摘要：AD22157是AD公司生產(chǎn)的一種基于霍爾效應(yīng)的傳感器，可作為車速傳感器應(yīng)用于汽車的ABS系統(tǒng)中。它具有較大的測(cè)速范圍和較寬的使用溫度范圍，并且采用二線制電流操作，使用方便；還具有氣隙診斷和反向電壓保護(hù)功能。文中介紹了AD22157的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理，并對(duì)其誤差源作了簡(jiǎn)要的說明。

    關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)；差模信號(hào)；誤差源；調(diào)制；AD22157

１　概述

ＡＤ２２１５７是一種混合信號(hào)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換器，它具有很大的測(cè)速范圍（０～２５００Ｈｚ）和較寬的操作溫度范圍（－４０～１５０℃），同時(shí)具有二線制電流操作、氣隙診斷和反向電壓保護(hù)（－３０Ｖ）等一系列特性。它可在較大的車速范圍內(nèi)對(duì)汽車鐵磁性目標(biāo)輪進(jìn)行車速與轉(zhuǎn)動(dòng)方向的測(cè)量。此外，還可在傳送系統(tǒng)作傳輸速度的測(cè)量、接近測(cè)量、位移測(cè)量等。

ＡＤ２２１５７的結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。

２　ＡＤ２２１５７的主要特性

ＡＤ２２１５７采用二線制電流回路操作方式，適于在－４０～１５０℃的溫度范圍、＋２０Ｖ直流供電情況下持續(xù)工作，且在瞬時(shí)電壓高達(dá)＋２７Ｖ時(shí)仍能維持正常工作。

ＡＤ２２１５７輪速傳感器的輸出電流脈沖為７ｍＡ或１４ｍＡ（靜止偏置值為７ｍＡ）?該傳感器的輸出電流脈沖的上升沿可準(zhǔn)確定位于目標(biāo)輪的輪轂。輸出脈沖寬度則可由目標(biāo)輪的運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度來決定，并可按照主流系統(tǒng)制造商所推薦的現(xiàn)行工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編碼為一組根據(jù)目標(biāo)輪的運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)先定義的時(shí)間間隔。

它的脈沖寬度可根據(jù)所測(cè)量的差模磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同而有所不同：ΔＢ＞４ｍＴ（正常磁場(chǎng)）、２ｍＴ＜ΔＢ＜４ｍＴ（低磁范圍）、ΔＢ＜２ｍＴ（極低磁范圍）三種不同磁場(chǎng)中具有不同的寬度輸出。另外，在正常和低磁情況下，它還可提供車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向的測(cè)量。

    在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍下，其輸出脈沖寬度的情況如圖２所示。

在初始上電、目標(biāo)輪停止或其它原因造成檢測(cè)不到動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，一個(gè)安全停止的失敗信號(hào)就會(huì)以大約１．５Ｈｚ的頻率重復(fù)產(chǎn)生。

ＡＤ２２１５７傳感器內(nèi)部集成有霍爾單元，并有相應(yīng)的電路來減小霍爾器件參數(shù)的溫漂，在與ＳｍＣｏ磁鐵搭配使用時(shí)，該器件的補(bǔ)償效果最佳。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了ＣＭＯＳ電路線性度高和ＤＭＯＳ電路電壓高的優(yōu)點(diǎn)，因而能夠使傳感器在要求的環(huán)境下準(zhǔn)確工作。

ＡＤ２２１５７還包括一個(gè)適應(yīng)性的差模過零檢測(cè)器，它能準(zhǔn)確地檢測(cè)出目標(biāo)輪輪轂的位置。此結(jié)構(gòu)減小了由于封裝和溫度對(duì)霍爾傳感器陣列所造成的、使其輸出脈沖的上升沿與上升沿之間時(shí)間間隔存在２％偏差的影響。

為保證測(cè)量的精確度，ＡＤ２２１５７舍棄了每次上電時(shí)或停止時(shí)的４個(gè)脈沖沿。它采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來增強(qiáng)功能，同時(shí)可減少在ＥＭＣ極限條件下可能產(chǎn)生的偽脈沖或脈沖丟失現(xiàn)象。

ＡＤ２２１５７采用單列５腳（ＳＩＰ）的封裝形式，十分適合于作為車速傳感器使用，它可方便地與一個(gè)安放在其后的偏置磁鐵進(jìn)行裝配。 ＡＤ２２１５７的封裝形式如圖３所示。

ＡＤ２２１５７的主要極限參數(shù)如下：

最大電源電壓：＋２７Ｖ；

最大輸出電流（管腳２）：１８ｍＡ；

工作溫度范圍：－４０～１５０℃；

片芯最高溫度：１９０℃。

３　原理與應(yīng)用

３．１ 工作原理

ＡＤ２２１５７輪速傳感器實(shí)際上是一個(gè)二線制電流調(diào)制傳送器，它可根據(jù)磁場(chǎng)在空間的差模變化產(chǎn)生相應(yīng)的電流脈沖。在其應(yīng)用于輪速傳感器時(shí)，它所探測(cè)到的磁場(chǎng)是一個(gè)放置于其后面的永久磁鐵和位于傳感器前端、目標(biāo)輪上的鐵制凹槽標(biāo)記相互作用產(chǎn)生的。在這種條件下，傳感器必須抵消恒定的磁場(chǎng)偏置，并放大差模調(diào)制磁場(chǎng)，從而準(zhǔn)確判斷目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。

３．２ 信號(hào)檢測(cè)原理

ＡＤ２２１５７輪速傳感器采用集成在硅襯底上的霍爾片結(jié)構(gòu)來對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行空間差模測(cè)量，從而抵消了偏置磁場(chǎng)的影響。此霍爾結(jié)構(gòu)由直線排列的三組霍爾單元構(gòu)成，可用于一些不窄于５ｍｍ的鋸齒或凹槽輸出對(duì)應(yīng)的正交信號(hào)。

每組霍爾單元都由４個(gè)獨(dú)立的、直徑為２００μｍ、排列成空間十字形的霍爾片并聯(lián)構(gòu)成（如圖４所示）。此排列方式有利于減輕使用時(shí)逐漸增加的傾斜度對(duì)霍爾信號(hào)電壓造成的影響。

霍爾陣列由三組匹配的電流源供電，在此電流下的靈敏度為５μＶ／Ｇａｕｓｓ。三組霍爾效應(yīng)傳感器可分為兩組，并分別與儀器放大器相連，中間的霍爾片同時(shí)與兩個(gè)放大器相連。這種結(jié)構(gòu)可使兩組空間差模磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，其峰—峰值與差模磁場(chǎng)信號(hào)和霍爾片偏置電流成正比。

因此，如果霍爾陣列與車輪斜度相匹配，那么，ＡＤ２２１５７中的空間差模陣列所測(cè)得的霍爾信號(hào)將按正弦規(guī)律變化。

３．３ 信號(hào)調(diào)制前的誤差源

霍爾傳感器除了可以產(chǎn)生所需的空間差模信號(hào)外，通常還會(huì)產(chǎn)生以下幾種誤差：

（１） 得到補(bǔ)償?shù)拇艌?chǎng)偏置。該誤差源主要來源于霍爾片靈敏度的不匹配、霍爾片偏置電流的不匹配以及穿過偏置磁鐵表面的磁通密度發(fā)生變化等因素。

（２） 霍爾片固有失調(diào)。這種情況源于霍爾片接觸面不平造成的未對(duì)準(zhǔn)、生產(chǎn)廠商要求的霍爾片擴(kuò)散的公差不一致、以及封裝的機(jī)械壓力所引起的局部平坦度變化等。

（３） 霍爾單元受溫度靈敏度的影響。這種影響大約為４５０～±１５０ｐｐｍ／℃。

（４） 受溫度影響的電路結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的失調(diào)。通常該裝置對(duì)于前級(jí)放大器輸出的總體影響在幾百ｍＶ的數(shù)量級(jí)上，并且會(huì)隨溫度朝正或負(fù)方向變化幾十ｍＶ。

從電路角度考慮，該放大器會(huì)進(jìn)一步造成信號(hào)的輸入失調(diào)，但這一失調(diào)分量一般少于１ｍＶ，通常在幾百μＶ的量級(jí)。

３．４ 信號(hào)調(diào)整

信號(hào)調(diào)整的作用是補(bǔ)償失調(diào)誤差，并準(zhǔn)確判斷差模信號(hào)的過零點(diǎn)（差模信號(hào)是由霍爾單元產(chǎn)生的相互正交的正弦信號(hào)，產(chǎn)生的正弦信號(hào)的頻率由目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定）。它們之間的關(guān)系如圖５所示。其正交信號(hào)之間的相位關(guān)系可用于判斷車輪旋轉(zhuǎn)的方向。

該裝置的信號(hào)調(diào)整采用了兩個(gè)單獨(dú)的測(cè)量通道。第一通道用于檢測(cè)過零點(diǎn)信息，并提供邊沿信息的主信號(hào)源。第二通道僅對(duì)信號(hào)相位作比較，以提取轉(zhuǎn)動(dòng)方向的信息。每個(gè)通道都包含２個(gè)極值采樣／保持電路和一個(gè)１０位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。

每個(gè)通道都使用由兩個(gè)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的采樣／保持電路來對(duì)各自的信號(hào)進(jìn)行極值檢測(cè)。其中一個(gè)采樣／保持電路檢測(cè)峰值，另一個(gè)是檢測(cè)谷值。ＤＡＣ的電壓輸出反映了任意時(shí)刻信號(hào)的峰—峰值。這個(gè)電壓的中間值可作為ＰＷＭ中的過零檢測(cè)器的參考值。此結(jié)構(gòu)可保證在任何操作條件下都可檢測(cè)出１ｋＨｚ信號(hào)（上升沿至上升沿）±２％的相位抖動(dòng)。

通道１還給出了被測(cè)信號(hào)的峰—峰值，此結(jié)果可用于測(cè)量與空氣隙直接相關(guān)的磁場(chǎng)強(qiáng)度或用于空氣隙診斷，同時(shí)可結(jié)合通道２的方向信息計(jì)算ＰＷＭ中的輸出脈沖寬度。

由于空氣氣隙設(shè)置值不同，或車輪跑偏造成空氣氣隙發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，霍爾信號(hào)的輸出峰—峰值也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。因此，用一個(gè)固定分辨率的１１級(jí)轉(zhuǎn)換器可能不能保證信號(hào)峰值的采樣精度。鑒于這種情況，在用１１級(jí)轉(zhuǎn)換器無法跟蹤信號(hào)時(shí)，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換器的精度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

３．５ 霍爾片偏置

霍爾單元的偏置值設(shè)置應(yīng)使ＡＤ２２１５７的靈敏度溫度系數(shù)與稀有磁性材料的靈敏度溫度系數(shù)大小相等而極性相反。例如，可選ＳｍＣｏ＝－４５０ｐｐｍ／℃?或者Ａｌｎｉｃｏ５－７＝－３００ｐｐｍ／℃，這樣就會(huì)使ＰＷＭ的輸出值保持良好的穩(wěn)定性。

３．６ 操作模式

當(dāng)接收到上電復(fù)位信號(hào)、停止信號(hào)或者無磁場(chǎng)時(shí)，每個(gè)通道的采樣／保持電路都將分別復(fù)位到它們的最大和最小電壓值，然后再向內(nèi)跟蹤直到檢測(cè)到霍爾信號(hào)。即通道１（Ｓ／Ｈ ｍａｘ）向霍爾信號(hào)最大值增加，通道１（Ｓ／Ｈ ｍｉｎ）向最小值減小，圖６給出了上電、停止域無磁場(chǎng)時(shí)的信號(hào)跟蹤曲線。

為確保得到霍爾信號(hào)的峰值，開始的四個(gè)過零事件一般不引起信號(hào)輸出。復(fù)位后的第三個(gè)過零信號(hào)之前也不執(zhí)行采集操作模式。隨著ＤＡＣ信號(hào)開始跟蹤霍爾信號(hào)的峰值，系統(tǒng)將在四個(gè)過零事件之后，使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入變化模式，此操作模式將使ＤＡＣ電壓追蹤并保持霍爾信號(hào)的峰值，從而為車輪跑偏和失調(diào)等情況保持一個(gè)有效的過零點(diǎn)。

３．７ ＰＷＭ過程和輸出過程

脈寬調(diào)制器（ＰＷＭ）完成信號(hào)調(diào)制的最后一步是將霍爾信號(hào)的過零點(diǎn)信息、信號(hào)幅值、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向等信息轉(zhuǎn)換為一位脈寬調(diào)制信號(hào)。脈寬的第一個(gè)邊沿由通道１的過零事件決定。脈沖寬度由方向和信號(hào)幅值決定，如圖６所示。

    所有信號(hào)調(diào)制事件都是與內(nèi)部時(shí)鐘同步的，異步的過零點(diǎn)事件將被排列至下一個(gè)時(shí)鐘沿，而這將導(dǎo)致最大延遲時(shí)間為１．４μｓ。輸出脈沖寬度由１９位計(jì)數(shù)器調(diào)制，該計(jì)數(shù)器既可作為脈沖寬度調(diào)制器，又可作為一個(gè)看門狗定時(shí)器。

計(jì)數(shù)器時(shí)序如下：

（１）計(jì)數(shù)器收到一個(gè)過零事件后復(fù)位；

（２）延時(shí)４５μｓ后輸出脈沖的上升沿；

（３）幅度閾值和方向被解碼，并輸出合適寬度的脈沖信號(hào)；

（４）計(jì)數(shù)器復(fù)位；

（５）若在計(jì)數(shù)器溢出前７４５μｓ未接收到過零信號(hào)，將輸出１個(gè)停止脈沖。

跟蹤器復(fù)位是為了保證當(dāng)無過零事件發(fā)生時(shí)，失調(diào)校正電路仍能工作，但在無過零事件發(fā)生時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，失調(diào)校正對(duì)于由溫度產(chǎn)生的漂移將不起作用。

ＡＤ２２１５７傳感器根據(jù)輸入的脈沖可將輸出電流調(diào)制成７ｍＡ或１４ｍＡ兩個(gè)電流值。其中７ｍＡ的電流值代表靜止?fàn)顟B(tài)或邏輯零狀態(tài)。