基于霍爾電路設計的可逆計量傳感器

摘要：以識別轉向和獲取可逆計數信息為主要目的，對比研究了幾種基于霍爾電路設計的不同取樣方式，分析了它們的輸出脈沖時序特征，提出一種簡單的設計方案。新的取樣方式采用開關型霍爾芯片和鎖存型霍爾芯片組合，配合雙極旋轉磁體取樣系統，實現了轉向識別和可逆計數信號的采集。傳感器電路僅由兩片霍爾電路構成，無外圍電路，保留了霍爾傳感器的全部優點。給出了電路設計，并詳細說明了工作原理和實現方法。
關鍵詞：霍爾電路；霍爾傳感器；可逆計量；脈沖時序

0 引言
無接觸可逆計量信息的傳感方式大致分為光電式和磁敏式，兩者都配有復雜的電路轉換系統或借用應用系統硬件配合軟件實現轉向識別和可逆計量。帶有光電碼盤或光柵的光電式可逆傳感器具有計量精度高的優點，但因環境苛刻而限制其應用。磁敏式一般采用霍爾效應傳感器和磁敏電阻作為敏感元件，具有環境耐受性好的優點，但這些設計都不能直接輸出可逆計量信號，需要信號處理電路支持。因此，設計一種結構簡單，僅由霍爾元件構成，能直接輸出可逆計量信號的新型傳感器，具有實際應用價值。

1 幾種可逆計量電路設計的技術分析
基于霍爾電路設計的可逆計量傳感器的電路形式很多，對比研究其取樣方式和工作原理，大致分為三類，即脈沖相位差異型雙霍爾取樣電路、脈沖占空比差異型鎖存霍爾取樣電路、集成化單片雙霍爾開關位置傳感器。對它們的取樣方式、輸出時序和電路特點分析如下。
1．1 脈沖相位差異型雙霍爾取樣電路
這類電路一般由兩個開關型霍爾電路構成，霍爾芯片沿磁體旋轉方向排列，采用一個或多個同極性磁體觸發，取樣原理和輸出時序如圖1所示。H1，H2分別是A3144開關型霍爾芯片，由于H1，H2有一定間隔，同一個磁體順時針旋轉(正轉)和逆時針旋轉(反轉)時，對H1、H2的觸發具有先后順序性，信號輸出的初相位不同。正轉時，OUT1先于OUT2輸出；而反轉時，OUT1落后于OUT2輸出。因此，轉向不同，取樣電路輸出信號存在相位差異特征。

這類電路的應用系統一般采用微處理器或可編程邏輯器件分析處理這兩路信號，根據輸出信號的相位差異特征，采用軟件系統或邏輯運算判斷方向，實現可逆計量。這類取樣電路的缺點是不能直接輸出可逆計量信號，需要另外設計轉換電路實現轉向識別和可逆計量。優點是采用多個同性磁極觸發時，可簡單實現多倍頻取樣。
1．2 脈沖占空比差異型霍爾取樣電路
這類取樣電路由一片鎖存型霍爾芯片構成，采用異極性雙磁極交替觸發，取樣原理和輸出時序如圖2所示。H1為A3290鎖存型霍爾芯片，假設磁體的N，S極安裝順序按逆時針方向排列，且它們在同一象限內，S極鎖存霍兒效應，那么N極將解除鎖存。當N，S極正轉時，S極接近H1，將觸發輸出低電平，N極接近H1，將觸發輸出高電平。低電平持續時間為T1，高電平持續時間為T2。顯然正轉時，S，N間隔小于π，T1T2，即T1／T21；反轉時，S，N間隔大于π，T1>T2，即T1／T2>1。分析表明，轉向不同，取樣電路輸出信號的占空比存在差異。

這種取樣方式相對簡單，但需另外設計信號處理電路，根據輸出信號的占空比差異特征實現轉向識別和可逆計量，勻速旋轉時軟件判別容易。缺點是這種磁體安裝方式的倍頻倍數低；變速旋轉時需要軟件進一步支持，以避免出現誤判，因此建議S，N應盡量靠近。