【導讀】AD22157是一種混合信號磁場轉換器,它具有很大的測速范圍(0~2500Hz)和較寬的操作溫度范圍(-40~150℃),同時具有二線制電流操作?氣隙診斷和反向電壓保護(-30V)等一系列特性?
1?概述
AD22157是一種混合信號磁場轉換器,它具有很大的測速范圍(0~2500Hz)和較寬的操作溫度范圍(-40~150℃),同時具有二線制電流操作?氣隙診斷和反向電壓保護(-30V)等一系列特性?它可在較大的車速范圍內對汽車鐵磁性目標輪進行車速與轉動方向的測量?此外,還可在傳送系統作傳輸速度的測量?接近測量?位移測量等?AD22157的結構框圖如圖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工作,且在瞬時電壓高達+27V時仍能維持正常工作?
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確定位于目標輪的輪轂?輸出脈沖寬度則可由目標輪的運動方向和磁場強度來決定,并可按照主流系統制造商所推薦的現行工業標準編碼為一組根據目標輪的運動方向和磁場強度預先定義的時間間隔?
它的脈沖寬度可根據所測量的差模磁場強度的不同而有所不同:ΔB>4mT(正常磁場)?2mT<ΔB<4mT(低磁范圍)?ΔB<2mT(極低磁范圍)三種不同磁場中具有不同的寬度輸出?另外,在正常和低磁情況下,它還可提供車輪轉動方向的測量?
在不同磁場強度范圍下,其輸出脈沖寬度的情況如圖2所示?
在初始上電?目標輪停止或其它原因造成檢測不到動態信號時,一個安全停止的失敗信號就會以大約1.5Hz的頻率重復產生?
AD22157傳感器內部集成有霍爾單元,并有相應的電路來減小霍爾器件參數的溫漂,在與SmCo磁鐵搭配使用時,該器件的補償效果最佳?該結構充分發揮了CMOS電路線性度高和DMOS電路電壓高的優點,因而能夠使傳感器在要求的環境下準確工作?
AD22157還包括一個適應性的差模過零檢測器,它能準確地檢測出目標輪輪轂的位置?此結構減小了由于封裝和溫度對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間間隔存在2%偏差的影響?
為保證測量的精確度,AD22157舍棄了每次上電時或停止時的4個脈沖沿?它采用數字信號處理技術來增強功能,同時可減少在EMC極限條件下可能產生的偽脈沖或脈沖丟失現象?
AD22157采用單列5腳(SIP)的封裝形式,十分適合于作為車速傳感器使用,它可方便地與一個安放在其后的偏置磁鐵進行裝配? AD22157的封裝形式如圖3所示?
AD22157的主要極限參數如下:
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?原理與應用
3.1 工作原理
AD22157輪速傳感器實際上是一個二線制電流調制傳送器,它可根據磁場在空間的差模變化產生相應的電流脈沖?在其應用于輪速傳感器時,它所探測到的磁場是一個放置于其后面的永久磁鐵和位于傳感器前端?目標輪上的鐵制凹槽標記相互作用產生的?在這種條件下,傳感器必須抵消恒定的磁場偏置,并放大差模調制磁場,從而準確判斷目標輪的轉動情況?
3.2 信號檢測原理
AD22157輪速傳感器采用集成在硅襯底上的霍爾片結構來對磁場進行空間差模測量,從而抵消了偏置磁場的影響?此霍爾結構由直線排列的三組霍爾單元構成,可用于一些不窄于5mm的鋸齒或凹槽輸出對應的正交信號?
每組霍爾單元都由4個獨立的?直徑為200μm?排列成空間十字形的霍爾片并聯構成(如圖4所示)?此排列方式有利于減輕使用時逐漸增加的傾斜度對霍爾信號電壓造成的影響?
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,中間的霍爾片同時與兩個放大器相連?這種結構可使兩組空間差模磁場信號轉變為電信號,其峰—峰值與差模磁場信號和霍爾片偏置電流成正比?
因此,如果霍爾陣列與車輪斜度相匹配,那么,AD22157中的空間差模陣列所測得的霍爾信號將按正弦規律變化?
3.3 信號調制前的誤差源
霍爾傳感器除了可以產生所需的空間差模信號外,通常還會產生以下幾種誤差:
(1) 得到補償的磁場偏置?該誤差源主要來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偏置磁鐵表面的磁通密度發生變化等因素?
(2) 霍爾片固有失調?這種情況源于霍爾片接觸面不平造成的未對準?生產廠商要求的霍爾片擴散的公差不一致?以及封裝的機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構所產生的失調?通常該裝置對于前級放大器輸出的總體影響在幾百mV的數量級上,并且會隨溫度朝正或負方向變化幾十mV?
從電路角度考慮,該放大器會進一步造成信號的輸入失調,但這一失調分量一般少于1mV,通常在幾百μV的量級?
3.4 信號調整
信號調整的作用是補償失調誤差,并準確判斷差模信號的過零點(差模信號是由霍爾單元產生的相互正交的正弦信號,產生的正弦信號的頻率由目標輪的轉速決定)?它們之間的關系如圖5所示?其正交信號之間的相位關系可用于判斷車輪旋轉的方向?
該裝置的信號調整采用了兩個單獨的測量通道?第一通道用于檢測過零點信息,并提供邊沿信息的主信號源?第二通道僅對信號相位作比較,以提取轉動方向的信息?每個通道都包含2個極值采樣/保持電路和一個10位模/數轉換器?
每個通道都使用由兩個A/D轉換器構成的采樣/保持電路來對各自的信號進行極值檢測?其中一個采樣/保持電路檢測峰值,另一個是檢測谷值?DAC的電壓輸出反映了任意時刻信號的峰—峰值?這個電壓的中間值可作為PWM中的過零檢測器的參考值?此結構可保證在任何操作條件下都可檢測出1kHz信號(上升沿至上升沿)±2%的相位抖動?
通道1還給出了被測信號的峰—峰值,此結果可用于測量與空氣隙直接相關的磁場強度或用于空氣隙診斷,同時可結合通道2的方向信息計算PWM中的輸出脈沖寬度?
由于空氣氣隙設置值不同,或車輪跑偏造成空氣氣隙發生動態變化時,霍爾信號的輸出峰—峰值也會相應發生改變?因此,用一個固定分辨率的11級轉換器可能不能保證信號峰值的采樣精度?鑒于這種情況,在用11級轉換器無法跟蹤信號時,應對轉換器的精度進行相應調整?
3.5 霍爾片偏置
霍爾單元的偏置值設置應使AD22157的靈敏度溫度系數與稀有磁性材料的靈敏度溫度系數大小相等而極性相反?例如,可選SmCo=-450ppm/℃?或者Alnico5-7=-300ppm/℃,這樣就會使PWM的輸出值保持良好的穩定性?
3.6 操作模式
當接收到上電復位信號?停止信號或者無磁場時,每個通道的采樣/保持電路都將分別復位到它們的最大和最小電壓值,然后再向內跟蹤直到檢測到霍爾信號?即通道1(S/H max)向霍爾信號最大值增加,通道1(S/H min)向最小值減小,圖6給出了上電?停止域無磁場時的信號跟蹤曲線?
為確保得到霍爾信號的峰值,開始的四個過零事件一般不引起信號輸出?復位后的第三個過零信號之前也不執行采集操作模式?隨著DAC信號開始跟蹤霍爾信號的峰值,系統將在四個過零事件之后,使轉換器進入變化模式,此操作模式將使DAC電壓追蹤并保持霍爾信號的峰值,從而為車輪跑偏和失調等情況保持一個有效的過零點?
3.7 PWM過程和輸出過程
脈寬調制器(PWM)完成信號調制的最后一步是將霍爾信號的過零點信息?信號幅值?車輪轉動方向等信息轉換為一位脈寬調制信號?脈寬的第一個邊沿由通道1的過零事件決定?脈沖寬度由方向和信號幅值決定,如圖6所示?
所有信號調制事件都是與內部時鐘同步的,異步的過零點事件將被排列至下一個時鐘沿,而這將導致最大延遲時間為1.4μs?輸出脈沖寬度由19位計數器調制,該計數器既可作為脈沖寬度調制器,又可作為一個看門狗定時器?
計數器時序如下:
(1)計數器收到一個過零事件后復位;
(2)延時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;
(4)計數器復位;
(5)若在計數器溢出前745μs未接收到過零信號,將輸出1個停止脈沖?
跟蹤器復位是為了保證當無過零事件發生時,失調校正電路仍能工作,但在無過零事件發生時間過長時,失調校正對于由溫度產生的漂移將不起作用?
AD22157傳感器根據輸入的脈沖可將輸出電流調制成7mA或14mA兩個電流值?其中7mA的電流值代表靜止狀態或邏輯零狀態?
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