制造霍尔器件的半导体材料主要是锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等。一般用N型材料,因为电子迁移率比空穴的大得多，器件可以有较高的灵敏度。有的材料的禁带宽度很窄，工作的温度范围小。除了用整块半导体材料做霍尔器件外，还可以用薄膜制作霍尔器件。在绝缘衬底上淀积薄膜或用外延或离子注入等方法在高电阻率的半导体衬底上制造一层厚度为微米量级的薄膜。用离子注入或处延法制造的砷化镓霍尔器件在很宽的磁场强度范围内有很好的线性关系，并且能在很宽的温度范围内稳定地工作。用硅外延或离子注入方法制作的薄膜霍尔器件可以和集成电路工艺兼容。将霍尔器件和差分放大器及其他电路做在一个硅片上，可以缩小尺寸、提高灵敏度、减小失调电压，便于大量生产。

霍尔器件

Hall element

UH=-RHBzIx/d

式中Ix为从电极1到电极2的电流；d为试件厚度；RH为比例系数（称霍尔系数）。霍尔系数与试件中载流子浓度有关。

式中n为试件中导电载流子浓度；q为电子的电荷。霍尔系数的符号决定于试件中载流子是带正电荷或负电荷。

霍尔器件除矩形外，还有十字形、方形、四叶苜蓿叶形和其他更复杂的形状(图2)。形状不同，试件中电势分布也不同。霍尔电极的焊点占一定面积，也影响电势分布。为此引进一个形状因子K

UH=-KRHIxBz/d

实际上，用霍尔器件测量磁场强度时，是用恒定电流法还是用恒定电压法，要考虑多方面的因素，如磁场强度和霍尔电压间的线性误差、灵敏度的温度系数、同样工艺条件制造的器件的性能分散程度等。

用霍尔器件测量磁场强度的特点是：器件很小很扁（可以放在窄缝中），有很高的准确度、灵敏度和稳定性，还有很宽的工作温度范围。

已知试件的尺寸、磁场强度和电流，测量霍尔电动势即可求得试件的载流子浓度。载流子浓度是半导体材料的一个重要参量。在不同温度下测量霍尔系数可以得到试件中载流子浓度和温度的关系。这是了解半导体材料的基本性质的一个重要方法。在给定的电流强度下，产生的霍尔电动势与磁场强度成正比。可以利用这一原理来测量磁场强度。

如果磁场由电磁铁产生（图3）,磁场强度与电流强度IB成比例,在磁场中的霍尔器件产生的霍尔电压与两个电流的乘积IxIB成比例，因此可以利用霍尔效应制成乘法器。乘法器有许多用途，除进行乘法运算外，还可以用作调制器、除法器、功率计等。

图4是利用霍尔器件测量几千安培以上的大电流的方法。图4中1是通过大电流导体的截面，2是两块磁性材料,在两个空气隙中放有霍尔器件3。用霍尔器件测量磁性材料中的磁感应强度。此法特别适用于测量大直流电流强度。

用永久磁铁作为不消耗能源的“发射机”，用霍尔器件作为“接收机”。将它们分别粘在两个物体上，则可测量两个物体的相对位置。

还可以利用霍尔效应制作旋转器、单向器和环行器。这类器件使信号沿单一方向传输，而不能沿相反的方向传输。

许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。 霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40℃到零上150℃范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。 迄今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。 例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。 用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。

在电极1，2间加恒定电压Ui,霍尔电动势的表达式可变换成

UH=(UiμB)(Kw/l)

式中 Ui为两个电流电极之间的电压；μ为试件中载流子迁移率；w和l分别为试件的宽度和长度。恒定电压下电极3和4之间的电压也与磁场强度成正比。

在轿车电路上经常可以看到“霍尔”（Hall）这个名称，例如桑塔纳2000点火系统就有一只霍尔传感器，专门给发动机电控单元（ECU）提供电压信号。那么霍尔器件起到什么作用呢？ 这里涉及一个“霍尔效应”的问题，霍尔效应在应用技术中特别重要。霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

高斯计WT10A采用紫铜封装探头，更加坚固耐用，延长高斯计的使用时间等特点。

由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I1的大小，即：I1∝B1∝U0

我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时，U0等于50mV或100mV。这就制成霍尔直接检测（无放大）电流传感器。

电池容量计电流取样

电流取样的目的是将电流信号变为电压信号，一般有三种方式：

（1）取样电阻；

（2）分流器；

（3）霍尔器件（包括互感器类）。

从电动车电池使用来看，电流较大，显然使用取样电阻并不合适，而分流器又太重且体积也较大，不太适用，故霍尔器件较为适用。其优点是线性程度优于 0.1%，适于范围较大的跟踪，动态性能好，响应时间小于1μs，这样可即时跟踪汽车起动的瞬时电流。另外，其尺寸小，重量轻适于在汽车上安装。它的缺点是价格稍贵，但对于汽车上使用的电池价格来讲完全可以忽略。由于选用可以购买到的成熟产品，电路较简单不再列出。

电池容量计绝对值放大器

由于充放电电流方向不同，采用绝对值放大器，它将霍尔器件输出的正负信号统一放大为正信号，然后送往压频转换器。

绝对值放大器的设计方法较多，从电源上来看，有单电源、双电源两种方式，采用的运放个数有一个和多个。本机由于采用霍尔器件且为双向电流，故单电源没有优点，而单运放的放大器，电阻取值太多，精度要求高，并且对负载亦应考虑，不太适用。

本机采用由二运放构成的绝对值放大器，选用低失调、低漂移的运算放大器0P－07，精度高且性能不受负载影响，这里苛求绝对值放大器的精度，不是为系统精度作贡献，而是从另外一点考虑的。这就是前面提到的，就电池容量计而言，对电池监测的最好办法应是同电池一体，始终监视电池状况。而这就要求电池没有充放电流时，放大器的输出为零，否则经过长期搁置后，容量计由于放大器误差的关系指示充满或放光，产生误判。以高精度、低失调、低漂移设计完成后的样机，满度误差为1mv，零度误差小于1mv。参见图2。

图2绝对值放大器原理图

电池容量计压频转换器

压频转换器是电池容量计的核心部分，负责将放大的信号转换为频率信号，它的线性度和精度直接影响到整机。实现压频转换的方法也有很多种。从形式上看，有分立元件和专用集成芯片两种形式，一般的分立元件精度、体积、调整复杂程度均高于集成芯片，但其价格较低，而专用芯片在线性度、电压稳定度、精度等指标相对可接受的价格而言有所降低。我们考虑到体积和充放电全程跟踪及性能价格比的问题，选择了VFC32为电压频率转换器件，该器件较好的线性度为全程跟踪精度提供了保证，并以较少的元件使体积缩小，电路原理见图3。

图3压频转换器原理图

电池容量计可逆计数器

计数器部分全部采用CMOS电路，一是功耗低，这对依靠电池本身供电显得极为重要；二是其电平与运放电平匹配，并使显示范围增大。见图4。

图4可逆计数器原理图

采用了14级脉冲进位二进制计数器4020一片，4位可逆二进制计数器4516二片，构成21级计数器。其中高7位计数器数值有效作为计数值并输出，而低14位则仅用来计数并不用作输出，且4020是单向计数，无减法功能。

此种设计有两大优点：

（1）4020是高集成度的计数器，可代替3片半4516来使用，这样大大缩小了体积。

（2）当作加法时，4020可精确到最低位；作减法时，误差为低十四位，但这个十四位也是一次性的最大误差，无累加性，因为电路上采用了异步、同步计数混用的方法。当减去14个数（虽然4020是加），4020输出异步脉冲4516减"1"，如同作真正减法一样，而4020的数值是不能输出的，这使得结果十分精确。

电池容量计控制电路

该部分包含有预置电路、防溢出电路、计数方向控制电路。

本样机为适用范围宽，在计数器的预置和控制电路上均增加了拨动开关，这样可以通过拨动开关设置计数部分初值和终值，可达到检测使用已知电池电容的目的，比较方便。

同时为防计数器双向溢出，分别设置防溢出电路，使计数器计到零和满值时均不再计数，以防错误。

通过对电流流向的比对，输出脉冲控制可逆计数器的计数，构成方向控制电路。

电池容量计显示

显示有数字式、指针式两种方式。为保证直观的显示，同时尽可能沿用普通汽车的仪表，仍采用汽车上原有指示电池电压的电压表。而在电压表上设置一个开关，通过它来切换电压、容量的指示，这样较为方便。

这需要将计数器的二进制数转化为电压。显然用D/A转换是可以的，但电路复杂程度上升，成本也有所提高。故为了简化电路我们仅借用D/A转换网络的思想，利用权电阻T形网络将4516的7位数值变换成模拟量输出，推动电压表指示，见图5。

图5显示电路原理图

电池容量计工作电源部分

电池容量计不同于其它仪器的是它只能使用电池作为电源，而由于电池电压的变化及波动，直接使用显然是不合适的，为此必须由电池引出产生二次电源。

首先霍尔器件需电源±12V，电路控制计数等部分也亦借用±12V，另外我们考虑到为了使容量指示更直观清晰，其最大电压范围应大些，同时也能充分利用其电压表有效指示。其电压表范围为40V，而电池电压最高为30V，故设定容量指示最大指示为28V，这就需要电源电压为30V。

由于电池起动时有大电流放电，使电压波动十分厉害，约15～30V，为适应其变化，同时减小容量计自身功耗，提高效率，设计全部采用开关电源。

首先 12V的获得是采用LM2575降压调整器，该芯片输入电压可达40V，固定振荡频率52kHz，电压、电流调整率较好，适应容量计的要求。

－12V是利用 12V为输入，通过34063DC/DC变换器加以变换而成。这样损失了部分功率。我们原设计用M2575HV（输入电压60V）由电池电压直接引入，但由于60V的LM2575HV未能买到，只得作罢。将来如有批量，可定货。好在－12V功率有限，损失较小。　30V一组电源，其电压高，电流小，如采用普通DC变换器如2575或其他器件，体积过大，且磁心元件等都大为浪费，得不偿失。故我们在设计中一直在寻找简洁的方法，最后经试验决定利用555振荡器升压并采用倍压整流的方法将12V提升至30V，效果极好，见图6。