6-2
立簡單高斯計與數位計數器介面。完成 Multisim 挑戰，以學習如何以霍爾 效應開關做為感測器來設計轉速計電路。
• DMM[V]
• 示波器 (Scope)
• 數位計數器適用的 LabVIEW VI
• 小磁鐵
• 線性磁場感測器：Allegro A3240UA 或同等產品 • 霍爾效應開關：Allegro A3212UA 或同等產品
請利用 www.allegro.com 網址與 Allergro 聯絡，並索取這些感測器的免費 樣品。
必備的軟體人機介面
必備元件
Allegro 裝置只有 3 個終端，即 +Vcc 電源線、接地線及霍爾輸出端子。
1. 將線性霍爾裝置 (A3240) 插入原型麵包板。
2. 將電源 +5 V 針腳插槽連接至 +Vcc (針腳 1)。
3. 將原型麵包板上的 GROUND 連接至霍爾晶片上的接地線 (針腳 2)。
4. 將 DMM [VΩ→├] 導線連接至霍爾電壓 (針腳 3)，並將 COM 導線連接 至接地線。
圖 6-2. 整合式霍爾感測器的針腳組態
5. 啟動 NI ELVISmx Instrument Launcher 並選擇 DMM[V]。
6. 將小磁鐵 (數百高斯的磁場強度) 靠近霍爾感測器表面。在沒有磁場的情 況下，
感測器的讀數為二分之一的 +Vcc 或是會顯示約 +2.5 V 的讀數。將磁鐵 靠近感測器時，霍爾電壓會上升到超過 2.5 V 的程度，或是下降到低於 2.5 V 的程度，這取決於磁鐵的極性。磁鐵的南端會導致電壓上升，北 端則會導致電壓下降。在超過 ±500 高斯的磁場中，感測器會在近 +5 或 0 V 時達到飽和。以感測器與磁鐵表面之間的距離進行量測時，霍爾 電壓呈極度非線性狀態。
7. 若要觀察此關係，請進行距離與電壓量測，並將觀察結果繪製下來。相 鄰針腳插槽孔之間的距離為 1/10 英吋。原型麵包板針腳插槽很適合做 量尺。
8. 在原型麵包板上，將磁鐵放在感測器的正前方，並以 0.1 或 0.05 英吋 為增量單位來量測霍爾電壓，量測距離總長約 1 英吋。
練習 6-1 使用 NI ELVIS 工具測試類比磁場感測器
6-4
9. 在霍爾電壓與距離表中記下每個讀數。
10. 使用該表中的資料來繪製霍爾電壓與距離的關係圖。
圖 6-3. 霍爾效應電壓與距離的關係
該關係圖應類似圖 6-3 中的圖。回應為非線性，這顯示出了解感測器與磁鐵 的間距是非常重要的。
練習 6-1 結束
完成下列步驟，以在霍爾效應開關上執行量測，並判斷其遲滯特性。
1. 用霍爾效應開關 A3212 取代線性感測器 (A3240)。電路連接方式與線性 電路的連接方式相同。
2. 針對距離增加與距離減少重複進行霍爾電壓與距離間關係的量測。
註： 有些霍爾效應開關為開集極 (open collector)，需在霍爾效應開關輸出端子及電源供應線 之間接上 1 kΩ 提昇電阻 (pull-up resistor)。
3. 在同 1 組軸上繪製從感測器移出及移往感測器的資料。繪製圖應類似圖 6-4。
圖 6-4. 霍爾效應開關電壓與距離的關係
霍爾開關為數位感測器，其輸出端子為 HI (~ +5 V) 或 LO (0.8 V)。對於高於 臨界磁場 Bmax 的 B 來說，輸出端子永遠為 HI，對於低於臨界磁場 Bmin 的任何磁場來說則為 LOW。霍爾電壓與距離 (從感測器起算) 關係圖呈現了 移往感測器與移出感測器之間的遲滯特性。兩限制間的差異為：
h = Bmax – Bmin
這是感測器抗擾性的量測單位。
練習 6-2 磁場開關的遲滯特性
6-6
例如，霍爾開關需使用 B>Bmax 的磁場來從 LO 切換至 HI。處於 HI 狀態 時，霍爾開關需使用 B<Bmin 的磁場來從 HI 切換至 LO。在稍早的測試中，
這些臨界磁場 (即 Bmax 與 Bmin) 已分別轉變成 DLO 至 HI (3/10 英吋) 的距 離，及 LHI 至 LO (4/10 英吋) 的距離。
4. 關閉數位電表。
練習 6-2 結束
完成下列步驟，以使用霍爾效應開關執行脈波計數量測：
1. 將磁鐵放置在離感測器夠遠處，以使感測器呈 LO 狀態。
2. 將磁鐵南端往感測器的方向移動。量測到的磁場最終會超過 Bmax，而 邏輯狀態則會使 HI 發生雙態觸變。然後，使磁鐵遠離感測器時，且磁 場低於 Bmin 時，邏輯狀態會切換回 LO 狀態。整個 LO-HI-LO 的順序 會產生正脈波。重複此操作數次會產生一系列的正脈波。
3. 從 NI ELVISmx Instrument Launcher 選擇示波器 (Scope)。
4. 將 BNC 接頭 (CH0) 從霍爾效應開關 (針腳 3 與 2) 連接至輸出訊號。
5. 在示波器面板上，選擇 來源：Scope CH 0
觸發器：Type (Edge)、Source (Chan 0) 準位 (V)：~ 1.0 V
6. 快速將磁鐵移往及移出感測器時，觀察通道 0 的霍爾電壓。只要透過示 波器進行長時間追蹤 (100 ms/div)，即可得到脈波列 (pulse train)。
練習 6-3 結束
練習 6-3 使用電磁開關感測器計算脈波
6-8
軸角編碼器、轉速計及 Dwell 感測器均使用磁性開關來產生脈波。累積夠多 脈波，計算出來的結果才會準確。在一段特定時間間隔內計算脈波便可量測 頻率。
圖 6-5. 自製轉速計裝置
完成下列步驟，使用 DC 馬達、光碟片、小磁鐵及霍爾效應開關建立簡單轉 速計。
1. 將 1 片舊光碟片固定到 DC 馬達的旋轉輪上。在靠近光碟片的邊緣處，
將 1 小塊稀土磁鐵 (rare earth magnent) 黏到光碟片的上方表面。將霍 爾效應開關放置在光碟片下方，使磁鐵在旋轉時經過開關。
2. 將 DC 馬達連接至原型麵包板上的可變電源供應器 (Supply + 與 Ground) 針腳插槽的輸出端子。
3. 從 NI ELVISmx Instrument Launcher 啟動可變電源供應器 VPS。按下 Supply + Manual 方塊。使用 NI ELVIS II 工作站右側的實際 VPS 旋鈕 較使用 VPS 人機介面上的虛擬電壓旋鈕更易於控制 DC 馬達速度。
4. 將中等電壓 (1 到 2V) 套用至馬達。
5. 使用與練習 6-3 相同的示波器設定，在光碟片旋轉時觀察脈波流。
6. 記下示波器畫面視窗底部的 Scope 面板中所顯示的脈波頻率。此即為 轉速計讀數。
練習 6-4 建立轉速計
7. 記下在各種馬達電壓下的數個轉速計讀數。轉速計量測值與馬達驅動電 壓圖可產生馬達校準曲線 (這點可自行決定)。
8. 關閉所有 SFP，並移除電壓探子。
練習 6-4 結束
6-10
完成下列步驟，以建立由 LabVIEW 驅動的自動脈波計數器。
1. 將霍爾效應開關的輸出端子連接到 NI ELVIS II 計數器輸入端子：
霍爾輸出端子 (針腳 3) → PFI 8/CTRO_SOURCE 霍爾接地線 (針腳 1) → GROUND
圖 6-6. NI ELVIS II 原型麵包板上的計數裝置
2. 啟動 LabVIEW。
3. 選擇 Hands-On NI ELVIS II 程式庫資料夾中的 Hall CounterMx.vi。
有了這個簡單的程式，您即可使用轉速器電路將計數累積為進出霍爾效 應開關或通過霍爾效應開關的磁場。用經過的 (計數) 時間除以已累積的 計數可得出每一計數的平均時間或頻率。
練習 6-5 使用 LabVIEW 程式進行自動計數
圖 6-7. CounterMx.vi 程式的程式圖
NI ELVIS II 可存取 NI 資料擷取 (DAQ) 裝置計數器。此程式使用 DAQ Assistant 來設定 DAQ，以便計算輸入針腳 (CTRO_Source) 上的脈波。2 個 [Tick Count] 函式的差異可量測出計算間隔。
練習 6-5 結束
6-12
在 Multisim 中開啟名為 HallEffectSensors 的程式，您可利用下列路徑找到 該程式： Open Samples»Educational Sample Circuits»Miscellaneous。
仔細觀察電路。您可使用 A 與 B 鍵來分別增加 2 個電路的磁場或速度參 數。若要減少這些參數，請使用 <Shift-A> 或 <Shift-B>。連按 2 下示波器 圖示 XSC2，以檢視示波器軌跡。
圖 6-8. Multisim 範例程式 HallEffectSensors.ms10
以圖 6-8 中的程式做為指南來設計您自己的轉速計程式。輸入是旋轉速度，
霍爾效應開關的輸出則是計數。累積一段固定時間 (約 1 秒) 的計數可得出 每秒計數，或計數頻率。