磁阻角度測量

連接/參考器件

AD7866 雙通道、1MSPS、12位同步采樣SAR ADC

AD8227 寬電源范圍、軌到軌儀表放大器

AD8615 低失調(diào)、低噪聲、精密放大器

評估和設(shè)計支持

電路評估板

CN-0323電路評估板(EVAL-CN0323-SDPZ)

系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路提供非接觸式AMR(各向異性磁阻)角度測量解決方案，可在180°范圍內(nèi)具有1°角度精度。該電路適合高速、精確、非接觸式角度測量應(yīng)用。

電路提供全部必要的數(shù)字調(diào)理，包括儀表放大器、緩沖器和雙通道ADC，可高效處理AMR傳感器的低電平電橋輸出。

使用該電路可獲得業(yè)界領(lǐng)先的角度測量解決方案，適用于機(jī)床速度控制、起重機(jī)角度控制、電機(jī)速度測量和其他工業(yè)或汽車應(yīng)用。

4009901052圖1. 磁阻角度檢測系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

Sensitec AA747是一款基于AMR的角度傳感器，集成兩個電流隔離式惠斯登電橋，互相之間的相對角度為45°。AA747具有最低失調(diào)電壓(±2 mV)和高信號幅度(65 mV)。旋轉(zhuǎn)磁場激勵傳感器，使其輸出±65 mV電壓。

AD8227儀表放大器放大目標(biāo)信號，同時抑制2.5 V惠斯登電橋共模電壓。驅(qū)動VREF引腳至2.5 V可將儀表放大器的共模輸出電壓設(shè)為2.5 V。2.96 kΩ增益電阻將增益設(shè)為32。這樣可以產(chǎn)生0.2 V至4.8 V模擬輸出電壓(電橋輸出為2.5 V ±70 mV)。

電路信號帶寬由AD8227確定，其在增益32下具有大約100 kHz帶寬。

單位增益運(yùn)算放大器AD8615緩沖儀表放大器輸出電壓，并直接連接ADC。該緩沖器具有軌到軌輸出級，可在電源供電軌200 mV范圍內(nèi)擺動。

AD7866是一款雙通道12位1 MSPS SAR ADC。RANGE引腳的極性確定模擬輸入范圍和輸出編碼。如果片選信號變?yōu)榈碗娖綍r該引腳連接邏輯高電平，則下一次轉(zhuǎn)換的模擬輸入范圍為0 V至2VREF(0 V至5 V)，為緩沖放大器的0.2 V至4.8 V輸入信號提供大約200 mV裕量。

將REFSEL引腳連接至低電平可配置ADC使用內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源。VREF引腳提供該電壓，但將其用于系統(tǒng)的其他位置前必須先使用緩沖器。DCAPA引腳和DCAPB引腳采用470 nF電容去耦，確保ADC正常工作?；鶞?zhǔn)電壓由AD8615緩沖，并設(shè)置儀表放大器AD8227的共模輸出電壓。

AD7866同步采樣磁阻傳感器的兩個通道。數(shù)字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每個數(shù)據(jù)流包括1個前導(dǎo)零，隨后是3個狀態(tài)位，再加上12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然而，保持片選信號為低電平并持續(xù)額外16個時鐘周期，則兩個數(shù)字字均可從一個通道(DOUTA)讀取。

SPI接口允許在一條數(shù)據(jù)線路上訪問兩個通道。

磁阻(MR)理論

磁阻是存在外部磁場時，材料改變其電阻值的能力。最常用的MR傳感器基于各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)。

圖2. 各向異性磁阻示例

AMR效應(yīng)示例如圖2所示。電流(I)流過導(dǎo)體，受到外部磁場(HY)影響。導(dǎo)體電阻的變化與磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(Ø)成函數(shù)關(guān)系。磁化矢量是內(nèi)部磁場(HX)與施加的外部磁場(HY)的凈求和結(jié)果。

當(dāng)磁化矢量(M)與電流矢量(I)平行時，具有最大電阻。當(dāng)磁化矢量(M)與電流矢量(I)垂直時，具有最小電阻。

有效利用AMR效應(yīng)要求導(dǎo)體自身必須對機(jī)械應(yīng)力材料不敏感，但對磁約束敏感。由于這些原因，透磁合金(80%鎳，20%鐵)是AMR傳感器制造中最常用的合金。

透磁合金屬性

透磁合金條有兩個屬性，創(chuàng)建角度測量系統(tǒng)時會具有設(shè)計挑戰(zhàn)性。

首先，透磁合金具有較窄的線性工作區(qū)(見圖3)。僅當(dāng)磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(Ø)變大時，響應(yīng)才是線性的。不幸的是，線性響應(yīng)不久后就會飽和。

圖3. 透磁合金電阻與磁場的關(guān)系

其次，透磁合金對極性不敏感。無論磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(Ø)是正或負(fù)，透磁合金條的電阻都將下降。

雙色條磁極

改善透磁合金條線性度和磁極非敏感特性的常用方法是與金屬條的軸向成45°角添加鋁條(稱為雙色條磁極，如圖4所示)。雙色條磁極間流動的任何電流都將走最短的路徑——垂直路徑，并且電流矢量(I)和磁化矢量(M)之間的角度偏移45°。

圖4. 透磁合金條的雙色條磁極效應(yīng)

圖5顯示向透磁合金條中加入雙色條磁極后的結(jié)果。電流矢量偏移45°，但磁化矢量保持不變。注意，線性特性現(xiàn)在存在于圖形的中央部分。

圖5. 雙色條磁極透磁合金電阻與磁場的關(guān)系

磁場強(qiáng)度

AA747磁阻傳感器所需的磁場強(qiáng)度至少為25 kA/m，才能確保數(shù)據(jù)手冊中的誤差規(guī)格。該激勵磁場必須與傳感器封裝的中央部分相交。

選擇磁體時，需考慮傳感器和磁體之間的氣隙，如圖6所示。如果磁體未靠近傳感器放置(即距離d極大)，則可能需要更強(qiáng)的磁場強(qiáng)度才能確保傳感器位置的磁場強(qiáng)度達(dá)到要求，并保持最小誤差規(guī)格。

圖6. 用于轉(zhuǎn)軸角度測量的磁體方向與氣隙

傳感器基礎(chǔ)知識

標(biāo)準(zhǔn)AMR傳感器由兩個惠斯登電橋組成，互相之間的相對角度為45°。透磁合金條包含兩個電橋的全部元器件，標(biāo)稱電阻值為3.2 kΩ。

圖7. AA747雙惠斯登電橋配置

AA747的最大峰值信號幅度為70 mV(14 mV/VCC，5 V電源)。傳感器失調(diào)電壓為±10 mV(±2 mV/VCC，5 V電源)，輸出2.5 V ±0.70 mV可用信號。旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生正弦(2ø)和余弦(2ø)輸出信號，如圖8所示。兩個信號在180°范圍內(nèi)均為周期信號，可進(jìn)行全方位360°測量，無需額外電路和元件。

圖8. 磁阻傳感器輸出電壓

通道靈敏度

每通道的傳感器標(biāo)稱靈敏度為2.35 mV/°。這意味著磁化矢量和傳感器方向之間的每一度變化都會產(chǎn)生2.35 mV的輸出電壓改變。角度的靈敏度并非常量。靈敏度下降的部分是線路斜率接近零時的輸出部分。

如圖8所示，通道1(藍(lán)線)在磁化矢量接近45°或135°時損失靈敏度。類似地，通道2(紅線)在磁化矢量接近0°和90°時損失靈敏度。幸運(yùn)的是，當(dāng)一個通道的靈敏度降低時，另一個通道將處于高靈敏度區(qū)域。

軟件利用了這一特性，并基于某一時刻最為精確的傳感器測量角度。如果通道1接近45°，則使用通道2計算角度，保證系統(tǒng)精度。

系統(tǒng)帶寬、磁場旋轉(zhuǎn)

磁場角度矢量是理解電路帶寬的重要內(nèi)容。ADC每微秒轉(zhuǎn)換一個樣本。為了獲得1°分辨率，磁場每微秒只能移動一度(2.778 kHz)，否則ADC無法以足夠高的速度進(jìn)行采樣，以便跟上磁場變化的速度。對于1 MSPS ADC，這表示磁場的最大可用角速度為2.778 kHz。

測試結(jié)果

在磁桿的端平面上安裝磁體，并使其能夠360°自由旋轉(zhuǎn);測試EVAL-CN0323-SDPZ PCB。安放EVAL-CN0323-SDPZ PCB，使其AA747 AMR傳感器(U5)正面與磁體正面平行。EVAL-CN0189-SDPZ傾斜傳感器PCB連接至磁桿的另一端。這樣，若磁桿旋轉(zhuǎn)，則CN-0189和磁體均360°轉(zhuǎn)動。圖9顯示該設(shè)置的功能框圖;圖10顯示該設(shè)置的照片。

圖9. 數(shù)據(jù)采集測試設(shè)置

圖10. 基準(zhǔn)測試設(shè)置照片

CN-0189傾斜測量系統(tǒng)提供測試CN-0323的參考角度。中心磁桿轉(zhuǎn)動，直至CN-0189評估軟件讀取0°。中心磁桿保持該位置，而磁體旋轉(zhuǎn)，在CN-0323評估軟件中產(chǎn)生0°角度讀數(shù)。

將磁體中心與IC正面的中心位置對齊放置很重要。若不對齊，將會使磁場偏離傳感器，并導(dǎo)致CN-0323評估軟件最終計算角度時產(chǎn)生誤差。

轉(zhuǎn)動中心磁桿并將評估軟件的兩個顯示讀數(shù)進(jìn)行比較，即可收集數(shù)據(jù)。圖11顯示?90?范圍內(nèi)記錄的輸出角度誤差。整個范圍內(nèi)的誤差為±0.4°。LabVIEW評估軟件見圖12。

圖11. 磁場角度誤差

圖12. CN-0323評估軟件屏幕截圖

校準(zhǔn)選項卡確定每個惠斯登電橋的最大和最小電壓輸出(VMAX和VMIN)。了解這些數(shù)值可以更精確地將電壓映射到數(shù)字碼。用戶有兩種方法可以確定VMAX和VMIN值。

第一種方法是手動輸入數(shù)值。第二種方法是在180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動磁體，同時讓軟件自動鑒別數(shù)值。這種方法比手動鑒別數(shù)值更快，但如果磁場轉(zhuǎn)動過快則會產(chǎn)生誤差。

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。本系統(tǒng)的PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。有關(guān)布局和接地的詳細(xì)論述，請參見指南MT-031;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見指南MT-101。

所有IC的電源應(yīng)當(dāng)用1 μF和0.1 μF電容去耦，以適當(dāng)抑制噪聲并減小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近器件。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。

電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。通過數(shù)字地將時鐘及其它快速開關(guān)數(shù)字信號屏蔽起來，使之不影響電路板的其它器件。圖13為PCB的照片。

圖13. EVAL-CN0323-SDPZ PCB照片

常見變化

創(chuàng)建線性位置測量系統(tǒng)時，有兩個需要改變的地方。首先是采用AA745代替AA747 AMR傳感器。該傳感器專門檢測線性移動，并具有與AA747相當(dāng)?shù)碾姎馓匦?。其次，采用由一系列變化的南北極組成的多極條狀磁體代替現(xiàn)有磁體，如圖14所示。

圖14. 線性位置測量磁體、PCB和傳感器

AA745采用水平包裝，安裝位置與PCB的邊緣齊平。這樣可實(shí)現(xiàn)磁體和傳感器之間的最佳距離，理想距離是磁極長度的一半。

隨著傳感器沿與磁體平行方向移動，每轉(zhuǎn)過磁極長度的180°，它都會檢測磁場。磁極長度(P)和傳感器的角度精度(ΔØ = 0.05°)確定理論精度(Δx)。

Δx = P × ΔØ/180°

這樣便形成了僅有一個磁極長度的絕對測量系統(tǒng)。若磁體有多個磁極，則對通過的磁極進(jìn)行計數(shù)可獲得更精確的讀數(shù)。實(shí)現(xiàn)該功能需要更多電子元器件，并且通常具有不同磁極長度的第二個磁體能為額外的傳感器提供參照點(diǎn)。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP)評估板和EVAL-CN0323-SDPZ電路板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。

EVAL-CN0323-SDPZ包含待評估電路，如本筆記所述。EVAL-SDP-CB1Z與CN-0323評估軟件一同使用，收集EVAL-CN0323-SDPZ評估板的數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

· 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7(32位)PC

· EVAL-CN0323-SDPZ評估板

· EVAL-SDP-CB1Z評估板

· 6 V電源或壁式電源適配器

· CN-0323評估軟件

· 傳感器封裝處磁場強(qiáng)度不低于25kA/m的釹磁體。

開始使用

將CN-0323評估軟件光盤放入PC中，加載評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

圖15所示為測試設(shè)置的功能框圖。

圖15. 測試設(shè)置框圖

設(shè)置

將EVAL-CN0323-SDPZ上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z上的連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。

在斷電情況下，將6.0 V直流管式插孔連接到J4連接器。將EVAL-SDP-CB1Z附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

將釹磁體直接放置在IC之上，或置于專為旋轉(zhuǎn)磁體而設(shè)計的夾具中，使IC和磁體本身的距離最短。

使磁場的其他來源遠(yuǎn)離IC很重要，因?yàn)槿魏坞s散磁場都會使傳感器輸出電壓產(chǎn)生誤差。

測試

為直流管式插孔、J4連接器上電。啟動CN-0323評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z來發(fā)送、接收和捕捉來自EVAL-CN0323-SDPZ的串行數(shù)據(jù)。