CN110032236A - 一种任意偏置电压输出的直流传感器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种任意偏置电压输出的直流传感器电路，包括开口磁环，还包括从输入端到输出端依次设置的升压电路、基准电压电路、用于检测所述开口磁环开口内的磁场强度并输出具有偏置电压的直流电压的磁敏检测电路、用于将所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压进行分压的电压分压网络和电压跟随电路，正常工作时，4.5V～5.5V范围内的直流供电电压Vcc经升压电路升至一定值Vbst。Vbst经基准稳压电路变换成精确的+5.0V，以给磁敏检测电路供电。磁敏检测电路检测开口磁环内的磁场强度并输出一有偏置电压的直流电压Vo1，Vo1经过由分压电阻组成电压分压网络后输出电压Vo2，Vo2经过电压跟随电路后直接输出Vout。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体的说，是一种任意偏置电压输出的直流传感器电路。
背景技术
近年来，霍尔电流传感器产品因其良好的精度及线性度、检测电压与输出信号高度隔离、高可靠性、低功耗、维修更换方便等优点，广泛应用于航空、航天、通信、仪表、冶金及铁路等军品、民品领域。在很多应用中，要求霍尔电流传感器的零点输出为基准的0V或者2.5V，即检测电流为零时，传感器输出电压为0V或者2.5V；当检测电流为负方向时，传感器输出电压为一个小于基准值的电压值；当检测电流正方向时，传感器输出电压为一个大于基准值的电压值，检测电流与输出电压变化成线性关系。目前市面上常规的霍尔电流传感器的零点输出电压多为0V或者2.5V，而暂无其他基准值输出的产品。但在应用中，其他基准值电压输出的产品确有需求，而现有的霍尔电流传感器的零点输出为基准的0V或2.5V，无法满足其他基准电压的输出，存在明显的功能缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种任意偏置电压输出直流电流的传感器电路，用于解决现有技术中现有的传感器无法满足除0V和2.5V之外的基准电压需求的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种任意偏置电压输出的直流传感器电路，包括开口磁环，还包括从输入端到输出端依次设置的升压电路、基准电压电路、用于检测所述开口磁环开口内的磁场强度并输出具有偏置电压的直流电压的磁敏检测电路、用于将所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压进行分压的电压分压网络和电压跟随电路，正常工作时，4.5V～5.5V范围内的直流供电电压Vcc经升压电路升至一定值Vbst。Vbst经基准稳压电路变换成精确的+5.0V，以给磁敏检测电路供电。磁敏检测电路检测开口磁环内的磁场强度并输出一有偏置电压的直流电压Vo1，Vo1经过由分压电阻组成电压分压网络后输出电压Vo2。Vo2经过电压跟随电路后直接输出Vout，电压跟随器的作用是提高传感器电路的带载能力，避免外接负载对传感器的输出电压造成影响，很好的解决了现有技术中现有技术中现有的传感器无法满足除0V和2.5V之外的基准电压需求的问题。
优选地，所述升压电路包括LTC1515升压芯片，其3号引脚连接电阻R1至8号引脚并接输出，同时3号引脚连接电阻R8至4号引脚然后接GND；5号引脚和6号引脚之间接有电容C1，7号引脚连接电源电压Vcc。
优选地，所述基准稳压电路包括与所述升压电路相连的电阻R9以及与R9的另一端相连的+5V电压、TL431稳压电源芯片D1的2号引脚、可调电阻R2和电容C10，R2的另一端共同连接D1的1号引脚、可调R5和R11，R5、R11和C10的另一端共同连接D1的3号引脚后接GND；此电路中，R9为限流电阻，用于限制后级电路电流。R2、R5、R11为调压电阻，用于调节输出电压为精准的5V。
优选地，所述磁敏检测电路包括线性输出磁敏芯片U3，U3的Vcc引脚连接+5V电压GND引脚接GND，Vout端接运算放大器U4的正极，U4的负极共同接电阻R3和R4，R3的另一端接+2.5V电压，R4的另一端接U4的输出端，U4的4号引脚接GND，8号引脚接电源电压Vcc。当被检测电流为零时，开口磁环内零磁通，磁敏芯片的零点输出电压为2.5V。
优选地，所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压与所述开口磁环内磁场强度的关系为：
Vo1＝2.5V+K*ΔV
其中，Vo1为具有偏置电压的直流电压，2.5V为磁敏检测电路的零点输出电压，该电压为磁敏检测电路供电电压的一半，ΔV为磁敏检测电路的灵敏度，即单位检测电流变化引起的磁敏芯片输出电压变化量，K为磁敏检测电路放大倍数，可由外部电阻等调节；当磁力线从磁敏芯片的正面垂直穿过时，芯片将输出一个正向的变化量电压，即ΔV>0；反之则输出负电压变化量，即ΔV<0。
U4为运算放大器，R3和R4为放大倍数调节电阻。磁敏芯片的输出电压与基准2.5V电压进行比较放大即输出Vo1，根据运算放大器的“虚短”、“虚断”原理，可以推算出：
此即为有精准2.5V偏置电压输出的且与检测电流成线性关系的输出电压信号。
优选地，所述分压网络包括与磁敏检测电路相连的电阻R6，R6的另一端连接输出端和R7，所述输出端连接至所述电压跟随电路，R7的另一端接GND。
优选地，所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压经分压网络后的输出的关系为：
其中，Vo2为经分压网络后输出的电压，Vo1为磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压。
优选地，所述电压跟随电路包括运算放大器U2，U2的正极与所述分压网络相连，负极直接连输出端后对外输出，U2的4号引脚接GND，7号引脚接V+。
优选地，所述分压网络和电压跟随电路可由跟随放大电路进行替换，所述跟随放大电路包括负极与磁敏检测电路相连的运算放大器U2B，U2B的正极共同连接电阻R8和R9，R8的另一端接GND，R9的另一端接U2B的输出端后对外输出。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明正常工作时，将4.5V～5.5V范围内的直流供电电压Vcc经升压电路升至一定值Vbst。Vbst经基准稳压电路变换成精确的+5.0V，以给磁敏检测电路供电。磁敏检测电路检测开口磁环内的磁场强度并输出一有偏置电压的直流电压Vo1，Vo1＝2.5V+K*ΔV，其中，2.5V为磁敏检测电路的零点输出电压，该电压为磁敏检测电路供电电压的一半，即2.5V；K为磁敏检测电路放大倍数，可由外部电阻等调节；ΔV为磁敏检测电路的灵敏度，即单位检测电流变化引起的磁敏芯片输出电压变化量，该变化量由磁敏芯片内部的霍尔器件决定。Vo1经过由分压电阻组成电压分压网络后输出电压Vo2,Vo2＝F*Vo1,其中F为分压网络的分压系数。Vo2经过电压跟随电路后直接输出Vout，电压跟随器的作用是提高传感器电路的带载能力，避免外接负载对传感器的输出电压造成影响。
(2)本发明分压网络和电压跟随电路可由跟随放大电路进行替换，所述跟随放大电路包括负极与磁敏检测电路相连的运算放大器U2B，U2B的正极共同连接电阻R8和R9，R8的另一端接GND，R9的另一端接U2B的输出端后对外输出。
附图说明
图1为本发明的传感电路结构示意框图；
图2为本发明的升压电路结构示意图；
图3为本发明的稳压电路结构示意图；
图4为本发明的磁敏检测电路示意图；
图5为本发明的电压分压网络电路结构示意图；
图6为本发明的电压跟随电路结构示意图；
图7为本发明实施例2的传感电路结构示意框图；
图8为本发明实施例2中跟随放大电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1所示，一种任意偏置电压输出的直流传感器电路，包括开口磁环，还包括从输入端到输出端依次设置的升压电路、基准电压电路、用于检测所述开口磁环开口内的磁场强度并输出具有偏置电压的直流电压的磁敏检测电路、用于将所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压进行分压的电压分压网络和电压跟随电路。
如图2所示，升压电路包括LTC1515升压芯片，其3号引脚连接电阻R1至8号引脚并接输出，同时3号引脚连接电阻R8至4号引脚然后接GND；5号引脚和6号引脚之间接有电容C1，7号引脚连接电源电压Vcc。如图3所示，基准稳压电路包括与所述升压电路相连的电阻R9以及与R9的另一端相连的+5V电压、TL431稳压电源芯片D1的2号引脚、可调电阻R2和电容C10，R2的另一端共同连接D1的1号引脚、可调R5和R11，R5、R11和C10的另一端共同连接D1的3号引脚后接GND。如图4所示，磁敏检测电路包括线性输出磁敏芯片U3，U3的Vcc引脚连接+5V电压GND引脚接GND，Vout端接运算放大器U4的正极，U4的负极共同接电阻R3和R4，R3的另一端接+2.5V电压，R4的另一端接U4的输出端，U4的4号引脚接GND，8号引脚接电源电压Vcc。如图5所示，所述分压网络包括与磁敏检测电路相连的电阻R6，R6的另一端连接输出端和R7，所述输出端连接至所述电压跟随电路，R7的另一端接GND。如图6所示，电压跟随电路包括运算放大器U2，U2的正极与所述分压网络相连，负极直接连输出端后对外输出，U2的4号引脚接GND，7号引脚接V+。
正常工作时，4.5V～5.5V范围内的直流供电电压Vcc经升压电路升至一定值Vbst，如7V，或其他可设定值。Vbst经基准稳压电路变换成精确的+5.0V，以给磁敏检测电路供电。磁敏检测电路检测开口磁环内的磁场强度并输出一有偏置电压的直流电压Vo1，Vo1＝2.5V+K*ΔV，其中，2.5V为磁敏检测电路的零点输出电压，该电压为磁敏检测电路供电电压的一半，即2.5V；K为磁敏检测电路放大倍数，可由外部电阻等调节；ΔV为磁敏检测电路的灵敏度，即单位检测电流变化引起的磁敏芯片输出电压变化量，该变化量由磁敏芯片内部的霍尔器件决定。当磁力线从磁敏芯片的正面垂直穿过时，芯片将输出一个正向的变化量电压，即ΔV>0；反之则输出负电压变化量，即ΔV<0。U4为运算放大器，R3和R4为放大倍数调节电阻。磁敏芯片的输出电压与基准2.5V电压进行比较放大即输出Vo1，根据运算放大器的“虚短”、“虚断”原理，可以推算出：
此即为有精准2.5V偏置电压输出的且与检测电流成线性关系的输出电压信号。
Vo1经过由分压电阻组成电压分压网络后输出电压Vo2,Vo2＝F*Vo1,其中F为分压网络的分压系数，R6和R7为分压电阻，为提高传感器精度，可以选择高精度电阻。根据分压原理，可以推算出：
Vo2经过电压跟随电路后直接输出Vout，电压跟随器的作用是提高传感器电路的带载能力，避免外接负载对传感器的输出电压造成影响。
基于本发明设计的-20A～0A～+20A直流霍尔电流传感器，经检测后线性输出0.25V～1.25V～2.25V的直流电压。
测试结果如下表所示：
由结果可以看出，该霍尔电流传感器零点偏差为1mV，额定电流范围内最大偏差为4mV，非线性误差小于0.18％。
实施例2
如图7所示，在实施例1的基础上，一种任意偏置电压输出的直流传感器电路，包括开口磁环，还包括从输入端到输出端依次设置的升压电路、基准电压电路、用于检测所述开口磁环开口内的磁场强度并输出具有偏置电压的直流电压的磁敏检测电路、跟随放大电路。
如图2所示，升压电路包括LTC1515升压芯片，其3号引脚连接电阻R1至8号引脚并接输出，同时3号引脚连接电阻R8至4号引脚然后接GND；5号引脚和6号引脚之间接有电容C1，7号引脚连接电源电压Vcc。如图3所示，基准稳压电路包括与所述升压电路相连的电阻R9以及与R9的另一端相连的+5V电压、TL431稳压电源芯片D1的2号引脚、可调电阻R2和电容C10，R2的另一端共同连接D1的1号引脚、可调R5和R11，R5、R11和C10的另一端共同连接D1的3号引脚后接GND。如图4所示，磁敏检测电路包括线性输出磁敏芯片U3，U3的Vcc引脚连接+5V电压GND引脚接GND，Vout端接运算放大器U4的正极，U4的负极共同接电阻R3和R4，R3的另一端接+2.5V电压，R4的另一端接U4的输出端，U4的4号引脚接GND，8号引脚接电源电压Vcc。如图8所示，所述跟随放大电路包括负极与磁敏检测电路相连的运算放大器U2B，U2B的正极共同连接电阻R8和R9，R8的另一端接GND，R9的另一端接U2B的输出端后对外输出。
通过此电路可以输出高于2.5V的基准电压，由放大电路的工作原理可以推算出输出电压Vout与Vo1的关系如下：
若供电电压为15V，则可将的升压电路去掉，直接由精密稳压电路将15V变换为基准的5V。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (9)
1.一种任意偏置电压输出的直流传感器电路，包括开口磁环，其特征在于：还包括从输入端到输出端依次设置的升压电路、基准电压电路、用于检测所述开口磁环开口内的磁场强度并输出具有偏置电压的直流电压的磁敏检测电路、用于将所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压进行分压的电压分压网络和电压跟随电路。
2.根据权利要求1所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述升压电路包括LTC1515升压芯片，其3号引脚连接电阻R1至8号引脚并接输出，同时3号引脚连接电阻R8至4号引脚然后接GND；5号引脚和6号引脚之间接有电容C1，7号引脚连接电源电压Vcc。
3.根据权利要求1所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述基准稳压电路包括与所述升压电路相连的电阻R9以及与R9的另一端相连的+5V电压、TL431稳压电源芯片D1的2号引脚、可调电阻R2和电容C10，R2的另一端共同连接D1的1号引脚、可调R5和R11，R5、R11和C10的另一端共同连接D1的3号引脚后接GND。
4.根据权利要求1所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述磁敏检测电路包括线性输出磁敏芯片U3，U3的Vcc引脚连接+5V电压GND引脚接GND，Vout端接运算放大器U4的正极，U4的负极共同接电阻R3和R4，R3的另一端接+2.5V电压，R4的另一端接U4的输出端，U4的4号引脚接GND，8号引脚接电源电压Vcc。
5.根据权利要求4所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压与所述开口磁环内磁场强度的关系为：
Vo1＝2.5V+K*ΔV
其中，Vo1为具有偏置电压的直流电压，2.5V为磁敏检测电路的零点输出电压，该电压为磁敏检测电路供电电压的一半，ΔV为磁敏检测电路的灵敏度，即单位检测电流变化引起的磁敏芯片输出电压变化量。
6.根据权利要求1所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述分压网络包括与磁敏检测电路相连的电阻R6，R6的另一端连接输出端和R7，所述输出端连接至所述电压跟随电路，R7的另一端接GND。
7.根据权利要求6所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压经分压网络后的输出的关系为：
其中，Vo2为经分压网络后输出的电压，Vo1为磁敏检测电路输出的具有偏置电压的直流电压。
8.根据权利要求1所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述电压跟随电路包括运算放大器U2A，U2A的正极与所述分压网络相连，负极直接连输出端后对外输出，U2A的4号引脚接GND，7号引脚接V+。
9.根据权利要求1所述的任意偏置电压输出的直流传感器电路，其特征在于：所述分压网络和电压跟随电路可由跟随放大电路进行替换，所述跟随放大电路包括负极与磁敏检测电路相连的运算放大器U2B，U2B的正极共同连接电阻R8和R9，R8的另一端接GND，R9的另一端接U2B的输出端后对外输出。
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