CN107437934B - 一种全极性霍尔传感器开关 - Google Patents

一种全极性霍尔传感器开关 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全极性霍尔传感器开关，包括：一霍尔元件，其感应环境磁场并输出相应的霍尔电压；一放大采样电路，其放大所述霍尔电压，并将放大后的霍尔电压进行存储；一电压阈值设置电路，其产生两个电压阈值；以及一判断逻辑电路，其分别比较存储的所述霍尔电压与两个所述电压阈值的大小，并将两组比较结果信号进行相或后输出。本发明不仅降低芯片功耗，同时具有更高的检测速度，以解决全极性霍尔传感器开关在功耗和检测时间之间的固有矛盾。

Description

一种全极性霍尔传感器开关
技术领域
本发明涉及一种霍尔传感器，具体涉及一种全极性霍尔传感器开关。
背景技术
传感器在工业、通信、仪器制造等领域中已经得到广泛的应用，在各种传感器检测磁场的应用中，霍尔传感器是最普遍和常用的。全极性霍尔传感器开关要求既可以感应磁场的南极，又可以感应磁场的北极。现有的检测技术中有两种方法：方案一如图1所示，采用两个单极性霍尔传感器开关1和2分别检测磁场南极、磁场北极，虽然这种技术可以实现全极性霍尔传感器开关功能，但要消耗更多的功耗和芯片面积；方案二如图2所示，采用更多的数字逻辑开关控制单极性开关霍尔实现全极性霍尔传感器开关，当开关S1a～S6b第一次闭合时，检测磁场的南极，开关S1a～S6b第二次闭合时检测磁场的北极。方案二相对于方案一可以节约一定的功耗，但是此方案以增加检测时间为代价，大大降低了霍尔传感器的检测速度。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术的不足而提供一种全极性霍尔传感器开关，不仅降低芯片功耗，同时具有更高的检测速度，以解决全极性霍尔传感器开关在功耗和检测时间之间的固有矛盾。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种全极性霍尔传感器开关，包括：
一霍尔元件，其感应环境磁场并输出相应的霍尔电压；
一放大采样电路，其放大所述霍尔电压，并将放大后的霍尔电压进行存储；
一电压阈值设置电路，其产生两个电压阈值；以及
一判断逻辑电路，其分别比较存储的所述霍尔电压与两个所述电压阈值的大小，并将两组比较结果信号进行相或后输出。
进一步地，所述放大采样电路包括：
一放大器AMP，其两个输入端分别接所述霍尔元件的两个输出端；
一电容C1，其上极板通过开关S1a接放大器AMP的正输出端，下极板通过开关S1b接放大器AMP的负输出端；以及
一电容C3，其上极板通过开关S1c接放大器AMP的正输出端，下极板通过开关S1d接放大器AMP的负输出端。
进一步地，所述电压阈值设置电路包括：
一电容C2，其上极板通过开关S6a接电容C1的上极板，下极板通过开关S6b接电容C1的下极板；
一电容C4，其上极板通过开关S6c接电容C3的上极板，下极板通过开关S6d接电容C3的下极板；以及
依次串联在电源端与地之间的电阻R1～R6，其中电阻R1和R2的连接点通过一开关S2接电容C2的的上极板，电阻R2和R3的连接点通过一开关S3接电容C2的的上极板，电阻R3和R4的连接点分别接电容C2和C4的的下极板,电阻R4和R5的连接点通过一开关S4接电容C4的的上极板，电阻R5和R6的连接点通过一开关S5接电容C4的的上极板。
进一步地，所述判断逻辑电路包括：
一比较器COMP1，其正输入端接电阻R3和R4的连接点，负输入端通过开关S6e接电容C2的正极板；
一比较器COMP2，其负输入端接电阻R3和R4的连接点，正输入端通过开关S6f接电容C4的正极板；以及
一或门OR，其两个输入端分别连接所述比较器COMP1和COMP2的输出端。
优选地，所述电容C1和C3的电容值相同，所述电容C2和C4的电容值相同。
优选地，所述电阻R1和R6的阻值相同，所述电阻R2和R5的阻值相同，所述电阻R3和R4的阻值相同。
优选地，所述开关S1a～S6f与一控制器连接。
通过采用上述技术方案，本发明相对现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明霍尔传感开关检测磁场南极和北极时共用一个霍尔元件和一个放大器，与现有技术使用两个霍尔元件和两个放大器的方案一相比，减少了一个霍尔元件和一个放大器，将大大降低芯片的功耗和面积。
(2)本发明采用两个比较器同时对北极和南极磁场强度进行并行比较判断，与现有技术需要两个检测周期的方案二相比，本发明的检测时间可以减半，从而大大提高传感器的检测速度。
(3)两个比较器磁滞的设定采用公用的电阻实现，相对于方案一，芯片面积、功耗也均有降低。
附图说明
图1为现有技术实现全极性霍尔传感器开关的方案一的电路原理图；
图2为现有技术实现全极性霍尔传感器开关的方案二的电路原理图；
图3为本发明全极性霍尔传感器开关的电路原理图；
图4为本发明磁场极性检测的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实实例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
如图3所示，本发明全极性霍尔传感器开关，包括依次连接的一霍尔元件101、一放大采样电路102、一电压阈值设置电路103和一判断逻辑电路104。其中，放大采样电路101包括：一放大器AMP，其两个输入端分别接霍尔元件的两个输出端；一电容C1，其上极板通过开关S1a接放大器AMP的正输出端，下极板通过开关S1b接放大器AMP的负输出端；以及一电容C3，其上极板通过开关S1c接放大器AMP的正输出端，下极板通过开关S1d接放大器AMP的负输出端。电压阈值设置电路103包括：一电容C2，其上极板通过开关S6a接电容C1的上极板，下极板通过开关S6b接电容C1的下极板；一电容C4，其上极板通过开关S6c接电容C3的上极板，下极板通过开关S6d接电容C3的下极板；以及依次串联在电源端VDD与地之间的电阻R1～R6，其中电阻R1和R2的连接点通过一开关S2接电容C2的的上极板，电阻R2和R3的连接点通过一开关S3接电容C2的的上极板，电阻R3和R4的连接点分别接电容C2和C4的的下极板,电阻R4和R5的连接点通过一开关S4接电容C4的的上极板，电阻R5和R6的连接点通过一开关S5接电容C4的的上极板。判断逻辑电路104包括：一比较器COMP1，其正输入端接电阻R3和R4的连接点，负输入端通过开关S6e接电容C2的正极板；一比较器COMP2，其负输入端接电阻R3和R4的连接点，正输入端通过开关S6f接电容C4的正极板；以及一或门OR，其两个输入端分别连接比较器COMP1和COMP2的输出端。
下面对本实施例的电路进一步详细描述：
霍尔元件101负责感应所处环境的磁场强度，并输出相应的霍尔电压到放大采样电路102中放大器AMP的两个输入端；放大采样电路102负责将微弱的霍尔电压放大，并将放大后的霍尔电压存入电容C1、C3，则C1、C3存入了当前磁场对应的霍尔电压信息；电压阈值设置电路103负责设置电压阈值：通过设置不同电阻所分电压存入C2、C4，则C2、C4存入了设定的电压阈值；判断逻辑电路104负责将放大采样电路102存储的环境磁场对应的霍尔电压信息与电压阈值设置电路103设置的电压阈值进行比较，通过比较器COMP1、COMP2判断当前磁场是否达到设定阈值，最后将判断结果通过或门OR输出。
本实施例全极性霍尔传感器开关的具体工作步骤如下：
首先将开关S1a～S1d闭合，进入采样阶段，将霍尔元件101感应出的微弱霍尔电压经过增益放大器AMP放大后，存储在电容C1和C3中。同时根据OUT_N的当前状态决定S2、S3两个开关中的一个闭合：当OUT_N为低电平时，S2闭合，从而将比较器COMP1翻转时对应的磁场值设置为BOPN，通过电阻R2、R3所分压降，使C2存入电压为磁场阈值BOPN对应的电压VBOP_N；当OUT_N为高电平时，S3闭合，从而将比较器COMP1翻转时对应的磁场值设置为BRPN，通过电阻R3所分压降，C2存入电压为磁场阈值BRPN对应的电压VBRP_N。其中S2、S3分别闭合时，通过电阻分压，C2两端电压分别被提前预设为：
其中VDD为电源电压。
根据OUT_S的当前状态决定S4、S5两个开关中的一个闭合：当OUT_S为低电平时，S5闭合，从而将比较器COMP2翻转时对应的磁场值设置为BOPS，通过电阻R4、R5所分压降，C4存入电压为磁场阈值BOPS对应的电压VBOP_S；当OUT_S为高电平时，S4闭合，从而将比较器COMP2翻转时对应的磁场值设置为BRPS，通过电阻R4所分压降，C4存入电压为磁场阈值BRPS对应的电压VBRP_S。其中S5、S4分别闭合时，通过电阻分压，C2两端电压分别被提前预设为：
可见，本发明全极性霍尔传感器开关有四个翻转点：北极工作点(BOPN)、北极释放点(BRPN)、南极工作点(BOPS)和南极释放点(BRPS)，共形成两个迟滞，避免噪声干扰，输出发生误逻辑，增强霍尔传感器的抗干扰能力。
为实现磁场翻转点的对称性，本例较佳方案为：电容值取C1＝C3、C2＝C4，电阻值取R1＝R6、R2＝R5、R3＝R4。另外优选地，本实施例中的所有开关的动作均由一控制器进行控制。
完成霍尔电压采样和比较器翻转对应的阈值设置后，开关S1a～S5断开，开关S6a～S6f闭合，比较器COMP1和比较器COMP2进入比较阶段。当霍尔电压大于比较器翻转时对应的电压阈值时，比较器输出为高电平，否则比较器输出为低电平。具体地，当S1a～S1b闭合时，C1存入当前磁场对应的霍尔电压，若当前磁场为北极，C1存入负电荷；若当前磁场为南极，C1存入正电荷；当S2(或S3)闭合时，C2存储一定正电荷(对应设定的检测北极磁场的电压阈值)；当开关S6a、S6b、S6e闭合，C1、C2的上极板同时接到COMP1的负输入端，C1、C2的下极板同时接到COMP1的正输入端，C1、C2电荷求平均，当C1存储的电荷与C2存储的正电荷极性相反，电荷量相同的时候，比较器COMP1两输入端相等，则比较器COMP1处于翻转临界点。即：当C1存入负电荷(北极磁场对应的霍尔电压)且电荷量大于C2存储的电荷，比较器COMP1输出高电平。同理，当S1c～S1d闭合时，C3存入当前磁场对应的霍尔电压，若当前磁场为北极，C1存入负电荷；若当前磁场为南极，C1存入正电荷；当S4(或S5)闭合，C4存储一定负电荷(对应设定的检测南极的电压值)；当开关S6c、S6d、S6f闭合，C3、C4的上极板同时接到COMP2的正输入端，C3、C4的下极板同时接到COMP2的负输入端，C3、C4电荷求平均，当C3存储的电荷与C4存储的负电荷极性相反，电荷量相同的时候，则比较器COMP2处于翻转临界点。即：当C3存入正电荷(南极磁场对应的霍尔电压)，且电荷量大于C2存储的电荷，比较器COMP2输出高电平。
本例全极性霍尔传感器开关的较佳使用方案为：当无磁场或磁场较弱时，开关S2、S5闭合，C2、C4两端电压分别预设VBOP_N、VBOP_S，则迟滞比较器COMP1、COMP2翻转点对应的磁场分别为BOPN、BOPS：若比较器COMP1输出高电平且比较器COMP2输出低电平，则可以判断此时环境磁场强度大于BOPN；若比较器COMP1输出低电平且比较器COMP2输出高电平，则可以判断此时环境磁场强度大于BOPS。当磁场大于BOPN时，开关S3、S5闭合，C2、C4两端电压分别预设VBRP_N、VBOP_S，则迟滞比较器COMP1、COMP2的磁场翻转点分别为BRPN、BOPS：若比较器COMP1输出低电平且比较器COMP2输出低电平，则可以判断此时环境磁场强度低于BRPN。当磁场大于BOPS时，开关S2、S4闭合，C2、C4两端电压分别预设VBOP_N、VBRP_S，则迟滞比较器COMP1、COMP2的翻转点分别为BOPN、BRPS：若比较器COMP1输出低电平且比较器COMP2输出低电平，则可以判断此时环境磁场强度低于BRPN。
图4进一步给出了本实施例仿真波形图，当磁场达到翻转点阈值时，比较器COMP1或比较器COMP2输出发生变化，所得结果相或后输出当前检测的磁场信息，从而可以实现磁场的全极性检测。
本发明霍尔传感器开关检测方案与现有的检测方案一相比，省去了一个感应磁场的霍尔元件、一个放大器，可有效低降低芯片的功耗和面积；与现有的检测方案二相比，本发明检测时间可以减半，将大大提高检测效率。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规内容。

Claims (5)

1.一种全极性霍尔传感器开关，其特征在于，包括：
一霍尔元件，其感应环境磁场并输出相应的霍尔电压；
一放大采样电路，其放大所述霍尔电压，并将放大后的霍尔电压进行存储；
一电压阈值设置电路，其产生两个电压阈值；以及
一判断逻辑电路，其分别比较存储的所述霍尔电压与两个所述电压阈值的大小，并将两组比较结果信号进行相或后输出；
所述放大采样电路包括：
一放大器AMP，其两个输入端分别接所述霍尔元件的两个输出端；
一电容C1，其上极板通过开关S1a接放大器AMP的正输出端，下极板通过开关S1b接放大器AMP的负输出端；以及
一电容C3，其上极板通过开关S1c接放大器AMP的正输出端，下极板通过开关S1d接放大器AMP的负输出端；
所述电压阈值设置电路包括：
一电容C2，其上极板通过开关S6a接电容C1的上极板，下极板通过开关S6b接电容C1的下极板；
一电容C4，其上极板通过开关S6c接电容C3的上极板，下极板通过开关S6d接电容C3的下极板；以及
依次串联在电源端与地之间的电阻R1~R6，其中电阻R1和R2的连接点通过一开关S2接电容C2的上极板，电阻R2和R3的连接点通过一开关S3接电容C2的上极板，电阻R3和R4的连接点分别接电容C2和C4的下极板, 电阻R4和R5的连接点通过一开关S4接电容C4的上极板，电阻R5和R6的连接点通过一开关S5接电容C4的上极板。
2.根据权利要求1所述的全极性霍尔传感器开关，其特征在于，所述判断逻辑电路包括：
一比较器COMP1，其正输入端接电阻R3和R4的连接点，负输入端通过开关S6e接电容C2的正极板；
一比较器COMP2，其负输入端接电阻R3和R4的连接点，正输入端通过开关S6f接电容C4的正极板；以及
一或门OR，其两个输入端分别连接所述比较器COMP1和COMP2的输出端。
3.根据权利要求2所述的全极性霍尔传感器开关，其特征在于，所述电容C1和C3的电容值相同，所述电容C2和C4的电容值相同。
4.根据权利要求2所述的全极性霍尔传感器开关，其特征在于，所述电阻R1和R6的阻值相同，所述电阻R2和R5的阻值相同，所述电阻R3和R4的阻值相同。
5.根据权利要求2所述的全极性霍尔传感器开关，其特征在于，所述开关S1a~S6f与一控制器连接。
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