CN103542869B - 一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路，该电路是由16个开关管构成；时钟信号CLK1控制K11、K21、K31、K41；时钟信号CLK2控制K12、K22、K32、K42；时钟信号CLK3控制K13、K23、K33、K43；时钟信号CLK4控制K14、K24、K34、K44；开关管K11，K24，K33，K42的一端与霍尔传感器的1号端口相连，开关管K12，K23，K34，K41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管K13，K22，K31，K44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管K14，K21，K32，K43的一端与霍尔传感器的4号端口相连；开关管K11，K12，K13，K14的另一端与VDD相连，开关管K21，K22，K23，K24的另一端与V-输出相连，开关管K31，K32，K33，K34的另一端与GND相连，开关管K41，K42，K43，K44的另一端与V+输出相连。
Description
技术领域
本发明涉及电学技术领域，特别涉及一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路。
背景技术
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换元件,凭借其工艺简单、体积小、生产成本低、安装简便、工作电压范围宽、使用寿命长、测量精度高以及防尘、防油等优点,已经广泛地应用到工业变频控制、交通运输、医疗系统、电子消费品和各类智能仪表等领域。
然而基于硅工艺的霍尔传感器的磁场灵敏度低，失调很严重，必须采用相应的技术来消除失调。目前国内外消除失调电压和低频噪声的技术有旋转电流技术、斩波调制技术以及双相关采样技术等。其中双相关采样技术需要采样、保持的处理过程，因此电路的输入端会引入较大的失调电压，只适用于要求不高的数据采样系统。而斩波调制技术结合了调制、解调的优点，电路引入的残余失调较低，能够使用要求严格的连续信号处理系统。然而这两种消除失调的技术只能消除霍尔传感器自身产生的失调电压，对外部电路产生的失调效应无能为力。旋转电流法的电路结构简单、原理通俗易懂，并且能够动态消除失调电压和低频噪声，因此得到了广泛的应用。
传统的旋转电流法一般采用二相旋转电流法，并且根据不同的工作方式可以分为静态旋转电流法和动态旋转电流法。然而，二相旋转电流法总是无法将所有的残余失调全部去除，使得霍尔信号仍然带有一定的失调和噪声。而本发明能够很好地解决上面的问题。
发明内容
本发明目的在于针对传统的消除霍尔失调的二相电流旋转方法提出了一种新颖的四相电流旋转方法，该方法能在最大程度上消除霍尔传感器产生的失调电压，而且电路结构简单，不会增加电路制造的成本。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明针对消除霍尔传感器的失调电压和低频噪声提出了一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路，如图1所示，该电路是由16个开关管（K11、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44）构成。时钟信号CLK1控制K11、K21、K31、K41；时钟信号CLK2控制K12、K22、K32、K42；时钟信号CLK3控制K13、K23、K33、K43；时钟信号CLK4控制K14、K24、K34、K44。开关管K11，K24，K33，K42的一端与霍尔传感器的1号端口相连，开关管K12，K23，K34，K41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管K13，K22，K31，K44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管K14，K21，K32，K43的一端与霍尔传感器的4号端口相连。开关管K11，K12，K13，K14的另一端与VDD相连，开关管K21，K22，K23，K24的另一端与V-输出相连，开关管K31，K32，K33，K34的另一端与GND相连，开关管K41，K42，K43，K44的另一端与V+输出相连。该电路的霍尔磁传感器件内部是对称的结构，通常有四个输入/输出端口，其中两个端口输入偏置电压或电流，另外两个端口输出霍尔信号，四个端口分别用端口1，2，3，4表示，如果端口1和端口3之间接入偏置电压或电流，则端口2和端口4之间输出霍尔信号；如果端口2和端口4之间接入偏置电压或电流，则端口1和端口3之间输出霍尔信号。
本发明整体电路主要由电流旋转电路，放大电路，高通滤波器，双相关采样电路，具有采样保持功能的加法电路和低通滤波器实现。霍尔传感器的四个端口接入电流旋转电路，并在时钟信号的控制下使霍尔传感器不断在四种不同的工作方式下变化。霍尔信号经电流旋转电路后引入放大电路，放大电路与高通滤波器相连，高通滤波器的另一端与双相关采样电路相连，解调后的信号输入具有采样保持功能的加法电路，将前后周期产生的信号相加，后经低通滤波器输出。
本发明还提供一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路的方法，该方法包括：
（1）电流旋转阶段：通过在四个连续的时钟周期内轮流闭合四组开关来实现霍尔传感器的四相电流旋转，如图1所示。在第一周期，当CLK1为高电平，CLK2，CLK3，CLK4为低电平时，闭合开关K11，K21，K31，K41，其余开关关断，电流从霍尔传感器的1号端口流入，从3号端口流出，2号端口为输出信号的正极性端口，4号端口为输出信号的负极性端口，输出的信号为（霍尔信号VTH+失调信号VOP1），实现第一周期的电流流向和信号输出。在第二周期，当CLK2为高电平，CLK1，CLK3，CLK4为低电平时，闭合开关K12，K22，K32，K42，其余开关关断，电流从霍尔传感器的2号端口流入，从4号端口流出，3号端口为输出信号的正极性端口，1号端口为输出信号的负极性端口，输出信号为（-VTH+VOP2），实现第二周期的电流流向和信号输出。在第三周期，当CLK3为高电平，CLK1，CLK2，CLK4为低电平时，闭合开关K13，K23，K33，K43，其余开关关断，电流从霍尔传感器的3号端口流入，从1号端口流出，4号端口为输出信号的正极性端口，2号端口为输出信号的负极性端口，输出信号为（VTH-VOP1），实现第三周期的电流流向和信号输出。在第四周期，当CLK4为高电平，CLK1，CLK2，CLK3为低电平时，闭合开关K14，K24，K34，K44，其余开关关断，电流从霍尔传感器的4号端口流入，从2号端口流出，3号端口为输出信号的正极性端口，1号端口为输出信号的负极性端口，输出信号为（-VTH-VOP2），实现第四周期的电流流向和信号输出。具体四个周期的电流流向和信号输出如图3所示。
（2）放大阶段：由于霍尔传感器探测到的信号过于微弱，将经过电流旋转电路的带有失调电压的霍尔信号引入放大器进行放大。
（3）双相关采样阶段：根据双相关采样电路的特性，本发明可知该电路可以将第二周期输入的信号和第一周期输入的信号进行相减。假设，第一周期由霍尔传感器探测到从放大器输出的霍尔电压为VTH，带有的失调电压为VOP1。由于磁场变化频率远小于时钟信号频率，第二周期由霍尔传感器探测到从放大器输出的霍尔电压仍为VTH，带有的失调电压为VOP2。本发明可知，第一周期输入采样电路的信号为（VTH+VOP1），由于电流流向的旋转，第二周期输入采样电路的信号为（-VTH+VOP2），由于双相关采样电路的相减功能，第二周期该电路流出的信号应为（-2VTH+VOP2-VOP1）。另外，由于第三周期的电流流向与第一周期相比正好完全相反，所以失调电压的极性发生翻转，同时由于V+和V-的位置也发生对调，所以第一周期与第三周期的霍尔电压的极性保持不变。同理可知，第二周期和第四周期的失调电压的极性相反，霍尔电压的极性保持不变。因此，第三周期输入采样电路的信号为（VTH-VOP1），第四周期输入采样电路的信号为（-VTH-VOP2），第四周期该电路流出的信号应为（-2VTH-VOP2+VOP1）。
（4）采样保持和信号相加阶段：具有采样保持功能的加法器可以将第二周期从采样电路输出的信号保持住，同时本发明将时钟信号（该时钟频率为输入双相关采样电路的时钟频率的1/2）输入加法器中，使其等待第四周期输入加法器的信号并将两个信号相加。本发明已经得知，第二周期输入加法电路的信号应为（-2VTH+VOP2-VOP1），第四周期输入加法电路的信号应为（-2VTH-VOP2+VOP1），二者相加的结果为（-4VTH）。由输出结果可知，该电路结构成功消除霍尔传感器在各个方向上产生的失调电压。
有益效果：
本发明所述四相电流旋转方法相对于传统的消除霍尔传感器的失调电压的方法，主要存在以下几个突出的优点：
1、本发明的电路结构简单；该电路只需要十六只NMOS管即可实现功能，相对于其他消除失调的电路更加简单，可以节省面积，降低制造成本。
2、本发明能够最大程度消除失调；本发明将四种工作方式下的霍尔信号进行相加减，在最大程度上消除霍尔传感器的失调电压，相对于传统的二相电流旋转法效果更加明显。
附图说明
图1是本发明提出的实现四相电流旋转的开关控制原理图。
标识说明：1-表示1号端口；2-表示2号端口；3-表示3号端口；4-表示4号端口。
图2是利用四相旋转电流法来消除霍尔传感器的失调电压的整体电路原理图。
图3是四相电流旋转所实现的四种具体的霍尔传感器的工作方式示意图。
标识说明：1-表示1号端口；2-表示2号端口；3-表示3号端口；4-表示4号端口。
图4是图1提出的开关控制电路的具体实现电路流程图。
标识说明：1-表示1号端口；2-表示2号端口；3-表示3号端口；4-表示4号端口。
图5是图4中控制四组开关电路的四相时钟信号的时序图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明专利作进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示，本发明的电路由16个开关管（K11、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44）构成。时钟信号CLK1控制K11、K21、K31、K41；时钟信号CLK2控制K12、K22、K32、K42；时钟信号CLK3控制K13、K23、K33、K43；时钟信号CLK4控制K14、K24、K34、K44。开关管K11，K24，K33，K42的一端与霍尔传感器的1号端口相连，开关管K12，K23，K34，K41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管K13，K22，K31，K44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管K14，K21，K32，K43的一端与霍尔传感器的4号端口相连。开关管K11，K12，K13，K14的另一端与VDD相连，开关管K21，K22，K23，K24的另一端与V-输出相连，开关管K31，K32，K33，K34的另一端与GND相连，开关管K41，K42，K43，K44的另一端与V+输出相连。本发明电路的霍尔磁传感器件内部是对称的结构，通常有四个输入/输出端口，其中两个端口输入偏置电压或电流，另外两个端口输出霍尔信号，四个端口分别用端口1，2，3，4表示，如果端口1和端口3之间接入偏置电压或电流，则端口2和端口4之间输出霍尔信号；如果端口2和端口4之间接入偏置电压或电流，则端口1和端口3之间输出霍尔信号。
本发明图1所示的16只开关管可由16只NMOS管实现，如图4所示，本发明的MN2、MN7、MN10、MN15的栅极与时钟信号CLK1相连；MN1、MN8、MN9、MN16的栅极与时钟信号CLK2相连；MN3、MN5、MN11、MN13的栅极与时钟信号CLK3相连；MN4、MN6、MN12、MN14的栅极与时钟信号CLK4相连。MN2、MN6、MN11、MN16的漏极与霍尔传感器的1号端口相连；MN1、MN5、MN12、MN15的漏极与霍尔传感器的2号端口相连；MN3、MN8、MN10、MN14的漏极与霍尔传感器的3号端口相连；MN4、MN7、MN9、MN13的漏极与霍尔传感器的4号端口相连。MN1、MN2、MN3、MN4的源极与VDD相连；MN5、MN6、MN7、MN8的源极与V-输出相连；MN9、MN10、MN11、MN12的源极与GND相连；MN13、MN14、MN15、MN16的源极与V+输出相连。
如图2所示，本发明整体电路主要由电流旋转电路，放大电路，高通滤波器，双相关采样电路，具有采样保持功能的加法电路和低通滤波器实现。霍尔传感器的四个端口接入电流旋转电路，并在时钟信号的控制下使霍尔传感器不断在四种不同的工作方式下变化。霍尔信号经电流旋转电路后引入放大电路，放大电路与高通滤波器相连，高通滤波器的另一端与双相关采样电路相连，解调后的信号输入具有采样保持功能的加法电路，将前后周期产生的信号相加，后经低通滤波器输出。
实施例二
如图4所示，本发明还提供了一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路的电流旋转方法，该电路的电流旋转的具体方法如下，工作过程分为以下四个周期：
（1）第一周期：开关管MN2、MN7、MN10、MN15闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的1端口接VDD，2端口接V+输出，3端口接GND，4端口接V-输出。规定该周期的霍尔电压为VTH，2、4方向上产生的失调电压为VOP1，所以第一周期输出的信号为（VTH+VOP1）。
（2）第二周期：开关管MN1、MN8、MN9、MN16闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的1端口接V+输出，2端口接VDD，3端口接V-输出，4端口接GND。由于磁场变化频率远小于时钟信号频率，而且电流流向的旋转，该周期的霍尔电压变为-VTH，1、3方向上产生的失调电压为VOP2，所以第二周期输出的信号为（-VTH+VOP2）。
（3）第三周期：开关管MN3、MN5、MN11、MN13闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的1端口接GND，2端口接V-输出，3端口接VDD，4端口接V+输出。由于电流流向相对第一周期旋转180度，同时V+和V-的位置发生对调，该周期的霍尔电压为VTH，2、4方向上产生的失调电压为-VOP1，所以第三周期输出的信号为（VTH-VOP1）。
（4）第四周期：开关管MN4、MN6、MN12、MN14闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的1端口接V-输出，2端口接GND，3端口接V+输出，4端口接VDD。由于电流流向相对第二周期旋转180度，同时V+和V-的位置发生对调，该周期的霍尔电压为-VTH，1、3方向上产生的失调电压为-VOP2，所以第三周期输出的信号为（-VTH-VOP2）。
放大阶段：由于霍尔电压非常微弱（1mT的磁场差不多产生100uV的霍尔电压），因此在测量100mT以内的磁场时必须放大霍尔电压。由于旋转电流法可以调制霍尔信号，所以放大必须在交流状态下完成。并将放大后的信号通过高通滤波器过滤掉低频噪声。
双相关采样阶段：本发明主要是对霍尔传感器的失调现象通过双相关采样技术来进行消除。在设计模拟电路时，采用一种能够工作在不同运放的双相关采样电路和采样保持电路。这种电路的主要功能是能够使得带有失调电压的霍尔信号相减，进而消除失调电压，注意这种电路所采用的时钟信号频率必须大于外加磁场的最大频率。该技术主要基于开关电容电路，它是由二路时钟信号CLK5和CLK6控制，如图5所示。因此，本发明可得双相关采样电路的第二周期输出的信号为前两周期信号相减的结果，为（-2VTH+VOP2-VOP1）。第四周期输出的信号为三四周期信号相减的结果，为（-2VTH-VOP2+VOP1）。
加法阶段：具有采样保持功能的加法器可以将第二周期从采样电路输出的信号保持住，等待第四周期输入加法器后将两者相加，本发明从上一阶段已知，第二周期输入加法器的信号为（-2VTH+VOP2-VOP1），第四周期输入加法器的信号为（-2VTH-VOP2+VOP1）。该阶段将两者相加可将端口2、4方向上的失调电压VOP1和端口1、3方向上的失调电压VOP2抵消，结果为-4VTH，并将结果经过低通滤波器后输出。
Claims (5)
1.一种消除霍尔传感器失调的四相电流旋转电路，其特征在于：所述电路是由K11、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44的16个开关管构成，16个开关管均由NMOS管实现，并连接霍尔磁传感器件的四个输入/输出端口；时钟信号CLK1控制K11、K21、K31、K41；时钟信号CLK2控制K12、K22、K32、K42；时钟信号CLK3控制K13、K23、K33、K43；时钟信号CLK4控制K14、K24、K34、K44；开关管K11，K24，K33，K42的一端与霍尔传感器的1号端口相连，开关管K12，K23，K34，K41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管K13，K22，K31，K44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管K14，K21，K32，K43的一端与霍尔传感器的4号端口相连；开关管K11，K12，K13，K14的另一端与VDD相连，开关管K21，K22，K23，K24的另一端与V-输出相连，开关管K31，K32，K33，K34的另一端与GND相连，开关管K41，K42，K43，K44的另一端与V+输出相连。
2.根据权利要求1所述的一种消除霍尔传感器失调的四相电流旋转电路，其特征在于：所述电路中的霍尔磁传感器件内部是对称的结构，有四个输入/输出端口，其中两个端口输入偏置电压或电流，另外两个端口输出霍尔信号，四个端口分别用端口1，2，3，4表示，如果端口1和端口3之间接入偏置电压或电流，则端口2和端口4之间输出霍尔信号；如果端口2和端口4之间接入偏置电压或电流，则端口1和端口3之间输出霍尔信号；霍尔信号和失调信号经过放大，高通滤波，双相关采样和相加运算。
3.根据权利要求1或2所述的一种消除霍尔传感器失调的四相电流旋转电路，其特征在于：所述电路中的霍尔信号经电流旋转电路后引入放大电路，放大电路与高通滤波器相连，高通滤波器的另一端与双相关采样电路相连，解调后的信号输入具有采样保持功能的加法电路，将前后周期产生的信号相加，后经低通滤波器输出。
4.一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路的电流旋转方法，其特征在于，所述方法包括：
（1）在第一周期，当CLK1为高电平，CLK2，CLK3，CLK4为低电平时，闭合开关K11，K21，K31，K41，其余开关关断，电流从霍尔传感器的1号端口流入，从3号端口流出，2号端口为输出信号的正极性端口，4号端口为输出信号的负极性端口，输出的信号为霍尔信号VTH+失调信号VOP1，实现第一周期的电流流向和信号输出；
（2）在第二周期，当CLK2为高电平，CLK1，CLK3，CLK4为低电平时，闭合开关K12，K22，K32，K42，其余开关关断，电流从霍尔传感器的2号端口流入，从4号端口流出，3号端口为输出信号的正极性端口，1号端口为输出信号的负极性端口，输出信号为-VTH+VOP2，实现第二周期的电流流向和信号输出；
（3）在第三周期，当CLK3为高电平，CLK1，CLK2，CLK4为低电平时，闭合开关K13，K23，K33，K43，其余开关关断，电流从霍尔传感器的3号端口流入，从1号端口流出，4号端口为输出信号的正极性端口，2号端口为输出信号的负极性端口，输出信号为VTH-VOP1，实现第三周期的电流流向和信号输出；
（4）在第四周期，当CLK4为高电平，CLK1，CLK2，CLK3为低电平时，闭合开关K14，K24，K34，K44，其余开关关断，电流从霍尔传感器的4号端口流入，从2号端口流出，3号端口为输出信号的正极性端口，1号端口为输出信号的负极性端口，输出信号为-VTH-VOP2，实现第四周期的电流流向和信号输出。
5.根据权利要求4所述的一种消除霍尔传感器失调的四相电流旋转电路的电流旋转方法，其特征在于：所述方法还包括：
放大阶段：由于霍尔电压微弱，1mT的磁场产生100uV的霍尔电压，在测量100mT以内的磁场时放大霍尔电压，由于旋转电流法调制霍尔信号，所以放大必须在交流状态下完成，并将放大后的信号通过高通滤波器过滤掉低频噪声；
双相关采样阶段：在设计模拟电路时，采用一种能够工作在不同运放的双相关采样电路和采样保持电路，该电路使得带有失调电压的霍尔信号相减，进而消除失调电压，该电路的时钟信号频率大于外加磁场的最大频率；该阶段是基于开关电容电路，是由二路时钟信号CLK5和CLK6控制；双相关采样电路的第二周期输出的信号为前两周期信号相减的结果，为-2VTH+VOP2-VOP1；第四周期输出的信号为三四周期信号相减的结果，为-2VTH-VOP2+VOP1；
加法阶段：具有采样保持功能的加法器将第二周期从采样电路输出的信号保持住，等待第四周期输入加法器后将两者相加；第二周期输入加法器的信号为-2VTH+VOP2-VOP1，第四周期输入加法器的信号为-2VTH-VOP2+VOP1；该阶段两者相加将端口2、端口4方向上的失调电压VOP1和端口1、端口3方向上的失调电压VOP2抵消，结果为-4VTH，并将结果经过低通滤波器后输出。
Priority Applications (1)
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