微功耗磁阻式傳感器設(shè)計(jì)＊

時(shí)維科 趙喜春 吳福強(qiáng)

（92941部隊(duì)93分隊(duì) 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(yīng)用于導(dǎo)航、自動(dòng)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(yīng)用就是用來探測一定距離上的鐵磁物體，實(shí)現(xiàn)這個(gè)應(yīng)用需要傳感器能夠滿足較遠(yuǎn)探測距離和能夠在電池供電下長時(shí)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(jì)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(jì)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(biāo)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(jìn)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(qiáng)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(yīng)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(biāo)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(diǎn)［2，3］。因此選取了各項(xiàng)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(biāo)是：靈敏度是1mV／V／Gass，噪聲在5V供電，頻率1kHz時(shí)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(jì)

傳感器的硬件設(shè)計(jì)主要圍繞提高傳感器靈敏度和降低傳感器功耗進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jì)

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(shí)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(dǎo)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(dāng)輸入邏輯電源電壓是高電平時(shí)（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(shí)，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(diǎn)電平Vdd，C2開始時(shí)為零電壓，突然升至Vdd導(dǎo)致所有電壓施加到Rsr上，電流由Rsr流向C2，實(shí)現(xiàn)重置。當(dāng)X1、X2分別切換到打開和關(guān)閉時(shí)，X1關(guān)閉了Vdd，C2突然接地，Rsr上產(chǎn)生負(fù)壓，電流流出C2到Rsr，完成設(shè)置功能。圖4給出了實(shí)際電路測試過程中在C2與Rsr節(jié)點(diǎn)處獲取的信號波形，滿足置位／重置要求。

圖4 實(shí)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(jì)

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(yùn)放INA118，該運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)有消耗電流350μA、噪聲10nV／sqrt（Hz）。運(yùn)放的放大倍數(shù)計(jì)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(jì)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(biāo)探測的要求。

4 傳感器性能標(biāo)定

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

圖6 傳感器性能標(biāo)定裝置框圖

通過在格拉斯線圈上通多組交變電流來標(biāo)定傳感器的靈敏度。將傳感器的一個(gè)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(qiáng)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(dāng)輸入信號頻率是0.2Hz、1Hz，峰峰值是3V、2V時(shí)，采集到傳感器輸出的信號，兩圖中給出的是經(jīng)補(bǔ)償?shù)卮艌觥⒌屯V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(yīng)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(chǔ)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(zhǔn)電壓實(shí)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(jì)。論文在全面分析和對比現(xiàn)有磁性傳感器特點(diǎn)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(jìn)行鐵磁物體探測的可行性。通過設(shè)計(jì)功耗控制電路進(jìn)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(shí)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(xiàng)指標(biāo)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(yīng)用前景。

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