一種消除霍爾失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種消除霍爾失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路，該電路是由16個開關(guān)管構(gòu)成；時鐘信號CLK1控制K11、K21、K31、K41；時鐘信號CLK2控制K12、K22、K32、K42；時鐘信號CLK3控制K13、K23、K33、K43；時鐘信號CLK4控制K14、K24、K34、K44；開關(guān)管K11，K24，K33，K42的一端與霍爾傳感器的1號端口相連，開關(guān)管K12，K23，K34，K41的一端與霍爾傳感器的2號端口相連，開關(guān)管K13，K22，K31，K44的一端與霍爾傳感器的3號端口相連，開關(guān)管K14，K21，K32，K43的一端與霍爾傳感器的4號端口相連；開關(guān)管K11，K12，K13，K14的另一端與VDD相連，開關(guān)管K21，K22，K23，K24的另一端與V-輸出相連，開關(guān)管K31，K32，K33，K34的另一端與GND相連，開關(guān)管K41，K42，K43，K44的另一端與V+輸出相連。
【專利說明】—種消除霍爾失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電學【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種消除霍爾失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路。
【背景技術(shù)】
[0002]霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電轉(zhuǎn)換元件，憑借其工藝簡單、體積小、生產(chǎn)成本低、安裝簡便、工作電壓范圍寬、使用壽命長、測量精度高以及防塵、防油等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)變頻控制、交通運輸、醫(yī)療系統(tǒng)、電子消費品和各類智能儀表等領(lǐng)域。
[0003]然而基于硅工藝的霍爾傳感器的磁場靈敏度低，失調(diào)很嚴重，必須采用相應(yīng)的技術(shù)來消除失調(diào)。目前國內(nèi)外消除失調(diào)電壓和低頻噪聲的技術(shù)有旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)、斬波調(diào)制技術(shù)以及雙相關(guān)采樣技術(shù)等。其中雙相關(guān)采樣技術(shù)需要采樣、保持的處理過程，因此電路的輸入端會引入較大的失調(diào)電壓，只適用于要求不高的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)。而斬波調(diào)制技術(shù)結(jié)合了調(diào)制、解調(diào)的優(yōu)點，電路引入的殘余失調(diào)較低，能夠使用要求嚴格的連續(xù)信號處理系統(tǒng)。然而這兩種消除失調(diào)的技術(shù)只能消除霍爾傳感器自身產(chǎn)生的失調(diào)電壓，對外部電路產(chǎn)生的失調(diào)效應(yīng)無能為力。旋轉(zhuǎn)電流法的電路結(jié)構(gòu)簡單、原理通俗易懂，并且能夠動態(tài)消除失調(diào)電壓和低頻噪聲，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電流法一般采用二相旋轉(zhuǎn)電流法，并且根據(jù)不同的工作方式可以分為靜態(tài)旋轉(zhuǎn)電流法和動態(tài)旋轉(zhuǎn)電流法。然而，二相旋轉(zhuǎn)電流法總是無法將所有的殘余失調(diào)全部去除，使得霍爾信號仍然帶有一定的失調(diào)和噪聲。而本實用新型能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于針對傳統(tǒng)的消除霍爾失調(diào)的二相電流旋轉(zhuǎn)方法提出了一種新穎的四相電流旋轉(zhuǎn)方法，該方法能在最大程度上消除霍爾傳感器產(chǎn)生的失調(diào)電壓，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，不會增加電路制造的成本。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:本實用新型針對消除霍爾傳感器的失調(diào)電壓和低頻噪聲提出了一種消除霍爾失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路，如圖1所示，該電路是由 16 個開關(guān)管(Kll、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44)構(gòu)成。時鐘信號 CLKl 控制 Κ11、Κ21、Κ31、Κ41 ;時鐘信號 CLK2 控制 Κ12、Κ22、Κ32、Κ42 ;時鐘信號 CLK3 控制 Κ13、Κ23、Κ33、Κ43 ;時鐘信號 CLK4 控制 Κ14、Κ24、Κ34、Κ44。開關(guān)管Κ11，Κ24，Κ33，Κ42的一端與霍爾傳感器的I號端口相連，開關(guān)管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端與霍爾傳感器的2號端口相連，開關(guān)管Κ13，Κ22，K3LK44的一端與霍爾傳感器的3號端口相連，開關(guān)管Κ14，Κ21，Κ32，Κ43的一端與霍爾傳感器的4號端口相連。開關(guān)管Κ11，Κ12，Κ13，Κ14的另一端與VDD相連，開關(guān)管Κ21，Κ22，Κ23，Κ24的另一端與V-輸出相連，開關(guān)管Κ31，Κ32，Κ33，Κ34的另一端與GND相連，開關(guān)管Κ41，Κ42，Κ43，Κ44的另一端與V+輸出相連。該電路的霍爾磁傳感器件內(nèi)部是對稱的結(jié)構(gòu)，通常有四個輸入/輸出端口，其中兩個端口輸入偏置電壓或電流，另外兩個端口輸出霍爾信號，四個端口分別用端口 I，2，3，4表示，如果端口 I和端口 3之間接入偏置電壓或電流，則端口 2和端口 4之間輸出霍爾信號；如果端口 2和端口 4之間接入偏置電壓或電流，則端口 I和端口 3之間輸出霍爾信號。
[0007]本實用新型整體電路主要由電流旋轉(zhuǎn)電路，放大電路，高通濾波器，雙相關(guān)采樣電路，具有采樣保持功能的加法電路和低通濾波器實現(xiàn)?；魻杺鞲衅鞯乃膫€端口接入電流旋轉(zhuǎn)電路，并在時鐘信號的控制下使霍爾傳感器不斷在四種不同的工作方式下變化?；魻栃盘柦?jīng)電流旋轉(zhuǎn)電路后引入放大電路，放大電路與高通濾波器相連，高通濾波器的另一端與雙相關(guān)采樣電路相連，解調(diào)后的信號輸入具有采樣保持功能的加法電路，將前后周期產(chǎn)生的信號相加，后經(jīng)低通濾波器輸出。
[0008]有益效果:
[0009]本實用新型所述四相電流旋轉(zhuǎn)方法相對于傳統(tǒng)的消除霍爾傳感器的失調(diào)電壓的方法，主要存在以下幾個突出的優(yōu)點:
[0010]1、本實用新型的電路結(jié)構(gòu)簡單；該電路只需要十六只NMOS管即可實現(xiàn)功能，相對于其他消除失調(diào)的電路更加簡單，可以節(jié)省面積，降低制造成本。
[0011]2、本實用新型能夠最大程度消除失調(diào)；本實用新型將四種工作方式下的霍爾信號進行相加減，在最大程度上消除霍爾傳感器的失調(diào)電壓，相對于傳統(tǒng)的二相電流旋轉(zhuǎn)法效果更加明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型提出的實現(xiàn)四相電流旋轉(zhuǎn)的開關(guān)控制原理圖。
[0013]標識說明:1-表不I號端口 ；2_表不2號端口 ；3_表不3號端口 ；4_表不4號端□。
[0014]圖2是利用四相旋轉(zhuǎn)電流法來消除霍爾傳感器的失調(diào)電壓的整體電路原理圖。
[0015]圖3是四相電流旋轉(zhuǎn)所實現(xiàn)的四種具體的霍爾傳感器的工作方式示意圖。
[0016]標識說明:1-表不I號端口 ；2_表不2號端口 ；3_表不3號端口 ；4_表不4號端□。
[0017]圖4是圖1提出的開關(guān)控制電路的具體實現(xiàn)電路流程圖。
[0018]標識說明:1-表不I號端口 ；2_表不2號端口 ；3_表不3號端口 ；4_表不4號端□。
[0019]圖5是圖4中控制四組開關(guān)電路的四相時鐘信號的時序圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合說明書附圖對本實用新型專利作進一步的詳細說明。
[0021]實施例一
[0022]如圖1所示，本實用新型的電路由16個開關(guān)管(K11、K12、K13、K14、K21、K22、K23、Κ24、Κ31、Κ32、Κ33、Κ34、Κ41、Κ42、Κ43、Κ44)構(gòu)成。時鐘信號 CLKl 控制 Κ11、Κ21、Κ31、Κ41 ；時鐘信號CLK2控制Κ12、Κ22、Κ32、Κ42 ;時鐘信號CLK3控制Κ13、Κ23、Κ33、Κ43 ;時鐘信號CLK4控制Κ14、Κ24、Κ34、Κ44。開關(guān)管Κ11，Κ24，Κ33，Κ42的一端與霍爾傳感器的I號端口相連，開關(guān)管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端與霍爾傳感器的2號端口相連，開關(guān)管Κ13，Κ22，Κ31，K44的一端與霍爾傳感器的3號端口相連，開關(guān)管K14，K21，K32，K43的一端與霍爾傳感器的4號端口相連。開關(guān)管Kll，K12，K13，K14的另一端與VDD相連，開關(guān)管K21，K22，K23，K24的另一端與V-輸出相連，開關(guān)管K31，K32，K33，K34的另一端與GND相連，開關(guān)管K41，K42，K43，K44的另一端與V+輸出相連。本實用新型電路的霍爾磁傳感器件內(nèi)部是對稱的結(jié)構(gòu)，通常有四個輸入/輸出端口，其中兩個端口輸入偏置電壓或電流，另外兩個端口輸出霍爾信號，四個端口分別用端口 1，2，3，4表示，如果端口 I和端口 3之間接入偏置電壓或電流，則端口 2和端口 4之間輸出霍爾信號；如果端口 2和端口 4之間接入偏置電壓或電流，貝IJ端口 I和端口 3之間輸出霍爾信號。
[0023]本實用新型圖1所示的16只開關(guān)管可由16只NMOS管實現(xiàn)，如圖4所示，本實用新型的麗2、麗7、麗10、麗15的柵極與時鐘信號CLKl相連；麗1、MN8、MN9、麗16的柵極與時鐘信號CLK2相連；麗3、麗5、麗11、麗13的柵極與時鐘信號CLK3相連；MN4、麗6、麗12、麗14的柵極與時鐘信號CLK4相連。^2、MN6、^11、^16的漏極與霍爾傳感器的I號端口相連；麗1、麗5、麗12、麗15的漏極與霍爾傳感器的2號端口相連；麗3、MN8、麗10、麗14的漏極與霍爾傳感器的3號端口相連；MN4、麗7、MN9、麗13的漏極與霍爾傳感器的4號端口相連。MN1、MN2、MN3、MN4的源極與VDD相連；MN5、MN6、MN7、MN8的源極與V-輸出相連；MN9、麗10、麗11、麗12的源極與GND相連；麗13、麗14、麗15、麗16的源極與V+輸出相連。
[0024]如圖2所示，本實用新型整體電路主要由電流旋轉(zhuǎn)電路，放大電路，高通濾波器，雙相關(guān)采樣電路，具有采樣保持功能的加法電路和低通濾波器實現(xiàn)?；魻杺鞲衅鞯乃膫€端口接入電流旋轉(zhuǎn)電路，并在時鐘信號的控制下使霍爾傳感器不斷在四種不同的工作方式下變化。霍爾信號經(jīng)電流旋轉(zhuǎn)電路后引入放大電路，放大電路與高通濾波器相連，高通濾波器的另一端與雙相關(guān)采樣電路相連，解調(diào)后的信號輸入具有采樣保持功能的加法電路，將前后周期產(chǎn)生的信號相加，后經(jīng)低通濾波器輸出。
[0025]實施例二
[0026]如圖4所示，本實用新型四相電流旋轉(zhuǎn)電路的電流旋轉(zhuǎn)工作過程主要分為以下四個周期:
[0027](I)第一周期:開關(guān)管麗2、麗7、麗10、麗15閉合，其余開關(guān)管關(guān)斷，霍爾傳感器的I端口接VDD，2端口接V+輸出，3端口接GND，4端口接V-輸出。規(guī)定該周期的霍爾電壓為VTH，2、4方向上產(chǎn)生的失調(diào)電壓為V0P1，所以第一周期輸出的信號為(VTH+V0P1)。
[0028](2)第二周期:開關(guān)管麗1、1^8、1^9、麗16閉合，其余開關(guān)管關(guān)斷，霍爾傳感器的I端口接V+輸出，2端口接VDD，3端口接V-輸出，4端口接GND。由于磁場變化頻率遠小于時鐘信號頻率，而且電流流向的旋轉(zhuǎn)，該周期的霍爾電壓變?yōu)開VTH，1、3方向上產(chǎn)生的失調(diào)電壓為V0P2，所以第二周期輸出的信號為(-VTH+V0P2)。
[0029](3)第三周期:開關(guān)管麗3、麗5、麗11、麗13閉合，其余開關(guān)管關(guān)斷，霍爾傳感器的I端口接GND，2端口接V-輸出，3端口接VDD，4端口接V+輸出。由于電流流向相對第一周期旋轉(zhuǎn)180度，同時V+和V-的位置發(fā)生對調(diào)，該周期的霍爾電壓為VTH，2、4方向上產(chǎn)生的失調(diào)電壓為-VOPI，所以第三周期輸出的信號為(VTH-VOPI)。
[0030](4)第四周期:開關(guān)管MN4、MN6、麗12、麗14閉合，其余開關(guān)管關(guān)斷，霍爾傳感器的I端口接V-輸出，2端口接GND，3端口接V+輸出，4端口接VDD。由于電流流向相對第二周期旋轉(zhuǎn)180度，同時V+和V-的位置發(fā)生對調(diào)，該周期的霍爾電壓為-VTH，1、3方向上產(chǎn)生的失調(diào)電壓為-V0P2，所以第三周期輸出的信號為(-VTH-V0P2)。
[0031 ] 放大階段:由于霍爾電壓非常微弱(ImT的磁場差不多產(chǎn)生IOOuV的霍爾電壓)，因此在測量IOOmT以內(nèi)的磁場時必須放大霍爾電壓。由于旋轉(zhuǎn)電流法可以調(diào)制霍爾信號，所以放大必須在交流狀態(tài)下完成。并將放大后的信號通過高通濾波器過濾掉低頻噪聲。
[0032]雙相關(guān)采樣階段:本實用新型主要是對霍爾傳感器的失調(diào)現(xiàn)象通過雙相關(guān)采樣技術(shù)來進行消除。在設(shè)計模擬電路時，采用一種能夠工作在不同運放的雙相關(guān)采樣電路和采樣保持電路。這種電路的主要功能是能夠使得帶有失調(diào)電壓的霍爾信號相減，進而消除失調(diào)電壓，注意這種電路所采用的時鐘信號頻率必須大于外加磁場的最大頻率。該技術(shù)主要基于開關(guān)電容電路，它是由二路時鐘信號CLK5和CLK6控制，如圖5所示。因此，本實用新型可得雙相關(guān)采樣電路的第二周期輸出的信號為前兩周期信號相減的結(jié)果，為(-2VTH+V0P2-V0P1)。第四周期輸出的信號為三四周期信號相減的結(jié)果，為(-2VTH-V0P2+V0P1)。
[0033]加法階段:具有采樣保持功能的加法器可以將第二周期從采樣電路輸出的信號保持住，等待第四周期輸入加法器后將兩者相加，本實用新型從上一階段已知，第二周期輸入加法器的信號為(-2VTH+V0P2-V0PI )，第四周期輸入加法器的信號為(-2VTH-V0P2+V0PI)。該階段將兩者相加可將端口 2、4方向上的失調(diào)電壓VOPl和端口 1、3方向上的失調(diào)電壓V0P2抵消，結(jié)果為-4VTH，并將結(jié)果經(jīng)過低通濾波器后輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種消除霍爾傳感器失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路，其特征在于:所述電路是由KU、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44 的 16 個開關(guān)管構(gòu)成，16個開關(guān)管均由NMOS管實現(xiàn)，并連接霍爾磁傳感器件的四個輸入/輸出端口 ；時鐘信號 CLKl 控制 K11、K21、K31、K41 ;時鐘信號 CLK2 控制 Κ12、Κ22、Κ32、Κ42 ;時鐘信號 CLK3 控制 Κ13、Κ23、Κ33、Κ43 ;時鐘信號 CLK4 控制 Κ14、Κ24、Κ34、Κ44 ;開關(guān)管 Kll, Κ24, Κ33, Κ42的一端與霍爾傳感器的I號端口相連，開關(guān)管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端與霍爾傳感器的2號端口相連，開關(guān)管Κ13，Κ22，Κ31，Κ44的一端與霍爾傳感器的3號端口相連，開關(guān)管Κ14，Κ21,Κ32, Κ43的一端與霍爾傳感器的4號端口相連；開關(guān)管Kll，Κ12，Κ13，Κ14的另一端與VDD相連，開關(guān)管Κ21,Κ22, Κ23，Κ24的另一端與V-輸出相連，開關(guān)管Κ31，Κ32，Κ33，Κ34的另一端與GND相連，開關(guān)管Κ41，Κ42，Κ43，Κ44的另一端與V+輸出相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除霍爾傳感器失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路，其特征在于:所述電路中的霍爾磁傳感器件內(nèi)部是對稱的結(jié)構(gòu)，有四個輸入/輸出端口，其中兩個端口輸入偏置電壓或電流，另外兩個端口輸出霍爾信號，四個端口分別用端口 I，2，3，4表示，如果端口 I和端口 3之間接入偏置電壓或電流，則端口 2和端口 4之間輸出霍爾信號；如果端口 2和端口 4之間接入偏置電壓或電流，則端口 I和端口 3之間輸出霍爾信號；霍爾信號和失調(diào)信號經(jīng)過放大，高通濾波，雙相關(guān)采樣和相加運算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種消除霍爾傳感器失調(diào)的四相電流旋轉(zhuǎn)電路，其特征在于:所述電路中的霍爾信號經(jīng)電流旋轉(zhuǎn)電路后弓I入放大電路，放大電路與高通濾波器相連，高通濾波器的另一端與雙相關(guān)采樣電路相連，解調(diào)后的信號輸入具有采樣保持功能的加法電路，將前后周期產(chǎn)生的信號相加，后經(jīng)低通濾波器輸出。
【文檔編號】G01D3/036GK203519021SQ201320658379
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】徐躍, 王凱玄, 謝小朋, 陳小青, 岳恒 申請人:南京郵電大學