霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)測試裝置的設(shè)計研究

張文輝+袁文

摘 要：本文介紹了霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的分類、工作原理以及各項重要參數(shù)?；魻栃?yīng)數(shù)字開關(guān)測試裝置的總體設(shè)計方案充分考慮了測試的便捷和可操作性，利用實驗室常用設(shè)備如電源、示波器以及數(shù)字多用表和測試適配器進行構(gòu)建。設(shè)計制作集合電磁鐵、開關(guān)、測試夾具和接口的綜合測試臺具有操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體積小和方便搬移等特點。依據(jù)設(shè)計方案完成的測試裝置可以快速準確地測量霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的各項電參數(shù)和磁參數(shù)，并且具有測試和篩選功能。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)；測試裝置；設(shè)計

一、引言

霍爾集成電路是一種磁敏傳感器?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柤呻娐肥且曰魻栃?yīng)原理為基礎(chǔ)工作的。按照霍爾集成電路的功能可將它們分為：霍爾線性集成電路和霍爾開關(guān)集成電路。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。通過霍爾集成電路能將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、角度、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制?；魻栭_關(guān)集成電路又稱霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)，在直流無刷電機、無觸點開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速檢測、隔離檢測 、電流保護器、汽車點火器和安全報警裝置方面應(yīng)用非常廣泛。

目前，在國標和行業(yè)標準中，還沒有對霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的測試形成統(tǒng)一的標準，國內(nèi)也沒有廠家生產(chǎn)專門的測試儀器。傳統(tǒng)的霍爾器件測試系統(tǒng)大多由器件生產(chǎn)廠家自行研發(fā)，主要是由模擬分立元件構(gòu)成，測試參數(shù)受環(huán)境影響較大，長期工作穩(wěn)定性差，并且以指針式表頭來顯示測量參數(shù)，不夠直觀，讀數(shù)不方便。本文設(shè)計的測試裝置實現(xiàn)了檢測方法的科學(xué)規(guī)范，元器件檢測篩選的快速有效，器件參數(shù)準測試的確可靠。

二、霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)原理和分類

霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)由穩(wěn)壓電源、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強度超過導(dǎo)通閾值BOP 時，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，磁感應(yīng)強度B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場的B值降低到BRP 時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP 為工作點，BRP 為釋放點，BOP-BRP=BH 稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強。

霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)根據(jù)其磁電轉(zhuǎn)換特性分為鎖定型和開關(guān)型。一般規(guī)定，當(dāng)外加磁場的南極（S極）接近霍爾器件外殼上打有標志的一面時，作用到霍爾電路上的磁場方向為正磁場，北極（N極）接近標志面時為負磁場。

鎖定型霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的特點是：當(dāng)外加正磁場B 正向增加，達到BOP 時，電路導(dǎo)通，之后無論B 增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有負磁場達到負向的BRP 時，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型。

開關(guān)型霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的特點是：當(dāng)外加正磁場B 正向增加，達到BOP 時，電路導(dǎo)通，之后B減小到BRP 時即改變?yōu)榻刂箲B(tài)。

三、技術(shù)方案

（一）總體方案

設(shè)計的霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)測試裝置可以完成對器件的主要特性參數(shù)工作點磁感應(yīng)強度BOP、釋放點磁感應(yīng)強度BRP、回差BH、輸出高電平電流IOH、輸出低電平電壓VOL、電源電流ICC、輸出上升時間tr和下降時間tf的測量要求。測試裝置應(yīng)具有測試速度快，精度高，性能可靠的特點。

測試裝置的設(shè)計需要充分考慮到測試的便捷和可操作性，利用直流電源、示波器以及數(shù)字多用表和測試適配器進行構(gòu)建。

測試裝置由穩(wěn)壓電源、磁場發(fā)生裝置、測試適配器和結(jié)果測試儀器組成。測試裝置組成框圖見圖1。其中穩(wěn)壓電源為器件提供直流電壓信號VCC；磁場發(fā)生裝置提供磁感應(yīng)強度穩(wěn)定和方向可變的磁信號；測試適配器用于實現(xiàn)被測器件與測試裝置的電氣連接，并配有相關(guān)接口連接結(jié)果測量儀器；結(jié)果測試儀器可測量器件的電壓、電流和時間參數(shù)。

霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)測試原理圖如圖2所示。圖中直流穩(wěn)壓電源、電流表2、極性切換開關(guān)K2和電磁線圈組成了磁場發(fā)生裝置，直流穩(wěn)壓電源為電磁線圈提高線圈電流，電流表2讀取線圈電流的準確數(shù)值，極性切換開關(guān)K2控制線圈中的電流流向。Vcc、GND、Vout分別為霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的輸入端、地和輸出端，電流表1讀取工作電源電流。RL為霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的工作下拉電阻。K1開關(guān)控制下拉電阻RL的閉合和斷開。

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理，電磁線圈產(chǎn)生的磁場大小和線圈中流過的電流大小成正比。在設(shè)計中，通過調(diào)節(jié)電磁線圈兩端電壓，即調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓控制磁感應(yīng)強度。測量流過線圈的電流值，將電流值換算成器件的磁感應(yīng)強度。

（二）測試裝置綜合測試臺設(shè)計

為了提高測試的效率應(yīng)設(shè)計制作一個操作簡單的綜合測試臺。綜合測試臺應(yīng)集合電磁鐵、開關(guān)、測試夾具和接口等。設(shè)計的綜合測試臺俯視圖如圖3所示，從上至下為散熱片、電磁鐵和操作面板。電磁鐵為圓柱體碳鋼鐵心磁鐵，散熱片與電磁鐵緊密貼合，將霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)插入測試夾具使其正面敏感點應(yīng)能正對電磁鐵中心點即可進行測試。操作面板上有共有測試夾具和2個開關(guān)，左右側(cè)面共有8個接線端子。開關(guān)和接線端子具體作用為：K1開關(guān)為器件下拉電阻閉合和斷開開關(guān)，閉合時下拉電阻為2KΩ； K2開關(guān)為磁場方向開關(guān)，分別為正磁場、斷開（無磁場）和負磁場；左側(cè)4個接線端子從上至下為Vcc、GND、Vout和示波器。右側(cè)4個接線端子從上至下為電磁鐵電源正端、負端、Vcc和Vout。

四、效果及其評價

（一）裝置測試效果

測試裝置完成安裝調(diào)試后，使用測試裝置對多個型號器件進行測試。測試結(jié)果基本與廠家測試結(jié)果或其它機構(gòu)一致，但測試時間與傳統(tǒng)的霍爾器件測試系統(tǒng)相比縮短了近一半。限于篇幅，僅給出部分測試結(jié)果，如下表。

（二）測試裝置的特點

1.設(shè)計的磁場發(fā)生裝置磁感應(yīng)強度穩(wěn)定，重復(fù)性良好；采用優(yōu)質(zhì)碳鋼鐵心的電磁線圈，每次使用后剩磁均低于0.1 mT，幾乎不影響測試結(jié)果，無需進行剩磁處理。通過在直流穩(wěn)壓電源和電磁線圈回路上增加一個雙刀雙擲開關(guān)實現(xiàn)了磁場極性可變；根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理使用數(shù)字電流表和特斯拉計對電磁線圈回路電流與磁感應(yīng)強度進行了多次測量，完成了電磁鐵電源電流與磁感應(yīng)強度對應(yīng)關(guān)系表得出相關(guān)系數(shù)，解決了現(xiàn)有設(shè)備能力不足無法測試磁感應(yīng)強度的問題。

2.設(shè)計完成的綜合測試臺將電磁鐵、開關(guān)、測試夾具和接口很好的結(jié)合在一起。電磁線圈隱藏綜合測試臺之中不僅解決了電磁鐵磁屏蔽問題，又解決了電磁線圈的散熱問題；操作面板上各開關(guān)、測試夾具和接口布局合理、操作簡單、不易出錯；測試夾具設(shè)計成插拔拆卸式，方便多種封裝形式霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)的測試夾具的安裝。整個綜合測試臺體積小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，方便搬移。

五、結(jié)論

本文設(shè)計研究出的測試裝置經(jīng)過不斷地調(diào)整修改，應(yīng)用相關(guān)測試方法對霍爾效應(yīng)數(shù)字開關(guān)進行了反復(fù)測試，結(jié)果表明裝置運行穩(wěn)定可靠。實際測試過程也證明該系統(tǒng)具有操作簡便直觀、測試數(shù)據(jù)準確、工作效率高等特點。

參考文獻

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