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、低噪聲、精密放大器

評估和設計支持

電路評估板

CN-0323電路評估板(EVAL-CN0323-SDPZ)

系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設計和集成文件

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用。

電路提供全部必要的數字調理，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，適用于機床速度控制、起重機角度控制、電機速度測量和其他工業(yè)或汽車(chē)應用。

4009901052圖1. 磁阻角度檢測系統（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A(yíng)MR的角度傳感器，集成兩個(gè)電流隔離式惠斯登電橋，互相之間的相對角度為45°。AA747具有最低失調電壓(±2 mV)和高信號幅度(65 mV)。旋轉磁場(chǎng)激勵傳感器，使其輸出±65 mV電壓。

AD8227儀表放大器放大目標信號，同時(shí)抑制2.5 V惠斯登電橋共模電壓。驅動(dòng)VREF引腳至2.5 V可將儀表放大器的共模輸出電壓設為2.5 V。2.96 kΩ增益電阻將增益設為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范圍內擺動(dòng)。

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(shí)該引腳連接邏輯高電平，則下一次轉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使用內部2.5 V基準電壓源。VREF引腳提供該電壓，但將其用于系統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?；鶞孰妷河葾D8615緩沖，并設置儀表放大器AD8227的共模輸出電壓。

AD7866同步采樣磁阻傳感器的兩個(gè)通道。數字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每個(gè)數據流包括1個(gè)前導零，隨后是3個(gè)狀態(tài)位，再加上12位轉換數據。然而，保持片選信號為低電平并持續額外16個(gè)時(shí)鐘周期，則兩個(gè)數字字均可從一個(gè)通道(DOUTA)讀取。

SPI接口允許在一條數據線(xiàn)路上訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)通道。

磁阻(MR)理論

磁阻是存在外部磁場(chǎng)時(shí)，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。

圖2. 各向異性磁阻示例

AMR效應示例如圖2所示。電流(I)流過(guò)導體，受到外部磁場(chǎng)(HY)影響。導體電阻的變化與磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(Ø)成函數關(guān)系。磁化矢量是內部磁場(chǎng)(HX)與施加的外部磁場(chǎng)(HY)的凈求和結果。

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

有效利用AMR效應要求導體自身必須對機械應力材料不敏感，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(gè)屬性，創(chuàng )建角度測量系統時(shí)會(huì )具有設計挑戰性。

首先，透磁合金具有較窄的線(xiàn)性工作區(見(jiàn)圖3)。僅當磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(Ø)變大時(shí)，響應才是線(xiàn)性的。不幸的是，線(xiàn)性響應不久后就會(huì )飽和。

圖3. 透磁合金電阻與磁場(chǎng)的關(guān)系

其次，透磁合金對極性不敏感。無(wú)論磁化矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(Ø)是正或負，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(xiàn)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(chēng)為雙色條磁極，如圖4所示)。雙色條磁極間流動(dòng)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

圖5顯示向透磁合金條中加入雙色條磁極后的結果。電流矢量偏移45°，但磁化矢量保持不變。注意，線(xiàn)性特性現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(chǎng)的關(guān)系

磁場(chǎng)強度

AA747磁阻傳感器所需的磁場(chǎng)強度至少為25 kA/m，才能確保數據手冊中的誤差規格。該激勵磁場(chǎng)必須與傳感器封裝的中央部分相交。

選擇磁體時(shí)，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)，則可能需要更強的磁場(chǎng)強度才能確保傳感器位置的磁場(chǎng)強度達到要求，并保持最小誤差規格。

圖6. 用于轉軸角度測量的磁體方向與氣隙

傳感器基礎知識

標準AMR傳感器由兩個(gè)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(gè)電橋的全部元器件，標稱(chēng)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。旋轉磁場(chǎng)產(chǎn)生正弦(2ø)和余弦(2ø)輸出信號，如圖8所示。兩個(gè)信號在180°范圍內均為周期信號，可進(jìn)行全方位360°測量，無(wú)需額外電路和元件。

圖8. 磁阻傳感器輸出電壓

通道靈敏度

每通道的傳感器標稱(chēng)靈敏度為2.35 mV/°。這意味著(zhù)磁化矢量和傳感器方向之間的每一度變化都會(huì )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(xiàn)路斜率接近零時(shí)的輸出部分。

如圖8所示，通道1(藍線(xiàn))在磁化矢量接近45°或135°時(shí)損失靈敏度。類(lèi)似地，通道2(紅線(xiàn))在磁化矢量接近0°和90°時(shí)損失靈敏度。幸運的是，當一個(gè)通道的靈敏度降低時(shí)，另一個(gè)通道將處于高靈敏度區域。

軟件利用了這一特性，并基于某一時(shí)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，保證系統精度。

系統帶寬、磁場(chǎng)旋轉

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

測試結果

在磁桿的端平面上安裝磁體，并使其能夠360°自由旋轉;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，則CN-0189和磁體均360°轉動(dòng)。圖9顯示該設置的功能框圖;圖10顯示該設置的照片。

圖9. 數據采集測試設置

圖10. 基準測試設置照片

CN-0189傾斜測量系統提供測試CN-0323的參考角度。中心磁桿轉動(dòng)，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，在CN-0323評估軟件中產(chǎn)生0°角度讀數。

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(huì )使磁場(chǎng)偏離傳感器，并導致CN-0323評估軟件最終計算角度時(shí)產(chǎn)生誤差。

轉動(dòng)中心磁桿并將評估軟件的兩個(gè)顯示讀數進(jìn)行比較，即可收集數據。圖11顯示?90?范圍內記錄的輸出角度誤差。整個(gè)范圍內的誤差為±0.4°。LabVIEW評估軟件見(jiàn)圖12。

圖11. 磁場(chǎng)角度誤差

圖12. CN-0323評估軟件屏幕截圖

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

第一種方法是手動(dòng)輸入數值。第二種方法是在180°范圍內轉動(dòng)磁體，同時(shí)讓軟件自動(dòng)鑒別數值。這種方法比手動(dòng)鑒別數值更快，但如果磁場(chǎng)轉動(dòng)過(guò)快則會(huì )產(chǎn)生誤差。

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。本系統的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)布局和接地的詳細論述，請參見(jiàn)指南MT-031;有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參見(jiàn)指南MT-101。

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

電源走線(xiàn)應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線(xiàn)路上的毛刺效應。通過(guò)數字地將時(shí)鐘及其它快速開(kāi)關(guān)數字信號屏蔽起來(lái)，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(jiàn)變化

創(chuàng )建線(xiàn)性位置測量系統時(shí)，有兩個(gè)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(zhuān)門(mén)檢測線(xiàn)性移動(dòng)，并具有與AA747相當的電氣特性。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有磁體，如圖14所示。

圖14. 線(xiàn)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)現磁體和傳感器之間的最佳距離，理想距離是磁極長(cháng)度的一半。

隨著(zhù)傳感器沿與磁體平行方向移動(dòng)，每轉過(guò)磁極長(cháng)度的180°，它都會(huì )檢測磁場(chǎng)。磁極長(cháng)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(gè)磁極長(cháng)度的絕對測量系統。若磁體有多個(gè)磁極，則對通過(guò)的磁極進(jìn)行計數可獲得更精確的讀數。實(shí)現該功能需要更多電子元器件，并且通常具有不同磁極長(cháng)度的第二個(gè)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評估板的數據。

設備要求

需要以下設備：

· 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(chǎng)強度不低于25kA/m的釹磁體。

開(kāi)始使用

將CN-0323評估軟件光盤(pán)放入PC中，加載評估軟件。打開(kāi)我的電腦，找到包含評估軟件光盤(pán)的驅動(dòng)器，打開(kāi)Readme文件。按照Readme文件中的說(shuō)明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

圖15所示為測試設置的功能框圖。

圖15. 測試設置框圖

設置

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(guò)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(shí)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(zhuān)為旋轉磁體而設計的夾具中，使IC和磁體本身的距離最短。

使磁場(chǎng)的其他來(lái)源遠離IC很重要，因為任何雜散磁場(chǎng)都會(huì )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(dòng)CN-0323評估軟件，并通過(guò)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(lái)發(fā)送、接收和捕捉來(lái)自EVAL-CN0323-SDPZ的串行數據。