AN-1352:ADA4571校准程序 (Rev. 0) PDF

AN-1352
应用笔记
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ADA4571校准程序
作者:Robert Guyol
简介
ADA4571是一款模拟各向异性磁阻(AMR)的角度传感器,
由一个检测元件和一个调理信号的模拟仪表放大器组成。
本应用笔记讨论多种用以降低传感器角度线性度误差的简
单校准程序。AMR角度传感器元件由两个阻性惠斯登电桥
构成。每个惠斯登电桥在传感器内完全独立。阻性匹配误
差由细微的工艺差异引起。这些匹配误差表现为电气失调
和两个电桥之间的幅度差异。为了从AMR传感器获得最精
12991-012
确的测量结果,务必执行简单的校准程序。
图1. AMR角度传感器的典型测量配置
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目录
简介...................................................................................................... 1
ADA4571单温度校准.................................................................. 4
修订历史 ............................................................................................. 2
ADA4571双温度EOL校准.......................................................... 5
校准ADA4571 .................................................................................... 3
ADA4571动态校准程序 ............................................................. 7
ADA4571单点EOL(线端)校准程序.......................................... 3
修订历史
2015年4月—修订版0:初始版
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校准ADA4571
ADA4571单点EOL(线端)校准程序
OC为VCOS的失调。
图2和图3分别显示了使能和禁用增益控制(GC)模式时利用
典型输出信号如图4所示。
室温校准可以实现的全温度范围典型精度。
VSIN
VCOS
1.2
AMPLITUDE (V)
ERROR (Degrees)
1.0
0.8
0.6
0.4
0
0
40
80
120
TEMPERATURE (°C)
45
90
135
180
225
270
315
360
MAGNETIC ANGLE (Degrees)
12991-001
0
–40
12991-003
0.2
图4. 机械旋转一圈的典型输出信号
图2. 室温校准后全温度范围内的角度误差,
使能增益控制
VSIN和VCOS通道之间的幅度匹配误差(k)经过生产测试,额
定最大值为±1%。不过,该匹配误差通常要小得多。图5显
1.2
示了一系列样片的幅度匹配误差分布。
1.0
18
0.8
16
0.6
14
COUNT (%)
ERROR (Degrees)
20
0.4
0.2
12
10
8
120
4
2
图3. 室温校准后全温度范围内的角度误差,
禁用增益控制
0
–0.75
VCOS。下面的公式表示磁场旋转一整圈时的这两个输出,
以VDD/2为基准:
–0.25
0
0.25
0.50
0.75
图5. 样片测试的正弦/余弦幅度匹配误差分布
图6显示了幅度不匹配的理论误差贡献。
0.20
VSIN = AS × sin(2 × α + θS) + OS
ERROR CONTRIBUTION (Degrees)
0.18
其中:
AS为VSIN的幅度。
α为当前磁场角度。
θS为VSIN的相位。
OS为VSIN的失调。
VCOS = AC × cos(2 × α + θC) + OC
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
其中:
0
–0.75
AC为VCOS的幅度。
–0.50
–0.25
0
0.25
0.50
0.75
SINE/COSINE AMPLITUDE MISMATCH (%k)
α为当前磁场角度。
θC为VCOS的相位。
–0.50
SINE/COSINE AMPLITUDE MISMATCH (%k)
ADA4571 AMR磁场角度的两个角度相关输出电压为VSIN和
12991-004
40
80
TEMPERATURE (°C)
图6. 正弦/余弦输出的幅度不匹配引起的理论误差贡献
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12991-005
0
12991-002
6
0
–40
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此误差比系统中的其他误差通常要小得多。此外,试图校
最终角度
正幅度不匹配的任何计算错误也可能给系统带来额外误
利用arctangent2函数计算最终电气角度。
差。因此,应忽略幅度不匹配校正。
 V − OS
α = arctan 2  SIN
V −O
C
 COS
VSIN和VCOS通道之间的正交误差额定最大值为0.05°,不过




其典型值要小得多。因此,正交误差的误差贡献可以忽略
对于每次360°磁旋转,该结果重复两次(参见图7)。这是
不计,此因素也应予以忽略。
AMR技术的功能之一。
由于各通道的幅度不匹配和相位误差被忽略,因此以上公
180
式可简化为:
VSIN = A × sin(2 × α) + OS
其中,A是正弦和余弦通道的幅度。
VCOS = A × cos(2 × α) + OC
对于最终角度,仅留下失调这一主要误差贡献因素。
ADA4571单温度校准
完成下列步骤,旋转一整圈(360°),以便校准器件。注
意:如果可能,建议在尽可能接近最终应用温度的情况下
完成如下程序。
1. 沿任一方向将磁激励旋转360°,同时连续监控器件的
VSIN和VCOS输出。
2. 独立计算VSIN和VCOS的失调。通过最大值和最小值,或
通过相应输出计算失调,如下式所示:
OS =
OC =
VSIN _ MAX − VSIN _ MIN
2
VCOS _ MAX − VCOS _ MIN
2
=
α = 360°
∑ VSIN
α = 0°
=
α = 360°
∑VCOS
α = 0°
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90
45
0
–45
–90
–135
–180
0
45
90
135
180
225
270
MAGNETIC ANGLE (Degrees)
315
图7. 机械旋转一整圈时通过计算得出的角度
360
12991-006
ARCTANGENT2 RESULT (Degrees)
135
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ADA4571双温度EOL校准
10
8
为了进一步降低器件宽温度范围内的误差,应完成双温
由于本校准程序使用ADA4571集成的温度传感器,因此双
温度校准程序不需要精密温度测试系统或任何其他温度监
控器件。只要系统能够进入高温和低温(相对于最终应用的
4
2
0
–2
–4
工作温度范围而言),便能很好地执行此类校准。
–6
图8显示了经过25°C单点校准之后,ADA4571失调漂移引
–8
–10
–40
起的剩余失调的正弦和余弦输出典型数据。对于双温度校
40
80
120
TEMPERATURE (°C)
准程序,此数据集得到了检验。
图9. 0°C和110°C双点校准之后的正弦和余弦剩余失调
10
10
8
8
6
6
4
REMAINING OFFSET (mV)
2
0
–2
–4
–6
4
2
0
–2
–4
–6
–8
40
80
TEMPERATURE (°C)
120
–10
–40
图8. 25°C单点校准之后的正弦和余弦剩余失调
0
40
80
TEMPERATURE (°C)
120
12991-009
0
–8
12991-007
–10
–40
图10. 20°C和80°C双点校准之后的正弦和余弦剩余失调
在室温下进行单点校准之后,器件可实现典型角度误差结
10
果(参见图3)。然而,双温度校准可提高整个工作温度范围
8
内的精度。
图9、图10和图11显示了在若干不同温度点进行双点校准
之后ADA4571的剩余失调。如果改变所选的温度,会得到
不同的剩余失调曲线。为了降低失调漂移的影响,最好选
择两个能够代表最终应用完整工作温度范围的校准温度。
在整个工作温度范围内,剩余失调幅度越低,则角度计算
REMAINING OFFSET (mV)
6
4
2
0
–2
–4
–6
将越精确。
–8
–10
–40
0
40
80
TEMPERATURE (°C)
120
图11. 20°C和50°C双点校准之后的正弦和余弦剩余失调
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12991-010
REMAINING OFFSET (mV)
0
12991-008
温度。
6
REMAINING OFFSET (mV)
度EOL校准。使用片上温度传感器监控待测器件(DUT)的
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按照单点EOL(线端)校准程序所述,利用相同的分析减少
双温度校准程序
输出项,两个输出项便简化为:
完成如下步骤,以便对ADA4571进行双温度校准:
VSIN = A × sin(2 × α) + OS
1. 让系统处于T1,并在第2步中保持温度稳定。
VCOS = A × cos(2 × α) + OC
2. 沿任一方向将磁激励旋转360°,同时连续监控器件的
VSIN和VCOS输出。监控VTEMP输出,记录VTEMP1的温度
然而,必须考虑失调温漂的校正系数。将此校正系数增加
信息。
到VSIN和VCOS公式的末尾,如下所示:
3. 按照ADA4571单温度校准部分所述的相同方案,独立计
VSIN = A × sin(2 × α) + OS1 + TCS × (VTEMP_CUR – VTEMP1)
算VSIN (OS1)和VCOS (OC1)的失调。
其中:
4. 让系统处于T2,并在第5步中保持温度稳定。
OS1为温度1 (T1)时的正弦通道失调。
5. 沿任一方向将磁激励旋转360°,同时连续监控器件的
VTEMP_CUR为当前工作温度时的VTEMP输出电压。
VSIN和VCOS输出。监控VTEMP输出,记录VTEMP2的温度
VTEMP1为T1时的VTEMP输出电压。
信息。
6. 按照ADA4571单温度校准部分所述的相同方案,独立计
TCS为正弦通道的温度系数,等于:
 OS1 − O S2

V
 TEMP1 − VTEMP2
算VSIN (OS2)和VCOS (OC2)的失调。




7. 使用以下公式计算各通道的失调温度系数:
其中:
OS2为温度2 (T2)时的正弦通道失调。
VTEMP2为T2时的VTEMP输出电压。
VCOS = A × cos(2 × α) + OC1 + TCC × (VTEMP_CUR – VTEMP1)




 OC1 − OC2
TCC = 
V
 TEMP1 − VTEMP2




最终角度
其中:
在器件工作过程中,为了校正失调漂移,应监控VTEMP引
OC1为T1时的余弦通道失调。
脚通道。通过下式计算最终角度:
TCC为余弦通道的温度系数,等于:
 OC1 − OC2


 VTEMP1 − VTEMP2
 OS1 − OS2
TC S = 
V
 TEMP1 − VTEMP2
 V − OS1 − TC S × (VTEMP _ CUR − VTEMP1 ) 

arctan 2  SIN
 V − O − TC × (V

COS
C1
C
TEMP _ CUR − VTEMP1 ) 

α=
2




其中:
OC2为温度2时的余弦通道失调。
为了得到如下理想公式,初始校准失调和漂移均必须从上
述公式中消除:
VSIN = A × sin(2 × α)
VCOS = A × cos(2 × α)
双温度校准程序要求监控器件的一个附加引脚,即VTEMP
引脚。
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ADA4571动态校准程序
图12显示了轴尾磁体配置的AMR电气角度和机械角度之间
动态校准仅在自由运行应用中执行,此时传感器完成电气
的差异。
旋转的速度快于环境改变的速度。一般而言,这种情况要
360
求电气旋转速度快于1 Hz。对于轴尾磁体配置,电气旋转速
度1 Hz相当于30 rpm的电机转速。在较慢的电机中也可以执
270
ANGLE (Degrees)
行动态校准,但动态校准的精度取决于电机转速与系统温
度变化速度的关系。
动态校准与单点校准相似,仅需进行失调校正便可实现所
需的精度。不过,失调校正系数会不断更新以提高精度。
执行动态校准时,建议使能ADA4571的GC模式,因为它
180
90
采用单点EOL(线端)校准程序中的简化公式,只有正弦和
0
余弦通道的失调这两个系数需要计算。
0
90
180
270
MECHANICAL ANGLE (Degrees)
360
12991-011
MAGNETIC
MECHANICAL
能提高信噪比(SNR),进而降低器件的角度误差。
图12. 轴尾磁体配置的磁角度与机械角度
VSIN = A × sin(2 × α) + OS
VCOS = A × cos(2 × α) + OC
OS =
在器件的第一次整圈旋转中,正弦和余弦通道的失调未
OC =
知,因此,使用单点EOL校准方案或令O S = O C = 0。设置
OS = OC = 0时,启动精度由ADA4571数据手册中的未校正
误差部分和未校正误差典型性能特性指定,直至在未来的
机械旋转中进行失调调整。
VSIN _ MAX − VSIN _ MIN
2
VCOS _ MAX − VCOS _ MIN
2
动态校准的精度取决于各通道失调计算的精度。当电机
以1000 rpm或更高的速度旋转时,最好使用动态校准。在
1000 rpm时,电气周期比环境温度变化快好几个数量级。
外部控制器必须保存正弦和余弦通道在第一次整圈旋转中
这种情况下,用于计算失调的最小值和最大值是从多个机
的最大值和最小值。利用这些值独立确定各通道的失调。
械周期获得,以便确保精确计算失调。
为了校正失调,传感器必须机械旋转一整圈,而不是电气
旋转一圈,这点很重要。对于轴尾安装配置的单偶极子磁
体,机械旋转一圈产生VSIN和VCOS输出的两个正弦周期。
最终电气角度计算使用与单点校准相同的程序,不过OS和
OC会连续更新,如下所示:
每个周期的失调略有不同,因此,捕捉两个周期内的最小
值和最大值可以得出各通道的平均失调,从而在动态校准
中使用最精确的值。
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 V − OS 

α = arctan 2  SIN
V −O 
C 
 COS
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