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如何测量磁阻角度？资料下载
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2021-04-07
laisvl
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电路功能与优势
图1所示电路提供非接触式AMR(各向异性磁阻)角度测量解决方案，可在180°范围内具有1°角度精度。该电路适合高速、精确、非接触式角度测量应用。
电路提供全部必要的信号调理，包括仪表放大器、缓冲器和双通道ADC，可高效处理 AMR传感器的低电平电桥输出。
使用该电路是一种业界领先的角度测量解决方案，适用于机床速度控制、起重机角度控制、电机速度测量和其他工业或汽车应用。
图 1. 磁阻角度检测系统(原理示意图：未显示去耦和所有连接）
电路描述
Sensitec AA747是一款基于AMR的角度传感器，集成两个电流隔离式惠斯登电桥，互相之间的相对角度为45°。 AA747具有最低失调电压(±2 mV)和高信号幅度(65 mV)。旋转磁场激励传感器，使其输出±65 mV电压。
AD8227 仪表放大器放大目标信号，同时抑制2.5 V惠斯登电桥共模电压。驱动VREF引脚至2.5 V可将仪表放大器的共模输出电压设为2.5 V。 2.96Ωk增益电阻将增益设为32。这样可以产生0.2 V至4.8 V模拟输出电压(电桥输出为2.5 V ±70 mV)。
电路信号带宽由AD8227确定，其在增益32下具有大约100 kHz带宽。
单位增益运算放大器 AD8615 缓冲仪表放大器输出电压，并直接连接ADC。该缓冲器具有轨到轨输出级，可在电源供电轨200 mV范围内摆动。
AD7866 是一款双通道12位1 MSPS SAR ADC。RANGE引脚的极性确定模拟输入范围和输出编码。如果片选信号变为低电平时该引脚连接逻辑高电平，则下一次转换的模拟输入范围为0 V至2VREF(0 V至5 V)，为缓冲放大器的0.2 V至4.8 V输入信号提供大约200 mV裕量。
将REFSEL引脚连接至低电平可配置ADC使用内部2.5 V基准电压源。VREF引脚提供该电压，但必须将其缓冲后才能用于驱系统其它环节。 DCAPA引脚和DCAPB引脚采用470 nF电容去耦，确保ADC正常工作。基准电压由AD8615缓冲，并设置仪表放大器AD8227的共模输出电压。
AD7866同步采样磁阻传感器的两个通道。数字字通常在DOUTA和DOUTB端提供。每个数据流包括1个前导零，随后是3个状态位，再加上12位转换数据。然而，保持片选信号为低电平并持续额外16个时钟周期，则两个数字字均可从一个通道(DOUTA)读取。
SPI接口允许在一条数据线路上访问两个通道。
磁阻(MR)理论
磁阻效应是存在外部磁场时，材料改变其电阻值的能力。最常用的MR传感器基于各向异性磁阻(AMR)效应。
Figure 2. Anisotropic Magnetoresistive Example
AMR效应示例如图2所示。电流(I)流过导体，受到外部磁场(HY)影响。导体电阻的变化与磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度(Ø)成函数关系。磁化矢量是内部磁场(HX)与施加的外部磁场(HY)的净求和结果。
当磁化矢量(M)与电流矢量(I)平行时，具有最大电阻。当磁化矢量(M)与电流矢量(I)垂直时，具有最小电阻。
有效利用AMR效应要求导体自身必须对机械应力不敏感，但对磁约束敏感。由于这些原因，透磁合金(80%镍，20%铁)是AMR传感器制造中最常用的合金。
透磁合金属性
透磁合金条有两个属性，创建角度测量系统时会具有设计挑战性。
首先，透磁合金具有较窄的线性工作区(见图3)。仅当磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度(Ø)变大时，响应才是线性的。不幸的是，线性响应不久后就会饱和。
图3.透磁合金电阻与磁场的关系
其次，透磁合金对极性不敏感。无论磁化矢量(M)和电流矢量(I)之间的角度(Ø)是正或负，透磁合金条的电阻都将下降。
双色条磁极
改善透磁合金条线性度和磁极非敏感特性的常用方法是与金属条的轴向成45°角添加铝条(称为双色条磁极，如图4所示)。双色条磁极间流动的任何电流都将走最短的路径——垂直路径，并且电流矢量(I)和磁化矢量(M)之间的角度偏移45°。
图4. 透磁合金条的双色条磁极效应
图5显示向透磁合金条中加入双色条磁极后的结果。电流矢量偏移45°，但磁化矢量保持不变。注意，线性特性现在存在于图形的中央部分。
图5. 双色条磁极透磁合金电阻与磁场的关系
磁场强度
AA747磁阻传感器所需的磁场强度至少为25 kA/m，才能确保数据手册中的误差规格。该激励磁场必须与传感器封装的中央部分相交。
选择磁体时，需考虑传感器和磁体之间的气隙，如图6所示。如果磁体未靠近传感器放置(即距离d极大)，则可能需要更强的磁场强度才能确保传感器位置的磁场强度达到要求，并保持最小误差规格。
图6. 用于转轴角度测量的磁体方向与气隙
传感器基础知识
标准AMR传感器由两个惠斯登电桥组成，互相之间的相对角度为45°。透磁合金条包含两个电桥的全部元器件，标称电阻值为3.2 kΩ.
Figure 7. AA747 Dual Wheatstone Bridge Configuration
AA747的最大峰值信号幅度为70 mV(14 mV/VCC，5 V电源)。传感器失调电压为±10 mV(±2 mV/VCC，5 V电源)，输出2.5 V ±0.70 mV可用信号。旋转磁场产生正弦(2ø)和余弦(2ø)输出信号，如图8所示。两个信号在180°范围内均为周期信号，因此无法在不增加额外电路和原件的情况下进行全方位360°测量。
图8. 磁阻传感器输出电压
通道灵敏度
每通道的传感器标称灵敏度为2.35 mV/°。这意味着磁化矢量和传感器方向之间的每一度变化都会产生2.35 mV的输出电压改变。角度的灵敏度并非常量。灵敏度下降的部分是线路斜率接近零时的输出部分。
如图8所示，通道1(蓝线)在磁化矢量接近45°或135°时损失灵敏度。类似地，通道2(红线)在磁化矢量接近0°和90°时损失灵敏度。幸运的是，当一个通道的灵敏度降低时，另一个通道将处于高灵敏度区域。
软件利用了这一特性，并基于某一时刻最为精确的传感器测量角度。如果通道1接近45°，则使用通道2计算角度，保证系统精度。
系统带宽、磁场旋转
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