霍爾傳感器及測(cè)量電路

信息科學(xué)與工程學(xué)院設(shè)計(jì)題目：霍爾傳感器及測(cè)量電路專(zhuān)業(yè):電子信息工程班級(jí)：學(xué)生：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：2019年12月26日目錄TOC\o"1-5"\h\z概述 11.1設(shè)計(jì)目標(biāo) 1\o"CurrentDocument"1.2霍爾傳感器的簡(jiǎn)要敘述 1\o"CurrentDocument"1.3相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)狀況 2基本原理與設(shè)計(jì)思路 3\o"CurrentDocument"2.1霍爾傳感器及測(cè)量電路基本原理 3霍爾效應(yīng) 3線性霍爾SS495A1基本信息 3SS495輸出特性 4\o"CurrentDocument"2.1.4傳感器SS495的引腳圖及功能說(shuō)明 4\o"CurrentDocument"2.1.5測(cè)量電路基本原理 52.2霍爾傳感器及測(cè)量電路基本設(shè)計(jì)思路 6\o"CurrentDocument"電路設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"3.1總體電路原理框圖 73.2零點(diǎn)調(diào)整電路的設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"3.3反向比例運(yùn)放降壓功能電路設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"3.4反相器電路設(shè)計(jì) 9仿真 104.1仿真方法 10\o"CurrentDocument"4.2仿真結(jié)果 10總結(jié) 12\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 131.概述1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）傳感器：SS495或類(lèi)似性能傳感器，磁場(chǎng)檢測(cè)范圍：-600Gs-600Gs。（2） 設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量電路，在要求的測(cè)量范圍內(nèi)，電路輸出的滿量程電壓值為3000mV。（3） 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，給出仿真結(jié)果。（4） 完成信號(hào)處理電路PCB板設(shè)計(jì)。1.2霍爾傳感器的簡(jiǎn)要敘述霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)制作的一種傳感器。1879年美國(guó)科學(xué)家霍爾首先再金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而沒(méi)有得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)將被測(cè)量（如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)=速等）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。雖然它的轉(zhuǎn)換率較低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但因霍爾式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍（輸出電動(dòng)勢(shì)的變化）大、非接觸、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易于微型化和集成化等特點(diǎn)，還是在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)技術(shù)和信息處理的方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前，最常用的霍爾元件材料是諾（Ge）、硅（Si）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）等半導(dǎo)體材料⑴。值得一提的是，20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了一種新型霍爾元件一超晶格結(jié)構(gòu)的霍爾元件，它可以用來(lái)測(cè)量微磁場(chǎng)?？梢哉f(shuō)，超晶格霍爾元件是霍爾元件的一個(gè)質(zhì)的飛躍。20世紀(jì)末，集成霍爾傳感器技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，各種性能的集成霍爾傳感器不斷涌現(xiàn)，它們已在汽車(chē)、紡織、化工、通訊、電機(jī)、電信、計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是由集成開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器制成的無(wú)刷直流電機(jī) （霍爾電機(jī)）已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶.廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)、攝錄像設(shè)備、VCD、DVD、及新型助力自行車(chē)等產(chǎn)品中?；魻杺鞲衅饔谢魻栐突魻柤呻娐穬煞N類(lèi)型。目前，霍爾傳感器已從分立型結(jié)構(gòu)發(fā)展到集成電路階段［1］?；魻柤呻娐肥前鸦魻栐?、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個(gè)芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)。與前者相比，霍爾集成電路更具有微型化、可靠性高、壽命長(zhǎng)、功耗低以及負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。1.3相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)狀況隨著智能時(shí)代的來(lái)臨，傳感器技術(shù)得到快速發(fā)展。作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心基礎(chǔ)支撐部分，利用好傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的使用顯得尤為重要，霍爾傳感器的霍爾效應(yīng)原理和霍爾傳感器在濕式DCT［2］的工作原理，分析霍爾轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾位置傳感器在濕式DCT上的布置方式和測(cè)試方式，以及霍爾轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)向測(cè)試方法?；魻杺鞲衅饔兄鴱V泛的應(yīng)用領(lǐng)域，比如用霍爾傳感器制作自行車(chē)?yán)锍瘫?，電冰箱開(kāi)門(mén)延時(shí)報(bào)警器［3］等。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)展與城市交通的日益擁擠，地鐵交通已然成為現(xiàn)代城市的重要交通工具。近年來(lái)我國(guó)加快發(fā)展地鐵交通建設(shè)步伐，當(dāng)前綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在地鐵交通中得以廣泛的運(yùn)用，電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量的電量參數(shù)主要為各個(gè)主要回路的電流與電壓［4】。傳統(tǒng)電流測(cè)量是通過(guò)檢測(cè)電阻將電流轉(zhuǎn)成電壓，該方式存在兩個(gè)問(wèn)題：在大電流檢測(cè)時(shí)檢測(cè)電阻消耗能量，降低效率；檢測(cè)電流與輸出電壓不隔?；魻栃蛡鞲衅饔捎诰哂休^小的體積、低噪聲、低功耗、良好的隔離效果等優(yōu)點(diǎn)，已在電流和電壓測(cè)量方面受到廣泛的g2.基本原理與設(shè)計(jì)思路2.1霍爾傳感器及測(cè)量電路基本原理2.1.1霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場(chǎng)B，在薄片一端通入控制電流I，則在磁場(chǎng)洛倫茲力FL作用下，在薄片另外兩側(cè)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅鬏敵鲭妷?'UHKI.B2.1.2線性霍爾SS495A1基本信息電源電壓： 4.5Vdc至10.5Vdc。輸出類(lèi)型：模擬量。工作溫度：-40°C至150°C。線性度（量程百分比）：-1.0%典型值。靈敏度： 3.125mV±0.094mV/G。輸出電流： >1mA，典型值1.5mA。零位輸出： 2.50Vdc±0.075Vdc。響應(yīng)時(shí)間： 3佑。磁感應(yīng)范圍：-60mT至60mT[-600G至600G]。2.1.3SS495輸出特性圖2.1SS495的輸出特性2.1.4傳感器SS495的引腳圖及功能說(shuō)明圖2.2SS495封裝NameNOStatusDescriptionVdd1PPowerSupplyGnd2PICGround

Output3OOutput表2.3SS495引腳功能說(shuō)明2.1.5 測(cè)量電路基本原理為滿足題目要求，輸出滿量程3000mV,故采用以下的基本測(cè)量電路:圖2.4霍爾傳感器基本測(cè)量原理圖2.2霍爾傳感器及測(cè)量電路基本設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)思路就是先用傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)的電壓范圍，現(xiàn)所然后通過(guò)集成運(yùn)放電路來(lái)實(shí)要測(cè)輸出的滿量程值3V。圖2.5設(shè)計(jì)思路圖3.電路設(shè)計(jì)3.1總體電路原理框圖圖3.1總體電路框UK(U2.5)out H零點(diǎn)調(diào)整時(shí)，要通過(guò)加法器輸入2.5V電壓，取滑動(dòng)變阻器規(guī)格為20K。為了保護(hù)電路，取：Ri10kUU2.5inH容易得出：TOC\o"1-5"\h\z3 30K6.9 69在反向比例運(yùn)算電路中，R69kR30k9 10RR//R20.9k11 9 10在加法器中，RRR20k—2—3 4—RR//R10k5 2 3在反相器中，?。篟R20k6 7RR//R10k8 6 7

另外一個(gè)反向器同理可得由經(jīng)驗(yàn)所得，濾波電容為C0.47uFi3.2 零點(diǎn)調(diào)整電路的設(shè)計(jì)圖3.2零點(diǎn)調(diào)整電路的設(shè)計(jì)3.3反向比例運(yùn)放降壓功能電路設(shè)計(jì)5.DV5.0V-vyv5.DV5.0V-vyv圖3.3反向比例運(yùn)放降壓功能電路設(shè)計(jì)3.4反相器電路設(shè)計(jì)R135OUR135OUAA/v―*圖3.4反相器電路設(shè)計(jì)4.仿真4.1仿真方法本電路米用Multisim 來(lái)進(jìn)行仿真，先可調(diào)電壓源代替霍爾傳感器，然后應(yīng)用加法器電路進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，然后測(cè)量運(yùn)放后的輸出電壓。圖4.1電路仿真圖4.2仿真結(jié)果B(Gs)-600-400-2000200400600Uin(V)3.133.754.385.005.636.256.88Uout(V)1.361.631.902.172.452.722.99圖4.1輸入與輸出的數(shù)據(jù)記錄Uout3.52.52" 1.50.5 1 1 1 0I 1 1 1 -800 -600-400-200 0 200400600 800圖4.2折線圖5-，總結(jié)學(xué)了一學(xué)期的傳感器，這周進(jìn)行傳感器的實(shí)習(xí)，開(kāi)始更加深入地學(xué)習(xí)傳感器的相關(guān)知識(shí)，在仿真上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，收獲還是頗多的。Multisim上進(jìn)行電路仿真，最重要的是一定要親力親為，務(wù)必要將每個(gè)步驟，每個(gè)細(xì)節(jié)弄清楚，弄明白，這樣，也會(huì)有事半功倍的效果。傳感器實(shí)習(xí)就是使我們加深理解所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握各類(lèi)典型傳感器、記錄儀器的基本原理和適用范圍，還要對(duì)模電基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。在所設(shè)計(jì)的電路中，我覺(jué)得不足的是沒(méi)有進(jìn)一步濾波，存在阻抗干擾，仿真中所測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了非線性誤差。改進(jìn)的地方就是需要對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和處理，還要增加濾波電路，然后對(duì)所得數(shù)據(jù)采用合理的測(cè)量方法。6.參考文獻(xiàn)白亞梅.傳感器技術(shù)及應(yīng)用.哈爾濱工程大學(xué)出版社.2016.1.朱倩，李曉波，劉學(xué)武，鄧云飛.霍爾