目標

本次實驗的目標是利用磁場生成和檢測原理去構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

簡單的接近傳感器可檢測物體對象之間的距離，可用于多種應用，從簡單的門窗開關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電感用于產生足夠強的磁場，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。在磁場環(huán)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），這種現(xiàn)象就是霍爾效應。運動電荷在磁場中受洛倫茲力作用會發(fā)生偏轉，從而形成電場，產生霍爾電壓。

材料

■   ADALM2000主動學習模塊

■   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

硬件設置

首先，在無焊試驗板上構建圖1所示的電磁體電路。

圖1 電磁體電路

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

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生成一個恒定的5 V信號，作為AD22151的V_CC輸入。打開至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時，示波器的通道1將顯示AD22151的輸出。

此電壓相當于零高斯點，理想情況下為中點電源電壓，采用5.0 V電源時為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芯片而增大。當電磁體離芯片較遠時，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(jié)點之間添加一個電阻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V_CC為AD22151的電源電壓，V_MID為中點電源電壓。

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(jié)點的輸入和輸出電流。通過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之間會存在一個較小的失調電壓。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R2的電流為：

計算流經反饋電阻R3的電流時可考慮電磁體遠離芯片時的傳感器輸出電壓，相當于傳感器的零高斯點。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，這是一個負值，計算公式如下：

通過反饋電阻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，這是一個負值，因為V_SHIFT為負數(shù)。通過R4（用于產生所需失調電壓）流入求和節(jié)點的電流(I_R4)與I_SHIFT的方向相反，因此可以寫成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

從套件中選擇一個最接近R4計算值的電阻。四舍五入產生的誤差會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用作視覺指示器。可按照圖8中所示進行連接。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，因為磁場會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？您可以在學子專區(qū)論壇上找到問題答案。

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關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關于作者

Andreea Pop自2019年起擔任ADI公司的系統(tǒng)設計/架構工程師。她畢業(yè)于克盧日-納波卡理工大學，獲電子與通信學士學位和集成電路與系統(tǒng)碩士學位。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應用工程師，從事ADI教學項目工作，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軟件工程碩士項目的理學碩士生。他擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。