學子專區—ADALM2000實驗：磁性接近感測器

作者：ADI 系統設計⁄架構工程師Andreea Pop 及系統應用工程師 Antoniu Miclaus


目標

本次實驗的目標是利用磁場產生和檢測原理去建構簡單的接近檢測器，並觀察檢測器輸出電壓是如何隨著電磁體越來越靠近感測器而增加的。

背景知識

簡單的接近感測器可檢測物體物件之間的距離，可用於多種應用，從簡單的門窗開關檢測到複雜的高精度絕對位置檢測器，應用廣泛。接近感測器可採用多種方式設計，其中一種涉及檢測磁體（通常為永磁體，但也可能是電磁體）產生的磁場強度。在本次實驗中，我們使用鐵氧體磁芯螺線管產生磁場。螺線管是一種以圓柱形方式纏繞著磁芯（通常用於製造具有特定電感值的電感）或電磁體的線圈。

ADALP2000類比零件套件 中的100 μH電感用於產生足夠強的磁場，並且能夠被該套件中整合的 AD22151 磁場感測器感測到。AD22151為一款線性磁場感測器，其輸出電壓與垂直施加於封裝上表面的磁場成比例。AD22151磁場感測器的工作原理基於霍爾效應。在磁場環境下，當電流流經某個導體時，導體兩端就會產生電壓（霍爾電壓），此種現象就是霍爾效應。運動電荷在磁場中受洛倫茲力作用會發生偏轉，進而形成電場，產生霍爾電壓。

材料

  • ADALM2000主動學習模組
  • 無焊試驗板和跳線套件
  • 四個100 Ω電阻
  • 一個100 μH電感
  • 一個AD22151磁場感測器
  • 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

硬體設定

首先，在無焊試驗板上建構圖1所示的電磁體電路。

Figure 1. An electromagnet circuit.
圖1.電磁體電路。

將包含AD22151磁場感測器的霍爾效應感測器電路（圖2）增加到無焊試驗板中。

Figure 2. A Hall effect sensor circuit.
圖2.霍爾效應感測器電路。

試驗板連接如圖3所示。

Figure 3. Magnetic proximity sensor breadboard connections.
圖3.磁性接近感測器試驗板連接。

程式步驟

使用訊號產生器W1產生一個恆定的5 V訊號，作為AD22151的 VCC 輸入。打開至5 V的正電源，為電磁體供電。當電磁體遠離晶片且感測器附近不存在磁場時，示波器的通道1將顯示AD22151的輸出。

此電壓相當於零高斯點，理想情況下為中點電源電壓，採用5.0 V電源時為2.5 V，但由於感測器和運算放大器中的直流偏置要乘以運算放大器的閉環增益，所以該電壓與中點電源電壓不同。

Figure 4. Output offset voltage.
圖4.輸出失調電壓。

如果將電磁體更靠近晶片，輸出電壓隨磁場強度成比例地增加。在圖5中，可以看到電壓如何隨電磁體越來越靠近晶片而增大。當電磁體離晶片較遠時，電壓將再次降低，直至達到零高斯失調電壓。

Figure 5. Output voltage variation.
圖5.輸出電壓變化。

我們可以在5.0 V電源和接腳6的運算放大器求和節點之間增加一個電阻R4，以改變輸出失調電壓。這樣在無外加磁場的情況下，能夠使感測器輸出電壓盡可能接近其線性範圍的下限。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，必須清楚運算放大器求和節點的輸入和輸出電流。通過R2的電流定義為IR2。在理想情況下，此電流為零，因為其每側的電壓為VMID，但零場內部霍爾效應感測器輸出電壓與內部緩衝電壓 VREF之間會存在一個較小的失調電壓。對於低增益電路，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）必須加以考慮。

使用電壓表測量並記錄接腳7處的電壓，並將其定義為 VREF。使用電壓表測量並記錄接腳6處的電壓，並將其定義為 VCM；此為運算放大器輸入端的共模電壓，並且由負反饋驅動至非常接近內部霍爾效應感測器的輸出。計算R2兩端的電壓：

VR2 = VREF – VCM (1)

流經R2的電流為：

IR2 = VR2/235 Ω (2)

計算流經回饋電阻R3的電流時可考慮電磁體遠離晶片時的感測器輸出電壓，相當於感測器的零高斯點。將此電壓定義為 VOUT,Z ，然後計算電流：

IR3 = (VCM – VOUT,Z)/100 kΩ (3)

計算將 VOUT,Z從其目前位準降至較低位準（本例中為0.5 V）所需的電壓偏移量。請注意，這是一個負值，計算公式如下：

VSHIFT = 0.5 V – VOUT,Z (4)

透過回饋電阻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，這是一個負值，因為 VSHIFT 為負數。通過R4（用於產生所需失調電壓）流入求和節點的電流 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)

Figure 6. A circuit with resistor R4 that changes the offset voltage.
圖6.包含電阻R4（可改變失調電壓）的電路。

從套件中選擇一個最接近R4計算值的電阻。四捨五入產生的誤差會導致更高的輸出電壓。將R4置於電路中，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於試驗板中。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性範圍的下限，接近所需的0.5 V位準。

Figure 7. Output offset voltage lowered.
圖7.輸出失調電壓已降低。

具有LED指示燈的磁性接近感測器

可將接近感測器輸出端的LED用於視覺指示器。可按照圖8中所示進行連接。將100 Ω電阻置於LED的陽極和感測器輸出端之間。這可以限制通過LED的電流。將陰極連接至GND。您會發現，電磁體越靠近晶片，LED燈越亮，因為磁場會使感測器的輸出電壓升高。

Figure 8. Magnetic proximity sensor with LED indicator.
圖8.具有LED指示燈的磁性接近感測器。

問題：

1. 如果改變電感值，電路回應將如何變化？

2. 為什麼要降低輸出失調電壓？

您可以在學子專區部落格上找到問題答案。