AN-1352 应用笔记 One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com 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 Rev. 0 | Page 1 of 7 AN-1352 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 Rev. 0 | Page 2 of 7 AN-1352 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 Rev. 0 | Page 3 of 7 12991-005 0 12991-002 6 0 –40 AN-1352 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° Rev. 0 | Page 4 of 7 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 AN-1352 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 Rev. 0 | Page 5 of 7 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 AN-1352 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。 Rev. 0 | Page 6 of 7 AN-1352 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。 ©2015 Analog Devices, Inc. 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