電路功能與優勢 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信號調理，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。 使用該電路是一種業界領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或汽車應用。 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具有最低失調電壓(±2 mV)和高信號幅度(65 mV)。旋轉磁場激勵傳感器，使其輸出±65 mV電壓。 AD8227 儀表放大器放大目標信號，同時抑制2.5 V惠斯登電橋共模電壓。驅動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。 2.96Ωk增益電阻將增益設為32。這樣可以產生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。 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。如果片選信號變為低電平時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，但必須將其緩沖后才能用于驅系統其它環節。 DCAPA引腳和DCAPB引腳采用470 nF電容去耦，確保ADC正常工作。基準電壓由AD8615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通道。數字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。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，保持片選信號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)讀取。 SPI接口允許在一條數據線路上訪問兩個通道。 磁阻(MR)理論 磁阻效應是存在外部磁場時，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。 Figure 2. Anisotropic Magnetoresistive Example AMR效應示例如圖2所示。電流(I)流過導體，受到外部磁場(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°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 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 AA747磁阻傳感器所需的磁場強度至少為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)，則可能需要更強的磁場強度才能確保傳感器位置的磁場強度達到要求，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，標稱電阻值為3.2 kΩ. Figure 7. AA747 Dual Wheatstone Bridge Configuration 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，因此無法在不增加額外電路和原件的情況下進行全方位360°測量。 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。幸運的是，當一個通道的靈敏度降低時，另一個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、磁場旋轉