磁阻角度和线性位置测量电路CN - 0368设计解析

在电子工程领域，对于高精度、非接触式的角度和线性位置测量的需求日益增长。Circuits from the Lab参考设计的CN - 0368电路，为这类测量需求提供了一种出色的解决方案。

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1. 电路概述

CN - 0368电路由两个关键芯片组成，分别是AD7866和ADA4571。该电路能够实现高精度的非接触式各向异性磁阻（AMR）测量，可用于角度或线性位置测量。其在180°范围内能提供优于0.2°的角度精度，在0.5英寸范围内可实现2密耳（0.002英寸）的线性精度。这一特性使其非常适合机床速度控制、起重机角度控制、无刷直流电机等工业或汽车应用。

2. 关键器件介绍

• ADA4571：这是一款集成了信号调理放大器、ADC驱动器和温度传感器的AMR传感器。它内部包含一个AMR传感器和一个固定增益（标称G = 40）的仪表放大器，能输出与旋转磁场角度相关的干净且放大的余弦和正弦信号，输出电压范围与电源电压成比例。传感器有两个相对角度为45°的坡莫合金惠斯通电桥，旋转磁场会产生双倍于传感器与磁场方向夹角（α）频率的正弦输出信号，且在x - y平面均匀磁场中，输出信号与z方向（气隙）的物理位置无关。输出电压摆幅在7%VDD到93%VDD之间，还有两个诊断带（0% - 7%VDD和93% - 100%VDD）用于检测内部连接的断键情况。它采用8引脚SOIC封装，VSIN和VCOS输出的阻抗为50Ω，与外部10nF电容构成318kHz的噪声滤波器。
• AD7866：这是一款双通道、同时采样、12位、1 MSPS的逐次逼近型ADC。RANGE引脚的极性决定模拟输入范围和输出编码，若该引脚在片选信号变低时接逻辑高电平，下一次转换的模拟输入范围为0V到2×VREF（0V到5V），为来自ADA4571 AMR传感器的0.35V到4.65V信号留出约350mV的裕量。将REFSEL引脚接低电平可配置ADC使用内部2.5V参考电压，该电压在VREF引脚可用，但在系统其他地方使用前需要缓冲。DCAPA和DCAPB引脚用470nF电容去耦以确保ADC正常工作。AD7866能同时采样传感器的两个通道，数字字通常在DOUTA和DOUTB上可用，每个数据流由1个前导0、3个状态位和12位转换数据组成。通过将CS引脚保持低电平额外16个时钟周期，两个数字字可从一个通道DOUTA获得，这样SPI接口就能在一条数据线上访问两个通道。AD7866中的两个ADC的输入配备了一个双通道多路复用器，A0输入引脚为逻辑0时允许对A1和A2输入进行转换，为逻辑1时允许对B1和B2输入进行转换。ADA4571的温度传感器输出连接到AD7866的B1输入，可实现系统的软件温度校准。

3. 磁阻理论基础

磁阻效应是指材料在受到外部磁场作用时电阻值发生变化的特性。最常用的磁阻传感器基于AMR技术，电流（I）流经导体时受外部磁场（HY）作用，导体电阻会随磁化矢量（M）与电流矢量（I）夹角（Ø）变化。当M与I平行时，电阻最大；当M与I垂直时，电阻最小。为有效利用AMR效应，导体材料需对机械应力不敏感但对磁致伸缩敏感，坡莫合金（80%镍，20%铁）是AMR传感器制造中最常用的合金。

然而，坡莫合金存在两个设计挑战。一是其线性工作区域较窄，只有当M与I夹角变大时响应才呈线性，但很快就会饱和；二是坡莫合金对极性不敏感，无论M与I夹角正负，坡莫合金条的电阻都会减小。为改善这些问题，常用的方法是添加与条轴成45°角的铝条纹，即“巴伯极”，可使电流流动矢量与磁化矢量夹角偏移45°，从而改善线性度和极性不敏感性。

4. 磁场强度与传感器特性

• 磁场强度：为确保ADA4571数据手册的规格要求，需要至少25kA/m的最小磁场强度，且该激励磁场必须与ADA4571封装内的传感元件中心相交。选择磁铁时，要考虑传感器与磁铁之间的气隙，若磁铁与传感器距离过远，可能需要更强或更大的磁铁来满足最小磁场强度要求。
• 传感器特性：标准AMR传感器由两个相对角度为45°的惠斯通电桥组成，旋转磁场会产生sin(2Ø)和cos(2Ø)输出信号，这两个信号在180°范围内呈周期性变化，若无额外组件或参考点，无法实现360°的完整测量。ADA4571传感器每个通道的标称灵敏度为52mV/°，但灵敏度随角度变化并非恒定，余弦输出在磁化矢量角度接近0°、90°、180°或270°时灵敏度降低，正弦输出在45°、135°、225°和315°附近灵敏度降低，不过当一个通道灵敏度降低时，另一个通道处于高灵敏度区域。

5. 系统带宽与测试结果

• 系统带宽：磁场的角速度是理解电路带宽的重要因素。对于1 MSPS的ADC，要实现1°的分辨率，磁场在1ms内只能移动1°（2.778kHz），否则ADC无法快速采样以跟上磁场变化，这限制了磁场的最大可用角速度为2.778kHz。
• 旋转测量测试结果：将直径为0.5英寸、厚度为0.125英寸的N42磁铁安装在金属棒末端，通过精密直流电机精细控制棒的角度，传感器相对于磁铁面精确安装，气隙设置为2mm。电机转动产生旋转磁场，与传感器相交产生可用于角度计算和数据收集的正弦和余弦输出电压。未校准前，角度误差接近±1°；仅进行偏移校正后，最大误差接近±0.2°，大部分范围误差小于±0.1°。
• 线性位置测试结果：只需将磁铁替换为多极条形磁铁，即可构建增量式线性位置测量系统。传感器平行于磁铁移动时，每经过一个磁极长度，磁场旋转180°，磁极长度（P）和传感器角度精度（Δø = 0.05°）决定理论精度（Δx），计算公式为Δx = P × Δø / 180°。该方法仅对一个磁极长度提供绝对测量系统，若磁铁有多个磁极，通过计数经过的磁极数量可获得更准确的读数。理想的传感器与磁铁距离为磁极长度的一半。测试中，将磁铁安装在数字卡尺的臂上，EVAL - CN0368 - SDPZ PCB上的ADA4571 AMR传感器面与磁铁面垂直。在1.0英寸范围内，位置误差为±2密耳；将测量范围限制在0.4英寸时，应用新的增益校正因子后，误差可降低至±1密耳。同时，测试还发现垂直不对准、旋转不对准和传感器与磁铁距离变化等因素会引入误差，通过修改增益校正因子可改善但无法完全消除这些误差。

6. PCB布局考虑

在需要高精度的电路中，PCB的电源和接地回流布局非常重要。CN - 0368系统的PCB采用4层堆叠结构，有大面积接地平面层和电源平面多边形，应尽可能将数字和模拟部分隔离。为所有IC的电源进行去耦，使用1μF和0.1μF的电容以抑制噪声和减少纹波，电容应尽可能靠近器件放置，推荐使用陶瓷电容进行高频去耦。电源线路应采用尽可能宽的走线宽度，以提供低阻抗路径并减少电源线上的毛刺效应，同时用数字地屏蔽时钟和其他快速开关数字信号。

7. 常见变化与电路评估测试

• 常见变化：若需要高于1 MSPS的采样率，可考虑AD7352（12位，3 MSPS）、AD7356（12位，5 MSPS）和AD7357（14位，4.25 MSPS）等同时采样ADC；若需要高于12位或14位的分辨率，可使用AD7655（16位，1 MSPS）。
• 电路评估测试：该电路使用EVAL - SDP - CB1Z系统演示平台板和EVAL - CN0368 - SDPZ电路板，两块板通过120引脚连接器连接，便于快速设置和评估电路性能。评估所需设备包括带有USB端口的PC、EVAL - CN0368 - SDPZ电路板、EVAL - SDP - CB1Z SDP板、6V电源或壁式适配器、CN0368评估软件以及最小磁场强度为25kA/m的钕磁铁。测试时，按要求连接电路板和电源，安装好磁铁，启动评估软件并建立USB通信，即可进行数据采集和分析。

CN - 0368电路为磁阻角度和线性位置测量提供了一个全面且可靠的解决方案，电子工程师在实际设计中可根据具体需求对电路进行调整和优化。大家在使用类似电路进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？