分析混合信号磁场转换器AD22157工作原理和特性及应用

品慧电子讯AD22157是一种混合信号磁场转换器,它具有很大的测速范围(0~2500Hz)和较宽的操作温度范围(-40~150℃),同时具有二线制电流操作?气隙诊断和反向电压保护(-30V)等一系列特性?

1?概述

AD22157是一种混合信号磁场转换器,它具有很大的测速范围(0~2500Hz)和较宽的操作温度范围(-40~150℃),同时具有二线制电流操作?气隙诊断和反向电压保护(-30V)等一系列特性?它可在较大的车速范围内对汽车铁磁性目标轮进行车速与转动方向的测量?此外,还可在传送系统作传输速度的测量?接近测量?位移测量等?AD22157的结构框图如图1所示?

2?AD22157的主要特性

AD22157采用二线制电流回路操作方式,适于在-40~150℃的温度范围?+20V直流供电情况下持续工作,且在瞬时电压高达+27V时仍能维持正常工作?

AD22157轮速传感器的输出电流脉冲为7mA或14mA(静止偏置值为7mA)?该传感器的输出电流脉冲的上升沿可准确定位于目标轮的轮毂?输出脉冲宽度则可由目标轮的运动方向和磁场强度来决定,并可按照主流系统制造商所推荐的现行工业标准编码为一组根据目标轮的运动方向和磁场强度预先定义的时间间隔?

它的脉冲宽度可根据所测量的差模磁场强度的不同而有所不同:ΔB>4mT(正常磁场)?2mT<ΔB<4mT(低磁范围)?ΔB<2mT(极低磁范围)三种不同磁场中具有不同的宽度输出?另外,在正常和低磁情况下,它还可提供车轮转动方向的测量?

在不同磁场强度范围下,其输出脉冲宽度的情况如图2所示?

在初始上电?目标轮停止或其它原因造成检测不到动态信号时,一个安全停止的失败信号就会以大约1.5Hz的频率重复产生?

AD22157传感器内部集成有霍尔单元,并有相应的电路来减小霍尔器件参数的温漂,在与SmCo磁铁搭配使用时,该器件的补偿效果最佳?该结构充分发挥了CMOS电路线性度高和DMOS电路电压高的优点,因而能够使传感器在要求的环境下准确工作?

AD22157还包括一个适应性的差模过零检测器,它能准确地检测出目标轮轮毂的位置?此结构减小了由于封装和温度对霍尔传感器阵列所造成的?使其输出脉冲的上升沿与上升沿之间时间间隔存在2%偏差的影响?

为保证测量的精确度,AD22157舍弃了每次上电时或停止时的4个脉冲沿?它采用数字信号处理技术来增强功能,同时可减少在EMC极限条件下可能产生的伪脉冲或脉冲丢失现象?

AD22157采用单列5脚(SIP)的封装形式,十分适合于作为车速传感器使用,它可方便地与一个安放在其后的偏置磁铁进行装配? AD22157的封装形式如图3所示?

AD22157的主要极限参数如下:

最大电源电压:+27V;

最大输出电流(管脚2):18mA;

工作温度范围:-40~150℃;

片芯最高温度:190℃?

3?原理与应用

3.1 工作原理

AD22157轮速传感器实际上是一个二线制电流调制传送器,它可根据磁场在空间的差模变化产生相应的电流脉冲?在其应用于轮速传感器时,它所探测到的磁场是一个放置于其后面的永久磁铁和位于传感器前端?目标轮上的铁制凹槽标记相互作用产生的?在这种条件下,传感器必须抵消恒定的磁场偏置,并放大差模调制磁场,从而准确判断目标轮的转动情况?

3.2 信号检测原理

AD22157轮速传感器采用集成在硅衬底上的霍尔片结构来对磁场进行空间差模测量,从而抵消了偏置磁场的影响?此霍尔结构由直线排列的三组霍尔单元构成,可用于一些不窄于5mm的锯齿或凹槽输出对应的正交信号?

每组霍尔单元都由4个独立的?直径为200μm?排列成空间十字形的霍尔片并联构成(如图4所示)?此排列方式有利于减轻使用时逐渐增加的倾斜度对霍尔信号电压造成的影响?

霍尔阵列由三组匹配的电流源供电,在此电流下的灵敏度为5μV/Gauss?三组霍尔效应传感器可分为两组,并分别与仪器放大器相连,中间的霍尔片同时与两个放大器相连?这种结构可使两组空间差模磁场信号转变为电信号,其峰—峰值与差模磁场信号和霍尔片偏置电流成正比?

因此,如果霍尔阵列与车轮斜度相匹配,那么,AD22157中的空间差模阵列所测得的霍尔信号将按正弦规律变化?

3.3 信号调制前的误差源

霍尔传感器除了可以产生所需的空间差模信号外,通常还会产生以下几种误差:

(1) 得到补偿的磁场偏置?该误差源主要来源于霍尔片灵敏度的不匹配?霍尔片偏置电流的不匹配以及穿过偏置磁铁表面的磁通密度发生变化等因素?

(2) 霍尔片固有失调?这种情况源于霍尔片接触面不平造成的未对准?生产厂商要求的霍尔片扩散的公差不一致?以及封装的机械压力所引起的局部平坦度变化等?

(3) 霍尔单元受温度灵敏度的影响?这种影响大约为450~±150ppm/℃?

(4) 受温度影响的电路结构所产生的失调?通常该装置对于前级放大器输出的总体影响在几百mV的数量级上,并且会随温度朝正或负方向变化几十mV?

从电路角度考虑,该放大器会进一步造成信号的输入失调,但这一失调分量一般少于1mV,通常在几百μV的量级?

3.4 信号调整

信号调整的作用是补偿失调误差,并准确判断差模信号的过零点(差模信号是由霍尔单元产生的相互正交的正弦信号,产生的正弦信号的频率由目标轮的转速决定)?它们之间的关系如图5所示?其正交信号之间的相位关系可用于判断车轮旋转的方向?

该装置的信号调整采用了两个单独的测量通道?第一通道用于检测过零点信息,并提供边沿信息的主信号源?第二通道仅对信号相位作比较,以提取转动方向的信息?每个通道都包含2个极值采样/保持电路和一个10位模/数转换器?

每个通道都使用由两个A/D转换器构成的采样/保持电路来对各自的信号进行极值检测?其中一个采样/保持电路检测峰值,另一个是检测谷值?DAC的电压输出反映了任意时刻信号的峰—峰值?这个电压的中间值可作为PWM中的过零检测器的参考值?此结构可保证在任何操作条件下都可检测出1kHz信号(上升沿至上升沿)±2%的相位抖动?

通道1还给出了被测信号的峰—峰值,此结果可用于测量与空气隙直接相关的磁场强度或用于空气隙诊断,同时可结合通道2的方向信息计算PWM中的输出脉冲宽度?

由于空气气隙设置值不同,或车轮跑偏造成空气气隙发生动态变化时,霍尔信号的输出峰—峰值也会相应发生改变?因此,用一个固定分辨率的11级转换器可能不能保证信号峰值的采样精度?鉴于这种情况,在用11级转换器无法跟踪信号时,应对转换器的精度进行相应调整?

3.5 霍尔片偏置

霍尔单元的偏置值设置应使AD22157的灵敏度温度系数与稀有磁性材料的灵敏度温度系数大小相等而极性相反?例如,可选SmCo=-450ppm/℃?或者Alnico5-7=-300ppm/℃,这样就会使PWM的输出值保持良好的稳定性?

3.6 操作模式

当接收到上电复位信号?停止信号或者无磁场时,每个通道的采样/保持电路都将分别复位到它们的最大和最小电压值,然后再向内跟踪直到检测到霍尔信号?即通道1(S/H max)向霍尔信号最大值增加,通道1(S/H min)向最小值减小,图6给出了上电?停止域无磁场时的信号跟踪曲线?

为确保得到霍尔信号的峰值,开始的四个过零事件一般不引起信号输出?复位后的第三个过零信号之前也不执行采集操作模式?随着DAC信号开始跟踪霍尔信号的峰值,系统将在四个过零事件之后,使转换器进入变化模式,此操作模式将使DAC电压追踪并保持霍尔信号的峰值,从而为车轮跑偏和失调等情况保持一个有效的过零点?

3.7 PWM过程和输出过程

脉宽调制器(PWM)完成信号调制的最后一步是将霍尔信号的过零点信息?信号幅值?车轮转动方向等信息转换为一位脉宽调制信号?脉宽的第一个边沿由通道1的过零事件决定?脉冲宽度由方向和信号幅值决定,如图6所示?

所有信号调制事件都是与内部时钟同步的,异步的过零点事件将被排列至下一个时钟沿,而这将导致最大延迟时间为1.4μs?输出脉冲宽度由19位计数器调制,该计数器既可作为脉冲宽度调制器,又可作为一个看门狗定时器?

计数器时序如下:

(1)计数器收到一个过零事件后复位;

(2)延时45μs后输出脉冲的上升沿;

(3)幅度阈值和方向被解码,并输出合适宽度的脉冲信号;

(4)计数器复位;

(5)若在计数器溢出前745μs未接收到过零信号,将输出1个停止脉冲?

跟踪器复位是为了保证当无过零事件发生时,失调校正电路仍能工作,但在无过零事件发生时间过长时,失调校正对于由温度产生的漂移将不起作用?

AD22157传感器根据输入的脉冲可将输出电流调制成7mA或14mA两个电流值?其中7mA的电流值代表静止状态或逻辑零状态?

免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。