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目標(biāo)

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

背景知識

(資料圖片)

簡單的接近傳感器可檢測物體對象之間的距離，可用于多種應(yīng)用，從簡單的門窗開關(guān)檢測到復(fù)雜的高精度絕對位置檢測器，應(yīng)用廣泛。接近傳感器可采用多種方式設(shè)計，其中一種涉及檢測磁體（通常為永磁體，但也可能是電磁體）產(chǎn)生的磁場強(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。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，并且能夠被該套件中集成的AD22151磁場傳感器檢測到。AD22151是一款線性磁場傳感器，其輸出電壓與垂直施加于封裝上表面的磁場成比例。AD22151磁場傳感器的工作原理基于霍爾效應(yīng)。在磁場環(huán)境下，當(dāng)電流流經(jīng)某個導(dǎo)體時，導(dǎo)體兩端就會產(chǎn)生電壓（霍爾電壓），這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。運(yùn)動電荷在磁場中受洛倫茲力作用會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場，產(chǎn)生霍爾電壓。

材料

? ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

? 無焊試驗(yàn)板和跳線套件

? 四個100 Ω電阻

? 一個100 μH電感

? 一個AD22151磁場傳感器

? 兩個470 Ω電阻

? 一個100 kΩ電阻

? 一個0.1 μF電容

? 一個10 μF電容

? 一個200 kΩ電阻

? 一個LED

硬件設(shè)置

首先，在無焊試驗(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磁場傳感器的霍爾效應(yīng)傳感器電路（圖2）添加到無焊試驗(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

使用信號發(fā)生器W1生成一個恒定的5 V信號，作為AD22151的VCC輸入。打開至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時，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越靠近芯片而增大。當(dāng)電磁體離芯片較遠(yuǎn)時，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)之間添加一個電阻R4，以改變輸出失調(diào)電壓。這樣在無外加磁場的情況下，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，我們來計算R4值。

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

在通道2使用電壓表工具測量VCC。要計算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R2的電流定義為IR2。在理想情況下，此電流為零，因?yàn)槠涿總?cè)的電壓為VMID，但零場內(nèi)部霍爾效應(yīng)傳感器輸出電壓與內(nèi)部緩沖電壓VREF之間會存在一個較小的失調(diào)電壓。對于低增益電路，此電壓在許多情況下可忽略不計，但在高增益電路中（如本例）我們必須加以考慮。

使用電壓表測量并記錄引腳7處的電壓，并將其定義為VREF。使用電壓表測量并記錄引腳6處的電壓，并將其定義為VCM；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)動至非常接近內(nèi)部霍爾效應(yīng)傳感器的輸出。計算R2兩端的電壓：

VR2 = VREF – VCM (1)

流經(jīng)R2的電流為：

IR2 = VR2/235 Ω (2)

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

IR3 = (VCM – VOUT,Z)/100 kΩ (3)

計算將VOUT,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。請注意，這是一個負(fù)值，計算公式如下：

VSHIFT = 0.5 V – VOUT,Z (4)

通過反饋電阻R3使VOUT,Z偏移至0.5 V所需的額外電流ISHIFT的計算公式如下：

ISHIFT = VSHIFT/100 kΩ (5)

請注意，這是一個負(fù)值，因?yàn)閂SHIFT為負(fù)數(shù)。通過R4（用于產(chǎn)生所需失調(diào)電壓）流入求和節(jié)點(diǎn)的電流(IR4)與ISHIFT的方向相反，因此可以寫成IR4 = –ISHIFT，為正值。

計算R4的值，注意R4兩端電壓為VCC與VCM之差，計算公式如下：

R4 = (VCC – VCM)/IR4 (6)

圖6.包含電阻R4（可改變失調(diào)電壓）的電路。

從套件中選擇一個最接近R4計算值的電阻。四舍五入產(chǎn)生的誤差會導(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用作視覺指示器。可按照圖8中所示進(jìn)行連接。將100 Ω電阻置于LED的陽極和傳感器輸出端之間。這可以限制通過LED的電流。將陰極連接至GND。您會發(fā)現(xiàn)，電磁體越靠近芯片，LED燈越亮，因?yàn)榇艌鰰箓鞲衅鞯妮敵鲭妷荷摺?

圖8.帶LED指示燈的磁性接近傳感器。

問題：

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)論壇上找到問題答案。

關(guān)于作者

Andreea Pop自2019年起擔(dān)任ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計/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，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(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。

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