弱磁场检测设计　

摘要：本文在完成基本电路实验基础上提供了弱磁场检测电路，针对提高信号测量精度，给出了一种解决方案。在弱磁信号放大电路、零点调整电路、信号幅度显示及A/D变换电路中，对信号的灵活处理，有多种电路可以选择，运用三位半电压表模块，直接显示磁场强度，同时通过A/D变换得到更高精度的信号数据，通过对弱磁信号的A/D变换精度的分析，提出提高测量精度的方法。对其他弱信号的处理，同样可以采用相似的分析方法。

1 概述

　　弱磁场检测由线性霍尔传感器CS3503担任磁场传感器，CS3503是一款高灵敏度的线性霍尔传感器，CS3503霍尔电路内部由电压调整器、霍尔电压发生器、线性放大器和射极跟随器组成，磁场穿过CS3503霍尔测量面，其输入是磁感应强度，输出是依磁感应强度呈线性变化的电压。

　　霍尔传感器CS3503的输出在磁场±150mT之间是线性变化的，CS3503使用是有方向的，一般它的标志面，也就是有斜坡的一面对着磁极S，S磁极出现在霍尔传感器CS3503标记面时，将输出高电平。由特性曲线看出，CS3503输出有直流成分。

　　测量弱磁场电路，可以检测电路附近顺磁、逆磁物质的存在，可以检测地磁的变化，可以测量地磁爆的发生，间接知道太阳的活动。

　　弱磁场信号我们就用地磁场，地磁场哪里都有，容易获得，利用所在地的地磁场强度，可以调整我们的弱磁检测电路。用地磁场调试本电路很方便，由地磁场的强度我们可以得到本地地磁感应强度，就可以相对调出比较准确的地磁感应强度信号显示的数值。用本地地磁数据，标定电路磁场感应强度的显示，定量显示磁场变化，如有标准磁场，可以给电路精确定标。

　　地磁场的变化是每时每刻都在进行的，它的变化与我们的生活有着千丝万缕的联系，太阳活动对地球磁场是有影响的，可以通过测量地磁的变化反映出来。一些资料显示地磁变化还与地震有着某种联系，当然首先要排除太阳引起磁暴对地磁的影响和人为或天然本地磁场造成的测量地附近地磁场变化，最好是相隔一定距离的多个测量点进行比较，参考太阳活动，得出正确的地磁变化。

2 信号处理电路

　　测量电路采用AD620作放大器。AD620是高精度、低噪声放大器，用于仪表放大， AD620使用方便，增益只用一个电阻就可以灵活设置，AD620体积小，成本低，是磁场传感器的理想放大电路。电路组成框图如图3所示。

　　在电路输入端，利用CS3503具有方向性的特点，采用两片CS3503并列方向反向安装，标志面对着磁场S极接在AD620的同相端，标志面方向对着N极接反相输入端，这样CS3503两路的电压在AD620里代数和，直流电平同相相减，而磁场信号输入相位相反，在AD620输出相加，输出就只有磁场的正向电信号，而且是增强了磁场信号电平，如果接AD620输入端的CS3503与上述反向，AD620输出信号电压则为负。

　　如图4所示AD620的5脚是输出电平的调整端。AD620的放大倍数通过1、8脚外接电阻调节。

　　AD620的放大倍数通过下式计算：G放大倍数，R放大倍数调节电阻。

　　已知放大倍数计算放大电阻值：

3 放大电路调整方法

　　用高精度数值电压表接在AD620的6脚，AD620的3脚外接的CS3503标志面对准北方，缓慢调整方向，直到数值最大。再旋转90°整，旋转方向左或右，调整电位器RP2到AD620输出为零。放大部分电路就调好了。(注意：调整时附近不能有磁性物质，人体不能携带金属物，需用无感螺丝刀。)

4 CS3503输出电平大小的计算

　　弱磁信号地磁场在北京附近的强度约为46900纳特，CS3503的灵敏度最小值是7.5mV/mT，对于北京的地磁场0.0469mT，对应CS3503输出最小电压值7.5*0.0469=0.35175mV;CS3503的灵敏度最大值是25mV/mT，对应输出最大电压值25*0.0469=1.1725mV。

5 信号A/D变换

　　用AD620放大弱地磁信号，将CS3503输出信号放大约1000倍，使用单片机89C2051进行A/D变换，由程序进行数字处理，得出较高精度的数据。

　　A/D变化有多种方式，本电路选积分式A/D变换电路。用简单电路配合单片机就可以顺利进行A/D变化，而且A/D变换过程不需要单片机更多的干预，单片机89C2051的内置比较器和计数器，可以实现信号的A/D变换。89C2051的A/D变换是运用控制信号在单片机内部的定时器上获得计数数据，这个数据就是A/D变换的结果。积分式A/D变换电路的精度可以通过恒流源的调整得以调节。

　　单片机89C2051内部是16位计数器，如图4所示，Q1是控制恒流源开关电路，LM317L、R5组成恒流源电路，其电流大小为1.25V/R5=1.25mA，电容C5上的充电电压在恒流源充电时的变化过程呈现有一定斜率的斜线，电压变化的斜率和计数精度有关。

　　改变R5可以获得不同的对电容C5充电电流，得到不同精度和分辨率的A/D变换结果;R5越大，电容充满电荷的时间越长，A/D变化的分辨率越高。但必须考虑数据变换的时间，不能长于16位计数器计满数据所需的时间。89C2051内部计数器是16位，占用时钟65535个脉冲，积分所需最大时间是65535/24MHz =0.00273s(2051的时钟晶振用24MHz)。这就是一次积分的最长时间。也决定了积分电容的充电时间不能长于0.00273s，否则高电平数值将不能被A/D变换。

　　电路积分从内部计数器计数开始，单片机P1.2脚输出低电平，三极管Q2截止、Q1导通，LM317L开始恒流工作，恒流电流大小由1.25V/R5决定，电容C5开始充电，此时积分电容上电压送单片机内部比较器同相端P1.0脚，需要A/D变化信号，送单片机内部比较器反相输入端P1.1脚，当电容C5上电压上升超过被积分信号电压时，比较器输出翻转，此时内部计数器停止计数，数据内部处理，同时控制P1.2输出高电平，此时Q1截止，Q2导通，电容C5通过Q2放电。完成一次A/D变换。

　　A/D数据经过量化、定标，再经过数字滤波，结束一次数据采集。

　　在单片机里进行模糊运算和自适应运算，测量时把相邻两次相同(或近似)数据舍去，只留下有变化的数据，每次数据与上两次比较，处于数据拐点的数据保留，处于两拐点之间的数据舍去，结果只留拐点数据，减小数据存储量。

　　为了数据保存和处理的方便，通过单片机89C2051的P3.0、P3.1口与上位计算机的USB口进行数据交换。

6 A/D变换精度分析

　　单片机内部计数器是16位，数据量是216-1=65535，工作电压是5V，那么，A/D变换的精度是5V/65535=7.63e^-5V，约76μV，这是计数器在最大电压为5V时，计数器每一个时钟代表的数据最小值;如果AD620放大倍数是500倍(由电阻R1决定)，加上CS3503在AD620两个输入端是反相并联之和，AD620放大倍数总共1000倍，折合到AD620输入端电平76μV/1000 =0.076μV，CS3503输入磁场强度0.000076(mV)/17.5 (mV/mT)=0.0000043(mT)，是4.3纳特。17.5 mV/mT是CS3503灵敏度的中值。这是本电路的磁感应强度的理论灵敏度，由于4.3纳特磁场能引起CS3503的电压是76纳伏，信号电平已经淹没在噪声里，提示我们要提高电路的实际灵敏度，必须降低电路和环境的噪声，磁场测试电路的最终灵敏度，取决于电路和环境的噪声，采取措施包括低噪声放大器、屏蔽干扰磁场、甚至采用电池供电，都是降低电路噪声和环境噪声的方法之一。

　　本电路使用时，要注意周围磁场的变化对测试结果的影响，周围不能有各种磁性物质。

7 ICL7107显示电路

　　对于精度要求不高的场合，还可以使用ICL7107显示电路。ICL7107是三位半数字电压表显示驱动电路，具有高性能、低功耗的特点，含有A/D变换、显示驱动、参考源时钟和7段译码器。使用ICL7107作为显示的基本电路，可以随时显示磁场信号的变化，AD620信号处理以后，参考北京地磁强度，可以将显示调为46.9μT ，那么数字显示的分辨率就是100nT。显示灵敏度低于16位A/D变换结果。但采用ICL7107显示有方便、直观、易于调整的优点。

8 ICL7107电路调试方法

　　接好电路，调整方位到AD620的6脚输出最小值(CS3503标志面东西方向)，调整图6的电位器RP1,使数码管显示为零，然后调整方向使AD620的3脚所接CS3503标志面对着北方，调整方向到AD620的6脚输出最大值，调整图6的RP2，使数码管显示本地地磁场大小。ICL7107的输入电平不能大于200mV,本电路放大1000倍，结果已经超出200mV，需要1:10的分压电路，给大信号显示留出余地。

9 结束语

　　弱磁检测可以用于车辆检测等地方，也可以检测金属物体的移动。本电路灵敏度较高，使用中避免环境磁场对磁场信号的影响。

参考文献:

　　[1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].人民教育出版社，1980.

　　[2] 阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社,2008.

　　[3] 张巍山.电工基础[M].中国电力出版社出,2010.

　　[4] 焦其祥.电磁场理论[M].邮电出版社,2005.

　　[5] 谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波第四版[M].高等教育出版社,2006.

　　[6] AD公司产品介绍.磁场传感器.http://www.analog.com/cn/products/sensors/magnetic-field-sensors.html

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第8期第53页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。