霍爾型傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

【摘 要】所謂信號(hào)調(diào)理就是通過(guò)電子元器件的有機(jī)組合，對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)、變換和整理的過(guò)程。信號(hào)調(diào)理電路的具體設(shè)計(jì)需要綜合考慮數(shù)據(jù)采集的目的、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)等各種因素。本文論述了霍爾型電壓、電流傳感器信號(hào)的調(diào)理電路的具體實(shí)現(xiàn)方法，并應(yīng)用試驗(yàn)方法驗(yàn)證了電路的可靠性等有關(guān)特征參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】傳感器；信號(hào)調(diào)理；放大器；電路設(shè)計(jì)；霍爾

當(dāng)代社會(huì)中在工業(yè)控制等方面，經(jīng)常要將電流、電壓、溫度、濕度等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后在微處理器內(nèi)作進(jìn)一步運(yùn)算和處理，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)輸出，達(dá)到分析和控制的目的。模擬量的采集一般使用傳感器來(lái)將它們轉(zhuǎn)換為電氣量來(lái)進(jìn)行處理。然而傳感器送出的信號(hào)往往不能滿足處理器輸入信號(hào)的要求，這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路來(lái)把這種不合要求的信號(hào)變換為符合處理器輸入信號(hào)要求的信號(hào)。此電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度如何，直接關(guān)系到微處理器采集到的信號(hào)的準(zhǔn)確程度?；魻栃碗妷?、電流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)觸點(diǎn)、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易微型化和集成化等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息處理等新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文就其輸出信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電路的可行性及可靠性。

1 霍爾型傳感器

霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。它采用雙電源供電，可采集電壓、電流等電氣信號(hào)，輸出信號(hào)可以是電壓信號(hào)，也可以是電流信號(hào)。本文以LV28-P型霍爾電壓傳感器為例說(shuō)明霍爾型傳感器輸出信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。傳感器LV 28-P的原邊與副邊之間是絕緣的，主要用于測(cè)量直流、交流電壓和脈沖電壓。其各參數(shù)指標(biāo)如下：

1）電參數(shù)

IP N：原邊額定有效值電流 10mA IS N：副邊額定有效值電流 25mA

KN：轉(zhuǎn)換率 2500： 1000 VC：電源電壓 （±5%）±15V

2）精度-動(dòng)態(tài)參數(shù)

XG：總精度@IP N，TA = 25℃ ±0.6 %

IO T ：IO 的溫漂：0℃ ～+25℃ ± 0.2mA

+25℃～70℃ ± 0.3mA

Tr：響應(yīng)時(shí)間@90% of VPmax 40μs。

2 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)LV28-P的參數(shù)可知它的輸出信號(hào)是交流電流信號(hào)而處理器的輸入信號(hào)是直流電壓信號(hào)，因此我們需要將此交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。這個(gè)過(guò)程就是信號(hào)調(diào)理的過(guò)程。此外在信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮信號(hào)濾波，放大，限幅，偏置等，使調(diào)理后的信號(hào)滿足處理器的信號(hào)輸入要求。本文論述的采集系統(tǒng)處理器輸入信號(hào)要求為3.3V直流電壓信號(hào)，故我們?cè)O(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路需要將±25mA電流信號(hào)變換為直流的0～3.3V的電壓信號(hào)。同時(shí)有濾波限幅電路。信號(hào)調(diào)理電路圖如圖1：

2.1 采樣電阻及濾波電路

為了保證轉(zhuǎn)換出的電壓信號(hào)的精度我們采用了千分之一的精密電阻來(lái)提取電壓信號(hào)。根據(jù)傳感器輸出電流信號(hào)的大小以及我們需要的電壓信號(hào)的大小，選擇了阻值為40歐的精密電阻。可得到±1.5V的電壓信號(hào)。0.1uF電容進(jìn)行阻容濾波。

2.2 放大電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)放大電路的主要元器件是運(yùn)算放大器。理想的運(yùn)放輸入電阻無(wú)窮大，輸出電阻無(wú)窮小，可實(shí)現(xiàn)電壓不失真跟隨的目的。再由于LV28-P傳感器本身的精度及速度很高，這就要求運(yùn)放的速度也必須很高，否則達(dá)不到對(duì)信號(hào)高速性的要求。考慮信號(hào)的實(shí)時(shí)性和精度的要求，本文中選用高速、高精度運(yùn)放OPA2822。它是TI公司生產(chǎn)的高速、高精度、低噪聲運(yùn)放，它含有兩個(gè)寬帶低噪聲的運(yùn)算放大器，可完全滿足我們的設(shè)計(jì)要求。

圖2所示電路放大倍數(shù)為1。可實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的跟隨、濾波等。同時(shí)將信號(hào)調(diào)理為-1.5V～+1.5V之間的交流電壓信號(hào)。

2.3 電壓基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電壓的提升，我們?cè)O(shè)計(jì)了電壓偏置電路。此電路有電壓基準(zhǔn)信號(hào)及運(yùn)放電路構(gòu)成。信號(hào)經(jīng)過(guò)此步調(diào)理之后可變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)。根據(jù)前面電路中電壓信號(hào)的幅值，此電路中電壓基準(zhǔn)的參考電壓值應(yīng)該選擇為1.5V。這樣既可實(shí)現(xiàn)將傳感器信號(hào)調(diào)理為0～3V之間的目的。電路圖入圖3所示。

2.4 限幅電路

系統(tǒng)中如果輸入信號(hào)的電壓范圍超過(guò)3V就會(huì)燒壞處理器。為保護(hù)處理器不被外部干擾信號(hào)燒毀，電路需要設(shè)計(jì)有限幅電路，將進(jìn)入處理器的信號(hào)限制在3V以內(nèi)，同時(shí)還要保持輸入信號(hào)中頻率的變化規(guī)律不變。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的針對(duì)霍爾型電壓傳感器的信號(hào)調(diào)理電路包括取樣濾波、放大跟隨、直流偏置、限幅等功能，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速、準(zhǔn)確采集。電路中充分考慮了霍爾型元件的特點(diǎn)，并根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專門的信號(hào)調(diào)理電路，最后通過(guò)搭建電路，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電路的可行性及可靠性等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，此電路的線性度很好，精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，可完全滿足信號(hào)調(diào)理的要求。

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[責(zé)任編輯：丁艷]