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实验干货|电流型霍尔传感器采样设计03-信号调理

news 2024/10/27 20:20:28

在前两篇博客中，将霍尔输出的电流信号转换成了有正有负的电压信号，但是DSP需要采集0~3V的电压信号，因此需要对信号缩放并抬升至全部为正的信号。

常见的方法是，通过比例放大(缩小)电路对信号进行放缩，通过加法电路抬升基准电平。这里分为两步，首先设计基准电平。

设计基准电平

DSP的ADC能够采集的电压范围是0~3V，为了合理使用ADC的采样范围，选择基准电平为1.5V。常见的方法有通过运放产生一个基准电压或者通过电压基准芯片产生基准电压。

本篇博客选用TL432作为可调基准电压源，需要特别注意的是，不同的芯片厂家虽然都称为TL432，但是产生的基准电压并不一致。例如下图的UMW公司和ST公司的TL432分别产生的电压参考是1.25V和2.5V。在选型时需要格外注意。

电压基准电路的设计原理比较简单，参考电阻分压原理设计即可。下图所示为UMW对应的测试电路。VKA即为期望的输出电压。

本篇博客中期望设置为1.5V，R1和R2即为分压电压，Vref的电压为固定1.25V，因此为了产生1.5V的输出电压，(R1+R2)/R2=1.5/1.25，即R1/R2=0.2。芯片手册中提到Iref的典型值为1.5uA，所以在计算中忽略了Iref。

当计算完R1/R2之比后，则可以在常见的1%阻值表中选取电阻。我选取的是20k和4.02k。验算输出的基准电压为VKA=1.25*(20k+4.02k)/20k=1.50125V。(实际上我测试出来的只有1.485V左右，具体原因未知，可能是因为买到的电阻精度有些问题，但是基本与理论一致，不影响后续的使用)

注意事项！

① 注意不同厂家的TL432虽然名称和封装相同，但是基准电压不相同。

②注意Cathode Current，最大不超过100mA,最小不低于0.1mA，推荐10mA。因此需要在输入和输出之间串联电阻进行限流，同时还要注意限流电阻的功率。例如设计输入电压为15V，输出电压为1.5V，则限流电阻的阻值至少为(15-1.5)/10e-3=1.35k,可以选择两个2.7k的电阻并联

同相加法器设计

在完成了基准电压设计后，需要设计加法电路，将正负的输入电压抬升至仅含有正电压。

首先，同相加法器的输入信号有两个，分别是①有正有负的采样电压(前两篇博客提到的±11.55V)；②基准电压1.5V。需要通过设计使得±11.55V转换至0.1~2.9V(这里为了不让ADC引脚输入的电压饱和，留0.1V的裕量)

站内有关于常见运放电路的介绍，大家可以参考。

九种运放电路（同向放大，反向放大，同向加法，反向加法，减法，积分，微分，差分，跟随器）-CSDN博客

同相加法器如下图所示

重点是配置R1、R2、R3和R4。其中常见的作法是令R1//R2 = R3//R4，便于计算比例系数。在此基础上，令R1/R2=k，则可以计算出输出电压

提供一个用MATLAB写的代码，便于计算出电阻之间的关系，方便配置电阻。通过调整k的值即可在代码的最后观察到输出电压是否在设计的范围内

%% 采样电路35mA对应 35mA*330ohm=±11.55V
V11 = 11.55;
V12 = -11.55;%% 同相加法电路 不同输入信号的输入电阻之比
k = 8.2a = 1
b = k*a
%% 直流偏置 （基准）TL432基准是1.25  1.25/(20e3)*(20e3+4.02e3)
V2 = 1.25/(20e3)*(20e3+4.02e3)R1 = b
R2 = a%% 同相放大系数 k2  与输入端 输入电阻相等
k2 = (k+1)/k
Rtotal = R1+R2
%% 加法器输出电压
Vo1 = k2*(V11*(R2/Rtotal)+V2*(R1/Rtotal))
Vo2 = k2*(V12*(R2/Rtotal)+V2*(R1/Rtotal))

上面的代码运行结果如下

k=8.2时，输入＋11.55V对应的输出电压为2.9098V，输入-11.55V对应的输出电压为0.0927V。满足设计要求。R1和R2可以分别选择为8.2k和1k的电阻。