【導(dǎo)讀】AD22157是一種混合信號(hào)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換器,它具有很大的測(cè)速范圍(0~2500Hz)和較寬的操作溫度范圍(-40~150℃),同時(shí)具有二線制電流操作?氣隙診斷和反向電壓保護(hù)(-30V)等一系列特性?
1?概述
AD22157是一種混合信號(hào)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換器,它具有很大的測(cè)速范圍(0~2500Hz)和較寬的操作溫度范圍(-40~150℃),同時(shí)具有二線制電流操作?氣隙診斷和反向電壓保護(hù)(-30V)等一系列特性?它可在較大的車(chē)速范圍內(nèi)對(duì)汽車(chē)鐵磁性目標(biāo)輪進(jìn)行車(chē)速與轉(zhuǎn)動(dòng)方向的測(cè)量?此外,還可在傳送系統(tǒng)作傳輸速度的測(cè)量?接近測(cè)量?位移測(cè)量等?AD22157的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?
2?AD22157的主要特性
AD22157采用二線制電流回路操作方式,適于在-40~150℃的溫度范圍?+20V直流供電情況下持續(xù)工作,且在瞬時(shí)電壓高達(dá)+27V時(shí)仍能維持正常工作?
AD22157輪速傳感器的輸出電流脈沖為7mA或14mA(靜止偏置值為7mA)?該傳感器的輸出電流脈沖的上升沿可準(zhǔn)確定位于目標(biāo)輪的輪轂?輸出脈沖寬度則可由目標(biāo)輪的運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定,并可按照主流系統(tǒng)制造商所推薦的現(xiàn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編碼為一組根據(jù)目標(biāo)輪的運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)先定義的時(shí)間間隔?
它的脈沖寬度可根據(jù)所測(cè)量的差模磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同而有所不同:ΔB>4mT(正常磁場(chǎng))?2mT<ΔB<4mT(低磁范圍)?ΔB<2mT(極低磁范圍)三種不同磁場(chǎng)中具有不同的寬度輸出?另外,在正常和低磁情況下,它還可提供車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向的測(cè)量?
在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍下,其輸出脈沖寬度的情況如圖2所示?
在初始上電?目標(biāo)輪停止或其它原因造成檢測(cè)不到動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí),一個(gè)安全停止的失敗信號(hào)就會(huì)以大約1.5Hz的頻率重復(fù)產(chǎn)生?
AD22157傳感器內(nèi)部集成有霍爾單元,并有相應(yīng)的電路來(lái)減小霍爾器件參數(shù)的溫漂,在與SmCo磁鐵搭配使用時(shí),該器件的補(bǔ)償效果最佳?該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了CMOS電路線性度高和DMOS電路電壓高的優(yōu)點(diǎn),因而能夠使傳感器在要求的環(huán)境下準(zhǔn)確工作?
AD22157還包括一個(gè)適應(yīng)性的差模過(guò)零檢測(cè)器,它能準(zhǔn)確地檢測(cè)出目標(biāo)輪輪轂的位置?此結(jié)構(gòu)減小了由于封裝和溫度對(duì)霍爾傳感器陣列所造成的?使其輸出脈沖的上升沿與上升沿之間時(shí)間間隔存在2%偏差的影響?
為保證測(cè)量的精確度,AD22157舍棄了每次上電時(shí)或停止時(shí)的4個(gè)脈沖沿?它采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)增強(qiáng)功能,同時(shí)可減少在EMC極限條件下可能產(chǎn)生的偽脈沖或脈沖丟失現(xiàn)象?
AD22157采用單列5腳(SIP)的封裝形式,十分適合于作為車(chē)速傳感器使用,它可方便地與一個(gè)安放在其后的偏置磁鐵進(jìn)行裝配? AD22157的封裝形式如圖3所示?
AD22157的主要極限參數(shù)如下:
最大電源電壓:+27V;
最大輸出電流(管腳2):18mA;
工作溫度范圍:-40~150℃;
片芯最高溫度:190℃?
3?原理與應(yīng)用
3.1 工作原理
AD22157輪速傳感器實(shí)際上是一個(gè)二線制電流調(diào)制傳送器,它可根據(jù)磁場(chǎng)在空間的差模變化產(chǎn)生相應(yīng)的電流脈沖?在其應(yīng)用于輪速傳感器時(shí),它所探測(cè)到的磁場(chǎng)是一個(gè)放置于其后面的永久磁鐵和位于傳感器前端?目標(biāo)輪上的鐵制凹槽標(biāo)記相互作用產(chǎn)生的?在這種條件下,傳感器必須抵消恒定的磁場(chǎng)偏置,并放大差模調(diào)制磁場(chǎng),從而準(zhǔn)確判斷目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況?
3.2 信號(hào)檢測(cè)原理
AD22157輪速傳感器采用集成在硅襯底上的霍爾片結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行空間差模測(cè)量,從而抵消了偏置磁場(chǎng)的影響?此霍爾結(jié)構(gòu)由直線排列的三組霍爾單元構(gòu)成,可用于一些不窄于5mm的鋸齒或凹槽輸出對(duì)應(yīng)的正交信號(hào)?
每組霍爾單元都由4個(gè)獨(dú)立的?直徑為200μm?排列成空間十字形的霍爾片并聯(lián)構(gòu)成(如圖4所示)?此排列方式有利于減輕使用時(shí)逐漸增加的傾斜度對(duì)霍爾信號(hào)電壓造成的影響?
霍爾陣列由三組匹配的電流源供電,在此電流下的靈敏度為5μV/Gauss?三組霍爾效應(yīng)傳感器可分為兩組,并分別與儀器放大器相連,中間的霍爾片同時(shí)與兩個(gè)放大器相連?這種結(jié)構(gòu)可使兩組空間差模磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),其峰—峰值與差模磁場(chǎng)信號(hào)和霍爾片偏置電流成正比?
因此,如果霍爾陣列與車(chē)輪斜度相匹配,那么,AD22157中的空間差模陣列所測(cè)得的霍爾信號(hào)將按正弦規(guī)律變化?
3.3 信號(hào)調(diào)制前的誤差源
霍爾傳感器除了可以產(chǎn)生所需的空間差模信號(hào)外,通常還會(huì)產(chǎn)生以下幾種誤差:
(1) 得到補(bǔ)償?shù)拇艌?chǎng)偏置?該誤差源主要來(lái)源于霍爾片靈敏度的不匹配?霍爾片偏置電流的不匹配以及穿過(guò)偏置磁鐵表面的磁通密度發(fā)生變化等因素?
(2) 霍爾片固有失調(diào)?這種情況源于霍爾片接觸面不平造成的未對(duì)準(zhǔn)?生產(chǎn)廠商要求的霍爾片擴(kuò)散的公差不一致?以及封裝的機(jī)械壓力所引起的局部平坦度變化等?
(3) 霍爾單元受溫度靈敏度的影響?這種影響大約為450~±150ppm/℃?
(4) 受溫度影響的電路結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的失調(diào)?通常該裝置對(duì)于前級(jí)放大器輸出的總體影響在幾百mV的數(shù)量級(jí)上,并且會(huì)隨溫度朝正或負(fù)方向變化幾十mV?
從電路角度考慮,該放大器會(huì)進(jìn)一步造成信號(hào)的輸入失調(diào),但這一失調(diào)分量一般少于1mV,通常在幾百μV的量級(jí)?
3.4 信號(hào)調(diào)整
信號(hào)調(diào)整的作用是補(bǔ)償失調(diào)誤差,并準(zhǔn)確判斷差模信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)(差模信號(hào)是由霍爾單元產(chǎn)生的相互正交的正弦信號(hào),產(chǎn)生的正弦信號(hào)的頻率由目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定)?它們之間的關(guān)系如圖5所示?其正交信號(hào)之間的相位關(guān)系可用于判斷車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的方向?
該裝置的信號(hào)調(diào)整采用了兩個(gè)單獨(dú)的測(cè)量通道?第一通道用于檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)信息,并提供邊沿信息的主信號(hào)源?第二通道僅對(duì)信號(hào)相位作比較,以提取轉(zhuǎn)動(dòng)方向的信息?每個(gè)通道都包含2個(gè)極值采樣/保持電路和一個(gè)10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器?
每個(gè)通道都使用由兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的采樣/保持電路來(lái)對(duì)各自的信號(hào)進(jìn)行極值檢測(cè)?其中一個(gè)采樣/保持電路檢測(cè)峰值,另一個(gè)是檢測(cè)谷值?DAC的電壓輸出反映了任意時(shí)刻信號(hào)的峰—峰值?這個(gè)電壓的中間值可作為PWM中的過(guò)零檢測(cè)器的參考值?此結(jié)構(gòu)可保證在任何操作條件下都可檢測(cè)出1kHz信號(hào)(上升沿至上升沿)±2%的相位抖動(dòng)?
通道1還給出了被測(cè)信號(hào)的峰—峰值,此結(jié)果可用于測(cè)量與空氣隙直接相關(guān)的磁場(chǎng)強(qiáng)度或用于空氣隙診斷,同時(shí)可結(jié)合通道2的方向信息計(jì)算PWM中的輸出脈沖寬度?
由于空氣氣隙設(shè)置值不同,或車(chē)輪跑偏造成空氣氣隙發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí),霍爾信號(hào)的輸出峰—峰值也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變?因此,用一個(gè)固定分辨率的11級(jí)轉(zhuǎn)換器可能不能保證信號(hào)峰值的采樣精度?鑒于這種情況,在用11級(jí)轉(zhuǎn)換器無(wú)法跟蹤信號(hào)時(shí),應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換器的精度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整?
3.5 霍爾片偏置
霍爾單元的偏置值設(shè)置應(yīng)使AD22157的靈敏度溫度系數(shù)與稀有磁性材料的靈敏度溫度系數(shù)大小相等而極性相反?例如,可選SmCo=-450ppm/℃?或者Alnico5-7=-300ppm/℃,這樣就會(huì)使PWM的輸出值保持良好的穩(wěn)定性?
3.6 操作模式
當(dāng)接收到上電復(fù)位信號(hào)?停止信號(hào)或者無(wú)磁場(chǎng)時(shí),每個(gè)通道的采樣/保持電路都將分別復(fù)位到它們的最大和最小電壓值,然后再向內(nèi)跟蹤直到檢測(cè)到霍爾信號(hào)?即通道1(S/H max)向霍爾信號(hào)最大值增加,通道1(S/H min)向最小值減小,圖6給出了上電?停止域無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的信號(hào)跟蹤曲線?
為確保得到霍爾信號(hào)的峰值,開(kāi)始的四個(gè)過(guò)零事件一般不引起信號(hào)輸出?復(fù)位后的第三個(gè)過(guò)零信號(hào)之前也不執(zhí)行采集操作模式?隨著DAC信號(hào)開(kāi)始跟蹤霍爾信號(hào)的峰值,系統(tǒng)將在四個(gè)過(guò)零事件之后,使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入變化模式,此操作模式將使DAC電壓追蹤并保持霍爾信號(hào)的峰值,從而為車(chē)輪跑偏和失調(diào)等情況保持一個(gè)有效的過(guò)零點(diǎn)?
3.7 PWM過(guò)程和輸出過(guò)程
脈寬調(diào)制器(PWM)完成信號(hào)調(diào)制的最后一步是將霍爾信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)信息?信號(hào)幅值?車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向等信息轉(zhuǎn)換為一位脈寬調(diào)制信號(hào)?脈寬的第一個(gè)邊沿由通道1的過(guò)零事件決定?脈沖寬度由方向和信號(hào)幅值決定,如圖6所示?
所有信號(hào)調(diào)制事件都是與內(nèi)部時(shí)鐘同步的,異步的過(guò)零點(diǎn)事件將被排列至下一個(gè)時(shí)鐘沿,而這將導(dǎo)致最大延遲時(shí)間為1.4μs?輸出脈沖寬度由19位計(jì)數(shù)器調(diào)制,該計(jì)數(shù)器既可作為脈沖寬度調(diào)制器,又可作為一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器?
計(jì)數(shù)器時(shí)序如下:
(1)計(jì)數(shù)器收到一個(gè)過(guò)零事件后復(fù)位;
(2)延時(shí)45μs后輸出脈沖的上升沿;
(3)幅度閾值和方向被解碼,并輸出合適寬度的脈沖信號(hào);
(4)計(jì)數(shù)器復(fù)位;
(5)若在計(jì)數(shù)器溢出前745μs未接收到過(guò)零信號(hào),將輸出1個(gè)停止脈沖?
跟蹤器復(fù)位是為了保證當(dāng)無(wú)過(guò)零事件發(fā)生時(shí),失調(diào)校正電路仍能工作,但在無(wú)過(guò)零事件發(fā)生時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),失調(diào)校正對(duì)于由溫度產(chǎn)生的漂移將不起作用?
AD22157傳感器根據(jù)輸入的脈沖可將輸出電流調(diào)制成7mA或14mA兩個(gè)電流值?其中7mA的電流值代表靜止?fàn)顟B(tài)或邏輯零狀態(tài)?
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