CN103197132A - Tmr数字电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种TMR数字电流传感器,包括TMR电桥芯片、正电压驱动模块、负电压驱动模块、差分放大器、模数转换器以及数字信号处理器;所述正电压驱动模块和负电压驱动模块为TMR电桥芯片提供电源;所述TMR电桥芯片的输入为电流信号,输出顺序连接所述差分放大器、模数转换器、数字信号处理器,最后通过数字接口输出数字电流信号。本发明结构简单,能够测量直流和工频以及高次谐波,采用数字输出形式,可以有效地测量电流信号,数字输出为后续传输提供方便,并为后续信号处理提供了接口,并能有效降低系统的成本。

Description

TMR数字电流传感器
技术领域
[0001 ] 本发明属于集成电路的硬件实现方法,尤其涉及一种基于TMR (Tunnelingmagneto Resistive,隧穿磁电阻)技术的数字式电流传感器的硬件设计。
背景技术
[0002] 电流传感器是测量电流的必要元件,在所有与电流测量有关的领域有着广泛的需求。
[0003] 由于不同的应用条件,电流传感器大致分隔离和非隔离的两大类;而根据其测量的频率范围和工作原理又分为工频传感器和宽频传感器;此外,按照输出的特点又有模拟电流传感器和数字电流传感器。
[0004] 在很多电流测量应用中,需要非常低功耗,高灵敏度,能抗各种干扰,又需要将电流信号作一定距离的传输,同时还需要测量较宽的频率甚至是直流电流信号。有鉴于此,一种数字式电流传感器的需求就非常明显了。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种结构简单,能够测量直流和工频以及高次谐波,数字输出形式的TMR数字电流传感器。
[0006] 本发明的技术方案如下:
[0007] 一种TMR数字电流传感器,包括以下电路模块:TMR电桥芯片、正电压驱动模块、负电压驱动模块、差分放大器、模数转换器以及数字信号处理器;所述正电压驱动模块和负电压驱动模块为TMR电桥芯片提供电源;所述TMR电桥芯片的输入为电流信号,输出顺序连接所述差分放大器、模数转换器、数字信号处理器,最后通过数字接口输出数字电流信号。
[0008] 其进一步的技术方案为:所述正电压驱动模块、负电压驱动模块、差分放大器、模数转换器以及数字信号处理器集成在同一个基片上,生产成第一裸片;所述TMR电桥芯片生产成第二裸片;所述第一裸片和第二裸片封装在同一个芯片内。
[0009] 以及,其进一步的技术方案为:所述芯片与电流导线相连接。
[0010] 本发明的有益技术效果是:
[0011] 本发明采用多芯片集成电路设计结构,通过TMR集成驱动、放大、模数转换及信号处理的电路具体实现。本发明的TMR数字电流传感器可以有效地测量电流信号,数字输出为后续传输提供方便,并为后续信号处理提供了接口,并能有效降低系统的成本。
[0012] 本发明附加的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0013] 图1是本发明的结构框图。
[0014] 图2是本发明应用于数字变电站的原理框图。[0015] 图3是本发明应用于数字电能表的原理框图。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0017] 图1示出了本发明的电路原理图。如图1所示,本发明包括以下电路模块:TMR电桥芯片、正电压驱动模块A、负电压驱动模块B、差分放大器C、模数转换器(ADC)D以及数字信号处理器(DSP)E。其中,正电压驱动模块A和负电压驱动模块B为TMR电桥芯片提供电源。TMR电桥芯片的输入为电流信号,TMR电桥芯片的输出顺序连接差分放大器C、模数转换器D、数字信号处理器E,最后通过数字接口输出数字电流信号。
[0018] TMR电桥芯片的驱动采用正负电源。正电压驱动模块A、负电压驱动模块B实现正负电压转换,提供TMR电桥芯片激励所需的电源。TMR电桥芯片检测到的差分信号由差分放大器C做阻抗匹配以及信号放大。阻抗匹配实现高阻抗输入以减少TMR电桥芯片与差分放大器C之间的阻抗变化影响量;信号放大实现TMR电桥芯片输出的电压信号被差分放大器C放大到模数转换器D所需要的幅值范围,且此处的放大倍数(PGA河以调节以满足不同电流测量场合。电流信号被放大后,送到模数转换器D,将模拟电流信号转换成数字信号。数字信号处理器E对数字信号进行滤波、线性拟合以及控制PGA处理。数字接口模块实现协议打包生成和外部接收端输出驱动接口。数字信号处理器E处理后的数据最终通过数字接口,按照一定的协议组包后输出数字式电流信号到外部接收端。
[0019] 如图1所示,正电压驱动模块A、负电压驱动模块B、差分放大器C、模数转换器D以及数字信号处理器E采用CMOS工艺设计,集成在同一个基片上,生产成第一裸片Diel。TMR电桥芯片则生产成第二裸片Die2。最后将第一裸片Diel和第二裸片Die2封装在同一个芯片内,构成本发明的TMR电流传感器的芯片部分。
[0020] 此外,本发明还需要在芯片部分的外部加入引导电流流过的电流导线I。TMR电流传感器的芯片部分可以粘贴在电流导线I上,或者采用机械安装结构来固定TMR电流传感器的芯片部分和电流导线I的位置。
[0021] 以下为本发明在两个具体应用环境中的实施例。
[0022] 实施例一
[0023] 图2为本发明的TMR电流传感器应用于数字变电站的原理图。如图2所示,在数字变电站系统中,TMR电流传感器是信号采集的开始部分;电流经由相线流过负载,最后经零线流回去。本发明的TMR电流传感器与相线直接通过磁场耦合,采集到随电流变化的磁场变化,经TMR电流传感器的放大和模数转换后输出数字信号。TMR电流传感器的DSP对数字信号滤波和线性拟合后打包成IEC61085报文,输出到外围电路的光电转换模块。光电转换模块通过光纤将IEC61085报文发给主控系统(图中未不出),同时光电转换模块也将光纤上传了的光能量转换成电能以供给TMR电流传感器的工作电压。
[0024] 实施例二
[0025] 图3为本发明的TMR电流传感器应用于数字电能表的原理图。本发明的TMR电流传感器可与其他类似传感器相组合,再结合电能计量算法和通讯处理功能的微处理器以形成一个完整的电能表,实现三相或者单相供电系统的电能消耗量的计量测量。
[0026] 如图3所示,在数字电能表中,电流通过相线时产生磁场,发明的TMR电流传感器检测到磁场的变化而电阻变化,施加激励电压后,输出随磁场变化而变化的电压信号。由于磁场和电流是线性正比的,所以其输出电压随相线电流变化而线性变化。
[0027] 经TMR电流传感器放大和模数转换成后输出数字信号,最后经TMR电流传感器的DSP对数字信号做滤波和线性拟合处理。协议处理接口生成一个数据包,为了接口方便,提供SPI接口方式。
[0028] 外围电路中的电阻RO和电阻Rl将相线和零线之间的电压进行分压处理,将电网电压从220V转换成模数转换需要的电压范围。通常为了安全和可靠性考虑,电阻Rl选用的阻值为1ΚΩ而电阻RO选用的阻值为1ΜΩ。因此,输入到外围电路中的ADC模块的电压采用信号就只有220mV,满足ADC模块的输入要求。
[0029] 外围电路中的MCU模块将电流和电压数字信号采集之后,做以下运算:
[0030] p(t)=v(t)*i (t), E= f P (t) dto
[0031] 上述运算是将电流和电压相乘得到瞬时功率,累加得到电能量。然后对电能量进行存储,通过IXD模块对这些信息进行显示,通过RS485接口模块与抄表系统(图中未示出)通讯。
[0032] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式,本发明不限于以上实施例。可以理解,本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化,均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种TMR数字电流传感器,其特征在于:包括TMR电桥芯片、正电压驱动模块、负电压驱动模块、差分放大器、模数转换器以及数字信号处理器;所述正电压驱动模块和负电压驱动模块为TMR电桥芯片提供电源;所述TMR电桥芯片的输入为电流信号,输出顺序连接所述差分放大器、模数转换器、数字信号处理器,最后通过数字接口输出数字电流信号。
2.根据权利要求1所述TMR数字电流传感器,其特征在于:所述正电压驱动模块、负电压驱动模块、差分放大器、模数转换器以及数字信号处理器集成在同一个基片上,生产成第一裸片;所述TMR电桥芯片生产成第二裸片;所述第一裸片和第二裸片封装在同一个芯片内。
3.根据权利要求2所述TMR数字电流传感器,其特征在于:所述芯片与电流导线相连接。
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