目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是利用磁場(chǎng)生成和檢測(cè)原理去構(gòu)建簡(jiǎn)單的接近檢測(cè)器，并觀察檢測(cè)器輸出電壓是如何隨著電磁體越來(lái)越靠近傳感器而增加的。

背景知識(shí)

簡(jiǎn)單的接近傳感器可檢測(cè)物體對(duì)象之間的距離，可用于多種應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的門(mén)窗開(kāi)關(guān)檢測(cè)到復(fù)雜的高精度絕對(duì)位置檢測(cè)器，應(yīng)用廣泛。接近傳感器可采用多種方式設(shè)計(jì)，其中一種涉及檢測(cè)磁體（通常為永磁體，但也可能是電磁體）產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們使用鐵氧體磁芯螺線管產(chǎn)生磁場(chǎng)。螺線管是一種以圓柱形方式纏繞著磁芯（通常用于制造具有特定電感值的電感）或電磁體的線圈。

ADALP2000模擬部件套件中的100 μH電感用于產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，并且能夠被該套件中集成的AD22151磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)到。AD22151是一款線性磁場(chǎng)傳感器，其輸出電壓與垂直施加于封裝上表面的磁場(chǎng)成比例。AD22151磁場(chǎng)傳感器的工作原理基于霍爾效應(yīng)。在磁場(chǎng)環(huán)境下，當(dāng)電流流經(jīng)某個(gè)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓（霍爾電壓），這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場(chǎng)，產(chǎn)生霍爾電壓。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無(wú)焊試驗(yàn)板和跳線套件

■   四個(gè)100 Ω電阻

■   一個(gè)100 μH電感

■   一個(gè)AD22151磁場(chǎng)傳感器

■   兩個(gè)470 Ω電阻

■   一個(gè)100 kΩ電阻

■   一個(gè)0.1 μF電容

■   一個(gè)10 μF電容

■   一個(gè)200 kΩ電阻

■   一個(gè)LED

硬件設(shè)置

首先，在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖1所示的電磁體電路。

圖1 電磁體電路

將包含AD22151磁場(chǎng)傳感器的霍爾效應(yīng)傳感器電路（圖2）添加到無(wú)焊試驗(yàn)板中。

圖2 霍爾效應(yīng)傳感器電路

試驗(yàn)板連接如圖3所示。

圖3 磁性接近傳感器試驗(yàn)板連接

程序步驟

使用信號(hào)發(fā)生器W1生成一個(gè)恒定的5 V信號(hào)，作為AD22151的V_CC輸入。打開(kāi)至5 V的正電源，為電磁體供電。當(dāng)電磁體遠(yuǎn)離芯片且傳感器附近不存在磁場(chǎng)時(shí)，示波器的通道1將顯示AD22151的輸出。

此電壓相當(dāng)于零高斯點(diǎn)，理想情況下為中點(diǎn)電源電壓，采用5.0 V電源時(shí)為2.5 V，但由于傳感器和運(yùn)算放大器中的直流偏置要乘以運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益，所以該電壓與中點(diǎn)電源電壓不同。

圖4 輸出失調(diào)電壓

如果將電磁體更靠近芯片，輸出電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例地增加。在圖5中，可以看到電壓如何隨電磁體越來(lái)越靠近芯片而增大。當(dāng)電磁體離芯片較遠(yuǎn)時(shí)，電壓將再次降低，直至達(dá)到零高斯失調(diào)電壓。

圖5 輸出電壓變化

我們可以在5.0 V電源和引腳6的運(yùn)算放大器求和節(jié)點(diǎn)之間添加一個(gè)電阻R4，以改變輸出失調(diào)電壓。這樣在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，能夠使傳感器輸出電壓盡可能接近其線性范圍的下限。接下來(lái)，我們來(lái)計(jì)算R4值。

我們指定V_CC為AD22151的電源電壓，V_MID為中點(diǎn)電源電壓。

在通道2使用電壓表工具測(cè)量V_CC。要計(jì)算R₄，必須清楚運(yùn)算放大器求和節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出電流。通過(guò)R₂的電流定義為I_R2。在理想情況下，此電流為零，因?yàn)槠涿總?cè)的電壓為V_MID，但零場(chǎng)內(nèi)部霍爾效應(yīng)傳感器輸出電壓與內(nèi)部緩沖電壓V_REF之間會(huì)存在一個(gè)較小的失調(diào)電壓。對(duì)于低增益電路，此電壓在許多情況下可忽略不計(jì)，但在高增益電路中（如本例）我們必須加以考慮。

使用電壓表測(cè)量并記錄引腳7處的電壓，并將其定義為V_REF。使用電壓表測(cè)量并記錄引腳6處的電壓，并將其定義為V_CM；此為運(yùn)算放大器輸入端的共模電壓，并且由負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)至非常接近內(nèi)部霍爾效應(yīng)傳感器的輸出。計(jì)算R2兩端的電壓：

流經(jīng)R2的電流為：

計(jì)算流經(jīng)反饋電阻R3的電流時(shí)可考慮電磁體遠(yuǎn)離芯片時(shí)的傳感器輸出電壓，相當(dāng)于傳感器的零高斯點(diǎn)。將此電壓定義為V_OUT,Z，然后計(jì)算電流：

計(jì)算將V_OUT,Z從其當(dāng)前電平降至較低電平（本例中為0.5 V）所需的電壓偏移量。請(qǐng)注意，這是一個(gè)負(fù)值，計(jì)算公式如下：

通過(guò)反饋電阻R3使V_OUT,Z偏移至0.5 V所需的額外電流I_SHIFT的計(jì)算公式如下：

請(qǐng)注意，這是一個(gè)負(fù)值，因?yàn)閂_SHIFT為負(fù)數(shù)。通過(guò)R4（用于產(chǎn)生所需失調(diào)電壓）流入求和節(jié)點(diǎn)的電流(I_R4)與I_SHIFT的方向相反，因此可以寫(xiě)成I_R4=–I_SHIFT，為正值。

計(jì)算R4的值，注意R4兩端電壓為V_CC與V_CM之差，計(jì)算公式如下：

圖6 包含電阻R4（可改變失調(diào)電壓）的電路

從套件中選擇一個(gè)最接近R4計(jì)算值的電阻。四舍五入產(chǎn)生的誤差會(huì)導(dǎo)致更高的輸出電壓。將R4置于電路中，如圖6中的原理圖所示。此外，圖8中也顯示了如何將此電阻置于試驗(yàn)板中。在這種情況下，套件中可用的最接近阻值為200 kΩ。在示波器的通道1，可以看到輸出失調(diào)電壓已降至其線性范圍的下限，接近所需的0.5 V電平。

圖7 輸出失調(diào)電壓已降低

帶LED指示燈的磁性接近傳感器

可將接近傳感器輸出端的LED用作視覺(jué)指示器。可按照?qǐng)D8中所示進(jìn)行連接。將100 Ω電阻置于LED的陽(yáng)極和傳感器輸出端之間。這可以限制通過(guò)LED的電流。將陰極連接至GND。您會(huì)發(fā)現(xiàn)，電磁體越靠近芯片，LED燈越亮，因?yàn)榇艌?chǎng)會(huì)使傳感器的輸出電壓升高。

圖8 帶LED指示燈的磁性接近傳感器

問(wèn)題：

1. 如果改變電感值，電路響應(yīng)將如何變化？

2. 為什么要降低輸出失調(diào)電壓？您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到問(wèn)題答案。

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Andreea Pop自2019年起擔(dān)任ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計(jì)/架構(gòu)工程師。她畢業(yè)于克盧日-納波卡理工大學(xué)，獲電子與通信學(xué)士學(xué)位和集成電路與系統(tǒng)碩士學(xué)位。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。