目標

本次實(shí)驗的目標是利用磁場(chǎng)生成和檢測原理去構建簡(jiǎn)單的接近檢測器，并觀(guān)察檢測器輸出電壓是如何隨著(zhù)電磁體越來(lái)越靠近傳感器而增加的。

背景知識

簡(jiǎn)單的接近傳感器可檢測物體對象之間的距離，可用于多種應用，從簡(jiǎn)單的門(mén)窗開(kāi)關(guān)檢測到復雜的高精度絕對位置檢測器，應用廣泛。接近傳感器可采用多種方式設計，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(chǎng)強度。在本次實(shí)驗中，我們使用鐵氧體磁芯螺線(xiàn)管產(chǎn)生磁場(chǎng)。螺線(xiàn)管是一種以圓柱形方式纏繞著(zhù)磁芯（通常用于制造具有特定電感值的電感）或電磁體的線(xiàn)圈。

ADALP2000模擬部件套件中的100 μH電感用于產(chǎn)生足夠強的磁場(chǎng)，并且能夠被該套件中集成的AD22151磁場(chǎng)傳感器檢測到。AD22151是一款線(xiàn)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。在磁場(chǎng)環(huán)境下，當電流流經(jīng)某個(gè)導體時(shí)，導體兩端就會(huì )產(chǎn)生電壓（霍爾電壓），這種現象就是霍爾效應。運動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用會(huì )發(fā)生偏轉，從而形成電場(chǎng)，產(chǎn)生霍爾電壓。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊

■   無(wú)焊試驗板和跳線(xiàn)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

硬件設置

首先，在無(wú)焊試驗板上構建圖1所示的電磁體電路。

圖1 電磁體電路

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

圖2 霍爾效應傳感器電路

試驗板連接如圖3所示。

圖3 磁性接近傳感器試驗板連接

程序步驟

使用信號發(fā)生器W1生成一個(gè)恒定的5 V信號，作為AD22151的V_CC輸入。打開(kāi)至5 V的正電源，為電磁體供電。當電磁體遠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，但由于傳感器和運算放大器中的直流偏置要乘以運算放大器的閉環(huán)增益，所以該電壓與中點(diǎn)電源電壓不同。

圖4 輸出失調電壓

如果將電磁體更靠近芯片，輸出電壓隨磁場(chǎng)強度成比例地增加。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。當電磁體離芯片較遠時(shí)，電壓將再次降低，直至達到零高斯失調電壓。

圖5 輸出電壓變化

我們可以在5.0 V電源和引腳6的運算放大器求和節點(diǎn)之間添加一個(gè)電阻R4，以改變輸出失調電壓。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(xiàn)性范圍的下限。接下來(lái)，我們來(lái)計算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使用電壓表工具測量V_CC。要計算R₄，必須清楚運算放大器求和節點(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，因為其每側的電壓為V_MID，但零場(chǎng)內部霍爾效應傳感器輸出電壓與內部緩沖電壓V_REF之間會(huì )存在一個(gè)較小的失調電壓。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V_REF。使用電壓表測量并記錄引腳6處的電壓，并將其定義為V_CM；此為運算放大器輸入端的共模電壓，并且由負反饋驅動(dòng)至非常接近內部霍爾效應傳感器的輸出。計算R2兩端的電壓：

流經(jīng)R2的電流為：

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

計算將V_OUT,Z從其當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(gè)負值，計算公式如下：

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的計算公式如下：

請注意，這是一個(gè)負值，因為V_SHIFT為負數。通過(guò)R4（用于產(chǎn)生所需失調電壓）流入求和節點(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。

計算R4的值，注意R4兩端電壓為V_CC與V_CM之差，計算公式如下：

圖6 包含電阻R4（可改變失調電壓）的電路

從套件中選擇一個(gè)最接近R4計算值的電阻。四舍五入產(chǎn)生的誤差會(huì )導致更高的輸出電壓。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，可以看到輸出失調電壓已降至其線(xiàn)性范圍的下限，接近所需的0.5 V電平。

圖7 輸出失調電壓已降低

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?？砂凑請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，電磁體越靠近芯片，LED燈越亮，因為磁場(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，電路響應將如何變化？

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

# # #

關(guān)于A(yíng)DI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(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(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Andreea Pop自2019年起擔任ADI公司的系統設計/架構工程師。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碩士學(xué)位。

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，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。