霍尔传感器位移测量电路的设计

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1、本科课程设计报告题目 虚拟仪器设计技术 项目 霍尔传感器位移测量电路的设计 课程名称:虚拟仿真技术指导教师：秦新燕班级学生姓名（学号）同组学生姓名同组学生姓名11电子信息科学与技术（2）班张卉（1150720064）陈亮（1150720068）徐倩文（1150720072）李嘉麒（1150720081） 黄玉银（1150720073） 黄平（1150720080）完成时间：2014年5月28日物理与电子信息学院电子信息系二一四年17 / 17目录第一章 虚拟仪器课程设计的意义及目的31.1 课程设计的意义31.2 课程设计的目的3第二章 关于虚拟仪器和Labview32.1 虚拟仪器的简介32

2、.2 Labview概述4第三章 霍尔传感器位移测量电路的设计43.1 设计要求43.2 测量电路原理与设计53.2.1 模型的建立53.2.2 放大电路设计7第四章 电路仿真分析74.1 交流分析74.2 傅里叶分析84.3 直流扫描分析94.4 传递函数分析94.5 参数扫描分析104.6 实验数据处理11第五章 Labview显示模块设计115.1 位移测量子程序的设计115.2 接口电路的设计与编译12第六章 总结16第一章 虚拟仪器课程设计的意义及目的1.1 课程设计的意义虚拟仪器技术课程是计算机科学与技术、自动化、电气工程及其自动化等专业本科生的实践性强的硬件方向专业课。 虚拟仪器

3、系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物，它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，突破传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等，广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药和工业生产等各种领域。1.2 课程设计的目的 通过本课程的学习，可以使学生掌握LABVIEW软件，学会数据采集、输出编程，虚拟仪器的数据传输和仪器控制编程，初步掌握虚拟仪器系统的综合设计方法。第二章 关于虚拟仪器和Labview2.1 虚拟仪器的简介虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器技术就是利用高性能的模

4、块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。2.2 Labview概述Labview是美国国家仪器公司（National Instrument 简称NI公司）推出 的一门图形化编程语言，同时也是优秀而著名的虚拟仪器开发平台。Labvie是laboratory virtual instrument engineering workbench的英文缩写，即实验室虚拟仪器集成环境，是一种图形化

5、的编程语言G语言。综上所示，Labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。第三章 霍尔传感器位移测量电路的设计3.1 设计要求用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm0.6mm的位移测量仪。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器

6、。通过本设计，要掌握以下内容： 了解霍尔传感器测量位移的原理； 掌握霍尔元件的测量电路； 熟悉LabView虚拟仪器向Multisim 10.0的导入方法； 测量电路硬件实现后，当输出模拟信号，会用数据采集卡进行采集； 掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理，实现位移值的显示。 了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在LabVIEW中编程与处理的不同。3.2 测量电路原理与设计3.2.1 模型的建立霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下VH=KHIB式中：VH为霍尔电压；KH为霍尔元件灵敏度；I为控制电路；B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度；两块相对的磁铁间形成磁场，当物体在沿垂直于磁场方向

7、运动时，在一定的测量范围内，磁感应强度与位移的关系是近似线性的。所以输出电压与位移也存在线性关系。图1为是实际霍尔传感器测量位移的特性，可见在-0.6mm0.6mm之间，电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为VH=151.7155X式中：VH为霍尔元件输出电压，单位为mV； X为被测量位移量，单位为mm。图1 实际霍尔传感器测量位移的特性由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图2所示，它的测量范围是-0.6mm0.6mm。

8、图2中，1和2为激励点击，3和4为霍尔点击。V1可模拟位移，压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。 图2 霍尔传感器模型3.2.2 放大电路设计霍尔传感器的电动势一般为毫伏量级，因此，实际使用时必须加放大电路，此处假的是差分放大电路，如图3所示。图3 差分放大电路第四章 电路仿真分析4.1 交流分析将图3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电源,设其幅度和频率分别为1V和50Hz，然后对电路进行交流分析，设开始和截止频率分别为1 Hz和10 MHz，输出节点选择节点11，其他设置按默认设置，仿真结果如图所示，该放大电路的带宽约100KHz。图4 交流分析结果4.2 傅里叶分析电

9、路的输入端仍然接上面的交流源，对电路进行傅里叶分析。输出节点仍然选择11，分析结果如图所示，由图可知，电路的总谐波失真(THD)较小，各次谐波的幅值也非常小。图5 傅里叶分析结果4.3 直流扫描分析按图3所示，输入端接霍尔传感器模型，对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描分析。输出节点选择节点10，扫描分析结果如图，由图可知，在-0.60.6mm位移范围内，电路的输出近似线性。图6 直流扫描分析结果4.4 传递函数分析将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源，然后进行传递函数分析，结果如图所示。放大电路的放大倍数约为-4.8倍，电路输入阻抗约为20K，输出阻抗约为0.024。图

10、7 传递函数分析结果4.5 参数扫描分析滑动变阻器R6的中心抽头打在中间位置不变，对电阻R3的阻值进行参数分析扫描，分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。参数扫描的分析结果如图所示，由于电阻R4为51K，所以当反馈回路上的总电阻和R4的阻值不相等，即参数不对称时，放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值，还和R4有关。图8 参数扫描分析4.6 实验数据处理电路调好后进行仿真，可得如表所示的实验结果。表1 实验结果位移X/mm-0.6-00.4-0.200.20.40.6电压U0/mV464.408309.659154.9110.162598-154.586-309.334-464.083

11、用MATLAB进行对上表的实验结果拟合后得：UO=-773.7421X+0.1625第五章 Labview显示模块设计5.1 位移测量子程序的设计 由上节公式可得位移表达式：根据上式，可建立一个子VI，其程序框图如图：图9 位移测量子程序LABVIEW程序框图5.2 接口电路的设计与编译1)把Multisim安装目录下SamplingLabVIEW InstrumentsTemplatesInput文件夹拷贝到另外一个地方。 2)在LabVIEW 中打开步骤中所拷贝的StarterInputI-nstrument .lvproj工程，如图12。接口电路的设计是在图10中进行。图10 Start

12、erInputInstrument.lvproj 工程图3)打开Starter Input Instrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的Update DATA选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键点击选择Select a VI，把在LabVIEW完成的子VI添加在Update DAT-A框中即可。子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连，在子VI的输出端点击右键创建位移指示表，如图11所示。程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图12所示。之后选择重命名，保存为

13、proj.vit图11 子VI的输出端创建位移指示表图12 StarterInputI-nstrument .lvproj工程4)编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开 subVIs下的Starter Input Instrument_multisimInformation.vi的后面板，如图13所示，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识，如一起设为plotterproj。同时把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设为0，此模块不需要输出。设置完后另存为proj_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。填入唯一的标识p

14、lotterproj图13 Starter Input Instrument_multisimInformation.vi后面板5)编译属性设置：打开Build Specifications，右键点击Source Distribution，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj.lib。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图14所示。属性设置完成并保存后，再在Source Distribution上点击右键，在弹出的菜单中选择Build即可。图14 “属性设置”对话框6)编译完成后，在Input文件夹下生成一个Build文件夹，打开后把

15、里面的文件复制到NationalInstrumentsCircuitDesignSuite10.0下的lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块（plotterproj），如图15。 图15 plotterproj模块霍尔位移测量电路的输出接设计好的显示模块，对电路调零后可得图16 (a)、图16 (b)的部分结果，可见设计结果基本符合要求。图16 (a) -0.2mm结果 图16 (b)0.4mm结果第六章 总结本次课程设计是霍尔传感器位移测量电路，设计中需要运用到Multisim和Labv

16、iew两个软件，所以对其的使用要有一定了解和掌握。设计中遇到了不少软件运用上的问题，通过上网查资料和咨询老师都一一解决，对软件的使用有了熟练的掌握。设计中还了解了霍尔传感器的原理及其中的一些图形，学到了不少，也期待从以后的设计中学到更多。同时，通过这次的课程设计，我也锻炼了与团队的分工协作的能力。在本次设计中，我们组首先做好了周详的计划，并安排了每个人的分工，遇到问题后我们一起讨论，相互协调，最终我们顺利完成了本次课程设计，期中既有汗水，也有欢乐！参考文献【1】 周润景，郝晓霞 主编. Multisim & LabVIEW虚拟仪器设计技术. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.8.【2】 周凯 主编. EWB虚拟电子实验室Multisim 7 & Ultiboard 7电子电路设计与应用. 北京：电子工业出版社，2005.【3】 童诗白，华成英 主编. 模拟电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，2001.【4】 杨乐平，李海涛等编著. Labview高级程序设计. 北京：清华大学出版社，2003.【5】 杨乐平，李海涛等编著. Labview程序设计与应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.