弱磁場檢測設(shè)計(jì)　

摘要：本文在完成基本電路實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提供了弱磁場檢測電路，針對提高信號測量精度，給出了一種解決方案。在弱磁信號放大電路、零點(diǎn)調(diào)整電路、信號幅度顯示及A/D變換電路中，對信號的靈活處理，有多種電路可以選擇，運(yùn)用三位半電壓表模塊，直接顯示磁場強(qiáng)度，同時(shí)通過A/D變換得到更高精度的信號數(shù)據(jù)，通過對弱磁信號的A/D變換精度的分析，提出提高測量精度的方法。對其他弱信號的處理，同樣可以采用相似的分析方法。

1 概述

　　弱磁場檢測由線性霍爾傳感器CS3503擔(dān)任磁場傳感器，CS3503是一款高靈敏度的線性霍爾傳感器，CS3503霍爾電路內(nèi)部由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、線性放大器和射極跟隨器組成，磁場穿過CS3503霍爾測量面，其輸入是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是依磁感應(yīng)強(qiáng)度呈線性變化的電壓。

　　霍爾傳感器CS3503的輸出在磁場±150mT之間是線性變化的，CS3503使用是有方向的，一般它的標(biāo)志面，也就是有斜坡的一面對著磁極S，S磁極出現(xiàn)在霍爾傳感器CS3503標(biāo)記面時(shí)，將輸出高電平。由特性曲線看出，CS3503輸出有直流成分。

　　測量弱磁場電路，可以檢測電路附近順磁、逆磁物質(zhì)的存在，可以檢測地磁的變化，可以測量地磁爆的發(fā)生，間接知道太陽的活動。

　　弱磁場信號我們就用地磁場，地磁場哪里都有，容易獲得，利用所在地的地磁場強(qiáng)度，可以調(diào)整我們的弱磁檢測電路。用地磁場調(diào)試本電路很方便，由地磁場的強(qiáng)度我們可以得到本地地磁感應(yīng)強(qiáng)度，就可以相對調(diào)出比較準(zhǔn)確的地磁感應(yīng)強(qiáng)度信號顯示的數(shù)值。用本地地磁數(shù)據(jù)，標(biāo)定電路磁場感應(yīng)強(qiáng)度的顯示，定量顯示磁場變化，如有標(biāo)準(zhǔn)磁場，可以給電路精確定標(biāo)。

　　地磁場的變化是每時(shí)每刻都在進(jìn)行的，它的變化與我們的生活有著千絲萬縷的聯(lián)系，太陽活動對地球磁場是有影響的，可以通過測量地磁的變化反映出來。一些資料顯示地磁變化還與地震有著某種聯(lián)系，當(dāng)然首先要排除太陽引起磁暴對地磁的影響和人為或天然本地磁場造成的測量地附近地磁場變化，最好是相隔一定距離的多個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行比較，參考太陽活動，得出正確的地磁變化。

2 信號處理電路

　　測量電路采用AD620作放大器。AD620是高精度、低噪聲放大器，用于儀表放大， AD620使用方便，增益只用一個(gè)電阻就可以靈活設(shè)置，AD620體積小，成本低，是磁場傳感器的理想放大電路。電路組成框圖如圖3所示。

　　在電路輸入端，利用CS3503具有方向性的特點(diǎn)，采用兩片CS3503并列方向反向安裝，標(biāo)志面對著磁場S極接在AD620的同相端，標(biāo)志面方向?qū)χ鳱極接反相輸入端，這樣CS3503兩路的電壓在AD620里代數(shù)和，直流電平同相相減，而磁場信號輸入相位相反，在AD620輸出相加，輸出就只有磁場的正向電信號，而且是增強(qiáng)了磁場信號電平，如果接AD620輸入端的CS3503與上述反向，AD620輸出信號電壓則為負(fù)。

　　如圖4所示AD620的5腳是輸出電平的調(diào)整端。AD620的放大倍數(shù)通過1、8腳外接電阻調(diào)節(jié)。

　　AD620的放大倍數(shù)通過下式計(jì)算：G放大倍數(shù)，R放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻。

　　已知放大倍數(shù)計(jì)算放大電阻值：

3 放大電路調(diào)整方法

　　用高精度數(shù)值電壓表接在AD620的6腳，AD620的3腳外接的CS3503標(biāo)志面對準(zhǔn)北方，緩慢調(diào)整方向，直到數(shù)值最大。再旋轉(zhuǎn)90°整，旋轉(zhuǎn)方向左或右，調(diào)整電位器RP2到AD620輸出為零。放大部分電路就調(diào)好了。(注意：調(diào)整時(shí)附近不能有磁性物質(zhì)，人體不能攜帶金屬物，需用無感螺絲刀。)

4 CS3503輸出電平大小的計(jì)算

　　弱磁信號地磁場在北京附近的強(qiáng)度約為46900納特，CS3503的靈敏度最小值是7.5mV/mT，對于北京的地磁場0.0469mT，對應(yīng)CS3503輸出最小電壓值7.5*0.0469=0.35175mV;CS3503的靈敏度最大值是25mV/mT，對應(yīng)輸出最大電壓值25*0.0469=1.1725mV。

5 信號A/D變換

　　用AD620放大弱地磁信號，將CS3503輸出信號放大約1000倍，使用單片機(jī)89C2051進(jìn)行A/D變換，由程序進(jìn)行數(shù)字處理，得出較高精度的數(shù)據(jù)。

　　A/D變化有多種方式，本電路選積分式A/D變換電路。用簡單電路配合單片機(jī)就可以順利進(jìn)行A/D變化，而且A/D變換過程不需要單片機(jī)更多的干預(yù)，單片機(jī)89C2051的內(nèi)置比較器和計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)信號的A/D變換。89C2051的A/D變換是運(yùn)用控制信號在單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器上獲得計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是A/D變換的結(jié)果。積分式A/D變換電路的精度可以通過恒流源的調(diào)整得以調(diào)節(jié)。

　　單片機(jī)89C2051內(nèi)部是16位計(jì)數(shù)器，如圖4所示，Q1是控制恒流源開關(guān)電路，LM317L、R5組成恒流源電路，其電流大小為1.25V/R5=1.25mA，電容C5上的充電電壓在恒流源充電時(shí)的變化過程呈現(xiàn)有一定斜率的斜線，電壓變化的斜率和計(jì)數(shù)精度有關(guān)。

　　改變R5可以獲得不同的對電容C5充電電流，得到不同精度和分辨率的A/D變換結(jié)果;R5越大，電容充滿電荷的時(shí)間越長，A/D變化的分辨率越高。但必須考慮數(shù)據(jù)變換的時(shí)間，不能長于16位計(jì)數(shù)器計(jì)滿數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。89C2051內(nèi)部計(jì)數(shù)器是16位，占用時(shí)鐘65535個(gè)脈沖，積分所需最大時(shí)間是65535/24MHz =0.00273s(2051的時(shí)鐘晶振用24MHz)。這就是一次積分的最長時(shí)間。也決定了積分電容的充電時(shí)間不能長于0.00273s，否則高電平數(shù)值將不能被A/D變換。

　　電路積分從內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)開始，單片機(jī)P1.2腳輸出低電平，三極管Q2截止、Q1導(dǎo)通，LM317L開始恒流工作，恒流電流大小由1.25V/R5決定，電容C5開始充電，此時(shí)積分電容上電壓送單片機(jī)內(nèi)部比較器同相端P1.0腳，需要A/D變化信號，送單片機(jī)內(nèi)部比較器反相輸入端P1.1腳，當(dāng)電容C5上電壓上升超過被積分信號電壓時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，此時(shí)內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)內(nèi)部處理，同時(shí)控制P1.2輸出高電平，此時(shí)Q1截止，Q2導(dǎo)通，電容C5通過Q2放電。完成一次A/D變換。

　　A/D數(shù)據(jù)經(jīng)過量化、定標(biāo)，再經(jīng)過數(shù)字濾波，結(jié)束一次數(shù)據(jù)采集。

　　在單片機(jī)里進(jìn)行模糊運(yùn)算和自適應(yīng)運(yùn)算，測量時(shí)把相鄰兩次相同(或近似)數(shù)據(jù)舍去，只留下有變化的數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)與上兩次比較，處于數(shù)據(jù)拐點(diǎn)的數(shù)據(jù)保留，處于兩拐點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)舍去，結(jié)果只留拐點(diǎn)數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)存儲量。

　　為了數(shù)據(jù)保存和處理的方便，通過單片機(jī)89C2051的P3.0、P3.1口與上位計(jì)算機(jī)的USB口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

6 A/D變換精度分析

　　單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器是16位，數(shù)據(jù)量是216-1=65535，工作電壓是5V，那么，A/D變換的精度是5V/65535=7.63e^-5V，約76μV，這是計(jì)數(shù)器在最大電壓為5V時(shí)，計(jì)數(shù)器每一個(gè)時(shí)鐘代表的數(shù)據(jù)最小值;如果AD620放大倍數(shù)是500倍(由電阻R1決定)，加上CS3503在AD620兩個(gè)輸入端是反相并聯(lián)之和，AD620放大倍數(shù)總共1000倍，折合到AD620輸入端電平76μV/1000 =0.076μV，CS3503輸入磁場強(qiáng)度0.000076(mV)/17.5 (mV/mT)=0.0000043(mT)，是4.3納特。17.5 mV/mT是CS3503靈敏度的中值。這是本電路的磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論靈敏度，由于4.3納特磁場能引起CS3503的電壓是76納伏，信號電平已經(jīng)淹沒在噪聲里，提示我們要提高電路的實(shí)際靈敏度，必須降低電路和環(huán)境的噪聲，磁場測試電路的最終靈敏度，取決于電路和環(huán)境的噪聲，采取措施包括低噪聲放大器、屏蔽干擾磁場、甚至采用電池供電，都是降低電路噪聲和環(huán)境噪聲的方法之一。

　　本電路使用時(shí)，要注意周圍磁場的變化對測試結(jié)果的影響，周圍不能有各種磁性物質(zhì)。

7 ICL7107顯示電路

　　對于精度要求不高的場合，還可以使用ICL7107顯示電路。ICL7107是三位半數(shù)字電壓表顯示驅(qū)動電路，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，含有A/D變換、顯示驅(qū)動、參考源時(shí)鐘和7段譯碼器。使用ICL7107作為顯示的基本電路，可以隨時(shí)顯示磁場信號的變化，AD620信號處理以后，參考北京地磁強(qiáng)度，可以將顯示調(diào)為46.9μT ，那么數(shù)字顯示的分辨率就是100nT。顯示靈敏度低于16位A/D變換結(jié)果。但采用ICL7107顯示有方便、直觀、易于調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。

8 ICL7107電路調(diào)試方法

　　接好電路，調(diào)整方位到AD620的6腳輸出最小值(CS3503標(biāo)志面東西方向)，調(diào)整圖6的電位器RP1,使數(shù)碼管顯示為零，然后調(diào)整方向使AD620的3腳所接CS3503標(biāo)志面對著北方，調(diào)整方向到AD620的6腳輸出最大值，調(diào)整圖6的RP2，使數(shù)碼管顯示本地地磁場大小。ICL7107的輸入電平不能大于200mV,本電路放大1000倍，結(jié)果已經(jīng)超出200mV，需要1:10的分壓電路，給大信號顯示留出余地。

9 結(jié)束語

　　弱磁檢測可以用于車輛檢測等地方，也可以檢測金屬物體的移動。本電路靈敏度較高，使用中避免環(huán)境磁場對磁場信號的影響。

參考文獻(xiàn):

　　[1] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].人民教育出版社，1980.

　　[2] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2008.

　　[3] 張巍山.電工基礎(chǔ)[M].中國電力出版社出,2010.

　　[4] 焦其祥.電磁場理論[M].郵電出版社,2005.

　　[5] 謝處方,饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波第四版[M].高等教育出版社,2006.

　　[6] AD公司產(chǎn)品介紹.磁場傳感器.http://www.analog.com/cn/products/sensors/magnetic-field-sensors.html

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第53頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。