基于霍尔电路设计的可逆计量传感器

摘要：以识别转向和获取可逆计数信息为主要目的，对比研究了几种基于霍尔电路设计的不同取样方式，分析了它们的输出脉冲时序特征，提出一种简单的设计方案。新的取样方式采用开关型霍尔芯片和锁存型霍尔芯片组合，配合双极旋转磁体取样系统，实现了转向识别和可逆计数信号的采集。传感器电路仅由两片霍尔电路构成，无外围电路，保留了霍尔传感器的全部优点。给出了电路设计，并详细说明了工作原理和实现方法。
关键词：霍尔电路；霍尔传感器；可逆计量；脉冲时序

0 引言
无接触可逆计量信息的传感方式大致分为光电式和磁敏式，两者都配有复杂的电路转换系统或借用应用系统硬件配合软件实现转向识别和可逆计量。带有光电码盘或光栅的光电式可逆传感器具有计量精度高的优点，但因环境苛刻而限制其应用。磁敏式一般采用霍尔效应传感器和磁敏电阻作为敏感元件，具有环境耐受性好的优点，但这些设计都不能直接输出可逆计量信号，需要信号处理电路支持。因此，设计一种结构简单，仅由霍尔元件构成，能直接输出可逆计量信号的新型传感器，具有实际应用价值。

1 几种可逆计量电路设计的技术分析
基于霍尔电路设计的可逆计量传感器的电路形式很多，对比研究其取样方式和工作原理，大致分为三类，即脉冲相位差异型双霍尔取样电路、脉冲占空比差异型锁存霍尔取样电路、集成化单片双霍尔开关位置传感器。对它们的取样方式、输出时序和电路特点分析如下。
1．1 脉冲相位差异型双霍尔取样电路
这类电路一般由两个开关型霍尔电路构成，霍尔芯片沿磁体旋转方向排列，采用一个或多个同极性磁体触发，取样原理和输出时序如图1所示。H1，H2分别是A3144开关型霍尔芯片，由于H1，H2有一定间隔，同一个磁体顺时针旋转(正转)和逆时针旋转(反转)时，对H1、H2的触发具有先后顺序性，信号输出的初相位不同。正转时，OUT1先于OUT2输出；而反转时，OUT1落后于OUT2输出。因此，转向不同，取样电路输出信号存在相位差异特征。

这类电路的应用系统一般采用微处理器或可编程逻辑器件分析处理这两路信号，根据输出信号的相位差异特征，采用软件系统或逻辑运算判断方向，实现可逆计量。这类取样电路的缺点是不能直接输出可逆计量信号，需要另外设计转换电路实现转向识别和可逆计量。优点是采用多个同性磁极触发时，可简单实现多倍频取样。
1．2 脉冲占空比差异型霍尔取样电路
这类取样电路由一片锁存型霍尔芯片构成，采用异极性双磁极交替触发，取样原理和输出时序如图2所示。H1为A3290锁存型霍尔芯片，假设磁体的N，S极安装顺序按逆时针方向排列，且它们在同一象限内，S极锁存霍儿效应，那么N极将解除锁存。当N，S极正转时，S极接近H1，将触发输出低电平，N极接近H1，将触发输出高电平。低电平持续时间为T1，高电平持续时间为T2。显然正转时，S，N间隔小于π，T1T2，即T1／T21；反转时，S，N间隔大于π，T1>T2，即T1／T2>1。分析表明，转向不同，取样电路输出信号的占空比存在差异。

这种取样方式相对简单，但需另外设计信号处理电路，根据输出信号的占空比差异特征实现转向识别和可逆计量，匀速旋转时软件判别容易。缺点是这种磁体安装方式的倍频倍数低；变速旋转时需要软件进一步支持，以避免出现误判，因此建议S，N应尽量靠近。