霍尔传感器位移测量电路的设计 精品.docx
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本科课程设计报告
题目霍尔传感器位移测量电路的设计
课程名称:
虚拟仿真技术
指导教师：
秦新燕
班级
学生姓名（学号）
同组学生姓名
同组学生姓名
10电本一
刘建
1050720030
完成时间：
2013.5.16
物理与电子信息学院电子信息系
二〇一三年
目录
第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务2
1.1课程设计的意义2
1.2课程设计任务说明2
第二章关于虚拟仪器和Labview2
2.1虚拟仪器简介2
2.2Labview概述3
2.2.1Labview的发展历程3
2.2.2什么是VI？
3
2.2.3Labview的操作面板3
第三章霍尔传感器位移测量电路的设计5
3.1设计要求5
3.2测量电路原理与设计5
3.2.1模型的建立5
3.2.2放大电路设计6
第四章对电路仿真分析7
4.1交流分析7
4.2傅里叶分析8
4.3直流扫描分析8
4.4传递函数分析9
4.5参数扫描分析9
第五章LabVIEW显示模块设计10
5.1位移测量子程序的设计10
5.2接口电路的设计与编译11
第六章总结15
第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务
1.1课程设计的意义
虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新
型仪器。
在国外，虚拟仪器技术已经比较熟了，由于其很强的灵活性，使得该技
术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。
近几年，虚拟仪器技术在国内的发展
势也越来越受到重视。
成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：
高效的软件编程环
境、模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的目
的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的
了解。
1.2课程设计任务说明
用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm～0.6mm的位移测量仪。
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。
当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器。
通过本设计，要掌握以下内容：
1）了解霍尔传感器测量位移的原理；
2）掌握霍尔元件的测量电路；
3）熟悉Labview虚拟仪器向Multisim10.0的导入方法；
4）测量电路硬件实现后，当输出模拟信号，会用数据采集卡进行采集；
5）掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理，实现位移值的显示；
6）了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在LabVIEW中编程与处理的不同。
第二章关于虚拟仪器和Labview
2.1虚拟仪器简介
和传统的实物仪器相比，虚拟仪器是一种全新的概念。
它是利用计算机的硬件资源（CPU、存储器、显示器、键盘、鼠标）、标准数字电路（GPIB、RS-232接口总线、新型的VXI接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线）以及计算机软件资源（数据分析与表达、过程通信。
图像用户界面等），经过有针对性的开发测试，使之成为一套相当于使用者自己设计的传统仪器。
不管是传统实物仪器还是虚拟仪器，仪器大多由以下三大功能模块组成：
对被测信号的采集和控制模块、分析与处理模块，以及测得结果的表达与输出模块。
传统仪器的这些功能度是以硬件（或固体化的软件）的形式存在的。
将这些功能移植到计算机上完成，在计算机上插上数据采集卡，然后利用软件在屏幕上生成仪器面板，并且用软件来进行信号分析处理，这就构成了一台虚拟仪器。
简单的说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案。
相对于传统仪器，它有四大优势：
性能高、扩张性强、开发时间长、完美的集成功能。
虚拟仪器的五大特点：
①具有可变性、多层性、自主性的面板。
②强大的信号处理功能。
③虚拟仪器的功能、性能、指标可有用户定义。
④具有标准的、功能强大的接口总线、板卡以及相应软件。
⑤虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点。
2.2Labview概述
2.2.1Labview的发展历程
Labview是美国国家仪器公司（NationalInstrument简称NI公司）推出
的一门图形化编程语言，同时也是优秀而著名的虚拟仪器开发平台。
Labview是laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench的英文缩写，即实验室虚拟仪器集成环境，是一种图形化的编程语言——G语言。
综上所示，Labview是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
2.2.2什么是VI？
用labview开发出的应用程序被称为VI（virtualinstrument,即虚拟仪器）。
VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序，由frontpanel（前面板）和blockdiagram（两部分构成）。
前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由controls（控制量）和indicators（显示量）构成。
后面板是VI的代码部分，也是VI的核心。
后面板主要由图标、连线和框图构成，这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、Vis，正是它们构成了VI的主体。
2.2.3Labview的操作面板
在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函数（Functions）模板。
（如图2－2）这些模板集中反映了该软件的功能与特征。
图1-2工具模块、控制模块、函数模块
（1）工具模板（ToolsPalette）
该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。
如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。
当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。
当从Windows菜单下选择了ShowHelpWindow功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（SubVI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。
（2）控制模板（ControlPalette）
该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。
每个图标代表一类子模板。
如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的ShowControlsPalette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。
（3）功能模板（FunctionsPalette）
只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。
该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。
若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。
第三章霍尔传感器位移测量电路的设计
3.1设计要求
用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm～0.6mm的位移测量仪。
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。
当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器。
通过本设计，要掌握以下内容：
1）了解霍尔传感器测量位移的原理；
2）掌握霍尔元件的测量电路；
3）熟悉LabView虚拟仪器向Multisim10.0的导入方法；
4）测量电路硬件实现后，当输出模拟信号，会用数据采集卡进行采集；
5）掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理，实现位移值的显示；
6）了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在LabVIEW中编程与处理的不同。
3.2测量电路原理与设计
3.2.1模型的建立
霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下：
式中:
VH为霍尔电压；
KH为霍尔元件灵敏度；
I为控制电流；
B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。
两块相对的磁铁间形成磁场，当物体在沿垂直于磁场方向运动时，在一定的测量范围内，磁感应强度与位移的关系是近似线性的。
所以输出电压与位移也存在线性关系。
图1为实际霍尔传感器测量位移的特性。
图1霍尔传感器霍尔传感器测量位移的特性
可见在-0.6mm～0.6mm之间，电压位移关系近似线性。
对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。
拟合后的数学表达式为：
式中:
VH为霍尔元件输出电压，单位为mV；
X为被测位移量，单位为mm。
由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。
在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图2所示，它的测量范围是-0.6mm～0.6mm。
V1可模拟位移，压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。
图2霍尔传感器模型
图中1、2为激励电极；3、4为霍尔电极
3.2.2放大电路设计
霍尔传感器的电动势一般为毫伏量级，因此，实际使用时必须加放大电路，此处假的是差分放大电路，如图3所示。
图3差分放大电路
第四章对电路仿真分析
4.1交流分析
将图3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电源,设其幅度和频率分别为1V和50Hz，然后对电路进行交流分析，设开始和截止频率分别为1Hz和10MHz，输出节点选择节点10，其他设置按默认设置，仿真结果如图所示，该放大电路的带宽约100KHz。
交流分析结果
4.2傅里叶分析
电路的输入端仍然接上面的交流源，对电路进行傅里叶分析。
输出节点仍然选择10，分析结果如图所示，由图可知，电路的总谐波失真（THD）较小，各次谐波的幅值也非常小。
傅里叶分析结果
4.3直流扫描分析
按图3所示，输入端接霍尔传感器模型，对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描分析。
输出节点选择节点10，扫描分析结果如图，由图可知，在-0.6~0.6mm位移范围内，电路的输出近似线性。
直流参数扫描分析结果
4.4传递函数分析
将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源，然后进行传递函数分析，结果如图所示。
放大电路的放大倍数约为-4.8倍，电路输入阻抗约为20KΩ，输出阻抗约为0.024Ω。
传递函数分析结果
4.5参数扫描分析
滑动变阻器Rw1的中心抽头打在中间位置不变，对电阻R3的阻值进行参数分析扫描，分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。
参数扫描的分析结果如图所示，由于电阻R4为51KΩ，所以当反馈回路上的总电阻和R4的阻值不相等，即参数不对称时，放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值，还和R4有关。
参数分析扫描结果
4.6实验数据处理
电路调好后进行仿真，可得如表所示的实验结果。
实验结果
位移X（mm）
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
电压Uo（mV）
464.408
309.659
154.911
0.162598
-154.586
-309.334
-464.083
用MATLAB进行对上表的实验结果拟合后得：
第五章LabVIEW显示模块设计
5.1位移测量子程序的设计
由上节公式可得位移表达式：
根据上式，可建立一个子VI，其程序框图如图：
图4程序框图
并定义图标与连接器：
双击右上角图标编辑后如图所示。
用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择ShowConnector，此时连接窗格为默认模式，右键点选一种单输入单输出的模式，左边窗格与时域信号采集器Input相关联，右边窗格与位移显示相关联。
关联后的连接器窗格见图（b）。
完成上述工作后，将设计好的VI保存。
（b）连接器
（a）图标
5.2接口电路的设计与编译
1把Multisim安装目录下Sampling>>LabVIEWInstruments>>Templates>>Input文件夹拷贝到另外一个地方。
②在LabVIEW中打开步骤①中所拷贝的StarterInputI-nstrument.lvproj工程，如图5。
接口电路的设计是在StarterInputInstrument.vit中进行。
图5StarterInputInstrument.lvproj工程图
③打开StarterInputInstrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。
在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的UpdateDATA选项进行修改。
按框图中的说明，在结构框中右键点击选择SelectaVI，把在LabVIEW完成的子VI添加在UpdateDAT-A框中即可。
子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连，在子VI的输出端点击右键创建位移指示表，如图6所示。
程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。
设计好的前面板如图7所示。
之后选择重命名，保存为proj.vit
图6接口部分设计
图7前面板设计
④编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。
打开
subVIs下的StarterInputInstrument_multisimInformation.vi的后面板，如图8所示，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识，如一起设为plotterproj。
同时把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设为0，此模块不需要输出。
设置完后另存为proj_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。
图8虚拟仪器基本信息的修改
⑤编译属性设置：
打开BuildSpecifications，右键点击SourceDistribution，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj.lib。
同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图9所示。
属性设置完成并保存后，再在SourceDistribution上点击右键，在弹出的菜单中选择Build即可。
图9“属性设置”对话框
⑥编译完成后，在Input文件夹下生成一个Build文件夹，打开后把里面的文件复制到NationalInstruments\CircuitDesignSuite10.0下的lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块（plotterproj），如图10。
图10plotterproj模块
霍尔位移测量电路的输出接设计好的显示模块，对电路调零后可得下图（a）、（b）的部分结果，可见设计结果基本符合要求。
（b）0.4mm结果
（a）-0.2mm结果
第六章总结
本次课程设计是关于霍尔传感器位移测量电路的设计，在做此设计前必须先掌握一些基本的模电知识和对Multisim、Labview仿真软件的运用，方可理解并熟练完成。
由于此次设计是个人独立完成，且没有学习过Labview的运用，因而对Labview的G语言编程不会用，期间遇到了不少问题，但是通过上网XX与图书管借阅的一些书籍，问题慢慢一个个都解决了。
通过本次设计，使我更为熟练的掌握了Multisim元件库的调用，同时也掌握了Labview的部分知识，已及对两者接口部分设计的掌握，相信自己再次面对类似的设计时，可以熟练的完成。
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