電路功能與優勢

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)測量解決方案，可用于角度或線性位置測量。該雙 芯片系統在180°范圍內具有優于0.2°的角精度，在0.5英寸范 圍內具有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、非接觸式角度和長度測量關 鍵型應用，比如機床速度控制、起重機角度控制、無刷直 流電機和其他工業或汽車應用。

圖1. 磁阻角度和線性檢測系統(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，集成信號調理 放大器和ADC驅動器，以及用于溫度補償的溫度傳感器。 ADA4571產生兩路模擬輸出，指示周圍磁場的角位置。

ADA4571集成一個AMR傳感器和一個固定增益(標稱值G = 40) 儀表放大器。ADA4571可提供有關旋轉磁場角度的干凈且 經過放大的余弦和正弦輸出信號。T輸出電壓范圍與電源 電壓成比例。

傳感器含有兩個互成45°角的透磁合金惠斯登電橋。x-y傳 感器平面的旋轉磁場提供兩路正弦輸出信號，且傳感器與 磁場方向的角度(α)頻率翻倍。在x-y平面的均質場內，輸 出信號與z方向(氣隙)的物理位置無關。

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

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 選信號變為低電平時該引腳連接邏輯高電平，則下次轉換 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。

AD7866同步采樣傳感器的兩個通道。數字字通常在 DOUTA和DOUTB每個數據流包括1個前導零，隨后是3個狀態位，再加上12位轉換數據。然而，保持CS 引腳為低電 平并持續額外16個時鐘周期，則兩個數字字均可從一個通道(DOUTA)獲取。因此，SPI接口允許在一條數據線路上訪問兩個通道。

AD7866的兩個ADC輸入均帶有雙通道多路復用器。A0輸 入引腳上的邏輯0允許A1和A2輸入端轉換，而A0輸入引腳 上的邏輯1允許B1和B2輸入端轉換。ADA4571的溫度傳感 器輸出連接AD7866的B1輸入，并允許對系統進行軟件溫 度校準。

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AMR技術。

圖2. 各向異性磁阻示例

AMR效應示例如圖2所示。電流(I)流過導體，受外部磁場 (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(?)成函數關系。磁化矢量是內部磁場(HX)與施 加的外部磁場(HY)的凈求和結果。

當磁化矢量(M)與電流矢量(I)平行時，具有最大電阻。當磁化矢量(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

透磁合金條有兩個屬性，創建角度測量系統時會具有設計 挑戰性。

首先，透磁合金具有較窄的線性工作區(見圖3)。僅當磁化 矢量(M)和電流矢量(I)之間的角度(?)變大時，響應才是線 性的。不幸的是，線性響應不久后透磁合金就會飽和。

圖3. 透磁合金電阻與磁場的關系

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(?)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的關系

磁場強度

磁場強度至少為25 kA/m，才能確保滿足ADA4571數據手冊 中的規格。該激勵磁場必須與ADA4571封裝內傳感元件的 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 要更強或更大的磁體才能確保達到最小磁場強度要求。

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傳感器由兩個惠斯登電橋組成，互相之間的相對 角度為45°，如圖7所示。

圖7. ADA4571雙惠斯登電橋配置

旋轉磁場產生正弦(2?)和余弦(2?)輸出信號，如圖8所示。 兩個信號在180°范圍內均為周期信號，因此沒有額外元件 或參考點就無法進行全方位360°測量檢測。

圖8. 磁阻傳感器輸出電壓

通道靈敏度

ADA4571傳感器標稱靈敏度為每通道52 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生52 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，余弦輸出(綠線)在磁化矢量角度接近0°、90°、 180°或270°時損失靈敏度。類似地，正弦輸出(紅線)在磁化 矢量角度接近45°、135°、225°和315°時損失靈敏度。幸運 的是，當一個通道的靈敏度降低時，另一個通道處于高靈 敏度區域。

系統帶寬、磁場旋轉

磁場角度矢量是理解電路帶寬的重要內容。ADC每微秒 轉換一個樣本。為了獲得1°分辨率，磁場1 ms只能移動1° (2.778 kHz)，否則ADC無法以足夠高的速度進行采樣，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。

旋轉測量測試結果

將直徑方向的N42磁體(直徑 = 0.5英寸，厚度 = 0.125英寸)連 接至金屬桿的末端。精密直流電機可對金屬桿進行精細角 度控制。傳感器精確安裝在磁體正面。氣隙設為2 mm。只 要磁鐵激勵使傳感器完全飽和，則結果便與氣隙基本無關。

電機轉動，創造出與傳感器相交的旋轉磁場，進而產生重復 性正弦和余弦輸出電壓，適合進行角度計算和數據采集。

圖9顯示了該設置的功能框圖。圖10是該設置的照片，可 用來采集軸尾配置的數據。該設置由無刷直流電機、物理 安裝、磁體和集成相應ADA4571傳感器的PCB組成。

圖9. 數據采集測試設置——軸尾配置

圖10. 無刷直流電機基準測試設置照片

圖11通過磁體的多次轉動，將電機的機械角與傳感器的計 算磁場角相比較。該計算利用兩個輸出之比的反正切函 數。未進行校準時，誤差接近±1°。
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圖11. 失調校正前的角誤差與機械角之間的關系?

圖12顯示僅有一次失調校正的誤差。無需針對正弦和余弦 的幅度失配、非線性度或正交性校正進行額外調節。使用 每個通道的峰峰值或平均值可確定失調值，因為它貫穿整 個機械旋轉。從對應通道中減去失調，以獲得線性傳感器 響應。最大誤差接近±0.2°，而該范圍內的絕大部分誤差小 于±0.1°。

圖12. 僅針對失調進行校正后的角誤差與機械角的關系

線性位置測試結果

創建增量線性位置測量系統時，只需進行極少量的修改。 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13所示。

圖13. 線性位置測量磁體、PCB和傳感器

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

Δx = P × Δ?/180°

這樣便形成了僅有一個磁極長度的絕對測量系統。若磁體 有多個磁極，則對通過的磁極進行計數可獲得更精確的讀 數。傳感器與磁體的理想距離是磁體磁極長度的一半。

通過在數顯卡尺的臂上安裝磁體，測試EVAL-CN0368-SDPZ PCB。安放EVAL-CN0368-SDPZ PCB，使其ADA4571 AMR 傳感器(U5)正面與磁體正面垂直。當磁體移動時，數顯卡 尺顯示移動的距離，精度達0.0005英寸。同時，磁力線與 傳感器相交，提供可用輸出范圍。圖14是該設置的功能框 圖，圖15是該設置的照片。

圖14. 線性測量的數據采集測試設置

圖15. 基準測試設置照片

該設置采用了長度為2英寸的磁體，放置位置離開傳感器1 英寸。建議用于線性運動檢測的傳感器至磁體氣隙等于磁 體磁極長度的一半。通過沿x軸移動磁體來采集數據，并 將評估軟件讀數與卡尺數字顯示屏的讀數做比較。圖16顯 示1.0英寸范圍內記錄的輸出位置誤差。整個范圍內的誤差 為±2密耳。

圖16. 磁場位置誤差：1.0英寸范圍

將測量范圍限制在0.4英寸可獲得更好的測量結果。注意， 0.4英寸與圖8所示的三角波的線性部分重合，并將測量限 制在30°范圍內。對此更改范圍應用新的增益校正系數，可 獲得±1密耳的誤差，如圖17所示。

圖17. 磁場位置誤差：0.4英寸范圍

傳感器放在磁體本體的中央，如圖18所示。當傳感器相對磁 體上下移動時，會產生一個常見誤差源——垂直對齊誤差。

圖18. 基準測試設置照片：垂直對齊誤差

圖19顯示了傳感器與磁體在垂直方向上未對齊所造成的誤 差。測試將PCB上移或下移0.25英寸和0.5英寸，然后獲取 數據。對于1.0英寸測量范圍，將目標上移或下移0.25英寸 會給計算增加數密耳的誤差。上移或下移0.5英寸會使測量 情況更糟，原始讀數的誤差會增加數十密耳。

圖19. 磁場位置誤差：垂直對齊誤差

通過調整增益校正系數，可以減小這些誤差，但無法完全 消除。增大與磁體的距離會對磁場強度產生不利影響，磁 力線的方向會使得某些數據不可恢復。
第二個常見的誤差源是旋轉對齊誤差，如圖20所示。雖然 傳感器和磁體相對于垂直軸上定位理想，但傳感器與磁體 的正面并不平行。

圖20. 基準測試設置照片：旋轉對齊誤差?

圖21顯示了與旋轉對齊誤差有關的讀數。綠線顯示了平行 配置所記錄的誤差，紅線和藍線顯示了傳感器相對于磁體 正面左右旋轉所帶來的額外誤差。

圖21. 磁場位置誤差：旋轉對齊誤差

最后一個常見的誤差源是傳感器至磁體距離，如圖22所 示。傳感器與磁體的理想距離是磁體長度的一半。增大或 減小該距離都會導致數據組誤差。圖22顯示了磁體和傳感 器相距太近的基準測試設置。

圖22. 基準測試設置照片：平面距離變化

磁體與傳感器的距離先后設置為0.1英寸、0.5英寸和1英 寸，然后獲取數據。圖23顯示了不同配置相關的誤差。

圖23. 磁場位置誤差：平面距離變化

通過調整增益校正系數，可以減小這些誤差，但無法完全消除。增大或減小與磁體的距離會對磁場強度產生不利影響，磁力線的方向會使得某些數據不可恢復。

圖24是LabVIEW?評估軟件的屏幕截圖，該軟件可用于角位置應用的一切讀數顯示與計算。圖25是線性測量選項卡的 屏幕截圖。

圖24. CN0368評估軟件旋轉測量選項卡屏幕截圖

圖25. CN0368評估軟件線性測量選項卡屏幕截圖

校準期間確定每個惠斯登電橋的最大和最小電壓輸出(VMAX 和VMIN)。了解這些數值可以更精確地將電壓映射到數字碼。通過選擇校準方法下拉框，用戶可以有兩種方法確定 VMAX和VMIN值。

第一種方法是在磁激勵360°旋轉時，軟件確定VMAX和 VMIN。隨后，軟件計算各通道的失調電壓值，并使用這些值來確定磁場角度。

第二種方法是在磁激勵360°旋轉時，軟件確定VMAX、VMIN 和VTEMP。然后在不同的溫度下重復該步驟。軟件使用這些 變量計算各通道的失調電壓和溫度相關性，進而計算磁場角度。

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CN-0368 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。有關布局和接地的詳細論 述，請參見MT-031 指南 ；有關去耦技術的信息，請參見MT-101 指南。

所有IC的電源應當用1μF和0.1μF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。

電源走線應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線 路上的毛刺效應。通過數字地將時鐘及其它快速開關數字 信號屏蔽起來，使之不影響電路板的其它器件。圖26為 PCB的照片。

用于CN-0368的完整設計支持包可參見 .

圖26. EVAL-CN0368-SDPZ板的照片

電路評估與測試

本電路使用EVAL-SDP-CB1Z 系統演示平臺(SDP)板和 EVAL-CN0368-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-CN0368-SDPZ包含待評估電路，如CN-0368所述。 EVAL-SDP-CB1Z板與CN0368評估軟件一同使用，捕獲 EVAL-CN0368-SDPZ電路板的數據。

設備要求需要以下設備：

* 帶USB端口和Windows? XP(32位)、Windows
* Vista(32位) 或Windows 7(32位)PC
* EVAL-CN0368-SDPZ 電路板
* EVAL-SDP-CB1Z SDP 板
* 6 V電源或壁式電源適配器
* CN0368評估軟件
* 傳感器封裝處磁場強度不低于25 kA/m的釹磁體

開始使用

將CN0368評估軟件光盤放入PC，加載評估軟件。打開我 的電腦，找到包含評估軟件光盤的驅動器，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27所示為測試設置的功能框圖。

圖27. 測試設置框圖

設置

將EVAL-CN0368-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 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。 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，或置于專為旋轉磁體而設計 的夾具中，使IC和磁體的距離最短。

使磁場的其他來源遠離IC很重要，因為任何雜散磁場都會 使傳感器輸出電壓產生誤差。

測試

為直流管式插孔、J4連接器上電。啟動CN0368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來發送、 接收和捕捉來自EVAL-CN0368-SDPZ的串行數據。

有關EVAL-SDP-CB1Z的信息，請參閱SDP用戶指南.

有關測試設置、校準以及如何使用評估軟件來捕捉數據的 詳細信息，請參閱CN-0368 軟件用戶指南。