基于霍爾電路設(shè)計(jì)的可逆計(jì)量傳感器

摘要：以識(shí)別轉(zhuǎn)向和獲取可逆計(jì)數(shù)信息為主要目的，對(duì)比研究了幾種基于霍爾電路設(shè)計(jì)的不同取樣方式，分析了它們的輸出脈沖時(shí)序特征，提出一種簡單的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向識(shí)別和可逆計(jì)數(shù)信號(hào)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(diǎn)。給出了電路設(shè)計(jì)，并詳細(xì)說明了工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：霍爾電路；霍爾傳感器；可逆計(jì)量；脈沖時(shí)序

0 引言
無接觸可逆計(jì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向識(shí)別和可逆計(jì)量。帶有光電碼盤或光柵的光電式可逆?zhèn)鞲衅骶哂杏?jì)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，但這些設(shè)計(jì)都不能直接輸出可逆計(jì)量信號(hào)，需要信號(hào)處理電路支持。因此，設(shè)計(jì)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(jì)量信號(hào)的新型傳感器，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 幾種可逆計(jì)量電路設(shè)計(jì)的技術(shù)分析
基于霍爾電路設(shè)計(jì)的可逆計(jì)量傳感器的電路形式很多，對(duì)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(duì)它們的取樣方式、輸出時(shí)序和電路特點(diǎn)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(gè)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(gè)或多個(gè)同極性磁體觸發(fā)，取樣原理和輸出時(shí)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(gè)磁體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn))和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))時(shí)，對(duì)H1、H2的觸發(fā)具有先后順序性，信號(hào)輸出的初相位不同。正轉(zhuǎn)時(shí)，OUT1先于OUT2輸出；而反轉(zhuǎn)時(shí)，OUT1落后于OUT2輸出。因此，轉(zhuǎn)向不同，取樣電路輸出信號(hào)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(hào)，根據(jù)輸出信號(hào)的相位差異特征，采用軟件系統(tǒng)或邏輯運(yùn)算判斷方向，實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)量。這類取樣電路的缺點(diǎn)是不能直接輸出可逆計(jì)量信號(hào)，需要另外設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向識(shí)別和可逆計(jì)量。優(yōu)點(diǎn)是采用多個(gè)同性磁極觸發(fā)時(shí)，可簡單實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)間為T1，高電平持續(xù)時(shí)間為T2。顯然正轉(zhuǎn)時(shí)，S，N間隔小于π，T1T2，即T1／T21；反轉(zhuǎn)時(shí)，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(hào)的占空比存在差異。

這種取樣方式相對(duì)簡單，但需另外設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路，根據(jù)輸出信號(hào)的占空比差異特征實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向識(shí)別和可逆計(jì)量，勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)軟件判別容易。缺點(diǎn)是這種磁體安裝方式的倍頻倍數(shù)低；變速旋轉(zhuǎn)時(shí)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。