TMR自校零数字电流传感器及其自校零方法技术

本发明专利技术公开一种TMR自校零数字电流传感器及其自校零方法。通过TMR电桥芯片、放大器和模数转换器将被测电流信号转换成电压信号，经过放大和模数转换生成测量数据；TMR电桥芯片的噪声数据被数字信号处理器分析后，运算得到激励线圈所需激励电压，通过数模转化器及驱动器施加到激励线圈，产生垂直于TMR灵敏度方向的激励磁场，对TMR电桥芯片进行降低噪声；再采集和分析噪声情况，最终实现TMR零点的自动校准。本发明专利技术可以有效地测量电流信号，测量结果精度高动态大，能够有效降低系统的成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路的硬件实现方法，尤其涉及一种基于TMR (Tunnelingmagneto Resistive,隧穿磁电阻)技术的具有自动校准零点功能的数字式电流传感器的硬件设计。
技术介绍
TMR用于电流测量时能够非常好地满足动态和精度的要求，而且可以从直流一直测量到很高的频率电流，但是其自身特有的噪声特性对整个实现方案提出了零点校准的要求。一旦将零点变化或者说噪声所引起的TMR输出的变化校准掉，那么TMR电流传感器的动态和精度都将得到大大提高，这个电流传感器就能满足绝大部分电流测量的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单，TMR输出的噪声得到校准、动态较大、精度较高的TMR自校零电流传感器，可以有效地测量电流信号，测量结果精度高动态大，并能有效降低系统的成本。本专利技术还提供相应的自校零方法。本专利技术的技术方案如下:一种TMR自校零数字电流传感器，包括TMR电桥芯片、激励线圈、放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器；TMR电桥芯片将被测电流信号转换成电压信号，其输出与放大器的输入相连接；放大器的输入与TMR电桥芯片的输出相连接，提供TMR电桥芯片输出的放大 ；放大器输出与模数转换器的输入相连接；模数转换器的输入与放大器的输出相连接，将TMR电桥芯片的输出信号进行模数转换成数字信号；模数转换器的输出与数字信号处理器的输入相连接；数字信号处理器的输入与模数转换器的输出相连接，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声当量；根据激励和噪声当量之间的函数关系计算得到激励；数字信号处理器的输出与数模转换器的输入相连接；数模转换器的输入与数字信号处理器的输出相连接，将数模转换器的输出信号进行数模转换成激励所需的电压模拟信号；数模转换器的输出与驱动器的输入相连接；驱动器的输入与数模转换器的输出相连接，提供数模转换器输出的放大；驱动器的输出与激励线圈相连接；激励线圈与驱动器相连接，产生垂直于TMR电桥芯片灵敏度方向的激励磁场。其进一步的技术方案为:还包括数据存储器；所述数据存储器与数字信号处理器相连接，用于记录激励电压值。其进一步的技术方案为:所述放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器、数字信号处理器及数据存储器集成在一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述激励线圈生产成线圈裸片；所述第一裸片、第二裸片和线圈裸片封装在一个芯片内。其进一步的技术方案为:所述放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器、数字信号处理器及数据存储器集成在一个基片上，生产成第一裸片；所述TMR电桥芯片生产成第二裸片；所述第一裸片和第二裸片封装在一个芯片内；所述激励线圈采用单独的外部印刷电路实现。其进一步的技术方案为:所述芯片与电流导线相连接。本专利技术还提供一种TMR数字电流传感器的自校零方法，包括以下步骤:步骤一，在没有外部电流输入的情况下，测量TMR电桥芯片的输出信号；步骤二，将TMR电桥芯片的输出放大并转换成数字信号；步骤三，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声的当量VMse ;根据激励和噪声的当量之间的函数关系计算得到激励Vrai ；步骤四，将激励Vrai转换成激励所需的电压并驱动激励线圈，产生垂直于测量敏感场的激励磁力线；步骤五，将激励值记录在数据存储器中，以便每次上电时读取并产生激励Vex。本专利技术的有益技术效果是:本专利技术采用多芯片集成电路的设计结构，通过驱动放大、模数转换、数模转换及数字信号处理和数据存储的电路具体实现。TMR电桥芯片、放大器和模数转换器将被测电流信号转换成电压信号，经过放大和模数转换生成测量数据。TMR电桥芯片的噪声数据被数字信号处理器分析后，运算得到激励线圈所需激励电压，通过数模转化器及驱动器施加到激励线圈，产生垂直于TMR灵敏度方向的激励磁场，对TMR电桥芯片进行降低噪声，再采集和分析噪声情况，最终实现TMR零点的自动校准。本专利技术附加的 优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1是本专利技术的电路模块结构框图。图2是本专利技术的机械模块结构框图。图3是本专利技术采用内部组合的实施例的原理框图。图4是本专利技术采用外部组合的实施例的原理框图。图5是TMR元件的结构原理图。图6是TMR元件的理想响应曲线。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。图1示出了本专利技术的电路原理图。如图1所示，本专利技术包括以下电路模块:TMR电桥芯片、激励线圈A、放大器B、驱动器C、模数转换器(ADC)D、数模转换器(DAC)E、数字信号处理器(DSP) F以及数据存储器(EEPROM) G。如图1所不,TMR电桥芯片的输出与放大器B的输入相连接；放大器B输出与模数转换器D的输入相连接；模数转换器D的输出与数字信号处理器F的输入相连接；数字信号处理器F的输出与数模转换器E的输入相连接；数模转换器E的输出与驱动器C的输入相连接；驱动器C的输出与激励线圈A相连接；数据存储器G与数字信号处理器F相连接。结合图1和图2，本专利技术的自校零过程如下:在没有外部电流输入的情况下，测量TMR电桥芯片的输出信号，放大器B提供TMR电桥芯片输出的放大，模数转换器D将TMR电桥芯片的输出信号进行模数转换成数字信号，数字信号处理器F将对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声的当量VMse。数字信号处理器F根据激励和之间的函数关系计算得到激励VM，然后通过数模转换器E将激励Vrai转换成激励所需的电压并经驱动器C输出去驱动激励线圈A来产生垂直于测量敏感场的激励磁力线，由此来降低TMR电桥芯片的噪底。此时还可以再采用计算一次生成最终的激励值，并且记录在数据存储器G中，以便每次上电时读取并产生激励Vex。如图3所示，放大器B、驱动器C、模数转换器D、数模转换器E、数字信号处理器F及数据存储器G采用CMOS工艺设计，集成在一个基片上，生产成第一裸片Diel。TMR电桥芯片则生产成第二裸片Die2。激励线圈A采用MEMS (微机电技术)设计和制造成小型的线圈裸片。最后将第一裸片Diel、第二裸片Die2和线圈裸片封装在一个芯片内，组成本专利技术的芯片部分。如图4所示，也可以将放大器B、驱动器C、模数转换器D、数模转换器E、数字信号处理器F及数据存储器G集成在第一裸片Diel上。TMR电桥芯片生产成第二裸片Die2。将第一裸片Diel和第二裸片Die2封装在一个芯片内，组成本专利技术的芯片部分。而激励线圈A采用单独的外部印刷电路实现。如图1、图3、图4所示，还需要在本专利技术的芯片部分的外部加入引导电流流过的电流导线I。本专利技术的芯片部分可以粘贴在电流导线I上，或者采用机械安装结构来固定本专利技术的芯片部分和电流导线I的位置。以下为本专利技术的两个实施例。实施例一: 图3是本专利技术采用内部组合(片内集成)的原理框图。如图3所示，TMR电桥芯片检测到电流信号后经放大器B放大，并由模数转换器D转换成数字信号，然后由数字信号处理器F对噪声进行分析，计算出激励所需的电压，然后通过数模转换器E及驱动器C来驱动激励线圈A。激励线圈A产生的磁场将和TMR电桥芯片灵敏度方向垂直。此时可以再对TMR电桥芯片的输出进行采样分析，通过调节激励电压来得到最小的噪声。然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TMR自校零数字电流传感器，其特征在于：包括TMR电桥芯片、激励线圈、放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器；TMR电桥芯片将被测电流信号转换成电压信号，其输出与放大器的输入相连接；放大器的输入与TMR电桥芯片的输出相连接，提供TMR电桥芯片输出的放大；放大器输出与模数转换器的输入相连接；模数转换器的输入与放大器的输出相连接，将TMR电桥芯片的输出信号进行模数转换成数字信号；模数转换器的输出与数字信号处理器的输入相连接；数字信号处理器的输入与模数转换器的输出相连接，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声当量；根据激励和噪声当量之间的函数关系计算得到激励；数字信号处理器的输出与数模转换器的输入相连接；数模转换器的输入与数字信号处理器的输出相连接，将数模转换器的输出信号进行数模转换成激励所需的电压模拟信号；数模转换器的输出与驱动器的输入相连接；驱动器的输入与数模转换器的输出相连接，提供数模转换器输出的放大；驱动器的输出与激励线圈相连接；激励线圈与驱动器相连接，产生垂直于TMR电桥芯片灵敏度方向的激励磁场。

【技术特征摘要】
1.一种TMR自校零数字电流传感器，其特征在于:包括TMR电桥芯片、激励线圈、放大器、驱动器、模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器； TMR电桥芯片将被测电流信号转换成电压信号,其输出与放大器的输入相连接； 放大器的输入与TMR电桥芯片的输出相连接,提供TMR电桥芯片输出的放大；放大器输出与模数转换器的输入相连接； 模数转换器的输入与放大器的输出相连接，将TMR电桥芯片的输出信号进行模数转换成数字信号；模数转换器的输出与数字信号处理器的输入相连接； 数字信号处理器的输入与模数转换器的输出相连接，对TMR电桥芯片采集来的数据进行分析，得到噪声当量；根据激励和噪声当量之间的函数关系计算得到激励；数字信号处理器的输出与数模转换器的输入相连接； 数模转换器的输入与数字信号处理器的输出相连接，将数模转换器的输出信号进行数模转换成激励所需的电压模拟信号；数模转换器的输出与驱动器的输入相连接； 驱动器的输入与数模转换器的输出相连接，提供数模转换器输出的放大；驱动器的输出与激励线圈相连接； 激励线圈与驱动器相连接，产生垂直于TMR电桥芯片灵敏度方向的激励磁场。2.根据权利要求1所述TMR自校零数字电流传感器，其特征在于:还包括数据存储器；所述数据存储器与数字信号处理器相连接，用于记录激励电压值。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：芮胜骏，
申请(专利权)人：无锡凌湖科技有限公司，
类型：发明
国别省市：