霍爾型傳感器信號調理電路的設計

【摘 要】所謂信號調理就是通過電子元器件的有機組合，對傳感器輸出的信號進行調節、變換和整理的過程。信號調理電路的具體設計需要綜合考慮數據采集的目的、現場環境及控制系統的算法設計等各種因素。本文論述了霍爾型電壓、電流傳感器信號的調理電路的具體實現方法，并應用試驗方法驗證了電路的可靠性等有關特征參數。

【關鍵詞】傳感器；信號調理；放大器；電路設計；霍爾

當代社會中在工業控制等方面，經常要將電流、電壓、溫度、濕度等模擬量轉換成數字量，然后在微處理器內作進一步運算和處理，完成相應的數據存儲、數據傳輸和數據輸出，達到分析和控制的目的。模擬量的采集一般使用傳感器來將它們轉換為電氣量來進行處理。然而傳感器送出的信號往往不能滿足處理器輸入信號的要求，這就需要我們設計相應的信號調理電路來把這種不合要求的信號變換為符合處理器輸入信號要求的信號。此電路設計的優化程度如何，直接關系到微處理器采集到的信號的準確程度。霍爾型電壓、電流傳感器具有結構簡單、體積小、堅固、頻率響應寬、動態范圍大、無觸點、使用壽命長、可靠性高、易微型化和集成化等優點，在測量技術、自動化技術和信息處理等新技術領域得到廣泛的應用。本文就其輸出信號特點設計了相應的信號調理電路，并且通過實驗驗證了所設計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。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。它采用雙電源供電，可采集電壓、電流等電氣信號，輸出信號可以是電壓信號，也可以是電流信號。本文以LV28-P型霍爾電壓傳感器為例說明霍爾型傳感器輸出信號調理電路的設計過程。傳感器LV 28-P的原邊與副邊之間是絕緣的，主要用于測量直流、交流電壓和脈沖電壓。其各參數指標如下：

1）電參數

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：轉換率 2500： 1000 VC：電源電壓 （±5%）±15V

2）精度-動態參數

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：響應時間@90% of VPmax 40μs。

2 信號調理電路的設計

根據LV28-P的參數可知它的輸出信號是交流電流信號而處理器的輸入信號是直流電壓信號，因此我們需要將此交流電流信號轉換為直流電壓信號。這個過程就是信號調理的過程。此外在信號調理電路設計過程中，還需要考慮信號濾波，放大，限幅，偏置等，使調理后的信號滿足處理器的信號輸入要求。本文論述的采集系統處理器輸入信號要求為3.3V直流電壓信號，故我們設計的信號調理電路需要將±25mA電流信號變換為直流的0～3.3V的電壓信號。同時有濾波限幅電路。信號調理電路圖如圖1：

2.1 采樣電阻及濾波電路

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

2.2 放大電路的設計

信號放大電路的主要元器件是運算放大器。理想的運放輸入電阻無窮大，輸出電阻無窮小，可實現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，這就要求運放的速度也必須很高，否則達不到對信號高速性的要求。考慮信號的實時性和精度的要求，本文中選用高速、高精度運放OPA2822。它是TI公司生產的高速、高精度、低噪聲運放，它含有兩個寬帶低噪聲的運算放大器，可完全滿足我們的設計要求。

圖2所示電路放大倍數為1。可實現傳感器輸出信號的跟隨、濾波等。同時將信號調理為-1.5V～+1.5V之間的交流電壓信號。

2.3 電壓基準電路的設計

為了實現電壓的提升，我們設計了電壓偏置電路。此電路有電壓基準信號及運放電路構成。信號經過此步調理之后可變為直流電壓信號。根據前面電路中電壓信號的幅值，此電路中電壓基準的參考電壓值應該選擇為1.5V。這樣既可實現將傳感器信號調理為0～3V之間的目的。電路圖入圖3所示。

2.4 限幅電路

系統中如果輸入信號的電壓范圍超過3V就會燒壞處理器。為保護處理器不被外部干擾信號燒毀，電路需要設計有限幅電路，將進入處理器的信號限制在3V以內，同時還要保持輸入信號中頻率的變化規律不變。

3 結語

本文設計的針對霍爾型電壓傳感器的信號調理電路包括取樣濾波、放大跟隨、直流偏置、限幅等功能，可以實現信號的高速、準確采集。電路中充分考慮了霍爾型元件的特點，并根據其特點設計了專門的信號調理電路，最后通過搭建電路，驗證了所設計電路的可行性及可靠性等問題。經過實驗檢驗，此電路的線性度很好，精度高，運行穩定，可完全滿足信號調理的要求。

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[責任編輯：丁艷]