《电路与电子线路基础（2）》课程项目
总结报告
题目(A)：用霍尔器件制作一个自行车
组号： A 11
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二零一五年一月十日
【元件简介】
1.霍尔元件
霍尔器件是常用的磁传感器，当磁铁靠近霍尔器件时就会产生信号，利用这个信号可以测量位置距离角度等。
霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中
的载流子时，产生横向电位差的物理现象。
单极性霍尔开关的感应方式：磁场的一个磁极靠近
它，输出低电位电压（低电平）或关的信号，磁场磁极离
开它输出高电位电压（高电平）或开的信号，但要注意的
是，单极性霍尔开关它会指定某磁极感应才有效，一般是
正面感应磁场S极，反面感应N极。
当自行车匀速转动时
便会产生如下负脉冲信号，此时负脉冲信号的频率就是自
行车车轮转动的频率。
2.LM331
LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。
Lm331内部原理图
LM331引脚图
【实验方案】
我们小组准备将磁体安装在旋转面上，同时将霍尔器件固定在磁体经过的弧线上,这样当磁铁靠近霍尔器件时就会产生一个负脉冲信号。
将脉冲信号通过由LM331、电阻、电容组成的频率/电压转换电路将其线性地转化为电压，即可利用电压表来指示自行车的速度。
下为由LM331、电阻、电容组成的频率/电压转换电路的原理简介。
LM331用作FVC 时的原理框
-输入
比较器
定时比较器
+
+56
7
1s
Q
T
C t
R t
V CC 2/3V CC
9/10V CC
s
置“1”端
置“0”端
R
R L
C L
-V 0
fi 图5-1-1
+V Q
+10V
此时,○1脚是输出端(恒流源输出),○6脚为输入端(输入脉冲链),○
7脚接
比较电平。
工作过程(结合看图5-1-2所示的波形)如下:
2/3V CC
v ct
1.1R t C t
V 0
v CL
3.5v p-p
V CC
01/f i
t
1
s
t
图5-1-2
当输入负脉冲到达时,由于○6脚电平低于○
7脚电平,所以S=1(高电平)，
Q =0（低电平）。
此时放电管T 截止，于是C t 由V CC 经R t 充电，其上电压V Ct 按指数规律增大。
与此同时，电流开关S 使恒流源I 与○1脚接通，使C L 充电，V CL 按线性增大，因恒流源对C L 充电。
经过1.1R t C t 的时间，V Ct 增大到2/3V CC 时，则R 有效（R=1，S=0），Q =1，C t 、C L 放电。
然后，又经过1.1R t C t 的时间返回到C t 、C L 放电。
以后就重复上面的过程，于是在R L 上就得到一个直流电压V o （这与电源的整流滤波原理类似），并且V o 与输入脉冲的重复频率f i 成正比。
C L 的平均充电电流为I ×（1.1R t C t ）×f i
C L 的平均放电电流为V o /R L ,因为放电较慢，C L 上的电压V o 基本不变 当C L 充放电平均电流平衡时，得
V o =I ×（1.1R t C t ）×f i ×R L
式中I 是恒流电流，I=1.90V/R S
式中1.90V 是LM331内部的基准电压（即2脚上的电压）。
于是得i t t S
L
o f C R R R 09
.2V = 可见，当R S 、R t 、C t 、R L 一定时，V o 正比于f i ，显然，要使V o 与f i 之间的关系保持精确、稳定，则上述元件应选用高精度、高稳定性的。
对于一定的f i ，要使V o 为一定值，可调节R S 的大小。
恒流源电流I 允许在10μA~500μA 范围内调节，故R S 可在190k Ω~3.8 k Ω范围内调节。
一般R S 在10k Ω左右取用。
在这里，我们取V CC =12V ，R x =51 k Ω，这也保证了○7脚电平约等于10V 。
i t t S
L
o f C R R R 09.2V =
取 R S =13 k Ω,则 V o =f i ×10 –4V
620
0.01
10k 10k
【原理图】
【完成情况】
一．搜集资料（第三、四周）
我们小组的每个成员都去搜集了关于实现电路要求所需要的元器件的结构和工作原理以及其如何接线等各方面资料。
经过大家讨论后，大致确定实现电路效果的主要工作原理：将电路分成两部分，一部分利用霍尔元件脉冲转化成频率的功能输出频率信号，另一部分将刚才所得的频率信号经过LM331变成直流电压，从而表示车轮的转速。
二．画出工作电路图（第五周）
经过反复的讨论与分析，确定了初步的工作原理图后，通过Multisim软件绘制电路图，中期报告电路原理设计图如下：
三．中期报告的撰写（第五、六周）
将前期搜集的资料进行汇总、梳理元器件工作原理等，撰写出中期报告。
四．电路板的焊接（第七、八周）
由正在上工程教育初级的组员作为主要焊接成员，另外已上过的组员在一边进行器材加工和理论计算等工作，共同完成了整个电路板的焊接。
五．电路板的调试和修改（第七、八周）
在电路板的焊接完成第一部分后，我们开始对电路板进行调试。
测试发现我们焊接好的电路无法实现设计效果，我们进行了很多天的调试，结果发现了以下问题：
问题一：无论怎么调试，电路始终不能将频率转化成电压。
一开始，我们采用了中期报告的电路图，发现上述问题。
后来，我们经过讨论和测量元器件，发现原来我们最初设计的电路功能是将电压转化成频率。
对策：
于是，我们重新到网上查阅了资料，然后又重新设计了一遍电路图，将LM331的连线转换了一下，同时考虑到输出电压值的调节，我们又添加了一个电位器。
620
0.01
10k
20k
结果：
这样，我们重新焊了电路板，电压信号就出来了，并且通过调节电位器，我们可以调节频率转化输出的电压值，使之更容易被看出所具有的线性关系。
问题二：加上霍尔元件后，无论怎么调试，都没有电压信号输出。
一开始，我们采用了中期报告的电路图，发现上述问题。
后来，我们经过讨论和测量元器件，发现仅仅焊接上霍尔元件并不能使其起作用。
对策：
于是，我们对电路进行了一定的改进，由于霍尔元件输出端出于截止状态而需要输出高电平,于是我们在输出端接上一个连接到电源正极的上拉电阻,以实现输出高电平的目的。
结果：
这样，我们重新焊了电路板，电压信号就出来了，并且由于我们焊接的上拉电阻较大，电路的灵敏度较好，使得我们用小磁铁在霍尔元件处输入的脉冲可以很快转化成电压输出。
六．终期报告的撰写（第八、九周）
经过了将近六周时间的努力，我们终于完成了项目的制作。
我们整合了搜集的资料以及实际的完成过程，撰写了此份报告。
【实验结果及分析】
通过连接实验原理图中的电路我们再调节电位计，就能轻易地调控频率转化输出的电压值，然后我们又加上了12 V 的直流电压，使得每增加占空比为95%脉冲波的频率10HZ所得到的电压值可以多转化0.0010V 。
脉冲波频率所测得的电压
10HZ 0.0012V
20HZ 0.0021V
30HZ 0.0032V
40HZ 0.0041V
实际电位器阻值为4.252kΩ，与计算出的阻值3kΩ有一定的实验偏差，可能是由于电路接线的电阻和元器件的误差造成。
当我们转动圆盘时，可以发现当转速越快时，电压越大。