LTC3638 4V~125V 输入至 -15V 输出正至负稳压器
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电路描述
电路信号带宽由
AD8227确定，其在增益32下具有大约100 kHz 带宽。
单位增益运算放大器 AD8615 缓冲仪表放大器的输出电压， 并直接连接ADC。该缓冲器具有轨到轨输出级，可在电源 供电轨200 mV范围内摆动。
AD7866是一款双通道12位1 MSPS SAR ADC。RANGE引脚的 极性确定模拟输入范围和输出编码。如果片选信号变为低 电平时该引脚连接逻辑高电平，则下一次转换的模拟输入 范围为0 V至2VREF(0 V至5 V)，为缓冲放大器的0.2 V至4.8 V 输入信号提供大约200 mV裕量。
将REFSEL引脚连接至低电平可配置ADC使用内部2.5 V基准 电压源。VREF引脚提供该电压，但将其用于系统的其他位 置前必须先使用缓冲器。DCAPA引脚和DCAPB引脚采用470 nF 电容去耦，确保ADC正常工作。基准电压由AD8615缓冲， 并设置仪表放大器AD8227共模输出电压。
AD7866同步采样磁阻传感器的两个通道。数字字通常在 DOUTA和DOUTB端提供。每个数据流包括1个前导零，随后 是3个状态位，再加上12位转换数据。然而，保持片选信 号为低电平并持续额外16个时钟周期，则两个数字字均可 从一个通道(DOUTA)读取。
SPI接口允许在一条数据线路上访问两个通道。
磁阻(MR)理论， 请参考 CN0341 PDF.
传感器基础知识
标准AMR传感器由两个惠斯登电桥组成，互相之间的相对 角度为45°。透磁合金条包含两个电桥的全部元器件，标称 电阻值为3.2 kΩ。
图7.AA745双惠斯登电桥配置
AA745最大峰值信号幅度为70 mV(14 mV/VCC，5 V电源)。 传感器失调电压为±10 mV(±2 mV/VCC，5 V电源)，输出2.5 V ±0.70 mV可用信号。旋转磁场产生sin(2ø)和cos(2ø)输出信号， 如图8所示。两个信号在180°范围内均为周期信号，可进行 全方位360°测量，无需额外电路和元件。
图8. 磁阻传感器输出电压
Channel 通道灵敏度
每通道的传感器标称灵敏度为2.35 mV/°。这意味着磁化矢 量和传感器方向之间的每一度变化都会产生2.35 mV的输出 电压改变。角度的灵敏度并非常量。灵敏度下降的部分是 线路斜率接近零时的输出部分。
如图8所示，通道1(蓝线)在磁化矢量接近45°或135°时损失 灵敏度。类似地，通道2(红线)在磁化矢量接近0°和90°时损 失灵敏度。幸运的是，当一个通道的灵敏度降低时，另一 个通道处于高灵敏度区域。
软件利用了这一特性，并基于某一时刻最为精确的传感器 测量角度。如果通道1接近45°，则使用通道2计算角度，保 证系统精度。
测试结果
通过在数显卡尺的臂上安装磁体，测试EVAL-CN0341-SDPZ PCB。安放EVAL-CN0341-SDPZ PCB，使其AA745 AMR传感 器(U5)正面与磁体正面垂直。当磁体移动时，数显卡尺显 示移动的距离，精度达0.0005英寸。同时，磁力线与传感 器相交，提供可用输出范围。图9显示该设置的功能框 图；图10显示该设置的照片。
图9. 数据采集测试设置
图10. 基准测试设置照片
测试所用的磁体为2英寸长，与传感器相距1英寸。通过移 动磁体来获得数据，并将评估软件读数与卡尺数字显示屏 的读数做比较。图11显示1.0英寸范围内记录的输出位置误 差。整个范围内的误差为±2密耳。
图11. 磁场位置误差： 1.0英寸范围， 显示四片评估板的数据
将测量范围限制在0.4英寸可获得更好的误差结果。注意， 0.4英寸与图8所示的三角波的线性部分重合，并将测量限 制在30˚范围内。对此更改范围应用新的增益校正系数，可 获得±1密耳的误差，如图12所示。
图12. 磁场位置误差： 0.4英寸范围， 显示四片评估板的数据
将测量范围限制在0.4英寸可获得更好的误差结果。注意， 0.4英寸与图8所示的三角波的线性部分重合，并将测量限 制在30˚范围内。对此更改范围应用新的增益校正系数，可 获得±1密耳的误差，如图12所示。
图13. 基准测试设置照片： 垂直对齐误差
传感器放在磁体本体的中央，如图13所示。当传感器相对磁 体上下移动时，会产生一个常见误差源——垂直对齐误差。
图14. 磁场位置误差： 垂直对齐误差
图14显示了传感器与磁体在垂直方向上未对齐所造成的误 差。测试将PCB上移或下移0.25英寸和0.5英寸，然后获取 数据。对于1.0英寸测量范围，上移或下移0.25英寸会严重 降低性能，给计算增加数密耳的误差。上移或下移0.5英寸 时，情况更糟，原始读数的误差会增加数十密耳。
图15. 基准测试设置照片： 旋转对齐误差
通过调整增益校正系数，可以减小这些误差，但无法完全 消除。增大与磁体的距离会对磁场强度产生不利影响，磁 力线的方向会使得某些数据不可恢复。
图15显示了第二个常见误差源——旋转对齐误差。虽然传 感器和磁体在垂直方向上定位理想，但传感器与磁体的正 面并不平行。
图16显示了与该误差源相关的读数。绿线显示了平行配置 所记录的误差，红线和蓝线显示了传感器相对于磁体正面 左右旋转所带来的额外误差。
图16. 磁场位置误差： 旋转对齐误差
图17显示了最后一个常见误差源——传感器与磁体的距离。 传感器与磁体的理想距离是磁体长度的一半。增大或减小 该距离都会带来测量误差。图17显示了磁体和传感器相距 太近的基准测试设置。
图18. 磁场位置误差： 平面距离变化
通过调整增益校正系数，可以减小这些误差，但无法完全 消除。增大或减小与磁体的距离会对磁场强度产生不利影 响，磁力线的方向会使得某些数据不可恢复。
图19所示为用于所有读数和计算的LabVIEW®评估软件的屏 幕截图。
图19. CN-0341评估软件屏幕截图
校准选项卡确定每个惠斯登电桥的最大和最小电压输出 (V MAX 和V MIN )。了解这些数值可以更精确地将电压映射到 数字码。用户可以手动输入数值，使计算误差最小。
PCB布局考虑
在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源 和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。 本系统的PCB采用4层板堆叠而成，具有较大面积的接地层 和电源层多边形。有关布局和接地的详细论述，请参见 MT-031 指南,有关去耦技术的信息，请参见 MT-101 指南。
所有IC的电源应当用1 μF和0.1 μF电容去耦，以适当抑制噪 声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近器件。对于所有高 频去耦，建议使用陶瓷电容。
电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线 路上的毛刺效应。通过数字地将时钟及其它快速开关数字 信号屏蔽起来，使之不影响电路板的其它器件。图20为 PCB的照片。
有关本电路笔记的完整设计支持包，请访问 www.analog.com/CN0341-DesignSupport.
图20. EVAL-CN0341-SDPZ PCB照片
单位增益运算放大器 AD8615 缓冲仪表放大器的输出电压， 并直接连接ADC。该缓冲器具有轨到轨输出级，可在电源 供电轨200 mV范围内摆动。
AD7866是一款双通道12位1 MSPS SAR ADC。RANGE引脚的 极性确定模拟输入范围和输出编码。如果片选信号变为低 电平时该引脚连接逻辑高电平，则下一次转换的模拟输入 范围为0 V至2VREF(0 V至5 V)，为缓冲放大器的0.2 V至4.8 V 输入信号提供大约200 mV裕量。
将REFSEL引脚连接至低电平可配置ADC使用内部2.5 V基准 电压源。VREF引脚提供该电压，但将其用于系统的其他位 置前必须先使用缓冲器。DCAPA引脚和DCAPB引脚采用470 nF 电容去耦，确保ADC正常工作。基准电压由AD8615缓冲， 并设置仪表放大器AD8227共模输出电压。
AD7866同步采样磁阻传感器的两个通道。数字字通常在 DOUTA和DOUTB端提供。每个数据流包括1个前导零，随后 是3个状态位，再加上12位转换数据。然而，保持片选信 号为低电平并持续额外16个时钟周期，则两个数字字均可 从一个通道(DOUTA)读取。
SPI接口允许在一条数据线路上访问两个通道。
磁阻(MR)理论， 请参考 CN0341 PDF.
传感器基础知识
标准AMR传感器由两个惠斯登电桥组成，互相之间的相对 角度为45°。透磁合金条包含两个电桥的全部元器件，标称 电阻值为3.2 kΩ。
图7.AA745双惠斯登电桥配置
AA745最大峰值信号幅度为70 mV(14 mV/VCC，5 V电源)。 传感器失调电压为±10 mV(±2 mV/VCC，5 V电源)，输出2.5 V ±0.70 mV可用信号。旋转磁场产生sin(2ø)和cos(2ø)输出信号， 如图8所示。两个信号在180°范围内均为周期信号，可进行 全方位360°测量，无需额外电路和元件。
图8. 磁阻传感器输出电压
Channel 通道灵敏度
每通道的传感器标称灵敏度为2.35 mV/°。这意味着磁化矢 量和传感器方向之间的每一度变化都会产生2.35 mV的输出 电压改变。角度的灵敏度并非常量。灵敏度下降的部分是 线路斜率接近零时的输出部分。
如图8所示，通道1(蓝线)在磁化矢量接近45°或135°时损失 灵敏度。类似地，通道2(红线)在磁化矢量接近0°和90°时损 失灵敏度。幸运的是，当一个通道的灵敏度降低时，另一 个通道处于高灵敏度区域。
软件利用了这一特性，并基于某一时刻最为精确的传感器 测量角度。如果通道1接近45°，则使用通道2计算角度，保 证系统精度。
测试结果
通过在数显卡尺的臂上安装磁体，测试EVAL-CN0341-SDPZ PCB。安放EVAL-CN0341-SDPZ PCB，使其AA745 AMR传感 器(U5)正面与磁体正面垂直。当磁体移动时，数显卡尺显 示移动的距离，精度达0.0005英寸。同时，磁力线与传感 器相交，提供可用输出范围。图9显示该设置的功能框 图；图10显示该设置的照片。
图9. 数据采集测试设置
图10. 基准测试设置照片
测试所用的磁体为2英寸长，与传感器相距1英寸。通过移 动磁体来获得数据，并将评估软件读数与卡尺数字显示屏 的读数做比较。图11显示1.0英寸范围内记录的输出位置误 差。整个范围内的误差为±2密耳。
图11. 磁场位置误差： 1.0英寸范围， 显示四片评估板的数据
将测量范围限制在0.4英寸可获得更好的误差结果。注意， 0.4英寸与图8所示的三角波的线性部分重合，并将测量限 制在30˚范围内。对此更改范围应用新的增益校正系数，可 获得±1密耳的误差，如图12所示。
图12. 磁场位置误差： 0.4英寸范围， 显示四片评估板的数据
将测量范围限制在0.4英寸可获得更好的误差结果。注意， 0.4英寸与图8所示的三角波的线性部分重合，并将测量限 制在30˚范围内。对此更改范围应用新的增益校正系数，可 获得±1密耳的误差，如图12所示。
图13. 基准测试设置照片： 垂直对齐误差
传感器放在磁体本体的中央，如图13所示。当传感器相对磁 体上下移动时，会产生一个常见误差源——垂直对齐误差。
图14. 磁场位置误差： 垂直对齐误差
图14显示了传感器与磁体在垂直方向上未对齐所造成的误 差。测试将PCB上移或下移0.25英寸和0.5英寸，然后获取 数据。对于1.0英寸测量范围，上移或下移0.25英寸会严重 降低性能，给计算增加数密耳的误差。上移或下移0.5英寸 时，情况更糟，原始读数的误差会增加数十密耳。
图15. 基准测试设置照片： 旋转对齐误差
通过调整增益校正系数，可以减小这些误差，但无法完全 消除。增大与磁体的距离会对磁场强度产生不利影响，磁 力线的方向会使得某些数据不可恢复。
图15显示了第二个常见误差源——旋转对齐误差。虽然传 感器和磁体在垂直方向上定位理想，但传感器与磁体的正 面并不平行。
图16显示了与该误差源相关的读数。绿线显示了平行配置 所记录的误差，红线和蓝线显示了传感器相对于磁体正面 左右旋转所带来的额外误差。
图16. 磁场位置误差： 旋转对齐误差
图17显示了最后一个常见误差源——传感器与磁体的距离。 传感器与磁体的理想距离是磁体长度的一半。增大或减小 该距离都会带来测量误差。图17显示了磁体和传感器相距 太近的基准测试设置。
图17. 基准测试设置照片： 平面距离变化
磁体与传感器的距离先后设置为0.1英寸、0.5英寸和1英 寸，然后获取数据。图18显示了不同配置相关的误差。
图18. 磁场位置误差： 平面距离变化
通过调整增益校正系数，可以减小这些误差，但无法完全 消除。增大或减小与磁体的距离会对磁场强度产生不利影 响，磁力线的方向会使得某些数据不可恢复。
图19所示为用于所有读数和计算的LabVIEW®评估软件的屏 幕截图。
图19. CN-0341评估软件屏幕截图
校准选项卡确定每个惠斯登电桥的最大和最小电压输出 (V MAX 和V MIN )。了解这些数值可以更精确地将电压映射到 数字码。用户可以手动输入数值，使计算误差最小。
PCB布局考虑
在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源 和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。 本系统的PCB采用4层板堆叠而成，具有较大面积的接地层 和电源层多边形。有关布局和接地的详细论述，请参见 MT-031 指南,有关去耦技术的信息，请参见 MT-101 指南。
所有IC的电源应当用1 μF和0.1 μF电容去耦，以适当抑制噪 声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近器件。对于所有高 频去耦，建议使用陶瓷电容。
电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线 路上的毛刺效应。通过数字地将时钟及其它快速开关数字 信号屏蔽起来，使之不影响电路板的其它器件。图20为 PCB的照片。
有关本电路笔记的完整设计支持包，请访问 www.analog.com/CN0341-DesignSupport.
图20. EVAL-CN0341-SDPZ PCB照片
常见变化
欲将CN-0323笔记所述的角位置测量系统更改为线性位置 测量系统，需要做两点改变。首先是用AA745代替AA747 传感器。该传感器专门检测线性移动，并具有与AA747相 当的电气特性。其次，采用由一系列变化的南北极组成的 多极条状磁体代替现有磁体，如图21所示。
图21. 线性位置测量磁体、PCB和传感器
AA745采用水平包装，安装位置与PCB的边缘齐平。这样 可实现磁体和传感器之间的最佳距离，理想距离是磁极长 度的一半。
随着传感器沿与磁体平行方向移动，每转过磁极长度的 180°，它都会检测磁场。磁极长度(P)和传感器的角度精度 (ΔØ = 0.05°)确定理论精度(Δx)。
Δx = P × Δ?/180°
这样便形成了仅有一个磁极长度的绝对测量系统。若磁体 有多个磁极，则对通过的磁极进行计数可获得更精确的读 数。实现该功能需要更多电子元器件，并且通常具有不同 磁极长度的第二个磁体能为额外的传感器提供参照点。
图21. 线性位置测量磁体、PCB和传感器
AA745采用水平包装，安装位置与PCB的边缘齐平。这样 可实现磁体和传感器之间的最佳距离，理想距离是磁极长 度的一半。
随着传感器沿与磁体平行方向移动，每转过磁极长度的 180°，它都会检测磁场。磁极长度(P)和传感器的角度精度 (ΔØ = 0.05°)确定理论精度(Δx)。
Δx = P × Δ?/180°
这样便形成了仅有一个磁极长度的绝对测量系统。若磁体 有多个磁极，则对通过的磁极进行计数可获得更精确的读 数。实现该功能需要更多电子元器件，并且通常具有不同 磁极长度的第二个磁体能为额外的传感器提供参照点。
电路评估与测试
本电路使用EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板和 EVAL-CN0341-SDPZ电路板。这两片板具有120引脚的对接 连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。
EVAL-CN0341-SDPZ包含待评估电路，如本笔记所述。 EVAL-SDP-CB1Z与CN-0341评估软件一同使用，收集 EVAL-CN0341-SDPZ评估板的数据。
设备要求
带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或 Windows® 7(32位)PC
EVAL-CN0341-SDPZ评估板
EVAL-SDP-CB1Z评估板
6 V电源或壁式电源适配器
CN-0341评估软件
传感器封装处磁场强度不低于25 kA/m的钕磁体。
开始使用
将CN-0341评估软件评估软件光盘放入PC，加载评估软 件。打开我的电脑，找到包含评估软件光盘的驱动器，打 开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评 估软件。
功能框图
图22所示为测试设置的功能框图。
设置
将 EVAL-CN0341-SDPZ上的120引脚连接器连接到EVALSDP-CB1Z上的连接器。使用尼龙五金配件，通过120引脚 连接器两端的孔牢牢固定这两片板。
在断电情况下，将6.0 V直流管式插孔连接到J4连接器。将 EVAL-SDP-CB1Z附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。 注意：此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连 接器。
将钕磁体直接放置在IC之上，或置于专为旋转磁体而设计 的夹具中，使IC和磁体本身的距离最短。
使磁场的其他来源远离IC很重要，因为任何杂散磁场都会 使传感器输出电压产生误差。
测试
为直流管式插孔、J4连接器上电。启动CN-0341评估软件， 并通过USB电缆将PC连接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB 连接器。
一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z来发送、 接收和捕捉来自EVAL-CN0341-SDPZ的串行数据。
有关EVAL-SDP-CB1Z的信息，请参阅SDP用户指南。
有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的 详细信息，请参阅 CN-0341 软件用户指南： www.analog.com/CN0341-UserGuide.
EVAL-CN0341-SDPZ包含待评估电路，如本笔记所述。 EVAL-SDP-CB1Z与CN-0341评估软件一同使用，收集 EVAL-CN0341-SDPZ评估板的数据。
设备要求
带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或 Windows® 7(32位)PC
EVAL-CN0341-SDPZ评估板
EVAL-SDP-CB1Z评估板
6 V电源或壁式电源适配器
CN-0341评估软件
传感器封装处磁场强度不低于25 kA/m的钕磁体。
开始使用
将CN-0341评估软件评估软件光盘放入PC，加载评估软 件。打开我的电脑，找到包含评估软件光盘的驱动器，打 开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评 估软件。
功能框图
图22所示为测试设置的功能框图。
设置
将 EVAL-CN0341-SDPZ上的120引脚连接器连接到EVALSDP-CB1Z上的连接器。使用尼龙五金配件，通过120引脚 连接器两端的孔牢牢固定这两片板。
在断电情况下，将6.0 V直流管式插孔连接到J4连接器。将 EVAL-SDP-CB1Z附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。 注意：此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连 接器。
将钕磁体直接放置在IC之上，或置于专为旋转磁体而设计 的夹具中，使IC和磁体本身的距离最短。
使磁场的其他来源远离IC很重要，因为任何杂散磁场都会 使传感器输出电压产生误差。
测试
为直流管式插孔、J4连接器上电。启动CN-0341评估软件， 并通过USB电缆将PC连接到EVAL-SDP-CB1Z上的微型USB 连接器。
一旦USB通信建立，就可以使用EVAL-SDP-CB1Z来发送、 接收和捕捉来自EVAL-CN0341-SDPZ的串行数据。
有关EVAL-SDP-CB1Z的信息，请参阅SDP用户指南。
有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的 详细信息，请参阅 CN-0341 软件用户指南： www.analog.com/CN0341-UserGuide.
讨论
电脑端提供购买功能
购买评估板
所示报价为单片价格
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考，指美元报价（每片美国离岸价），如有修改恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因，国际报价可能不同。
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