如何測(cè)量磁阻角度？資料下載

電路功能與優(yōu)勢(shì) 圖1所示電路提供非接觸式AMR(各向異性磁阻)角度測(cè)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(cè)量應(yīng)用。 電路提供全部必要的信號(hào)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。 使用該電路是一種業(yè)界領(lǐng)先的角度測(cè)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(cè)量和其他工業(yè)或汽車(chē)應(yīng)用。 圖 1. 磁阻角度檢測(cè)系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接） 電路描述 Sensitec AA747是一款基于AMR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(duì)角度為45°。 AA747具有最低失調(diào)電壓(±2 mV)和高信號(hào)幅度(65 mV)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)傳感器，使其輸出±65 mV電壓。 AD8227 儀表放大器放大目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)抑制2.5 V惠斯登電橋共模電壓。驅(qū)動(dòng)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。 2.96Ωk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(hào)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(jí)，可在電源供電軌200 mV范圍內(nèi)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(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)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(hào)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，但必須將其緩沖后才能用于驅(qū)系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)。 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(gè)通道。數(shù)字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。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，保持片選信號(hào)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)讀取。 SPI接口允許在一條數(shù)據(jù)線(xiàn)路上訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)通道。 磁阻(MR)理論 磁阻效應(yīng)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(yīng)。 Figure 2. Anisotropic Magnetoresistive Example AMR效應(yīng)示例如圖2所示。電流(I)流過(guò)導(dǎo)體，受到外部磁場(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(xiàn)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(xiàn)性的。不幸的是，線(xiàn)性響應(yīng)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(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(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(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(xiàn)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 磁場(chǎng)強(qiáng)度 AA747磁阻傳感器所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度至少為25 kA/m，才能確保數(shù)據(jù)手冊(cè)中的誤差規(guī)格。該激勵(lì)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(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度才能確保傳感器位置的磁場(chǎng)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(cè)量的磁體方向與氣隙 傳感器基礎(chǔ)知識(shí) 標(biāo)準(zhǔn)AMR傳感器由兩個(gè)惠斯登電橋組成，互相之間的相對(duì)角度為45°。透磁合金條包含兩個(gè)電橋的全部元器件，標(biāo)稱(chēng)電阻值為3.2 kΩ. Figure 7. AA747 Dual Wheatstone Bridge Configuration AA747的最大峰值信號(hào)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(hào)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生正弦(2?)和余弦(2?)輸出信號(hào)，如圖8所示。兩個(gè)信號(hào)在180°范圍內(nèi)均為周期信號(hào)，因此無(wú)法在不增加額外電路和原件的情況下進(jìn)行全方位360°測(cè)量。 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(chēng)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(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(lán)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(yùn)的是，當(dāng)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(qū)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(cè)量角度。如果通道1接近45°，則使用通道2計(jì)算角度，保證系統(tǒng)精度。 系統(tǒng)帶寬、磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)