基于磁阻傳感器的低功耗方向指示系統(tǒng)

　　2.2 重難點(diǎn)分析

　　本設(shè)計(jì)的重要部分在于信號(hào)調(diào)理單元。由于磁阻傳感器的輸出信號(hào)極小,只有1 到2 個(gè)mV ,需放大電路對(duì)來自傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大處理,為系統(tǒng)提供高精度的模擬輸入信號(hào),它所放大的信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用。因此,我們?cè)诜糯笤鲆娴脑O(shè)定,參考電壓的選取,濾波設(shè)計(jì),供電的穩(wěn)定及電源紋波的處理等方面做了大量的工作,有效提高了方向指示系統(tǒng)的精度。我們將在后文中對(duì)這些工作加以詳細(xì)的闡述。

　　本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是磁阻傳感器的輸出信號(hào)太小,外界干擾、電源紋波、橋臂失衡等許多因素都會(huì)造成方向指示系統(tǒng)的精度降低,為此我們從理論分析論證和實(shí)際電路調(diào)試兩方面對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[。Ina332 儀表運(yùn)放的選用可以有效地抑制傳感器輸出的共模信號(hào),減小低溫飄和零飄干擾。其體積小、成本低、功耗小的特點(diǎn)也十分符合我們的設(shè)計(jì)初衷。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就在于運(yùn)放電路的設(shè)計(jì),因微弱信號(hào)的放大是其主要功能。穩(wěn)定的電源系統(tǒng)是整體電路工作正常的基礎(chǔ),特別是模擬信號(hào)部分電源更是要求紋波頻率低、幅度小,以保證傳感器激勵(lì)和運(yùn)放工作的要求。

　　2.3 　理論分析計(jì)算

　　2.3.1 　磁阻傳感器

　　HMC1052磁阻傳感器由兩個(gè)AMR 傳感器(各向異性磁阻傳感器) 整合在一起,可以把任何水平方向的磁場(chǎng)分解為X , Y 兩個(gè)方向的矢量。其工作原理如圖4 所示 。

圖4 　磁阻傳感器HMC1052 結(jié)構(gòu)圖。

　　對(duì)每個(gè)AMR 傳感器來說,其原理是當(dāng)各個(gè)磁阻傳感器感應(yīng)到的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),通用的電磁物質(zhì)會(huì)在外部磁場(chǎng)中改變它的電阻系數(shù),從而改變其阻值,因此阻抗式惠斯通電橋會(huì)輸出一定的電壓信號(hào)。每個(gè)電橋由四個(gè)阻值相同但磁性反相的磁阻元件組成。

　　雙軸羅盤系統(tǒng)的基本原理是使兩個(gè)傳感器電橋元件平行于地平面(垂直于重力場(chǎng)) ,并測(cè)量由此產(chǎn)生的X 和Y 的模擬輸出電壓。當(dāng)放大的傳感器電橋電壓幾乎同時(shí)轉(zhuǎn)換成(被測(cè)為) 等量數(shù)字信號(hào)時(shí),就可計(jì)算出Y/ X 的反正切, 從而得到與X 軸測(cè)量方向相關(guān)的方位信息。

　　AMR 傳感器的輸出電壓通過測(cè)量Out + 到Out - 之間的電壓得出,它是傳感器靈敏方程的函數(shù),即：

　　其中: S 為靈敏度(mV/ V Gauss) ;V b 為電橋輸入電壓(V) ;Bs 為電橋感應(yīng)強(qiáng)度( Gauss)。

　　在本系統(tǒng)中V b = 電源電壓= 313 V ,Bs = 地磁場(chǎng)強(qiáng)度= 0155 Gauss (公認(rèn)值) , HMC1052 的靈敏度S = 110 mV/ V Gauss , 可得到傳感器輸出電壓為:

　　2.3.2 　放大倍數(shù)分析與計(jì)算

　　INA332 是Rail - Rail 輸出、低功率CMOS 儀表放大器,可單電源工作。INA332 系列產(chǎn)品提供微功率、低價(jià)格、低噪聲儀表放大器,其特性是低功率電池和多路技術(shù)應(yīng)用的最佳選擇。INA332 具有寬帶寬和高轉(zhuǎn)換速率,可理想地應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)取樣模一數(shù)轉(zhuǎn)換器,也可當(dāng)作通用型儀表放大器使用。圖5 是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖5 　儀表放大器INA332 結(jié)構(gòu)圖。

　　由于噪聲的不可避免,必將造成理論分析與實(shí)際結(jié)果的一定誤差。為達(dá)到項(xiàng)目規(guī)劃的3°方向精度目標(biāo),這里將該指標(biāo)要求提高后帶入分析。分析如下：

　　將0°～90°范圍內(nèi)的電壓輸出N 等分,則當(dāng)輸出值有一個(gè)最小分度的變化時(shí),其造成的角度變化應(yīng)小于精度指標(biāo),這里設(shè)為1°。而該變化導(dǎo)致輸出角度變化最大應(yīng)在45°附近。經(jīng)分析N = 200 時(shí),角度最大變化量= arctan ( (100 + 1) / (100 - 1) ) - 45°= 015°,符合要求。

　　經(jīng)測(cè)試,MSP430 內(nèi)部的12ADC 可靠的位數(shù)約為10bit ,為獲得較大電壓檢測(cè)范圍,選擇內(nèi)部參考源215 V ,則可靠分辨力= 215 V/ 2^10 = 215 mV。

　　對(duì)于傳感器任一軸放大后的輸出,其變化范圍應(yīng)是2 N (0～180°) ,則得到放大后的電壓范圍是215 mV ·2 N = 1000 mV。

　　則由傳感器輸出11815 mv 得放大倍數(shù)為1000/ 11815 = 550。

　　因此合理的放大倍數(shù)范圍可以是400～600 倍。

　　2.3.3 　噪聲分析與計(jì)算

　　噪聲來源　線性穩(wěn)壓電源。

　　噪聲形式　頻率為10 kHz 級(jí)的紋波。

　　噪聲參數(shù)　表1 為傳感器HMC1052 和儀表運(yùn)放INA332 的噪聲參數(shù)(單位:nV/ √Hz)。