S10-6B 10mm非接触式伺服手机霍尔传感器器功能?

  霍尔手机霍尔传感器器是根據霍尔效应制作的一种磁场手机霍尔传感器器霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业洎动化技术、检测技术及信息处理等方面霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数能够判断半導体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

  霍尔手机霍尔传感器器是依据霍尔效应制作的是霍尔1879年在研究金属導电机构时发明的,之后有在导电流体和半导体中均发现此效应霍尔器件拥有着众多特点,它体积小重量轻,安装方便功耗小,频率高还生命长耐振动不怕油污,水汽盐雾灰尘等污染。

  霍尔效应手机霍尔传感器器也称霍尔手机霍尔传感器器是一个换能器,將变化的磁场转化为输出电压的变化霍尔手机霍尔传感器器首先是实用于测量磁场,此外还可测量产生和影响磁场的物理量例如被用於接近开关、霍尔、位置测量、转速测量和电流测量设备。

  通常霍尔效应手机霍尔传感器器和电路相连,从而允许设备以数位(开/關)模式操作在这种情况下可以被称为开关。工业中常见的设备例如气缸,也被用于日常设备中如一些打印机使用他们来监测缺纸囷敞盖的情况。当键盘被要求高可靠性时便也设计霍尔手机霍尔传感器器在其按键内。

  霍尔电流手机霍尔传感器器基于磁平衡式霍爾原理根据霍尔效应原理,从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场强度为B的磁场,那么在垂直于電流和磁场方向(即霍尔输出端 之间)将产生一个电势VH,称其为霍尔电势其大小正比于控制电流I。与磁场强度B的乘积 即有式中:K为霍尔系数,由霍尔元件的材料决定;I为控制电流;B为磁场强度; VH为霍尔电势

  霍尔电流手机霍尔传感器器是按照霍尔效应原理制成,对安培定律加以应用即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场,而霍尔器件则用来测量这一磁场因此,使电流的非接触测量成为可能

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  作为汽车产业的一个组成部汾霍尔效应手机霍尔传感器器用于在诸如底盘、安全、车身、保障及动力传动等极其广泛的一系列应用中检测端位置或测量线性或角运動。目前主导汽车行业研发讨论的一个重要话题是功能安全。功能安全影响到所有应用系统组件的设计和功能设置包括霍尔手机霍尔傳感器器。

  由于霍尔手机霍尔传感器器的非接触式测量原理和高可靠性在许多应用中,用霍尔手机霍尔传感器器实现的感知方案成為了首选

  例如,由于霍尔手机霍尔传感器器对环境条件(如灰尘、湿度和振动)的不敏感性即使在十分苛刻环境温度条件下(-40℃臸150℃),其测量结果的一致性仍然很好再加上其不受使用时间和使用次数,而影响测量精度的高品质等特性霍尔效应手机霍尔传感器器正逐步取代机械开关。

  为了实现不断发展的安全和可靠性特性开关阈值的最高精度成为了霍尔开关规范的基本参数。

  在由一個磁信号通过开关阈值触发的实际开关操作中其动作会受开关延迟、采样抖动和噪声阈值等各因素的影响。上述这些因素都是不希望的一个理想的开关应在瞬间做出反应,但由于霍尔IC的内部信号处理它们无法完全避免。

  为了获得最佳开关性能 Micronas公司的霍尔效应开關系列的最新产品(HAL 15xy)内的信号处理对此进行了专门设计,以增强对这些负面影响的抑制能力

  本文分析了信号路径设计是如何影响輸出信号的抖动性能的,并介绍了解决这一问题所采取的不同设计方法

  霍尔开关的信号路径

  霍尔开关的简化信号路径包括几个基本组件,如图1所描述:

  图1:简化的霍尔开关信号路径

  该集成霍尔手机霍尔传感器器将磁通密度转换成电信号,可选的低通滤波器限制了信号带宽采样或无采样比较器判定该信号是高于还是低于当前的作用阈值。

  每次被采样时钟触发时被采样的比较器都莋出新决策;而未被采样的比较器无需触发持续运行。

  在采用低通滤波器的情况下它抑制高于有用信号带宽的频率分量,以降低这些频率范围产生的噪声

  许多霍尔手机霍尔传感器器IC,包括Micronas的霍尔开关系列采用著名的旋转电流(spinning-current)技术以实现优异的补偿性能。為简化图1省略了所有与旋转电流相关的模块。

  带滞后的静态开关行为

  霍尔开关具有两种不同的磁阈值——Bon和Boff它们形成磁滞回線。此行为对避免不必要的翻转或闪抖是必要的若没有这种迟滞,则会发生这种不必要的麻烦图2显示的是假设在非反向输出状态时的靜态输出状态与磁通密度B的对比曲线图。

  图2:霍尔开关的静态磁滞回线

  在Bon和Boff之间,两个输出状态都是可能的在B》Bon时,输出肯萣为0;在Boff前开关都将保持为0;在Boff时,输出变为1

  阈值噪声和最小可靠滞后

  现在可能有这个问题:磁滞回线可做得多小?为给出答案必须考虑阈值噪声影响。实际上Bon和Boff都不是限定为单一值的固定阈值,受由霍尔手机霍尔传感器器本身和其它电路的热噪声所引起嘚阈值噪声的影响这两个值变得飘忽不定。取决于电流消耗和滤波器带宽噪声水平可通过设计进行调整。噪声添加到假定原本是恒定嘚阈值上现在,图3显示了Bon和Boff的概率密度函数(不按比例)

  图3:阈值噪声的概率密度函数

  概率密度的高度是其在相应磁通密度B條件下,找到瞬时阈值可能性的一种标度对热噪声来说,其概率呈正态(高斯)分布该密度函数的宽度由标准偏差σBth给出,其值与阀徝的均方根(RMS)噪声值Bthrms相同。

  因为密度不可能为0Bon和Boff概率密度的尾线将总是在Bon和Boff的中点Bmid处趋合。这意味着对于恒定磁通密度Bmid来说,Bon阀值有时可能(小概率)低于Bmid从而打开开关。另外Boff有时也可能高于Bmid,这又会关闭开关这样,即便对恒定磁通密度开关也可能开始翻转,这通常是不希望的这种现象不可能完全避免,但应充分减小其发生概率作为经验法则,如果Bon-Boff的差值大于等于10~12σBth则这种情况鈳以忽略不计。

  滤波的采样霍尔开关

  HAL 15xy手机霍尔传感器器家族的信号处理基于带低通滤波器的采样设计这样,当对经滤波的输入進行新取样时开关输出的翻转仅在时间上的特定等距点才会发生,对 HAL 15xy手机霍尔传感器器来说是每隔2μs。在B穿过翻转阈值的时间点与采樣时钟不同步时会导致采样抖动。图4给出了滤波采样开关(如HAL 15xy)的时序样例:

  图4:滤波采样霍尔开关的延迟

  此处,假设磁通密度B(t) 在通过Bon时完成一个非常快的迁跃以保持阈值噪声影响在当下可忽略不计。霍尔信号正比于B(t)然后使该信号通过一个低通滤波器,以消除更高带宽的阈值噪声

  它需要一个恒定的系统延迟Δtsyst,直到穿过阈值的信号通过滤波器例如,这里的Δtsyst为15~16μs此外,將出现最长为2μs的随机延迟相位直到下一次采样发生且比较器翻转。当霍尔开关反复翻转时该随机延迟被称为采样抖动Δtsampling。

  采样抖动可由峰-峰值或均方根(RMS)值描述在2μs采样间隔内,由峰-峰值描述的HAL 15xy手机霍尔传感器器的Δtsampling=±1μs所有时间点被发现的几率是相同的(概率分布形状像个“盒子”)。这样其RMS的典型值 Δtsampling为0.58μs、最大值为0.72μs,比竞争产品具有更好性能

  对HAL 15xy系列产品来说,其采样比较器选为工作在500 kHz采样速率以保证典型的采样抖动被可靠地限制在±1μs。此类设计支持在比较器内采用动态补偿抑制从而提升了HAL 15xy手机霍尔傳感器器磁性阈值的整体精度。

  另外该手机霍尔传感器器有一个独特的前端设计,通过使用金属掩模编程在不增加采样抖动的情況下,可实现对低通滤波器的带宽在3kHz和93kHz间的灵活定义一方面,较小的带宽增大了信号路径的系统延迟;但另一方面也降低了开关的阈徝噪声、提高了精度。更高带宽的情况与上述正好相反归功于该特性, HAL 15xy系列可针对具有快速动态或静态磁场要求的应用进行客户定制

  无滤波的采样霍尔开关

  像 Micronas的HAL 5xy系列等霍尔开关,采用的是没有滤波IC的设计根据顾客喜好,没有滤波的低延迟特性对快速响应有吸引力但代价是噪声阈值的增加。对这样的霍尔开关来说采样抖动仍然存在,但因没有滤波器加入其系统延迟没有了。图5显示了此类開关的一般动态行为

  图5:没有滤波的采样霍尔开关的延迟。

  HAL 15xy系列开关抖动的产生原因

  最有趣的是霍尔开关开关抖动Δtswitch的产苼原因开关延迟的随机分布——开关抖动,可根据图8予以考虑

  图8:由阈值噪声和采样抖动引发的开关抖动。

  happen: 采样抖动△tswitch:通过后下一个采样可发生的时间窗口

  在此,阈值噪声和采样抖动都存在导致了组合开关抖动。B(t)缓慢穿过有效阈值因此阈值噪声不能再忽略。在有效阈值周围绘制了噪声带图8表示瞬时阈值可以被定位在哪里。噪声频带内B(t)在时间轴上的投影只是给出了来洎阈值噪声的时序抖动Δtthres.noise。这种时序抖动出现在滤波器输出电压Vfilter时是有延迟的现在,当输出翻转时最终的开关抖动包含来自阈值噪声嘚抖动以及始终存在的采样抖动。

  注意图8忽略了来自阈值噪声和采样抖动这两种抖动的不同概率密度,另外这两者都会影响开关抖动。对高斜率来说采样抖动占主导且可被用来估计开关抖动。对低斜率来说采样抖动虽也存在,但有效阀值噪声是主导

  通过設置使采样抖动Δtsampling,rms=Bthrms抖动(阀值噪声引入),可容易地发现高、低斜率之间的边界

  因此,当磁变化速率远低于124mT/ms时所产生的开关抖动可仅根据来从阈值噪声的抖动进行评估,采样抖动可忽略不计

  霍尔开关的抖动有两个来源。第一霍尔板的热噪声和信号处理導致的阈值噪声;第二,采样引致因系统而异的采样抖动通过Micronas专有技术的优化配置,HAL 15xy手机霍尔传感器器系列工作于非常高的采样频率洇此,产生的采样抖动非常小这种新的和优化的电路设计,可以在保证极低热噪声的同时保持低功耗具有同类产品最佳的噪音表现。此外可通过金属掩膜编程减少或增加模拟滤波器的带宽,使最小化噪声或延迟时间成为可能

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