基于霍爾電路設(shè)計的可逆計量傳感器

摘要：以識別轉(zhuǎn)向和獲取可逆計數(shù)信息為主要目的，對比研究了幾種基于霍爾電路設(shè)計的不同取樣方式，分析了它們的輸出脈沖時序特征，提出一種簡單的設(shè)計方案。新的取樣方式采用開關(guān)型霍爾芯片和鎖存型霍爾芯片組合，配合雙極旋轉(zhuǎn)磁體取樣系統(tǒng)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向識別和可逆計數(shù)信號的采集。傳感器電路僅由兩片霍爾電路構(gòu)成，無外圍電路，保留了霍爾傳感器的全部優(yōu)點。給出了電路設(shè)計，并詳細(xì)說明了工作原理和實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：霍爾電路；霍爾傳感器；可逆計量；脈沖時序

0 引言
    無接觸可逆計量信息的傳感方式大致分為光電式和磁敏式，兩者都配有復(fù)雜的電路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或借用應(yīng)用系統(tǒng)硬件配合軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)向識別和可逆計量。帶有光電碼盤或光柵的光電式可逆?zhèn)鞲衅骶哂杏嬃烤雀叩膬?yōu)點，但因環(huán)境苛刻而限制其應(yīng)用。磁敏式一般采用霍爾效應(yīng)傳感器和磁敏電阻作為敏感元件，具有環(huán)境耐受性好的優(yōu)點，但這些設(shè)計都不能直接輸出可逆計量信號，需要信號處理電路支持。因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，僅由霍爾元件構(gòu)成，能直接輸出可逆計量信號的新型傳感器，具有實際應(yīng)用價值。

1 幾種可逆計量電路設(shè)計的技術(shù)分析
    基于霍爾電路設(shè)計的可逆計量傳感器的電路形式很多，對比研究其取樣方式和工作原理，大致分為三類，即脈沖相位差異型雙霍爾取樣電路、脈沖占空比差異型鎖存霍爾取樣電路、集成化單片雙霍爾開關(guān)位置傳感器。對它們的取樣方式、輸出時序和電路特點分析如下。
1．1 脈沖相位差異型雙霍爾取樣電路
    這類電路一般由兩個開關(guān)型霍爾電路構(gòu)成，霍爾芯片沿磁體旋轉(zhuǎn)方向排列，采用一個或多個同極性磁體觸發(fā)，取樣原理和輸出時序如圖1所示。H1，H2分別是A3144開關(guān)型霍爾芯片，由于H1，H2有一定間隔，同一個磁體順時針旋轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn))和逆時針旋轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))時，對H1、H2的觸發(fā)具有先后順序性，信號輸出的初相位不同。正轉(zhuǎn)時，OUT1先于OUT2輸出；而反轉(zhuǎn)時，OUT1落后于OUT2輸出。因此，轉(zhuǎn)向不同，取樣電路輸出信號存在相位差異特征。

    這類電路的應(yīng)用系統(tǒng)一般采用微處理器或可編程邏輯器件分析處理這兩路信號，根據(jù)輸出信號的相位差異特征，采用軟件系統(tǒng)或邏輯運算判斷方向，實現(xiàn)可逆計量。這類取樣電路的缺點是不能直接輸出可逆計量信號，需要另外設(shè)計轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)轉(zhuǎn)向識別和可逆計量。優(yōu)點是采用多個同性磁極觸發(fā)時，可簡單實現(xiàn)多倍頻取樣。
1．2 脈沖占空比差異型霍爾取樣電路
    這類取樣電路由一片鎖存型霍爾芯片構(gòu)成，采用異極性雙磁極交替觸發(fā)，取樣原理和輸出時序如圖2所示。H1為A3290鎖存型霍爾芯片，假設(shè)磁體的N，S極安裝順序按逆時針方向排列，且它們在同一象限內(nèi)，S極鎖存霍兒效應(yīng)，那么N極將解除鎖存。當(dāng)N，S極正轉(zhuǎn)時，S極接近H1，將觸發(fā)輸出低電平，N極接近H1，將觸發(fā)輸出高電平。低電平持續(xù)時間為T1，高電平持續(xù)時間為T2。顯然正轉(zhuǎn)時，S，N間隔小于π，T1<T2，即T1／T2<1；反轉(zhuǎn)時，S，N間隔大于π，T1>T2，即T1／T2>1。分析表明，轉(zhuǎn)向不同，取樣電路輸出信號的占空比存在差異。

    這種取樣方式相對簡單，但需另外設(shè)計信號處理電路，根據(jù)輸出信號的占空比差異特征實現(xiàn)轉(zhuǎn)向識別和可逆計量，勻速旋轉(zhuǎn)時軟件判別容易。缺點是這種磁體安裝方式的倍頻倍數(shù)低；變速旋轉(zhuǎn)時需要軟件進(jìn)一步支持，以避免出現(xiàn)誤判，因此建議S，N應(yīng)盡量靠近。
1．3 集成化單片雙霍爾開關(guān)位置傳感器
    霍尼韋爾(Honeywell)公司曾發(fā)表了SS526DT雙霍爾開關(guān)位置傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向判別和速度輸出，主要用于方向檢測與控制，其電路原理框圖如圖3所示。傳感器內(nèi)含兩個相距1．4 mm的霍爾芯片，封裝在熱模材料內(nèi)。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)向判別，片內(nèi)設(shè)計了邏輯運算單元，提供沿封裝面方向的磁場梯度變化的速度與方向輸出。

    這種電路的優(yōu)點是能夠直接輸出可逆計量信號，缺點是需要配用特殊設(shè)計的梯度磁場取樣系統(tǒng)，關(guān)于它的應(yīng)用報導(dǎo)尚不多見。但是如果霍爾元件處在大范圍的梯度磁場中，片內(nèi)霍爾電壓將持續(xù)存在，其抗干擾能力將下降，這也是這類傳感器采用鎖存型霍爾芯片的原因之一。因此建議應(yīng)用非鎖存開關(guān)型霍爾芯片時，要避免采用大范圍的梯度磁場觸發(fā)。

2 基于霍爾電路的可逆計量傳感器
    對比以上幾種電路的特點，提出一種新的設(shè)計方案，基于霍爾電路設(shè)計的可逆計量傳感器，不用信號處理電路支持，能夠?qū)崿F(xiàn)自動判向，直接輸出可逆計量信號，電路簡潔、原理簡單、實現(xiàn)容易。
2．1 傳感器構(gòu)成與電路原理
    傳感器由兩片霍爾芯片構(gòu)成，H1為一開關(guān)型霍爾電路(例如A3144)，H2為一鎖存型霍爾電路(例如A3290)。電路原理如圖4所示，為描述問題方便，圖4還給出了等效簡圖。兩芯片緊靠、敏感面在同一平面內(nèi)并朝向觸發(fā)磁體。設(shè)H1用S極觸發(fā)；H2用S極鎖存，用N極解除鎖存；Vcc為電源正端，Vss為電源負(fù)端；芯片獨立輸出，分別為OUT1，OUT2。其中OUT1輸出計量脈沖，OUT2輸出轉(zhuǎn)向電平信號(高／低)。

2．2 取樣旋轉(zhuǎn)磁體設(shè)計
    旋轉(zhuǎn)取樣系統(tǒng)由兩塊磁體構(gòu)成，如圖5所示。其中一塊磁體的S極朝向傳感器敏感面，另一塊磁體的N極朝向傳感器敏感面。S，N在同一象限內(nèi)安裝，且按正轉(zhuǎn)順序排列，S，N間隔小于π／2。當(dāng)磁體旋轉(zhuǎn)時，S極將依此觸發(fā)H1，H2，N極只對H2有效。

2．3 傳感器工作原理
    根據(jù)取樣系統(tǒng)和電路的設(shè)計特點，H1，H2和S，N都有排列次序，如圖6所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁體正轉(zhuǎn)時(設(shè)周期為T)，S極將依此觸發(fā)H1，H2，由于H1是開關(guān)型霍爾芯片，輸出不鎖存，S極掠過H1后，OUT1也將由低電平變?yōu)楦唠娖?，每觸發(fā)一次輸出一個脈沖。然后S極觸發(fā)H2，由于H2具有鎖存特性，OUT2低電平被保持，但是因N，S極間隔小于π／2，N極將以相對較短的時間間隔觸發(fā)H2，解除H2的鎖存，OUT2變?yōu)楦唠娖?，OUT2輸出一個低電平持續(xù)時間小于T／4的短暫脈沖，而高電平持續(xù)時間將大于3T／4。分析輸出時序可見，OUT1輸出低電平脈沖的時間正好在OUT2維持輸出高電平時段。其結(jié)果等效于OUT1輸出轉(zhuǎn)數(shù)脈沖，OUT2輸出表示正轉(zhuǎn)的高電平。同理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁體反轉(zhuǎn)時，S極先觸發(fā)H2，在OUT2維持低電平輸出期間，再觸發(fā)H2，OUT1輸出一個轉(zhuǎn)數(shù)脈沖，OUT2輸出表示反轉(zhuǎn)的低電平。以上分析說明，該電路能夠識別轉(zhuǎn)向，直接輸出可逆計量信號。

3 結(jié)語
    應(yīng)當(dāng)指出，雖然OUT2輸出也存在脈動，但在OUT1輸出計量脈沖有效低電平時間內(nèi)，OUT2輸出高／低電平保持不變，并不影響可逆計量結(jié)果。這個設(shè)計方案，完全基于霍爾電路構(gòu)成，不用外圍電路支持，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向識別，并能直接輸出可逆計量信號。具有電路簡單、可靠實用的優(yōu)點，可與通用計量裝置直接接口實現(xiàn)可逆計量。