一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路和方法
2023-11-01 04:45:17
一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路和方法
【專利摘要】本發明公開了一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路，該電路是由16個開關管構成；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；開關管K11，K24，K33，K42的一端與霍爾傳感器的1號埠相連，開關管K12，K23，K34，K41的一端與霍爾傳感器的2號埠相連，開關管K13，K22，K31，K44的一端與霍爾傳感器的3號埠相連，開關管K14，K21，K32，K43的一端與霍爾傳感器的4號埠相連；開關管K11，K12，K13，K14的另一端與VDD相連，開關管K21，K22，K23，K24的另一端與V-輸出相連，開關管K31，K32，K33，K34的另一端與GND相連，開關管K41，K42，K43，K44的另一端與V+輸出相連。
【專利說明】 —種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電學【技術領域】，特別涉及一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路。
【背景技術】
[0002]霍爾傳感器是一種基於霍爾效應的磁電轉換元件，憑藉其工藝簡單、體積小、生產成本低、安裝簡便、工作電壓範圍寬、使用壽命長、測量精度高以及防塵、防油等優點，已經廣泛地應用到工業變頻控制、交通運輸、醫療系統、電子消費品和各類智能儀表等領域。
[0003]然而基於矽工藝的霍爾傳感器的磁場靈敏度低，失調很嚴重，必須採用相應的技術來消除失調。目前國內外消除失調電壓和低頻噪聲的技術有旋轉電流技術、斬波調製技術以及雙相關採樣技術等。其中雙相關採樣技術需要採樣、保持的處理過程，因此電路的輸入端會引入較大的失調電壓，只適用於要求不高的數據採樣系統。而斬波調製技術結合了調製、解調的優點，電路引入的殘餘失調較低，能夠使用要求嚴格的連續信號處理系統。然而這兩種消除失調的技術只能消除霍爾傳感器自身產生的失調電壓，對外部電路產生的失調效應無能為力。旋轉電流法的電路結構簡單、原理通俗易懂，並且能夠動態消除失調電壓和低頻噪聲，因此得到了廣泛的應用。
[0004]傳統的旋轉電流法一般採用二相旋轉電流法，並且根據不同的工作方式可以分為靜態旋轉電流法和動態旋轉電流法。然而，二相旋轉電流法總是無法將所有的殘餘失調全部去除，使得霍爾信號仍然帶有一定的失調和噪聲。而本發明能夠很好地解決上面的問題。
【發明內容】
[0005]本發明目的在於針對傳統的消除霍爾失調的二相電流旋轉方法提出了一種新穎的四相電流旋轉方法，該方法能在最大程度上消除霍爾傳感器產生的失調電壓，而且電路結構簡單，不會增加電路製造的成本。
[0006]本發明解決其技術問題所採取的技術方案是:本發明針對消除霍爾傳感器的失調電壓和低頻噪聲提出了一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路，如圖1所示，該電路是由16 個開關管(K11、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44)構成。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。開關管 Kll,Κ24，Κ33，Κ42的一端與霍爾傳感器的I號埠相連，開關管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端與霍爾傳感器的2號埠相連，開關管Κ13，Κ22，Κ31，Κ44的一端與霍爾傳感器的3號埠相連，開關管Κ14，Κ21，Κ32，Κ43的一端與霍爾傳感器的4號埠相連。開關管Κ11，Κ12，Κ13，Κ14的另一端與VDD相連，開關管Κ21，Κ22，Κ23，Κ24的另一端與V-輸出相連，開關管Κ31，Κ32，Κ33，Κ34的另一端與6冊相連，開關管1(41，1(42，1(43，1(44的另一端與V+輸出相連。該電路的霍爾磁傳感器件內部是對稱的結構，通常有四個輸入/輸出埠，其中兩個埠輸入偏置電壓或電流，另外兩個埠輸出霍爾信號，四個埠分別用埠 1，2，3，4表示，如果埠I和埠 3之間接入偏置電壓或電流，則埠 2和埠 4之間輸出霍爾信號；如果埠 2和埠 4之間接入偏置電壓或電流，則埠 I和埠 3之間輸出霍爾信號。
[0007]本發明整體電路主要由電流旋轉電路，放大電路，高通濾波器，雙相關採樣電路，具有採樣保持功能的加法電路和低通濾波器實現。霍爾傳感器的四個埠接入電流旋轉電路，並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。霍爾信號經電流旋轉電路後引入放大電路，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採樣電路相連，解調後的信號輸入具有採樣保持功能的加法電路，將前後周期產生的信號相加，後經低通濾波器輸出。
[0008]本發明還提供一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路的方法，該方法包括:
[0009](I)電流旋轉階段:通過在四個連續的時鐘周期內輪流閉合四組開關來實現霍爾傳感器的四相電流旋轉，如圖1所示。在第一周期，當CLKl為高電平，CLK2，CLK3，CLK4為低電平時，閉合開關K11，K21，K31，K41，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的I號埠流入，從3號埠流出，2號埠為輸出信號的正極性埠，4號埠為輸出信號的負極性埠，輸出的信號為(霍爾信號VTH+失調信號VOPl )，實現第一周期的電流流向和信號輸出。在第二周期，當CLK2為高電平，CLKl, CLK3，CLK4為低電平時，閉合開關Κ12，Κ22，Κ32，Κ42，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的2號埠流入，從4號埠流出，3號埠為輸出信號的正極性埠，I號埠為輸出信號的負極性埠，輸出信號為(-VTH+V0P2)，實現第二周期的電流流向和信號輸出。在第三周期，當CLK3為高電平，CLKl, CLK2，CLK4為低電平時，閉合開關Κ13，Κ23，Κ33，Κ43，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的3號埠流入，從I號埠流出，4號埠為輸出信號的正極性埠，2號埠為輸出信號的負極性埠，輸出信號為(VTH-V0P1)，實現第三周期的電流流向和信號輸出。在第四周期，當CLK4為高電平，CLKl,CLK2，CLK3為低電平時，閉合開關Κ14，Κ24，Κ34，Κ44，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的4號埠流入，從2號埠流出，3號埠為輸出信號的正極性埠，I號埠為輸出信號的負極性埠，輸出信號為(-VTH-V0P2)，實現第四周期的電流流向和信號輸出。具體四個周期的電流流向和信號輸出如圖3所示。
[0010](2)放大階段:由於霍爾傳感器探測到的信號過於微弱，將經過電流旋轉電路的帶有失調電壓的霍爾信號引入放大器進行放大。
[0011](3)雙相關採樣階段:根據雙相關採樣電路的特性，本發明可知該電路可以將第二周期輸入的信號和第一周期輸入的信號進行相減。假設，第一周期由霍爾傳感器探測到從放大器輸出的霍爾電壓為VTH，帶有的失調電壓為VOPl。由於磁場變化頻率遠小於時鐘信號頻率，第二周期由霍爾傳感器探測到從放大器輸出的霍爾電壓仍為VTH，帶有的失調電壓為V0P2。本發明可知，第一周期輸入採樣電路的信號為(VTH+V0P1)，由於電流流向的旋轉，第二周期輸入採樣電路的信號為(-VTH+V0P2)，由於雙相關採樣電路的相減功能，第二周期該電路流出的信號應為(-2VTH+V0P2-V0P1)。另外，由於第三周期的電流流向與第一周期相比正好完全相反，所以失調電壓的極性發生翻轉，同時由於V+和V-的位置也發生對調，所以第一周期與第三周期的霍爾電壓的極性保持不變。同理可知，第二周期和第四周期的失調電壓的極性相反，霍爾電壓的極性保持不變。因此，第三周期輸入採樣電路的信號為(VTH-VOPI)，第四周期輸入採樣電路的信號為(-VTH-V0P2 )，第四周期該電路流出的信號應為(-2VTH-V0P2+V0P1)。
[0012](4)採樣保持和信號相加階段:具有採樣保持功能的加法器可以將第二周期從採樣電路輸出的信號保持住，同時本發明將時鐘信號(該時鐘頻率為輸入雙相關採樣電路的時鐘頻率的1/2)輸入加法器中，使其等待第四周期輸入加法器的信號並將兩個信號相加。本發明已經得知，第二周期輸入加法電路的信號應為(-2VTH+V0P2-V0P1)，第四周期輸入加法電路的信號應為(-2VTH-V0P2+V0PI )，二者相加的結果為(-4VTH)。由輸出結果可知，該電路結構成功消除霍爾傳感器在各個方向上產生的失調電壓。
[0013]有益效果:
[0014]本發明所述四相電流旋轉方法相對於傳統的消除霍爾傳感器的失調電壓的方法，主要存在以下幾個突出的優點:
[0015]1、本發明的電路結構簡單；該電路只需要十六隻NMOS管即可實現功能，相對於其他消除失調的電路更加簡單，可以節省面積，降低製造成本。
[0016]2、本發明能夠最大程度消除失調；本發明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電壓，相對於傳統的二相電流旋轉法效果更加明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明提出的實現四相電流旋轉的開關控制原理圖。
[0018]標識說明:1-表不I號埠 ；2_表不2號埠 ；3_表不3號埠 ；4_表不4號端□。
[0019]圖2是利用四相旋轉電流法來消除霍爾傳感器的失調電壓的整體電路原理圖。
[0020]圖3是四相電流旋轉所實現的四種具體的霍爾傳感器的工作方式示意圖。
[0021]標識說明:1-表不I號埠 ；2_表不2號埠 ；3_表不3號埠 ；4_表不4號端□。
[0022]圖4是圖1提出的開關控制電路的具體實現電路流程圖。
[0023]標識說明:1-表不I號埠 ；2_表不2號埠 ；3_表不3號埠 ；4_表不4號端□。
[0024]圖5是圖4中控制四組開關電路的四相時鐘信號的時序圖。
【具體實施方式】
[0025]以下結合說明書附圖對本發明專利作進一步的詳細說明。
[0026]實施例一
[0027]如圖1所示，本發明的電路由16個開關管(K11、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、Κ31、Κ32、Κ33、Κ34、Κ41、Κ42、Κ43、Κ44)構成。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。開關管Kll，Κ24，Κ33，Κ42的一端與霍爾傳感器的I號埠相連，開關管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端與霍爾傳感器的2號埠相連，開關管Κ13，Κ22，Κ31，Κ44的一端與霍爾傳感器的3號埠相連，開關管Κ14，Κ21，Κ32，Κ43的一端與霍爾傳感器的4號埠相連。開關管Κ11，Κ12，Κ13，Κ14的另一端與VDD相連，開關管Κ21，Κ22，Κ23，Κ24的另一端與V-輸出相連，開關管Κ31，Κ32，Κ33，Κ34的另一端與GND相連，開關管Κ41，Κ42，Κ43，Κ44的另一端與V+輸出相連。本發明電路的霍爾磁傳感器件內部是對稱的結構，通常有四個輸入/輸出埠，其中兩個埠輸入偏置電壓或電流，另外兩個埠輸出霍爾信號，四個埠分別用埠 1，2，3，4表示，如果埠 I和埠 3之間接入偏置電壓或電流，則埠2和埠 4之間輸出霍爾信號；如果埠 2和埠 4之間接入偏置電壓或電流，則埠 I和埠 3之間輸出霍爾信號。 [0028]本發明圖1所示的16隻開關管可由16隻NMOS管實現，如圖4所示，本發明的麗2、麗7、麗10、麗15的柵極與時鐘信號CLKl相連；麗1、麗8、麗9、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、MN6、麗12、麗14的柵極與時鐘信號CLK4相連。麗2、MN6、麗11、麗16的漏極與霍爾傳感器的I號埠相連；麗1、麗5、麗12、麗15的漏極與霍爾傳感器的2號埠相連WN3、MN8、麗10、麗14的漏極與霍爾傳感器的3號埠相連；MN4、麗7、MN9、麗13的漏極與霍爾傳感器的4號埠相連。麗1、麗2、麗3、麗4的源極與VDD相連；麗5、麗6、麗7、麗8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。
[0029]如圖2所示，本發明整體電路主要由電流旋轉電路，放大電路，高通濾波器，雙相關採樣電路，具有採樣保持功能的加法電路和低通濾波器實現。霍爾傳感器的四個埠接入電流旋轉電路，並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。霍爾信號經電流旋轉電路後引入放大電路，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採樣電路相連，解調後的信號輸入具有採樣保持功能的加法電路，將前後周期產生的信號相加，後經低通濾波器輸出。
[0030]實施例二
[0031]如圖4所示，本發明還提供了一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路的電流旋轉方法，該電路的電流旋轉的具體方法如下，工作過程分為以下四個周期:
[0032](I)第一周期:開關管麗2、麗7、麗10、麗15閉合，其餘開關管關斷，霍爾傳感器的I埠接VDD，2埠接V+輸出，3埠接GND，4埠接V-輸出。規定該周期的霍爾電壓為VTH，2、4方向上產生的失調電壓為V0P1，所以第一周期輸出的信號為(VTH+V0P1)。
[0033](2)第二周期:開關管麗1、1^8、1^9、麗16閉合，其餘開關管關斷，霍爾傳感器的I埠接V+輸出，2埠接VDD，3埠接V-輸出，4埠接GND。由於磁場變化頻率遠小於時鐘信號頻率，而且電流流向的旋轉，該周期的霍爾電壓變為_VTH，1、3方向上產生的失調電壓為V0P2，所以第二周期輸出的信號為(-VTH+V0P2)。
[0034](3)第三周期:開關管麗3、麗5、麗11、麗13閉合，其餘開關管關斷，霍爾傳感器的I埠接GND，2埠接V-輸出，3埠接VDD，4埠接V+輸出。由於電流流向相對第一周期旋轉180度，同時V+和V-的位置發生對調，該周期的霍爾電壓為VTH，2、4方向上產生的失調電壓為-VOPl，所以第三周期輸出的信號為(VTH-VOPl )。
[0035](4)第四周期:開關管MN4、MN6、麗12、麗14閉合，其餘開關管關斷，霍爾傳感器的I埠接V-輸出，2埠接GND，3埠接V+輸出，4埠接VDD。由於電流流向相對第二周期旋轉180度，同時V+和V-的位置發生對調，該周期的霍爾電壓為-VTH，1、3方向上產生的失調電壓為-V0P2，所以第三周期輸出的信號為(-VTH-V0P2)。
[0036]放大階段:由於霍爾電壓非常微弱(ImT的磁場差不多產生IOOuV的霍爾電壓)，因此在測量IOOmT以內的磁場時必須放大霍爾電壓。由於旋轉電流法可以調製霍爾信號，所以放大必須在交流狀態下完成。並將放大後的信號通過高通濾波器過濾掉低頻噪聲。[0037]雙相關採樣階段:本發明主要是對霍爾傳感器的失調現象通過雙相關採樣技術來進行消除。在設計模擬電路時，採用一種能夠工作在不同運放的雙相關採樣電路和採樣保持電路。這種電路的主要功能是能夠使得帶有失調電壓的霍爾信號相減，進而消除失調電壓，注意這種電路所採用的時鐘信號頻率必須大於外加磁場的最大頻率。該技術主要基於開關電容電路，它是由二路時鐘信號CLK5和CLK6控制，如圖5所示。因此，本發明可得雙相關採樣電路的第二周期輸出的信號為前兩周期信號相減的結果，為(-2VTH+V0P2-V0P1)。第四周期輸出的信號為三四周期信號相減的結果，為(-2VTH-V0P2+V0P1)。
[0038]加法階段:具有採樣保持功能的加法器可以將第二周期從採樣電路輸出的信號保持住，等待第四周期輸入加法器後將兩者相加，本發明從上一階段已知，第二周期輸入加法器的信號為(-2VTH+V0P2-V0P1)，第四周期輸入加法器的信號為(-2VTH-V0P2+V0P1 )。該階段將兩者相加可將埠 2、4方向上的失調電壓VOPl和埠 1、3方向上的失調電壓V0P2抵消，結果為-4VTH，並將結果經過低通濾波器後輸出。
【權利要求】
1.一種消除霍爾傳感器失調的四相電流旋轉電路，其特徵在於:所述電路是由KU、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44 的 16 個開關管構成，16個開關管均由NMOS管實現，並連接霍爾磁傳感器件的四個輸入/輸出埠 ；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 ;開關管 Kll, Κ24, Κ33, Κ42的一端與霍爾傳感器的I號埠相連，開關管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端與霍爾傳感器的2號埠相連，開關管Κ13，Κ22，Κ31，Κ44的一端與霍爾傳感器的3號埠相連，開關管Κ14，Κ21,Κ32, Κ43的一端與霍爾傳感器的4號埠相連；開關管Kll，Κ12，Κ13，Κ14的另一端與VDD相連，開關管Κ21,Κ22, Κ23，Κ24的另一端與V-輸出相連，開關管Κ31，Κ32，Κ33，Κ34的另一端與GND相連，開關管Κ41，Κ42，Κ43，Κ44的另一端與V+輸出相連。
2.根據權利要求1所述的一種消除霍爾傳感器失調的四相電流旋轉電路，其特徵在於:所述電路中的霍爾磁傳感器件內部是對稱的結構，有四個輸入/輸出埠，其中兩個埠輸入偏置電壓或電流，另外兩個埠輸出霍爾信號，四個埠分別用埠 I，2，3，4表示，如果埠 I和埠 3之間接入偏置電壓或電流，則埠 2和埠 4之間輸出霍爾信號；如果埠 2和埠 4之間接入偏置電壓或電流，則埠 I和埠 3之間輸出霍爾信號；霍爾信號和失調信號經過放大，高通濾波，雙相關採樣和相加運算。
3.根據權利要求1或2所述的一種消除霍爾傳感器失調的四相電流旋轉電路，其特徵在於:所述電路中的霍爾信號經電流旋轉電路後引入放大電路，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採樣電路相連，解調後的信號輸入具有採樣保持功能的加法電路，將前後周期產生的信號相加，後經低通濾波器輸出。
4.一種消除霍爾失調的四相電流旋轉電路的電流旋轉方法，其特徵在於，所述方法包括:
(1)在第一周期，當CLKl為高電平，CLK2，CLK3，CLK4為低電平時，閉合開關Kll,Κ21，Κ31，Κ41，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的I號埠流入，從3號埠流出，2號埠為輸出信號的正極性埠，4號埠為輸出信號的負極性埠，輸出的信號為霍爾信號VTH+失調信號V0P1，實現第一周期的電流流向和信號輸出； (2)在第二周期，當CLK2為高電平，CLKl,CLK3，CLK4為低電平時，閉合開關Κ12，Κ22，Κ32，Κ42，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的2號埠流入，從4號埠流出，3號埠為輸出信號的正極性埠，I號埠為輸出信號的負極性埠，輸出信號為-VTH+V0P2，實現第二周期的電流流向和信號輸出； (3)在第三周期，當CLK3為高電平，CLKl,CLK2，CLK4為低電平時，閉合開關Κ13，Κ23，Κ33，Κ43，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的3號埠流入，從I號埠流出，4號埠為輸出信號的正極性埠，2號埠為輸出信號的負極性埠，輸出信號為VTH-VOPl，實現第三周期的電流流向和信號輸出； (4)在第四周期，當CLK4為高電平，CLKl,CLK2，CLK3為低電平時，閉合開關Κ14，Κ24，Κ34，Κ44，其餘開關關斷，電流從霍爾傳感器的4號埠流入，從2號埠流出，3號埠為輸出信號的正極性埠，I號埠為輸出信號的負極性埠，輸出信號為-VTH-V0P2，實現第四周期的電流流向和信號輸出。
5.根據權利要求4所述的一種消除霍爾傳感器失調的四相電流旋轉電路的電流旋轉方法，其特徵在於:所述方法還包括: 放大階段:由於霍爾電壓微弱，ImT的磁場產生IOOuV的霍爾電壓，在測量IOOmT以內的磁場時放大霍爾電壓，由於旋轉電流法調製霍爾信號，所以放大必須在交流狀態下完成，並將放大後的信號通過高通濾波器過濾掉低頻噪聲； 雙相關採樣階段:在設計模擬電路時，採用一種能夠工作在不同運放的雙相關採樣電路和採樣保持電路，該電路使得帶有失調電壓的霍爾信號相減，進而消除失調電壓，該電路的時鐘信號頻率大於外加磁場的最大頻率；該階段是基於開關電容電路，是由二路時鐘信號CLK5和CLK6控制；雙相關採樣電路的第二周期輸出的信號為前兩周期信號相減的結果，為-2VTH+VOP2-VOP1 ;第四周期輸出的信號為三四周期信號相減的結果，為-2VTH-VOP2+VOP1 ； 加法階段:具有採樣保持功能的加法器將第二周期從採樣電路輸出的信號保持住，等待第四周期輸入加法器後將兩者相加；第二周期輸入加法器的信號為-2VTH+VOP2-VOP1，第四周期輸入加法器的信號為-2VTH-VOP2+VOP1 ;該階段兩者相加將埠 2、埠 4方向上的失調電壓VOPl和埠 1、埠 3方向上的失調電壓V0P2抵消，結果為-4VTH，並將結果經過低通濾波器後 輸出。
【文檔編號】G01D3/036GK103542869SQ201310515616
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】徐躍, 王凱玄, 謝小朋, 陳小青, 嶽恆 申請人:南京郵電大學