微功耗磁阻式傳感器設(shè)計＊

時維科 趙喜春 吳福強

（92941部隊93分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

磁性傳感器發(fā)展至今已經(jīng)被廣泛的應用于導航、自動化操作等不同領(lǐng)域［7～8］。高靈敏度磁場傳感器可以用于地磁場異常探測，其中典型的應用就是用來探測一定距離上的鐵磁物體，實現(xiàn)這個應用需要傳感器能夠滿足較遠探測距離和能夠在電池供電下長時間工作等特性，因此需要高精度、微功耗磁性傳感器［1］。針對這些要求，論文設(shè)計了以Honeywell公司生產(chǎn)的各向異性磁阻式傳感器HMC1052為核心的微功耗磁傳感器。論文設(shè)計了功耗控制電路用以最大限度的降低傳感器功耗，使用推挽式置位／重置電路完成對傳感器置位／重置操作，經(jīng)過磁屏蔽桶和格拉斯磁環(huán)測試，標定了傳感器的噪聲和靈敏度，結(jié)果表明該傳感器滿足了高精度、微功耗的要求［10］。

2 磁性傳感器選型

磁性傳感器的選擇主要從傳感器的分辨率、頻響、尺寸及功耗等方面進行論證。圖1給出了主流磁性傳感器的靈敏度范圍，圖中GMN表示地磁場強度，E表示地磁噪聲。從圖1中可以看到線圈、磁通門和磁阻效應傳感器的分辨率都可以到1nT左右，精度上均可以滿足一定距離上探測大型鐵磁目標的要求。而磁阻式傳感器相對另外兩種傳感器有可靠性高、尺寸小且功耗低等特點［2，3］。因此選取了各項異性磁阻式傳感器。

圖1 磁傳感器靈敏度范圍

HMC1052傳感器是HoneyWell公司HMC系列傳感器中功耗最低的兩軸磁傳感器，其主要的技術(shù)指標是：靈敏度是1mV／V／Gass，噪聲在5V供電，頻率1kHz時是5nT／sqrt（Hz）；x、y軸的不正交誤差小于0.01°，置位／重置電流0.5A，置位電阻帶阻抗是4.5ohms，傳感器的帶寬是5MHz［4］。該傳感器特有置位／重置電流帶，用以對傳感器置位／重置。

3 傳感器硬件設(shè)計

傳感器的硬件設(shè)計主要圍繞提高傳感器靈敏度和降低傳感器功耗進行設(shè)計。傳感器的硬件框圖如圖2所示，該傳感器硬件由置位／重置電路、信號放大電路、濾波電路、電壓轉(zhuǎn)換電路和功耗控制電路組成。

圖2 傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 置位／重置電路設(shè)計

置位／重置是為了優(yōu)化傳感器靈敏度，防止溫度漂移，降低自身噪聲［1，4］。

圖3 推挽置位／重置電路

論文采用的是推挽式輸出級式的置位／重置電路。電路圖如圖3所示，使用IRF7509實現(xiàn)推挽輸出，該芯片內(nèi)部集成了P溝道和N溝道MOSFET，最大輸出4A電流，導通阻抗270mΩ，滿足對傳感器置位／重置需要。電路的工作原理是當輸入邏輯電源電壓是高電平時（Vsr＞3.3V）X2打開，C2和Rsr串聯(lián)接地。輸入邏輯電源切換到低電平（Vsr＜0.5V）時，X2關(guān)閉，X1從關(guān)閉到打開，突然將串聯(lián)R-C拉到由C1-R1節(jié)點電平Vdd，C2開始時為零電壓，突然升至Vdd導致所有電壓施加到Rsr上，電流由Rsr流向C2，實現(xiàn)重置。當X1、X2分別切換到打開和關(guān)閉時，X1關(guān)閉了Vdd，C2突然接地，Rsr上產(chǎn)生負壓，電流流出C2到Rsr，完成設(shè)置功能。圖4給出了實際電路測試過程中在C2與Rsr節(jié)點處獲取的信號波形，滿足置位／重置要求。

圖4 實測置位／重置波形

圖5 信號調(diào)理電路原理圖

3.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

圖5給出了信號調(diào)理電路的原理圖，信號調(diào)理電路將傳感器惠斯通電橋輸出的差分信號經(jīng)放大濾波后轉(zhuǎn)換為單端信號。這里放大器選用的是噪聲小、精度高的儀表運放INA118，該運放的主要技術(shù)指標有消耗電流350μA、噪聲10nV／sqrt（Hz）。運放的放大倍數(shù)計算公式是G＝1＋50kΩ／Rg，通過調(diào)節(jié)Rg便可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)［6］，論文設(shè)計放大倍數(shù)是250。因此調(diào)理電路的理論有效測量范圍是±（2nT～105nT），靈敏度是14.4μV／nT。參數(shù)滿足鐵磁目標探測的要求。

4 傳感器性能標定

在傳感器的硬件部分設(shè)計基礎(chǔ)上對傳感器硬件的各項技術(shù)指標進行測試，主要包括傳感器的噪聲及靈敏度標定［9］。傳感器參數(shù)標定使用了圖6所示的裝置。

圖6 傳感器性能標定裝置框圖

通過在格拉斯線圈上通多組交變電流來標定傳感器的靈敏度。將傳感器的一個軸和線圈的軸線對齊，記錄傳感器的輸出電壓，線圈的軸心處的磁場強度與電流的關(guān)系是1mA?1mOe＝100nT。

圖7 0.5Hz信號

圖7和圖8分別給出了當輸入信號頻率是0.2Hz、1Hz，峰峰值是3V、2V時，采集到傳感器輸出的信號，兩圖中給出的是經(jīng)補償?shù)卮艌?、低通濾波處理后的信號及轉(zhuǎn)換后的格拉斯磁環(huán)兩端信號。根據(jù)輸入與輸出之間的線性對應關(guān)系得到傳感器的靈敏度分別是14.4μV／nT和14.2μV／nT。

噪聲測試是將傳感器置于磁屏蔽桶內(nèi)（無磁空間）并將傳感器輸出的信號存儲在SD卡中。x軸信號的均值是1.3821V，y軸均值是1.2810。INA118的基準電壓實測值是1.254V，因此可以得到傳感器的偏置磁場電壓分是0.1281V和0.027V。圖9給出了屏蔽桶傳感器輸出的信號，由波形分析可以知道傳感器噪聲峰值±6nT，具有較高的精度。

圖8 2Hz信號

圖9 屏蔽桶傳感器測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

完成了基于HMC1052微功耗兩軸磁阻式傳感器設(shè)計。論文在全面分析和對比現(xiàn)有磁性傳感器特點基礎(chǔ)上，從功耗、靈敏度范圍、尺寸和可靠性等方面論證了磁阻式傳感器進行鐵磁物體探測的可行性。通過設(shè)計功耗控制電路進一步降低了傳感器電路的功耗，使原來的功耗從5.7mA降為5.7μA，實際測試得到傳感器靈敏度是14.2μV／nT，傳感器的噪聲是12nT。

該傳感器的各項指標說明該傳感器可以用于對功耗、尺寸和精度要求較高的場合，具有廣泛的應用前景。

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［3］吳剛，李一博，胡曉莉，等.磁阻傳感器在“管道機器人”的地面標記器中的應用［J］.儀器儀表學報，2004，25（4）：129～135

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