一种用于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置的制作方法

本发明属于角度检测技术领域，涉及一种用于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置。

背景技术：

角度测量传感器一般有接触式和非接触式两种方法。接触式角度测量传感器由于存在机械接触，使用寿命和测量精度受到了很大限制；基于霍尔器件的磁效应(磁电转换)的非接触式角度磁敏感传感器，由于其结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高等优点，被广泛用于各种工程测量领域。

目前，在航天、航空系统和工业控制等领域中，需要检测的角度信号的量级越来越小，要求更高精度的信号处理装置。在采用的霍尔线性器件的角度检测系统中，一方面，由于输出信号为幅值较小的模拟量，信号处理是否合理，能否获取分辨率较高、可靠性较强的角度测量值，直接影响到检测的精度；另外一方面，随着产品的愈加小型化，对信号处理装置的尺寸要求也越来越紧凑。因此，在霍尔器件角度检测系统中需要一种高带宽、高精度、高动态范围、高集成度的信号处理装置。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种用于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置，该装置能够精确地检测出霍尔器件角度传感器的角度值，将霍尔器件角度传感器输出的模拟信号进行有效地降噪处理，进行量化和数据处理后传输给外部设备对输出信号实时进行采集。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供用于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置，其包括基准源模块、信号处理前端模块、模数转换模块、数据处理模块、通信接口模块，基准源模块和信号处理前端模块分别连接霍尔器件角度传感器，基准源模块为霍尔器件角度传感器提供稳定的激励源，霍尔器件角度传感器测得系统的角度信息，并传送至信号处理前端模块，信号处理前端模块将接收到的模拟信号在规定带宽内实现降噪处理和阻抗匹配，处理后的模拟信号经模数转换器量化为数字信号，数据处理模块一方面将量化的数字信号进行处理运算，转换为霍尔器件角度检测系统中对应的角度值，通过通信接口模块与外部设备进行信息交互；另一方面产生模数转换器所需的控制信号，对模数转换器进行相应的参数设置。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的用于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置，链路清晰，在很宽频域范围内实现高精度的角度测量，并且体积小巧，使用灵活方便，增益可调，能够方便用户在不同的工作条件和应用场所寻找最佳的工作参数。

附图说明

图1是基于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置的原理框图。

图2是信号处理前端模块电路原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明用于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置的设计指标如下：

体积小：4cm*4cm*2cm；

重量轻：不大于0.1kg；

功耗小：不大于1w；

高带宽条件下，实现了较高地信噪比：50db(带宽70khz)；

电气接口简单，兼容性强(通信为标准422接口，单12v供电)；

成本低，可靠性高。

如图1所示，本发明一种用于霍尔器件角度检测系统的信号处理装置包括电源模块、基准源模块、信号处理前端模块、模数转换模块、数据处理模块、通信接口模块，信号处理前端模块包含差分放大和低通滤波两个部分。基准源模块采用高精度基准源模块。

各模块的连接方式为：

所述电源模块用于将外部供电转换为装置内部各模块所需要的稳定供电电源；

所述信号处理前端模块与霍尔器件角度传感器、高精度基准源模块、模数转换模块相连；

所述模数转换模块与信号处理前端模块、数据处理模块相连；

所述数据处理模块与模数转换模块、通信接口模块相连；

所述通信接口模块与数据处理模块和外部设备相连；

所述高精度基准源模块与霍尔器件角度传感器、信号处理前端模块相连。

各模块的主要功能为：

所述电源模块用于将外部输入电源转换为所述驱动控制装置各模块所需要的供电电源。

霍尔器件角度传感器测得系统的角度信息，并传送至信号处理前端模块，所述信号处理前端模块是本装置的核心控制单元，霍尔器件角度检测系统读出信号的数字化处理流程中，信号处理前端模块是整个信号处理系统的最前端，其输出模拟信号经模数转换器量化为数字信号，其后的数字处理模块几乎不会被噪声等非理想因素干扰，因此信号处理装置中模拟前端模块的性能直接决定了整个信号处理的信噪比。

信号处理前端模块包含差分放大和低通滤波两个部分，其功能为将霍尔器件角度传感器的模拟信号在规定带宽内实现降噪处理和阻抗匹配。本装置选用差分放大器高共模抑制比的差分放大器，输入正端连接霍尔器件角度传感器的输出信号，输入负端连接高精度基准源模块的输出端，利用电阻分压方式得到合适的基准电压，通过此方法可以有效地遏制零点漂移，并增加抑制噪声和干扰的能力，增益电阻选用可调电阻器来满足不同应用环境中霍尔器件角度传感器增益设置。低通滤波器选用rc滤波以减小装置的体积，同时在差分输出信号之间增加匹配的电阻电容降低外界干扰。

所述模数转换模块将信号处理前端模块处理过的模拟信号转化为数字信号。

所述数据处理模块一方面将模数转换模块量化的数字量进行处理运算，转换为霍尔器件角度检测系统中对应的角度值，通过通信接口模块与外部设备进行信息交互；另一方面产生模数转换器所需的控制信号，对模数转换器进行相应的参数设置。

所述通信接口模块实现外部设备与信号处理装置的通信功能，本装置通信接口为标准422接口。

所述高精度基准源模块为霍尔器件角度传感器提供稳定的激励源，需要对环境中的尖脉冲有很好的抑制作用，避免因电源波动引起的不必要的干扰，从而提高霍尔器件角度传感器输出信号的稳定度。

如图1所示，一种基于霍尔器件角度传感器检测系统的信号处理装置的原理框图各模块的具体实施方案如下。

电源模块是整个系统稳定工作的保证，根据电路各元器件供电要求设计相应的电压变换模块，模块采用dc/dc+ldo的方式实现。应用dc/dcltc3621实现得到各模块所需电压。应用ldolt1763降低电源的纹波噪声(lt1763噪声值为20uvrms)，以提高电源的稳定精度。

所述信号处理前端模块是本装置的核心控制单元，包含差分放大和低通滤波两个部分，图2是信号处理前端模块原理框图。差分放大选用器件ths4520，此款芯片具有高带宽、高无杂散动态范围、低噪声等特点，具体指标为：输入电压噪声为2.2nv/hz1/2；带宽为620mhz；压摆率为570v/μs；共模抑制比84db；单电源+5v供电。低通滤波器针对70khz带宽要求，rc参数应满足：

信号处理前端模块参数表见表1。

表1信号处理前端模块参数表

所述模数转换模块将信号处理前端模块处理过的模拟信号转化为数字信号，选用器件为ads8354，其特点16位分辨率，采样速率最大可达700ksps，信噪比为93db，支持全差分模拟输入，包含有两个可独立编程的基准电压源，可用于系统级的增益校准，并且配有一个可在宽电源供电范围内运行的灵活串行接口，从而轻松实现与多种主机控制器的通信。

所述数据处理模块选用单片机作为主控芯片，实现数据处理、模数转换器控制、通信协议等功能。综合考虑接口需求，单片机选用ti公司生产的tm4c123ah6pmi。该型号mcu的特点有：arm-m4f内核，单周期乘法指令和硬件除法器；80mhz运行频率，256k单周期flash，32k单周期sram；8个uart内核，四个spi接口，能够满足本装置的要求。

所述通信接口模块为标准422接口，rs422接口是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，数据信号采用差分传输方式。接口芯片选用adm3490arz，rs422接口电路的供电电压为+3.3v。外围电路信号接口端匹配电阻为110ω，并增加750ω上拉电阻和下拉电阻。

所述高精度基准源模块为霍尔器件角度传感器提供稳定的激励源，adr445arm是一款2.5μvpp/v噪声、3ppm/℃漂移精密电压基准，输出电压经过电容滤波，使输出电压更稳定，纹波更小。同时将输出激励源采用电阻分压方式得到合适的基准电压，给差分放大器的负端，通过此方法可以有效地遏制零点漂移，并增加抑制噪声和干扰的能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。