CN106680602B - 一种基于霍尔传感器的静电场测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，包括依次连接的静电场采集单元、信号放大单元、A/D转换模块、单片机存储系统以及显示单元，所述静电场采集单元包括霍尔传感器以及向霍尔传感器提供稳定工作电压的恒流电源模块；所述信号放大单元包括差动输入电路、同相放大电路、反相放大电路、置换电路以及选择电路，由选择电路进行选择，进而输出正向电场或者反向电场。本发明成本低、体积小、灵敏度高、适应频率和温度范围宽，而且既可测量恒定电场，又可测量交变电场。

Description

一种基于霍尔传感器的静电场测试仪

技术领域

本发明涉及静电测试领域，尤其涉及一种基于霍尔传感器的静电场测试仪。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，尤其是电子、IT、航天航空等高新技术产业的飞速崛起，大量的电子产品采用了集成电路和超大规模集成电路。但许多电子器件对静电极为敏感，通常被称为静电敏感器件、静电放电的能量虽然对传统的分离器件影响甚微，但是静电产生的静电场和静电流会成为器件的致命杀手，使得它们的功能失效或造成难以让人发现的“软击穿”，造成产品硬件的损坏或不能正常工作，直接影响产品质量、寿命、可靠性和经济性。为了防止静电造成危害，首先要利用仪器测量静电产生的状况，然后据此采取措施消除静电，因此静电的测量与研究变得越来越重要。

现有常用的静电检测主要应用法拉第筒静电感应原理，做成平板式的非接触型静电感应传感器，将传感器上感应到的微弱电压，通过运算放大在终端数字屏上显示，以便人们读取。平板式传感器有一个重要特点，就是电容变化量很小，只有几个PF，此特征使它极易受外界干扰，通过并联传感器的方法虽能够提高电容变化量，但寄生电容仍会影响变化量，严重时寄生电容远大于本体电容，使有用信号被寄生电容噪声淹没，以至传感器无法工作。这些寄生电容随温度、湿度、位置，以及元器件的性能等因素变化而变化。因此，测量静电往往不够精确，误差较大，重复检测一致性得不到保证。

CN 203365597 U公开了一种静电检测设备，包括电源、线路板接地线，还带有无线电模块。所述的无线电模块与静电检测线路板相连，所述的无线电模块为无线电发射模块，所述的无线电发射模块还对应一个无线电接收模块。所述的无线电接收模块和电脑数据接口相连。数据接口主要指电脑的串口、网口或USB口等用来交互数据的硬件接口。所述的无线电接收模块可以接收多个无线电发射模块，所述的无线电模块频段使用超高频或微波。但是，该专利公开的静电检测设备易受外界信号干扰，测试精度较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，包括霍尔传感器、恒流电源模块、信号放大单元、A/D转换模块、单片机存储系统以及显示单元六个模块，充分发挥霍尔传感器体积小、灵敏度高、可测试任意波形的优势，同时，信号放大单元以OP07运算放大器为核心单元，具有较低的输入失调电压，较低的输入噪声电压幅度和无限大的频带宽度，进一步提高了测试精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，包括依次连接的静电场采集单元、信号放大单元、A/D转换模块、单片机存储系统以及显示单元，所述静电场采集单元包括霍尔传感器以及向霍尔传感器提供稳定工作电压的恒流电源模块；所述信号放大单元包括差动输入电路、同相放大电路、反相放大电路、置换电路以及选择电路，所述霍尔传感器、恒流电源模块的输出端分别连接至差动输入电路的同相输入端和反相输入端，以实现对霍尔传感器采集的静电场信号进行压差反相；所述差动输入电路的输出端分支为三路，分别连接至同相放大电路、反相放大电路、置换电路的输入端，而同相放大电路、反相放大电路的输出端分别连接至选择电路的两个独立输入端，置换电路的输出端连接至选择电路的一个选择输入端，同相放大电路、反相放大电路的输出信号与置换电路的输出信号比较后，并由选择电路进行选择，进而输出正向电场或者反向电场。

具体地，所述单片机存储系统包括单片机、复位电路、时钟电路，单片机的RST端口连接复位电路，单片机的XTAL端口连接时钟电路。

优选地，所述单片机型号为AT89C51。

进一步地，所述恒流电源模块包括一个稳压管D1、滑动变阻器RV1以及+5V电源，所述稳压管D1的阴极通过分压电阻R11连接+5V电源，稳压管D1的阳极直接接地，稳压管D1参考级与滑动变阻器RV1的滑动端连接，同时，滑动变阻器RV1与稳压管D1并联并分支为两路输出，一路输出信号供给霍尔传感器工作，另一路输出信号连接至差动输入电路的反相输入端。

再进一步地，所述恒流电源模块的两路输出信号的电压为2.6V。

更进一步地，所述差动输入电路、同相放大电路、反相放大电路均由运算放大器及外围的若干电阻器构成，且运算放大器的型号为OP07。

优选地，所述选择电路的型号为7HC4053。

优选地，所述置换电路以电压比较器为核心芯片，且电压比较器的型号为LM324。

优选地，所述A/D转换模块的型号为TLC1543。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明成本低、体积小、灵敏度高、适应频率和温度范围宽，而且既可测量恒定电场，又可测量交变电场。信号放大单元以OP07运算放大器为核心单元，且具有较低的输入失调电压，较低的输入噪声电压幅度和无限大的频带宽度。当V0为有限值时，则输入的差模电压就必须趋于零，大大提高了测试精度。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明中恒流电源模块的电路图。

图3是本发明中信号放大单元的电路图。

图4是本发明中单片机存储系统与显示单元连接的电路图。

图5是本发明的整体电路图。

附图中各模块的名称为：

100-静电场采集单元，110-霍尔传感器，120-恒流电源模块，200-信号放大单元，210-差动输入电路，220-同相放大电路，230-反相放大电路，240-置换电路，250-选择电路，300-A/D转换模块，400-单片机存储系统，500-显示单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

根据图1所示，一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，包括依次连接的静电场采集单元100、信号放大单元200、A/D转换模块300、单片机存储系统400以及显示单元500；所述静电场采集单元100包括霍尔传感器110以及向霍尔传感器110提供稳定工作电压的恒流电源模块120；由于霍尔传感器110的基准电压为2.6V，而现实生活中，一般电源电压均为5V或12V，因此，本发明设置一个2.6V的恒流电源模块，如图2所示，所述恒流电源模块120包括一个稳压管D1、滑动变阻器RV1以及+5V电源，所述稳压管D1的阴极通过分压电阻R1连接+5V电源，稳压管D1的阳极直接接地，稳压管D1参考级与滑动变阻器RV1的滑动端连接，同时，滑动变阻器RV1与稳压管D1并联并分支为两路输出，通过调节滑动变阻器RV1的阻值可以实现2.6V的稳定输出：一路输出信号OutPut11供给霍尔传感器工作，另一路输出信号OutPut12连接至差动输入电路的反相输入端。

所述信号放大单元200包括差动输入电路210、同相放大电路220、反相放大电路230、置换电路240以及选择电路250；如图3所示，本实施例中差动输入电路210、同相放大电路220、反相放大电路230均采用型号为OP07芯片的运算放大器进行信号放大，置换电路240采用型号为LM324的电压比较器U4进行电压比较，选择电路250采用型号为7HC4053的模拟开关U5进行输出信号的选择；霍尔传感器110的输出信号从InPut21端口通过电阻器R11连接至差分运算放大器U1的正相输入端，恒流电源模块120的2.6V的输出信号从InPut22端口通过电阻器R13连接至运算放大器U1的负相输入端，经过差动输入电路210的信号分为三路，第一路信号通过电阻器R21连接至同相运算放大器U2的正相输入端，第二路信号通过电阻器R31连接至反相运算放大器U3的负相输入端，第三路信号连接至电压比较器U4的负相输入端；同相运算放大器U2的负相输入端、反相运算放大器U3的正相输入端分别通过电阻器R22、R32接地，电压比较器U4的正向输入端直接接地；同相运算放大器U2的负相输入端与输出端之间连接电阻器R23作为反馈电阻，输出端信号OutPut21连接至模拟开关U5的X0输入通道，反相运算放大器U3的负相输入端与输出端之间连接电阻器R33作为反馈电阻，输出端信号OutPut22连接至模拟开关U5的X1输入通道，电压比较器U4的输出端信号OutPut23连接至模拟开关U5选择通道的A端口，选择通道的A端口控制输出信号的正反向，最终由X通道输出，连接至A/D转换模块300的输入端，A/D转换模块300选用TLC1543芯片。

如图4所示，单片机存储系统400由三部分组成：单片机U7、复位电路、时钟电路，本实施例中，单片机U7选用AT89C51芯片，AT89C51芯片包括一个8位的微处理器，一种带4K字节的存储器，4个8位并行I/O端口P0--P3，每个端口既可作为输入，也可以作为输出；本实施例的P0端口接显示单元500的D0--D7端口。P2端口接A/D转换模块300的相应端口。芯片还包括两个16位的定时器/计数器；5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统等。ALE表示地址所存允许信号端，RST接复位电路，XTAL1、2接时钟电路。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至电源稳定后，撤销复位信号。复位后P0到P3口表现为高电平，程序寄存器和特殊功能寄存器全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片开始运行程序。

如图5所示，恒流电源模块120输出2.6V的电压，一路信号作为给霍尔传感器110的基准电压，霍尔传感器110的输出信号与恒流电源模块120另一路输出的2.6V电压信号作为差分运算放大器U1的正相、反相输入信号，当霍尔传感器110的输出信号InPut21的电压范围为2.6V-4.6V时，差分运算放大器U1的压差为0-2V，输出的电场为正向电场；当InPut21的电压范围为0.6V-2.6V时，差分运算放大器U1的压差为-2V-0V，差分运算放大器U1输出的电场为反向电场；差分运算放大器U1的输出信号经过同相运算放大器U2、反相运算放大器U3、电压比较器U4后，三路信号送至模拟开关U5，当模拟开关U5显示为高电平时，其X端输出正向电场，反之，X端输出则为反向电场，模拟开关U5输出的信号经过A/D转换模块300后传送至单片机U7，由显示单元500进行实时显示。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，包括依次连接的静电场采集单元（100）、信号放大单元（200）、A/D转换模块（300）、单片机存储系统（400）以及显示单元（500），其特征在于：所述静电场采集单元（100）包括霍尔传感器（110）以及向霍尔传感器（110）提供稳定工作电压的恒流电源模块（120）；所述信号放大单元（200）包括差动输入电路（210）、同相放大电路（220）、反相放大电路（230）、置换电路（240）以及选择电路（250），所述霍尔传感器（110）、恒流电源模块（120）的输出端分别连接至差动输入电路（210）的同相输入端和反相输入端，以实现对霍尔传感器（110）采集的静电场信号进行压差反相；所述差动输入电路（210）的输出端分支为三路，分别连接至同相放大电路（220）、反相放大电路（230）、置换电路（240）的输入端，而同相放大电路（220）、反相放大电路（230）的输出端分别连接至选择电路（250）的两个独立输入端，置换电路（240）的输出端连接至选择电路（250）的一个选择输入端，同相放大电路（220）、反相放大电路（230）的输出信号与置换电路（240）的输出信号比较后，由选择电路（250）进行选择，进而输出正向电场或者反向电场，具体地，霍尔传感器（110）的输出信号从InPut21端口通过电阻器R11连接至差分运算放大器U1的正相输入端，恒流电源模块（120）的2.6V的输出信号从InPut22端口通过电阻器R13连接至运算放大器U1的负相输入端，经过差动输入电路（210）的信号分为三路，第一路信号通过电阻器R21连接至同相运算放大器U2的正相输入端，第二路信号通过电阻器R31连接至反相运算放大器U3的负相输入端，第三路信号连接至电压比较器U4的负相输入端；同相运算放大器U2的负相输入端、反相运算放大器U3的正相输入端分别通过电阻器R22、R32接地，电压比较器U4的正向输入端直接接地；同相运算放大器U2的负相输入端与输出端之间连接电阻器R23作为反馈电阻，输出端信号OutPut21连接至模拟开关U5的X0输入通道，反相运算放大器U3的负相输入端与输出端之间连接电阻器R33作为反馈电阻，输出端信号OutPut22连接至模拟开关U5的X1输入通道，电压比较器U4的输出端信号OutPut23连接至模拟开关U5选择通道的A端口，选择通道的A端口控制输出信号的正反向，最终由X通道输出，连接至A/D转换模块（300）的输入端；所述恒流电源模块（120）包括一个稳压管D1、滑动变阻器RV1以及+5V电源，所述稳压管D1的阴极通过分压电阻R1连接+5V电源，稳压管D1的阳极直接接地，稳压管D1参考级与滑动变阻器RV1的滑动端连接，同时，滑动变阻器RV1与稳压管D1并联并分支为两路输出，一路输出信号供给霍尔传感器（110）工作，另一路输出信号连接至差动输入电路（210）的反相输入端，所述恒流电源模块（120）两路输出信号的电压为2.6V。

2.根据权利要求1所述的一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，其特征在于：所述单片机存储系统（400）包括单片机、复位电路、时钟电路，单片机的RST端口连接复位电路，单片机的XTAL端口连接时钟电路。

3.根据权利要求2所述的一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，其特征在于：所述单片机型号为AT89C51。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于霍尔传感器的静电场测试仪，其特征在于：所述置换电路（240）以电压比较器为核心芯片，且电压比较器的型号为LM324。