電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示緊湊型雙芯片電路提供非接觸式各向異性磁阻 (AMR)測(cè)量解決方案，可用于角度或線性位置測(cè)量。該雙 芯片系統(tǒng)在180°范圍內(nèi)具有優(yōu)于0.2°的角精度，在0.5英寸范 圍內(nèi)具有2 mil(0.002英寸)線性精度，具體取決于所用磁體的 尺寸。

該電路適用于高速、高精度、非接觸式角度和長(zhǎng)度測(cè)量關(guān) 鍵型應(yīng)用，比如機(jī)床速度控制、起重機(jī)角度控制、無(wú)刷直 流電機(jī)和其他工業(yè)或汽車應(yīng)用。

圖1. 磁阻角度和線性檢測(cè)系統(tǒng)(原理示意圖： 未顯示去耦和所有連接)

電路描述

ADA4571 是一款各向異性磁阻(AMR)傳感器，集成信號(hào)調(diào)理 放大器和ADC驅(qū)動(dòng)器，以及用于溫度補(bǔ)償?shù)?a href="http://www.nxhydt.com/tags/溫度傳感器/" target="_blank">溫度傳感器。 ADA4571產(chǎn)生兩路模擬輸出，指示周圍磁場(chǎng)的角位置。

ADA4571集成一個(gè)AMR傳感器和一個(gè)固定增益(標(biāo)稱值G = 40) 儀表放大器。ADA4571可提供有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角度的干凈且 經(jīng)過(guò)放大的余弦和正弦輸出信號(hào)。T輸出電壓范圍與電源 電壓成比例。

傳感器含有兩個(gè)互成45°角的透磁合金惠斯登電橋。x-y傳 感器平面的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)提供兩路正弦輸出信號(hào)，且傳感器與 磁場(chǎng)方向的角度(α)頻率翻倍。在x-y平面的均質(zhì)場(chǎng)內(nèi)，輸 出信號(hào)與z方向(氣隙)的物理位置無(wú)關(guān)。

正弦和余弦輸出端的輸出電壓擺幅范圍為7% VDD至93% VDD。 有兩個(gè)診斷頻段(VDD的0%至7%和VDD的93%至100%)，因而 可向所有內(nèi)部連接提供焊線斷開(kāi)檢測(cè)。

ADA4571采用8引腳SOIC封裝。

VSIN和VCOS輸出的輸出阻抗為50 Ω，采用外部10 nF電容 時(shí)組成318 kHz噪聲濾波器。

AD7866是一款雙通道、同步采樣、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(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)該引腳連接邏輯高電平，則下次轉(zhuǎn)換 的模擬輸入范圍為0 V至2 × VREF(0 V至5 V)，為ADA4571 AMR 傳感器的0.35 V至4.65 V信號(hào)提供大約350 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。

AD7866同步采樣傳感器的兩個(gè)通道。數(shù)字字通常在 DOUTA和DOUTB每個(gè)數(shù)據(jù)流包括1個(gè)前導(dǎo)零，隨后是3個(gè)狀態(tài)位，再加上12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。然而，保持CS 引腳為低電 平并持續(xù)額外16個(gè)時(shí)鐘周期，則兩個(gè)數(shù)字字均可從一個(gè)通道(DOUTA)獲取。因此，SPI接口允許在一條數(shù)據(jù)線路上訪問(wèn)兩個(gè)通道。

AD7866的兩個(gè)ADC輸入均帶有雙通道多路復(fù)用器。A0輸 入引腳上的邏輯0允許A1和A2輸入端轉(zhuǎn)換，而A0輸入引腳 上的邏輯1允許B1和B2輸入端轉(zhuǎn)換。ADA4571的溫度傳感 器輸出連接AD7866的B1輸入，并允許對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件溫 度校準(zhǔn)。

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AMR技術(shù)。

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(guò)導(dǎo)體，受外部磁場(chǎng) (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(?)成函數(shù)關(guān)系。磁化矢量是內(nèi)部磁場(chǎng)(HX)與施 加的外部磁場(chǎng)(HY)的凈求和結(jié)果。

當(dāng)磁化矢量(M)與電流矢量(I)平行時(shí)，具有最大電阻。當(dāng)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(yīng)要求導(dǎo)體自身必須對(duì)機(jī)械應(yīng)力材料不敏 感，但對(duì)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(cè)量系統(tǒng)時(shí)會(huì)具有設(shè)計(jì) 挑戰(zhàn)性。

首先，透磁合金具有較窄的線性工作區(qū)(見(jiàn)圖3)。僅當(dāng)磁化 矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(?)變大時(shí)，響應(yīng)才是線 性的。不幸的是，線性響應(yīng)不久后透磁合金就會(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(duì)極性不敏感。無(wú)論磁化矢量(M)和電流 矢量(I)之間的角度(?)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°添加鋁條(稱為雙色條磁極，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(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(chǎng)的關(guān)系