霍尔型传感器信号调理电路的设计

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【摘 要】所谓信号调理就是通过电子元器件的有机组合，对传感器输出的信号进行调节、变换和整理的过程。信号调理电路的具体设计需要综合考虑数据采集的目的、现场环境及控制系统的算法设计等各种因素。本文论述了霍尔型电压、电流传感器信号的调理电路的具体实现方法，并应用试验方法验证了电路的可靠性等有关特征参数。

【关键词】传感器；信号调理；放大器；电路设计；霍尔

当代社会中在工业控制等方面，经常要将电流、电压、温度、湿度等模拟量转换成数字量，然后在微处理器内作进一步运算和处理，完成相应的数据存储、数据传输和数据输出，达到分析和控制的目的。模拟量的采集一般使用传感器来将它们转换为电气量来进行处理。然而传感器送出的信号往往不能满足处理器输入信号的要求，这就需要我们设计相应的信号调理电路来把这种不合要求的信号变换为符合处理器输入信号要求的信号。此电路设计的优化程度如何，直接关系到微处理器采集到的信号的准确程度。霍尔型电压、电流传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽、动态范围大、无触点、使用寿命长、可靠性高、易微型化和集成化等优点，在测量技术、自动化技术和信息处理等新技术领域得到广泛的应用。本文就其输出信号特点设计了相应的信号调理电路，并且通过实验验证了所设计电路的可行性及可靠性。

1 霍尔型传感器

霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。它采用双电源供电，可采集电压、电流等电气信号，输出信号可以是电压信号，也可以是电流信号。本文以LV28-P型霍尔电压传感器为例说明霍尔型传感器输出信号调理电路的设计过程。传感器LV 28-P的原边与副边之间是绝缘的，主要用于测量直流、交流电压和脉冲电压。其各参数指标如下：

1）电参数

IP N：原边额定有效值电流 10mA IS N：副边额定有效值电流 25mA

KN：转换率 2500： 1000 VC：电源电压 （±5%）±15V

2）精度-动态参数

XG：总精度@IP N，TA = 25℃ ±0.6 %

IO T ：IO 的温漂：0℃ ～+25℃ ± 0.2mA

+25℃～70℃ ± 0.3mA

Tr：响应时间@90% of VPmax 40μs。

2 信号调理电路的设计

根据LV28-P的参数可知它的输出信号是交流电流信号而处理器的输入信号是直流电压信号，因此我们需要将此交流电流信号转换为直流电压信号。这个过程就是信号调理的过程。此外在信号调理电路设计过程中，还需要考虑信号滤波，放大，限幅，偏置等，使调理后的信号满足处理器的信号输入要求。本文论述的采集系统处理器输入信号要求为3.3V直流电压信号，故我们设计的信号调理电路需要将±25mA电流信号变换为直流的0～3.3V的电压信号。同时有滤波限幅电路。信号调理电路图如图1：

2.1 采样电阻及滤波电路

为了保证转换出的电压信号的精度我们采用了千分之一的精密电阻来提取电压信号。根据传感器输出电流信号的大小以及我们需要的电压信号的大小，选择了阻值为40欧的精密电阻。可得到±1.5V的电压信号。0.1uF电容进行阻容滤波。

2.2 放大电路的设计

信号放大电路的主要元器件是运算放大器。理想的运放输入电阻无穷大，输出电阻无穷小，可实现电压不失真跟随的目的。再由于LV28-P传感器本身的精度及速度很高，这就要求运放的速度也必须很高，否则达不到对信号高速性的要求。考虑信号的实时性和精度的要求，本文中选用高速、高精度运放OPA2822。它是TI公司生产的高速、高精度、低噪声运放，它含有两个宽带低噪声的运算放大器，可完全满足我们的设计要求。

图2所示电路放大倍数为1。可实现传感器输出信号的跟随、滤波等。同时将信号调理为-1.5V～+1.5V之间的交流电压信号。

2.3 电压基准电路的设计

为了实现电压的提升，我们设计了电压偏置电路。此电路有电压基准信号及运放电路构成。信号经过此步调理之后可变为直流电压信号。根据前面电路中电压信号的幅值，此电路中电压基准的参考电压值应该选择为1.5V。这样既可实现将传感器信号调理为0～3V之间的目的。电路图入图3所示。

2.4 限幅电路

系统中如果输入信号的电压范围超过3V就会烧坏处理器。为保护处理器不被外部干扰信号烧毁，电路需要设计有限幅电路，将进入处理器的信号限制在3V以内，同时还要保持输入信号中频率的变化规律不变。

3 结语

本文设计的针对霍尔型电压传感器的信号调理电路包括取样滤波、放大跟随、直流偏置、限幅等功能，可以实现信号的高速、准确采集。电路中充分考虑了霍尔型元件的特点，并根据其特点设计了专门的信号调理电路，最后通过搭建电路，验证了所设计电路的可行性及可靠性等问题。经过实验检验，此电路的线性度很好，精度高，运行稳定，可完全满足信号调理的要求。

【参考文献】

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