基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路及其應用方法
【專利摘要】本發明公開了基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路及其應用方法，該驅動電路包括磁芯激勵部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分。采用“對稱差分采樣”電路結構，消除了由模擬開關或場效應晶體管帶來的“電荷注入效應”；通過在金屬接收線圈中施加一個電流對磁芯進行重置，從而消除了磁芯的磁滯效應；采用偶數條串聯磁芯和對稱纏繞方式的金屬接收線圈結構，消除了磁芯和接收線圈間的感性耦合效應、降低了激勵電流在金屬接收線圈上形成的容性耦合效應，從而提高了傳感器輸出信號的信噪比和線性度；將每一條磁芯切分為若干段等長的小段，能方便控制傳感器的磁場檢測范圍和磁場靈敏度。
【專利說明】基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路及其應用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于磁場傳感器領域，特別是涉及一種基于非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器的驅動、信號采集電路及其應用方法。
【背景技術】
[0002]現有技術普遍使用單條(或多條并聯)高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶作為磁芯，外繞有一個接收線圈或接收線圈+反饋補償線圈的結構。通過在磁芯上流過一個高頻交變電流或高頻脈沖電流作為激勵，并檢測此時接收線圈上的電壓信號來感測磁芯長度方向上的外加磁場，接收線圈上的電壓信號大小與外加磁場的大小相對應。
[0003]現有技術存在以下不足:
[0004]1.在磁芯上流過一個激勵電流時，該電流會在磁芯周圍產生一個環繞電流流動方向的磁場，由于接收線圈和該磁場的磁感線不能做到完全平行，兩者間存在一個很小的夾角。在激勵電流接通或斷開的瞬間，由激勵電流產生的磁場變化會在接收線圈上產生感性耦合，從而在接收線圈上形成一個感應電壓。該感應電壓會疊加到最終的輸出信號中，造成輸出信號失真，并降低輸出信號的信噪比。
[0005]2.在現有技術所采用的結構下，由于接收線圈和磁芯之間存在寄生電容，在磁芯上流過一個激勵電流時，磁芯與接收線圈間會產生容性耦合，從而在接收線圈上形成一個耦合電壓，該電壓會疊加到最終的輸出信號中，降低輸出信號的信噪比甚至造成放大器輸出的飽和。
[0006]3.由于非晶絲、非晶薄膜或非晶帶磁芯自身的多磁疇結構特性，利用現有技術開發的磁場傳感器均具有磁滯效應，即磁芯被外部磁場磁化后，傳感器輸出會發生偏移的現象。
[0007]4.現有技術采用的峰值電壓采樣電路使用模擬開關(或場效應晶體管)對接收線圈上的電壓信號進行采樣，由于模擬開關(或場效應晶體管)存在“電荷注入效應(ChargeInject1n Effect) ”，即:隨著模擬開關(或場效應晶體管)的打開或關斷，少量電荷會從控制端通過電容耦合至采樣信號中，并且電荷的注入量會隨接收線圈上的電壓信號大小而變化，這使得采樣后的電壓信號產生失真從而影響到傳感器輸出的線性度。
【發明內容】
[0008]發明目的:解決上述現有技術中存在的不足，提出一種基于非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器的驅動電路，以提高傳感器輸出信號的信噪比和線性度，消除磁滯效應。
[0009]技術方案:基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路，包括磁芯激勵部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分，如圖10，
[0010]所述電源部分的VCC為直流電源，其電壓范圍為+1.8V?+12V ；
[0011]所述磁芯激勵部分由第一電阻R1，第一電容Cl，第二開關SW2和第四電阻R4組成，第四電阻R4的一端連接磁場傳感器El的磁芯的上輸入端子a，磁芯的下輸入端子b接地；直流電源通過限流的第一電阻Rl對第一電容Cl進行充電，第一電阻Rl起到限流和隔離的作用，以減小第一電容Cl在充放電時對電源造成的壓降影響；第四電阻R4起到限制磁芯電流的作用，目的在于防止磁芯上的電流過大；通過控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子P2的高低電平可實現第二開關SW2的通斷，從而控制磁芯的激勵電流的通斷；
[0012]所述磁芯重置部分由第二電阻R2，第二電容C2，第三電阻R3，二極管D1，第一開關SW1、第三開關SW3和第四開關SW4組成，第三開關SW3的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子c，第四開關SW4的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d ;
[0013]所述信號米樣和放大部分由第五開關SW5和第六開關SW6、第三電容C3和第四電容C4、第五電阻R5和第六電阻R6以及差分放大器或儀表放大器Al組成，所述第五開關SW5、第六開關SW6和第三電容C3、第四電容C4構成對稱的采樣電路結構，第五開關SW5的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子C，第六開關SW6的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d。
[0014]優選的，電源部分采用VCC為+5V的直流電源；
[0015]所述磁場傳感器E1，包括絕緣基板1、高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯2、非磁性導電金屬3、結構對稱的非磁性金屬接收線圈4，在絕緣基板I上放置或加工偶數條上下平行且首尾相連、相互串聯的磁芯2，每條磁芯2的左、右兩端分別連接一段非磁性導電金屬3 ;在串聯的磁芯2外部纏繞有一個或一組結構對稱的非磁性金屬接收線圈4 ;磁芯的上輸入端子a、下輸入端子b分別連通傳感器最上部、最下部兩個磁芯2的某一端的非磁性導電金屬3并位于傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d相互靠近并位于傳感器的另一側，如圖7或圖8所示；
[0016]所述磁芯2具有如圖1、圖2所示的短軸異向性磁疇結構，磁芯的材料可為鈷(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或鎳(Ni)基非晶材料，或鐵(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度范圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑范圍為2um?lOOum，磁芯的長度范圍為0.05mm?20mm ;優選的，本發明中采用的是直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯，其長度為0.8mm ；
[0017]所述金屬接收線圈4的線圈形式可以是微機電(MEMS)型線圈、普通繞線線圈、金屬薄膜型線圈等；
[0018]優選的，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通(如圖9所示)。
[0019]在磁芯2的長度方向上存在一個外加磁場時，磁疇結構中的磁化方向將發生偏轉，如圖3、圖4所示，此時，在磁芯2上流過一個激勵電流，磁芯2中磁疇的磁化方向將被重新沿短軸方向排列，如圖5、圖6所示，該種排列改變了磁芯2的導磁率μ，并在磁芯2的長軸方向上形成一個磁通量的變化Δ φ，該磁通量的變化被纏繞在磁芯2外部的接收線圈4感測到并轉化為一個電壓輸出信號，該電壓輸出信號在固定相位的波峰處(或波谷處)的幅值大小與磁芯2長度方向上外加磁場的大小相對應，其極性與外加磁場的方向相對應；
[0020]在磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b間施加一個激勵電流時，由于每條磁芯2首尾相連、相互串聯，所以相鄰上下兩條磁芯2的激勵電流方向相反，由激勵電流流過每條磁芯2所產生的磁場將相互抵消，不會在金屬接收線圈4上形成感性耦合，從而增加了輸出信號的信噪比，解決了上述現有技術的第“I”點不足；
[0021]采用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數條串聯磁芯的結構，使得磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b可以相互靠近位于傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d可以相互靠近并位于傳感器的另一側，磁芯和接收線圈的兩對端子可以盡量遠離。這種結構使得激勵電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應耦合到金屬接收線圈4上的影響降到最小，解決了上述現有技術的第“2”點不足；
[0022]優選的，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通，通過調整每段磁芯的長度控制其在長度方向上退磁因子的大小，從而達到控制傳感器的磁場檢測范圍和磁場靈敏度的目的；隨著每段磁芯長度的縮短，磁芯長度方向上的退磁因子隨之增大，磁場檢測檢測范圍變寬、磁場靈敏度變小；反之，磁場檢測范圍變窄、磁場靈敏度變大(如圖9所示);
[0023]在沿磁芯長度方向上施加一個恒定大小的外部磁場時，接收線圈的輸出信號幅值隨磁芯的條數增加而增大，本發明中采用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結構(如圖8)。
[0024]所述基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路的應用方法，包括:
[0025]I)采用“諧振預驅動”對磁芯進行激勵，具體方法為:
[0026]由于接收線圈和磁芯構成了一個具有固定的諧振頻率f的電感，通過控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子P2的高低電平切換頻率，使磁芯激勵電流的通斷頻率接近電感的諧振頻率f，當兩者頻率相同時，在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間將得到一個最大幅值的輸出信號，在信號的峰值或谷值處進行采樣后即可控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子P2為低電平，停止對磁芯進行激勵以實現降低功耗的目的；
[0027]本實施例中采用的“諧振預驅動”的諧振頻率為6MHz ;
[0028]如圖11所示，A為磁芯激勵電流的波形，B為金屬接收線圈上的輸出信號波形，波形中的第①階段為預驅動階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值隨激勵時間而增大；第②階段為諧振階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值達到最大值，可以在此階段對接收線圈上的輸出信號進行采樣；第③階段為衰減階段，該階段磁芯激勵停止，金屬接收線圈上的輸出信號隨時間逐漸衰減。
[0029]2)采用將接收線圈復用為“磁芯重置線圈”，進行磁芯重置，方法為:
[0030]通過在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間施加一個電流，線圈內部會產生一個平行于磁芯長度方向的磁場，在該磁場的作用下，磁芯會被重新磁化并且其內部的磁疇結構將被重新排列，從而消除了磁芯的磁滯效應，解決了上述現有技術的第“3”點不足；
[0031]具體方法為:先控制第五、第六模擬開關或場效應晶體管的控制端子P4為低電平，斷開第五開關SW5和第六開關SW6 ;然后控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為高電平以接通第一開關SW1、第三開關SW3和第四開關SW4，使電流通過接收線圈并延時0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金屬接收線圈和磁芯構成了一個類似電感的結構，而電感上的電流是不能發生突變的，為了使其內部的能量得以釋放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子Pi為低電平，斷開第一開關SW1，并保持第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為高電平，使第三開關SW3、第四開關SW4和二極管Dl構成一個續流回路，在延時0.05us?10us后控制第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為低電平以斷開第三開關SW3和第四開關SW4 ;
[0032]本實施例中，重置磁芯時的延時時間為10us，重置電流幅值為100mA。
[0033]3)采用“對稱差分采樣”方法，消除由模擬開關或場效應晶體管帶來的“電荷注入效應(Charge Inject1n Effect) ”，解決上述現有技術的第“4”點不足，具體方法為:
[0034]所述第五開關SW5、第六開關SW6和第三電容C3、第四電容C4構成的對稱的采樣電路結構，對金屬接收線圈上的電壓信號進行采樣時，先控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為低電平，斷開第一開關SW1、第三開關SW3和第四開關SW4;然后控制第五、第六模擬開關或場效應晶體管的控制端子P4為高電平以接通第五開關SW5和第六開關SW6，此時第三電容C3和第四電容C4同時對金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d上的電壓信號進行采樣；采樣完成后控制第四模擬開關或場效應晶體管控制端子P4為低電平以斷開第五開關SW5和第六開關SW6 ;差分放大器或儀表放大器Al對第三電容C3和第四電容C4上的電壓差進行放大并輸出。
[0035]由于第五開關SW5和第六開關SW6的對稱性，在開關同時斷開后，第五開關SW5和第六開關SW6注入到第三電容C3和第四電容C4的電荷量相等，注入的電荷在第三電容C3和第四電容C4形成的電勢變化也相等；基于差分放大器或儀表放大器Al的共模電壓抑制特性，第三電容C3和第四電容C4上的等電勢變化將不會被差分放大器或儀表放大器Al所放大，從而消除了由模擬開關或場效應晶體管帶來的“電荷注入效應(Charge Inject1nEffect) ”及其造成的傳感器輸出信號失真，提高了傳感器輸出的線性度；此外，由于差分放大器或儀表放大器Al的輸入阻抗很高，采樣電路中使用了分壓的第五電阻R5和第六電阻R6為接收線圈構成一個電荷流動的路徑，以防止接收線圈懸空導致差分放大器或儀表放大器Al輸入端的共模輸入電壓超過其最大輸入電壓范圍；第五電阻R5和第六電阻R6的另一個作用是為差分放大器或儀表放大器Al的輸入端提供一個固定的共模偏置電壓，使其內部的晶體管工作在放大狀態。
[0036]本電路的控制時序示例如圖12所示，外加磁場強度和傳感器的輸出電壓關系如圖13所示。
[0037]本發明的有益效果:本發明驅動電路采用“對稱差分采樣”方法，消除了由模擬開關或場效應晶體管帶來的“電荷注入效應”;通過在金屬接收線圈的上輸出端子和下輸出端子間施加一個電流，線圈內部產生一個平行于磁芯長度方向的磁場，在該磁場的作用下，磁芯會被重新磁化并且其內部的磁疇結構將被重新排列，從而消除了磁芯的磁滯效應；每條磁芯首尾相連、相互串聯，相鄰上下兩條磁芯的激勵電流方向相反，由激勵電流流過每條磁芯所產生的磁場將相互抵消，從而不會在金屬接收線圈上形成感性耦合，從而增加了輸出信號的信噪比；采用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數條串聯磁芯的結構，磁芯的兩個輸入端子相互靠近并位于傳感器的一側，而接收線圈的兩個輸出端子相互靠近并位于傳感器的另一側，磁芯和接收線圈的兩對端子可以盡量遠離，使得激勵電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應耦合到金屬接收線圈上的影響降到最小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是高導磁率非晶絲磁芯示意圖；
[0039]圖2是高導磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯示意圖；
[0040]圖3是在高導磁率非晶絲磁芯長度方向上存在一個外加磁場時磁疇結構中的磁化方向發生偏轉示意圖；
[0041]圖4是在高導磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯長度方向上存在一個外加磁場時磁疇結構中的磁化方向發生偏轉示意圖；
[0042]圖5是在高導磁率非晶絲磁芯長度方向上存在一個外加磁場且在磁芯上流過一個反向的激勵電流時磁疇結構中的磁化方向發生重置示意圖；
[0043]圖6是在高導磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯長度方向上存在一個外加磁場且在磁芯上流過一個反向的激勵電流時磁疇結構中的磁化方向發生重置示意圖；
[0044]圖7是本發明磁場傳感器采用微機電型(MEMS)線圈時結構示意圖；
[0045]圖8是本發明磁場傳感器采用普通繞線線圈時結構示意圖；
[0046]圖9是本發明磁場傳感器中每一條磁芯切分為若干段等長的小段時結構示意圖；
[0047]圖10是本發明磁場傳感器的驅動和信號采集電路示意圖；
[0048]圖11是本發明磁場傳感器的磁芯激勵電流波形與金屬接收線圈上的輸出信號波形示意圖；
[0049]圖12是本發明磁場傳感器的驅動和信號采集電路的控制時序示意圖；
[0050]圖13是本發明磁場傳感器的外加磁場強度和傳感器的輸出電壓關系示意圖。
【具體實施方式】
[0051]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。
[0052]實施例:基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路，如圖10，所述的驅動和信號采集電路，包括磁芯激勵部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分，所述電源部分的VCC為直流電源，其電壓范圍為+1.8V?+12V ；
[0053]所述磁芯激勵部分由第一電阻R1，第一電容Cl，第二開關SW2和第四電阻R4組成，第四電阻R4的一端連接磁場傳感器El的磁芯的上輸入端子a，磁芯的下輸入端子b接地；直流電源通過限流的第一電阻Rl對第一電容Cl進行充電，第一電阻Rl起到限流和隔離的作用，以減小第一電容Cl在充放電時對電源造成的壓降影響；第四電阻R4起到限制磁芯電流的作用，目的在于防止磁芯上的電流過大；通過控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子P2的高低電平可實現第二開關SW2的通斷，從而控制磁芯的激勵電流的通斷；
[0054]所述磁芯重置部分由第二電阻R2，第二電容C2，第三電阻R3，二極管D1，第一開關SW1、第三開關SW3和第四開關SW4組成，第三開關SW3的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子c，第四開關SW4的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d ;
[0055]所述信號米樣和放大部分由第五開關SW5和第六開關SW6、第三電容C3和第四電容C4、第五電阻R5和第六電阻R6以及差分放大器或儀表放大器Al組成，所述第五開關SW5、第六開關SW6和第三電容C3、第四電容C4構成對稱的采樣電路結構，第五開關SW5的一端連接磁場傳感器El的金屬接收線圈的上輸出端子C，第六開關SW6的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子d。
[0056]優選的，電源部分采用VCC為+5V的直流電源；
[0057]所述磁場傳感器E1，包括絕緣基板1、高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯2、非磁性導電金屬3、結構對稱的非磁性金屬接收線圈4，在絕緣基板I上放置或加工偶數條上下平行且首尾相連、相互串聯的磁芯2，每條磁芯2的左、右兩端分別連接一段非磁性導電金屬3 ;在串聯的磁芯2外部纏繞有一個或一組結構對稱的非磁性金屬接收線圈4 ;磁芯的上輸入端子a、下輸入端子b分別連通傳感器最上部、最下部兩個磁芯2的某一端的非磁性導電金屬3并位于傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d相互靠近并位于傳感器的另一側，如圖7或圖8所示；
[0058]所述磁芯2具有如圖1、圖2所示的短軸異向性磁疇結構，磁芯的材料可為鈷(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或鎳(Ni)基非晶材料，或鐵(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度范圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑范圍為2um?lOOum，磁芯的長度范圍為0.05mm?20mm ；
[0059]本實施例中采用的是直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯，其長度為0.8mm ；
[0060]所述金屬接收線圈4的線圈形式可以是微機電(MEMS)型線圈、普通繞線線圈、金屬薄膜型線圈等；
[0061]本實施例中，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通(如圖9所示)；
[0062]在磁芯2的長度方向上存在一個外加磁場時，磁疇結構中的磁化方向將發生偏轉，如圖3、圖4所示，此時，在磁芯2上流過一個激勵電流，磁芯2中磁疇的磁化方向將被重新沿短軸方向排列，如圖5、圖6所示，該種排列改變了磁芯2的導磁率μ，并在磁芯2的長軸方向上形成一個磁通量的變化Δ φ，該磁通量的變化被纏繞在磁芯2外部的接收線圈4感測到并轉化為一個電壓輸出信號，該電壓輸出信號在固定相位的波峰處(或波谷處)的幅值大小與磁芯2長度方向上外加磁場的大小相對應，其極性與外加磁場的方向相對應；在磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b間施加一個激勵電流時，由于每條磁芯2首尾相連、相互串聯，所以相鄰上下兩條磁芯2的激勵電流方向相反，由激勵電流流過每條磁芯2所產生的磁場將相互抵消，不會在金屬接收線圈4上形成影響最終輸出信號的感應電壓，從而增加了輸出信號的信噪比，解決了上述現有技術的第“I”點不足；
[0063]采用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數條串聯磁芯的結構，使得磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b可以相互靠近并位于傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d可以相互靠近并位于傳感器的另一側，磁芯和接收線圈的兩對端子可以盡量遠離。這種結構使得激勵電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應耦合到金屬接收線圈4上的影響降到最小，解決了上述現有技術的第“2”點不足；本實施例將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通，通過調整每段磁芯的長度控制其在長度方向上退磁因子的大小，從而達到控制傳感器的磁場檢測范圍和磁場靈敏度的目的；隨著每段磁芯長度的縮短，磁芯長度方向上的退磁因子隨之增大，磁場檢測檢測范圍變寬、磁場靈敏度變小；反之，磁場檢測范圍變窄、磁場靈敏度變大(如圖9所示)；在沿磁芯長度方向上施加一個恒定大小的外部磁場時，接收線圈的輸出信號幅值隨磁芯的條數增加而增大，本發明中采用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結構(如圖8)。
[0064]所述基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路的應用方法，包括:
[0065]I)采用“諧振預驅動”對磁芯進行激勵，具體方法為:
[0066]由于接收線圈和磁芯構成了一個具有固定的諧振頻率f的電感，通過控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子P2的高低電平切換頻率，使磁芯激勵電流的通斷頻率接近電感的諧振頻率f，當兩者頻率相同時，在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間將得到一個最大幅值的輸出信號，在信號的峰值或谷值處進行采樣后即可控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子P2為低電平，停止對磁芯進行激勵以實現降低功耗的目的；
[0067]本實施例中采用的“諧振預驅動”的諧振頻率為6MHz ;
[0068]如圖11所示，A為磁芯激勵電流的波形，B為金屬接收線圈上的輸出信號波形，波形中的第①階段為預驅動階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值隨激勵時間而增大；第②階段為諧振階段，該階段中金屬接收線圈上的輸出信號的幅值達到最大值，可以在此階段對接收線圈上的輸出信號進行采樣；第③階段為衰減階段，該階段磁芯激勵停止，金屬接收線圈上的輸出信號隨時間逐漸衰減。
[0069]2)采用將接收線圈復用為“磁芯重置線圈”，進行磁芯重置，方法為:
[0070]通過在金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d間施加一個電流，線圈內部會產生一個平行于磁芯長度方向的磁場，在該磁場的作用下，磁芯會被重新磁化并且其內部的磁疇結構將被重新排列，從而消除了磁芯的磁滯效應，解決了上述現有技術的第“3”點不足；
[0071]具體方法為:先控制第五、第六模擬開關或場效應晶體管的控制端子P4為低電平，斷開第五開關SW5和第六開關SW6 ;然后控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為高電平以接通第一開關SW1、第三開關SW3和第四開關SW4，使電流通過接收線圈并延時0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金屬接收線圈和磁芯構成了一個類似電感的結構，而電感上的電流是不能發生突變的，為了使其內部的能量得以釋放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子Pl為低電平，斷開第一開關SW1，并保持第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為高電平，使第三開關SW3、第四開關SW4和二極管Dl構成一個續流回路，在延時0.05us?10us后控制第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為低電平以斷開第三開關SW3和第四開關SW4 ;
[0072]本實施例中，重置磁芯時的延時時間為10us，重置電流幅值為100mA。
[0073]3)采用“對稱差分采樣”方法，消除由模擬開關或場效應晶體管帶來的“電荷注入效應(Charge Inject1n Effect) ”，解決上述現有技術的第“4”點不足，具體方法為:
[0074]所述第五開關SW5、第六開關SW6和第三電容C3、第四電容C4構成的對稱的采樣電路結構，對金屬接收線圈上的電壓信號進行采樣時，先控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子Pl和第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子P3為低電平，斷開第一開關SW1、第三開關SW3和第四開關SW4;然后控制第五、第六模擬開關或場效應晶體管的控制端子P4為高電平以接通第五開關SW5和第六開關SW6，此時第三電容C3和第四電容C4同時對金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d上的電壓信號進行采樣；采樣完成后控制第四模擬開關或場效應晶體管控制端子P4為低電平以斷開第五開關SW5和第六開關SW6 ;差分放大器或儀表放大器Al對第三電容C3和第四電容C4上的電壓差進行放大并輸出。
[0075]由于第五開關SW5和第六開關SW6的對稱性，在開關同時斷開后，第五開關SW5和第六開關SW6注入到第三電容C3和第四電容C4的電荷量相等，注入的電荷在第三電容C3和第四電容C4形成的電勢變化也相等；基于差分放大器或儀表放大器Al的共模電壓抑制特性，第三電容C3和第四電容C4上的等電勢變化將不會被差分放大器或儀表放大器Al所放大，從而消除了由模擬開關或場效應晶體管帶來的“電荷注入效應(Charge Inject1nEffect) ”及其造成的傳感器輸出信號失真，提高了傳感器輸出的線性度；此外，由于差分放大器或儀表放大器Al的輸入阻抗很高，采樣電路中使用了分壓的第五電阻R5和第六電阻R6為接收線圈構成一個電荷流動的路徑，以防止接收線圈懸空導致差分放大器或儀表放大器Al輸入端的共模輸入電壓超過其最大輸入電壓范圍；第五電阻R5和第六電阻R6的另一個作用是為差分放大器或儀表放大器Al的輸入端提供一個固定的共模偏置電壓，使其內部的晶體管工作在放大狀態。
[0076]本電路的控制時序示例如圖12所示，外加磁場強度和傳感器的輸出電壓關系如圖13所示。
[0077]以上所述僅為本發明的較佳實例而已，并不用以限制本發明，在發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的系統結構與方法之內。
【權利要求】
1.基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路，包括磁芯激勵部分、磁芯重置部分、信號采樣和放大部分、電源部分，其特征在于: 所述電源部分的VCC為直流電源，其電壓范圍為+1.8V?+12V ; 所述磁芯激勵部分由第一電阻(Rl)，第一電容(Cl)，第二開關(SW2)和第四電阻(R4)組成，第四電阻(R4)的一端連接磁場傳感器(El)的磁芯的上輸入端子(a)，磁芯的下輸入端子(b)接地；直流電源通過限流的第一電阻(Rl)對第一電容(Cl)進行充電，第一電阻(Rl)起到限流和隔離的作用，以減小第一電容(Cl)在充放電時對電源造成的壓降影響；第四電阻(R4)起到限制磁芯電流的作用，目的在于防止磁芯上的電流過大；通過控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P2)的高低電平可實現第二開關(SW2)的通斷，從而控制磁芯的激勵電流的通斷； 所述磁芯重置部分由第二電阻(R2)，第二電容(C2)，第三電阻(R3)，二極管(D1)，第一開關(SWl)、第三開關(SW3)和第四開關(SW4)組成，第三開關(SW3)的一端連接磁場傳感器(El)的金屬接收線圈的上輸出端子(c)，第四開關(SW4)的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子(d)； 所述信號米樣和放大部分由第五開關(SW5)和第六開關(SW6)、第三電容(C3)和第四電容(C4)、第五電阻(R5)和第六電阻(R6)以及差分放大器或儀表放大器(Al)組成，所述第五開關(SW5)、第六開關(SW6)和第三電容(C3)、第四電容(C4)構成對稱的采樣電路結構，第五開關(SW5)的一端連接磁場傳感器(El)的金屬接收線圈的上輸出端子(c)，第六開關(SW6)的一端連接金屬接收線圈的下輸出端子(d)。
2.根據權利要求1所述的基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路，其特征在于: 所述磁場傳感器(El)，包括絕緣基板(I)、高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯(2)、非磁性導電金屬(3)、結構對稱的非磁性金屬接收線圈(4)，在絕緣基板(I)上放置或加工偶數條上下平行且首尾相連、相互串聯的磁芯(2)，每條磁芯(2)的左、右兩端分別連接一段非磁性導電金屬(3);在串聯的磁芯(2)外部纏繞有一個或一組結構對稱的非磁性金屬接收線圈(4);磁芯的上輸入端子(a)、下輸入端子(b)分別連通傳感器最上部、最下部兩個磁芯(2)的某一端的非磁性導電金屬(3)并位于傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子(c)和下輸出端子(d)相互靠近并位于傳感器的另一側。
3.根據權利要求2所述的基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路，其特征在于: 所述磁芯(2)具有短軸異向性磁疇結構，磁芯的材料可為鈷基非晶材料，或鎳基非晶材料，或鐵基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度范圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑范圍為2um?lOOum，磁芯的長度范圍為0.05mm?20_。
4.根據權利要求3所述的基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路，其特征在于:采用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結構；將每一條磁芯(2)切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬⑶連通:采用直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯(2)，其長度為0.8mm。
5.根據權利要求1至5任意一種所述基于非晶態合金材料的磁場傳感器的驅動電路的應用方法，包括: 1)采用“諧振預驅動”對磁芯進行激勵，具體方法為: 由于接收線圈和磁芯構成了一個具有固定的諧振頻率f的電感，通過控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P2)的高低電平切換頻率，使磁芯激勵電流的通斷頻率接近電感的諧振頻率f，當兩者頻率相同時，在金屬接收線圈的上輸出端子(c)和下輸出端子(d)間將得到一個最大幅值的輸出信號，在信號的峰值或谷值處進行采樣后即可控制第二模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P2)為低電平，停止對磁芯進行激勵以實現降低功耗的目的； 2)采用將接收線圈復用為“磁芯重置線圈”，進行磁芯重置，方法為: 通過在金屬接收線圈的上輸出端子(c)和下輸出端子⑷間施加一個電流，線圈內部會產生一個平行于磁芯長度方向的磁場，在該磁場的作用下，磁芯會被重新磁化并且其內部的磁疇結構將被重新排列，從而消除了磁芯的磁滯效應: 具體方法為:先控制第五、第六模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P4)為低電平，斷開第五開關(SW5)和第六開關(SW6);然后控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子(Pl)和第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P3)為高電平以接通第一開關(Sffl)、第三開關(SW3)和第四開關(SW4)，使電流通過接收線圈并延時0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金屬接收線圈和磁芯構成了一個類似電感的結構，而電感上的電流是不能發生突變的，為了使其內部的能量得以釋放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子(PD為低電平，斷開第一開關(SWl)，并保持第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P3)為高電平，使第三開關(SW3)、第四開關(SW4)和二極管(Dl)構成一個續流回路，在延時0.05us?10us后控制第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P3)為低電平以斷開第三開關(SW3)和第四開關(SW4); 3)采用“對稱差分采樣”方法，消除由模擬開關或場效應晶體管帶來的“電荷注入效應，具體方法為: 所述第五開關(SW5)、第六開關(SW6)和第三電容(C3)、第四電容(C4)構成的對稱的采樣電路結構，對金屬接收線圈上的電壓信號進行采樣時，先控制第一模擬開關或場效應晶體管的控制端子(Pl)和第三、第四模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P3)為低電平，斷開第一開關(SWl)、第三開關(SW3)和第四開關(SW4);然后控制第五、第六模擬開關或場效應晶體管的控制端子(P4)為高電平以接通第五開關(SW5)和第六開關(SW6)，此時第三電容(C3)和第四電容(C4)同時對金屬接收線圈的上輸出端子(c)和下輸出端子⑷上的電壓信號進行采樣；采樣完成后控制第四模擬開關或場效應晶體管控制端子(P4)為低電平以斷開第五開關(SW5)和第六開關(SW6);差分放大器或儀表放大器(Al)對第三電容(C3)和第四電容(C4)上的電壓差進行放大并輸出。
【文檔編號】G01R33/05GK104459571SQ201410789367
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】王國安 申請人:王國安