路(3)由三個與非門U5A、U5B和U5C組成，其中U5A和U5B各自的一個輸入端分別與所述兩個高精度模數轉換晶片的請求中斷信號輸出端相連，另一個輸入端分別與所述單片機的兩個中斷選通信號輸出端相連，而兩個輸出端與U3C的輸入端相連，U3C的輸出端與所述單片機的中斷信號輸入端相連。
5、如權利要求1所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於，所述電源含有一個其輸入端與電池相連的由一個CMOS降壓型開關穩壓器晶片P1及其典型外圍電路所組成的斬波電路(4)；其輸入端與所述斬波電路(4)的輸出端相連的濾波電路(5)；其輸入端與所述濾波電路(5)的輸出端相連，而輸出端與有關晶片的模擬電壓或數字電壓輸入端相連的π型電路(6)；一個其輸入端與所述濾波電路(5)的電壓輸出端相連的電壓反向晶片P2；一個其輸入端與電池相連，而輸出端與所述三維霍爾晶片的電流輸入端相連，以輸出恆定電流的晶片P3。
6、如權利要求1所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述三維霍爾晶片的型號為3D-H-30。
7、如權利要求1所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述兩個高精度模數轉換晶片的型號均為Max1400。
8、如權利要求1所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述單片機的型號為AT90S8515。
9、如權利要求1或5所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述電源中的CMOS降壓型開關穩壓器晶片P1的型號為MAX638。
10、如權利要求1或5所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述電源中的電壓反向晶片P2的型號為MAX660。
11、如權利要求1或5所述的三維數字式霍爾磁場測量儀，其特徵在於所述電源中產生恆定電流的晶片P3的型號為REF02。
專利摘要一種三維數字式霍爾磁場測量儀屬於三維恆定磁場測量技術領域。其特徵在於，它含有兩個與三維霍爾晶片輸出端相連的高精度模數轉換晶片；與兩個高精度模數轉換晶片相連的單片機；輸入端與單片機相連，輸出端分別與兩個高精度模數轉換晶片相連的設置信號片選邏輯電路；輸入端分別與兩個高精度模數轉換晶片相連，輸出端與單片機相連的信號選通邏輯電路；輸入端分別與兩個高精度模數轉換晶片相連，輸出端與單片機相連的中斷信號選通邏輯電路。該測量儀具有高精度、高解析度、省電和高效的優點，填補了國內高精度三維磁場測量產品的空白。
文檔編號G01R33/07GK2566281SQ0223753
公開日2003年8月13日 申請日期2002年6月7日 優先權日2002年6月7日
發明者吳寧, 朱磊, 蔣曉華, 楊宏 申請人:清華大學