霍爾傳感器位移測量電路的設(shè)計(jì)

1、本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目 霍爾傳感器位移測量電路的設(shè)計(jì) 課程名稱:虛擬仿真技術(shù)指導(dǎo)教師：秦新燕班級學(xué)生姓名（學(xué)號）同組學(xué)生姓名同組學(xué)生姓名10電本一劉建完成時(shí)間： 2013.5.16物理與電子信息學(xué)院電子信息系二一三年目 錄第一章 虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的意義及任務(wù)21.1課程設(shè)計(jì)的意義21.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)說明2第二章關(guān)于虛擬儀器和Labview22.1 虛擬儀器簡介22.2 Labview概述32.2.1 Labview的發(fā)展歷程32.2.2 什么是VI？32.2.3 Labview的操作面板3第三章 霍爾傳感器位移測量電路的設(shè)計(jì)53.1 設(shè)計(jì)要求53.2測量電路原理與設(shè)計(jì)53.2.1 模型的建立5

2、3.2.2 放大電路設(shè)計(jì)6第四章 對電路仿真分析74.1 交流分析74.2 傅里葉分析84.3 直流掃描分析84.4 傳遞函數(shù)分析94.5 參數(shù)掃描分析9第五章 LabVIEW顯示模塊設(shè)計(jì)105.1 位移測量子程序的設(shè)計(jì)105.2 接口電路的設(shè)計(jì)與編譯11第六章 總結(jié)15第一章 虛擬儀器課程設(shè)計(jì)的意義及任務(wù)1.1課程設(shè)計(jì)的意義虛擬儀器是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測量技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型儀器。在國外，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)比較熟了，由于其很強(qiáng)的靈活性，使得該技術(shù)非常適用于現(xiàn)代復(fù)雜的測試測量系統(tǒng)中。近幾年，虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展勢也越來越受到重視。成熟的虛擬儀器技術(shù)由三大部分組成：高效的軟件編程

3、環(huán)境、模塊化儀器和一個(gè)支持模塊化I/O集成的開放的硬件構(gòu)架，該課程設(shè)計(jì)的目的就是，通過一些功能簡單的儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要在這三個(gè)方面上有更深一步的了解。 1.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)說明用霍爾傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)量程范圍為-0.6mm0.6mm的位移測量儀。霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。當(dāng)霍爾元件作線性測量時(shí)，最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不等位電位小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。當(dāng)物體在一對相對的磁鐵中水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，磁場的大小隨位移的變化而發(fā)生線性變化，利用此原理可制成位移測量器。通過本設(shè)計(jì)，要掌握以下內(nèi)容：1）了解霍爾傳感器測量位移的原理；2）掌握霍爾元件的測量電路；3）熟悉L

4、abview 虛擬儀器向Multisim 10.0的導(dǎo)入方法；4）測量電路硬件實(shí)現(xiàn)后，當(dāng)輸出模擬信號，會用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集；5）掌握采集后的信號在LabVIEW中的處理，實(shí)現(xiàn)位移值的顯示；6）了解分別采用軟件仿真和實(shí)際硬件電路時(shí)，在LabVIEW中編程與處理的 不同。第二章關(guān)于虛擬儀器和Labview2.1 虛擬儀器簡介和傳統(tǒng)的實(shí)物儀器相比，虛擬儀器是一種全新的概念。它是利用計(jì)算機(jī)的硬件資源（CPU、存儲器、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)）、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路（GPIB、RS-232接口總線、新型的VXI接口總線、信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路、圖像采集電路、現(xiàn)場總線）以及計(jì)算機(jī)軟件資源（數(shù)據(jù)分析與表達(dá)、過程通信。圖像用

5、戶界面等），經(jīng)過有針對性的開發(fā)測試，使之成為一套相當(dāng)于使用者自己設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)儀器。 不管是傳統(tǒng)實(shí)物儀器還是虛擬儀器，儀器大多由以下三大功能模塊組成：對被測信號的采集和控制模塊、分析與處理模塊，以及測得結(jié)果的表達(dá)與輸出模塊。傳統(tǒng)儀器的這些功能度是以硬件（或固體化的軟件）的形式存在的。將這些功能移植到計(jì)算機(jī)上完成，在計(jì)算機(jī)上插上數(shù)據(jù)采集卡，然后利用軟件在屏幕上生成儀器面板，并且用軟件來進(jìn)行信號分析處理，這就構(gòu)成了一臺虛擬儀器。 簡單的說，虛擬儀器技術(shù)就是用戶自定義的基于PC技術(shù)的測試和測量解決方案。相對于傳統(tǒng)儀器，它有四大優(yōu)勢：性能高、擴(kuò)張性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間長、完美的集成功能。 虛擬儀器的五大特點(diǎn)： 具

6、有可變性、多層性、自主性的面板。 強(qiáng)大的信號處理功能。 虛擬儀器的功能、性能、指標(biāo)可有用戶定義。 具有標(biāo)準(zhǔn)的、功能強(qiáng)大的接口總線、板卡以及相應(yīng)軟件。 虛擬儀器具有開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便、易于應(yīng)用的特點(diǎn)。2.2 Labview概述2.2.1 Labview的發(fā)展歷程Labview是美國國家儀器公司（National Instrument 簡稱NI公司）推出的一門圖形化編程語言，同時(shí)也是優(yōu)秀而著名的虛擬儀器開發(fā)平臺。Labview是laboratory virtual instrument engineering workbench的英文縮寫，即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境，是一種圖形化的編程語言

7、G語言。 綜上所示，Labview是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。2.2.2 什么是VI？用labview開發(fā)出的應(yīng)用程序被稱為VI(virtual instrument,即虛擬儀器)。VI是由圖標(biāo)、連線以及框圖構(gòu)成的應(yīng)用程序，由front panel(前面板)和block diagram(兩部分構(gòu)成)。前面板是應(yīng)用程序的界面，是人機(jī)交互的窗口，主要由controls（控制量）和indicators（顯示量）構(gòu)成。后面板是VI的代碼部分，也是V

8、I的核心。后面板主要由圖標(biāo)、連線和框圖構(gòu)成，這些圖標(biāo)、連線和框圖實(shí)際上是一些常量、變量、函數(shù)、Vis，正是它們構(gòu)成了VI的主體。2.2.3 Labview的操作面板在LabVIEW的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。（如圖22）這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。圖1-2 工具模塊、控制模塊、函數(shù)模塊（1） 工具模板（Tools Palette）該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇Show Tools Palette命令以顯示該模

9、板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從Windows菜單下選擇了Show Help Window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（Sub VI）或圖標(biāo)上，就會顯示相應(yīng)的幫助信息。（2）控制模板（Control Palette）該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的Show Controls Palette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。 （3）功能模板(Functions Palette)只有打開了流程圖程

10、序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。 第三章 霍爾傳感器位移測量電路的設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)要求用霍爾傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)量程范圍為-0.6mm0.6mm的位移測量儀?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。當(dāng)霍爾元件作線性測量時(shí)，最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不等位電位小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。當(dāng)物體在一對相對的磁鐵中水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，磁場的大小隨位移的變化而發(fā)生線性變化，利用此原理可制成位移

11、測量器。通過本設(shè)計(jì)，要掌握以下內(nèi)容：1）了解霍爾傳感器測量位移的原理；2）掌握霍爾元件的測量電路；3）熟悉LabView虛擬儀器向Multisim 10.0的導(dǎo)入方法；4）測量電路硬件實(shí)現(xiàn)后，當(dāng)輸出模擬信號，會用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集；5）掌握采集后的信號在LabVIEW中的處理，實(shí)現(xiàn)位移值的顯示；6）了解分別采用軟件仿真和實(shí)際硬件電路時(shí)，在LabVIEW中編程與處理的不同。3.2測量電路原理與設(shè)計(jì)3.2.1 模型的建立霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)，用公式表示如下：式中: VH為霍爾電壓； KH為霍爾元件靈敏度； I為控制電流； B為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。兩塊相對的磁鐵間形成磁場，當(dāng)物體在沿垂

12、直于磁場方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定的測量范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與位移的關(guān)系是近似線性的。所以輸出電壓與位移也存在線性關(guān)系。圖1為實(shí)際霍爾傳感器測量位移的特性。圖1 霍爾傳感器霍爾傳感器測量位移的特性可見在-0.6mm0.6mm之間，電壓位移關(guān)系近似線性。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，由于實(shí)際數(shù)據(jù)是經(jīng)過放大后的數(shù)據(jù)，在擬合前要將數(shù)據(jù)除以放大倍數(shù)。擬合后的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中:VH為霍爾元件輸出電壓，單位為mV；X為被測位移量，單位為mm。由以上分析可知，霍爾位移傳感器只在很小的范圍內(nèi)呈線性，所以它是用來測量微小位移的。在Mulitisim中霍爾傳感器模型的建立如圖2所示，它的測量范圍是-0.6mm0.6mm。V1可模擬

13、位移，壓控電壓源V2模擬霍爾元件隨位移而變化的輸出電壓VH。 圖2 霍爾傳感器模型 圖中1、2為激勵(lì)電極；3、4為霍爾電極3.2.2 放大電路設(shè)計(jì)霍爾傳感器的電動(dòng)勢一般為毫伏量級，因此，實(shí)際使用時(shí)必須加放大電路，此處假的是差分放大電路，如圖3所示。圖 3 差分放大電路第四章 對電路仿真分析4.1 交流分析將圖3所示電路的1和2節(jié)點(diǎn)之間改接一個(gè)交流電源,設(shè)其幅度和頻率分別為1V和50Hz，然后對電路進(jìn)行交流分析，設(shè)開始和截止頻率分別為1 Hz和10 MHz，輸出節(jié)點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)10，其他設(shè)置按默認(rèn)設(shè)置，仿真結(jié)果如圖所示，該放大電路的帶寬約100KHz。交流分析結(jié)果4.2 傅里葉分析電路的輸入端仍然接

14、上面的交流源，對電路進(jìn)行傅里葉分析。輸出節(jié)點(diǎn)仍然選擇10，分析結(jié)果如圖所示，由圖可知，電路的總諧波失真(THD)較小，各次諧波的幅值也非常小。傅里葉分析結(jié)果4.3 直流掃描分析按圖3所示，輸入端接霍爾傳感器模型，對模擬實(shí)際位移量的電壓源V1進(jìn)行直流參數(shù)掃描分析。輸出節(jié)點(diǎn)選擇節(jié)點(diǎn)10，掃描分析結(jié)果如圖，由圖可知，在-0.60.6mm位移范圍內(nèi)，電路的輸出近似線性。直流參數(shù)掃描分析結(jié)果4.4 傳遞函數(shù)分析將放大電路的輸入端改接一小信號直流電壓源作為輸入源，然后進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，結(jié)果如圖所示。放大電路的放大倍數(shù)約為-4.8倍，電路輸入阻抗約為20K，輸出阻抗約為0.024。傳遞函數(shù)分析結(jié)果4.5 參

15、數(shù)掃描分析滑動(dòng)變阻器Rw1的中心抽頭打在中間位置不變，對電阻R3的阻值進(jìn)行參數(shù)分析掃描，分析其大小的變化對電路放大倍數(shù)的影響。參數(shù)掃描的分析結(jié)果如圖所示，由于電阻R4為51K，所以當(dāng)反饋回路上的總電阻和R4的阻值不相等，即參數(shù)不對稱時(shí)，放大倍數(shù)并不等于反饋回路總電阻與R1阻值的比值，還和R4有關(guān)。參數(shù)分析掃描結(jié)果4.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理電路調(diào)好后進(jìn)行仿真，可得如表所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果位移X(mm)-0.6-0.4-0.200.20.40.6電壓Uo（mV）464.408309.659154.9110.-154.586-309.334-464.083用MATLAB進(jìn)行對上表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合后得：

16、第五章 LabVIEW顯示模塊設(shè)計(jì)5.1 位移測量子程序的設(shè)計(jì)由上節(jié)公式可得位移表達(dá)式：根據(jù)上式，可建立一個(gè)子VI，其程序框圖如圖：圖4程序框圖并定義圖標(biāo)與連接器：雙擊右上角圖標(biāo)編輯后如圖所示。用鼠標(biāo)右鍵單擊前面板窗口中的圖標(biāo)窗格，在快捷菜單中選擇Show Connector，此時(shí)連接窗格為默認(rèn)模式，右鍵點(diǎn)選一種單輸入單輸出的模式，左邊窗格與時(shí)域信號采集器Input相關(guān)聯(lián)，右邊窗格與位移顯示相關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)后的連接器窗格見圖（b）。完成上述工作后，將設(shè)計(jì)好的VI保存。(b)連接器(a)圖標(biāo)5.2 接口電路的設(shè)計(jì)與編譯 把Multisim安裝目錄下SamplingLabVIEWInstruments

17、TemplatesInput文件夾拷貝到另外一個(gè)地方。在LabVIEW 中打開步驟中所拷貝的StarterInputI-nstrument .lvproj工程，如圖5。接口電路的設(shè)計(jì)是在Starter Input Instrument.vit中進(jìn)行。圖5 StarterInputInstrument .lvproj工程圖打開Starter Input Instrument.vit的框圖面板，完成接口框圖的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)處理部分，選擇CASE結(jié)構(gòu)下拉菜單中的Update DATA選項(xiàng)進(jìn)行修改。按框圖中的說明，在結(jié)構(gòu)框中右鍵點(diǎn)擊選擇Select a VI，把在LabVIEW完成的子VI添加在Upda

18、te DAT-A框中即可。子VI輸入端Input與Multisim的對儀器的輸入端相連，在子VI的輸出端點(diǎn)擊右鍵創(chuàng)建位移指示表，如圖6所示。程序框圖設(shè)計(jì)好后，要進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，除了要完成功能外，還要兼顧美觀。設(shè)計(jì)好的前面板如圖7所示。之后選擇重命名，保存為proj.vit圖6 接口部分設(shè)計(jì)圖7 前面板設(shè)計(jì)編譯之前，要對虛擬儀器進(jìn)行基本信息設(shè)置。打開subVIs下的Starter Input Instrument_multisimInformation.vi的后面板，如圖8所示，在儀器ID中和顯示名稱中填入唯一的標(biāo)識，如一起設(shè)為plotterproj。同時(shí)把輸入端口數(shù)設(shè)為1，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電壓輸

19、入；把輸出端口設(shè)為0，此模塊不需要輸出。設(shè)置完后另存為proj_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必須一致。圖8 虛擬儀器基本信息的修改編譯屬性設(shè)置：打開Build Specifications，右鍵點(diǎn)擊Source Distribution，選擇屬性設(shè)置，在保存目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫文件重命名，如proj.lib。同時(shí)在原文件設(shè)置中選擇總是包括所有包含的條目，如圖9所示。屬性設(shè)置完成并保存后，再在Source Distribution上點(diǎn)擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Build即可。圖9 “屬性設(shè)置”對話框編譯完成后，在Inp

20、ut文件夾下生成一個(gè)Build文件夾，打開后把里面的文件復(fù)制到National InstrumentsCircuit Design Suite 10.0下的lvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導(dǎo)入，當(dāng)再打開Multisim時(shí)，在LabVIEW儀器下拉菜單下就會顯示你所設(shè)計(jì)的模塊（plotterproj），如圖10。圖10 plotterproj模塊霍爾位移測量電路的輸出接設(shè)計(jì)好的顯示模塊，對電路調(diào)零后可得下圖(a)、(b)的部分結(jié)果，可見設(shè)計(jì)結(jié)果基本符合要求。(b) 0.4mm 結(jié)果(a) -0.2mm 結(jié)果第六章 總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)是關(guān)于霍爾傳感器位移測量電路的設(shè)計(jì)，在做

21、此設(shè)計(jì)前必須先掌握一些基本的模電知識和對Multisim、Labview仿真軟件的運(yùn)用，方可理解并熟練完成。由于此次設(shè)計(jì)是個(gè)人獨(dú)立完成，且沒有學(xué)習(xí)過Labview的運(yùn)用，因而對Labview的G語言編程不會用，期間遇到了不少問題，但是通過上網(wǎng)百度與圖書管借閱的一些書籍，問題慢慢一個(gè)個(gè)都解決了。通過本次設(shè)計(jì)，使我更為熟練的掌握了Multisim元件庫的調(diào)用，同時(shí)也掌握了Labview的部分知識，已及對兩者接口部分設(shè)計(jì)的掌握，相信自己再次面對類似的設(shè)計(jì)時(shí)，可以熟練的完成。內(nèi)部資料僅供參考9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFye

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