一种HALL输入信号调理电路的制作方法

本发明一种hall输入信号调理电路，属于数字信号处理电路应用领域。

背景技术：

针对很多无刷直流电机伺服控制项目采用hall传感器作为电机位置信号输入的技术背景，实际工作中因为hall信号波动、电平失稳、毛刺干扰等问题，控制电路容易出现对hall信号高低电平的识别错误，由此对电机控制造成工作干扰。因此亟需一种能够规避干扰、实现对hall输入信号调理的可靠电路。本发明一种hall输入信号调理电路，通过对hall输入信号进行阻容滤波、单向导通、滞环比较、反相器缓冲等工作，使得hall输入信号得以优化调理，转换为能够被清晰识别的数字电平信号，提高了基于hall传感器反馈输入的电机伺服控制电路工作的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的：本发明对伺服控制电路中的hall信号发生信号因电压波动、电平失稳、毛刺干扰等造成hall信号识别错误的问题，提出一种hall输入信号调理电路，对hall输入信号进行优化解决，优化更改后的电路，使得hall输入信号的波形经过多个环节的调理，最终转换为数字器件可清晰识别的高低电平信号，有效规避了hall信号传输过程中因干扰而导致识别错误的现象。

本发明的技术方案：

本发明一种hall输入信号调理电路，其特征在于，所述电路包括入口上拉电路、一阶滤波电路、单向导通电路、滞环比较电路、反向缓冲电路；

入口上拉电路：其功能是将hall传感器1输入的直流模拟量信号，通过电阻一2进行上拉处理后得到信号一，信号一数值为v1，其中，电阻一2一端连接直流模拟电源正端，直流模拟电源数值为vaa；

一阶滤波电路：其功能是对信号一进行一阶滤波处理后得到信号二，信号二数值为v2；

单向导通电路：其功能是利用二极管5实现对信号二进行单向导通处理后得到信号三，信号三数值为v3，单向导通电路的作用是防止负干扰脉冲进入电路；

滞环比较电路：其功能是通过运算放大器6将信号三与参考电压进行比较，并在比较过程中形成电压阈值的滞环窗口，其中，信号三从运算放大器6的同相端输入，参考电压从运算放大器6的反向端输入，参考电压为信号四，其数值为v4，当运算放大器6的同相端输入信号大于运算放大器6的反向端输入信号时，运算放大器6输出端信号为“开”信号；反之，当运算放大器6的同相端输入信号小于运算放大器6的反向端输入线号时，运算放大器6的输出端为“地”信号，运算放大器6将信号三与参考电压进行比较后，从运算放大器6的输出端输出“地/开”特性的信号，该信号通过电阻六10上拉后得到数值为v5的信号五，其中，电阻六10一端连接数字电源正端，数字电源数值为vcc；

反向缓冲电路：其功能是将信号五送入两级反向缓冲电路后增加信号的陡度，反向缓冲电路将信号五转换为数字电路可准确识别的离散量形式的信号六，信号六数值为v6，信号六即为本发明一种hall输入信号调理电路最终输出的hall调理后信号。

所述入口上拉电路，包括电阻一2，hall传感器1的输出端“out”与电阻一2的一端连接，直流模拟电源正端与电阻一2的另一端连接。

所述一阶滤波电路，包括电阻二3、电容4，电阻二3的一端与hall传感器1的输出端“out”相连，电阻二3的另一端与电容4的一端相连，该连接处即为一阶滤波电路的输出端，输出信号即为信号二，信号二数值为v2，电容4的另一端与模拟地agnd相连。

所述单向导通电路，包括二极管5，二极管5的阳极与一阶滤波电路的输出端相连，二极管5的阴极为单向导通电路的输出端，输出信号三，信号三数值为v3。

所述滞环比较电路，包括运算放大器6、电阻三7、电阻四8、电阻五9，运算放大器6的同相端与单向导通电路的输出端相连，同时运算放大器6的同相端与电阻三7的一端相连，运算放大器6的输出端与电阻三7的另一端相连，同时运算放大器6的输出端与电阻六10的一端相连，电阻六10的另一端与数字电源正端相连，运算放大器6的反相端与电阻四8的一端相连，电阻四8的另一端与直流模拟电源的正端相连，同时运算放大器6的反相端与电阻五9的一端相连，电阻五9的另一端与模拟地agnd相连，运算放大器6的反相端得到由电阻四8、电阻五9分压产生的参考电压为信号四，其数值为v4。

所述反向缓冲电路，包括反相器一11、反相器二12，反相器一11的输入端与滞环比较电路的输出端相连，滞环比较电路的输出端得到的输出信号就是信号五，反相器一11的输出端与反相器二12的输入端相连，反相器二12的输出端即反向缓冲电路的输出端，该输出端输出信号六，信号六数值为v6。

所述滞环比较电路，其特征在于，当单向导通电路的输出信号三的电压由低向高变化时，滞环比较电路的电压门限是上门限点电压阈值，当信号三上升到大于上门限点电压阈值时，滞环比较电路的输出信号v5的电压为高电平；当单向导通电路的输出信号三的电压由高向低变化时，滞环比较电路的电压门限是下门限点电压阈值，当信号三下降到小于下门限点电压阈值时，滞环比较电路的输出信号v5的电压为低电平；因此，单向导通电路的输出信号在滞环比较电路的转换过程中，出现了两个跳变点上门限点电压阈值和下门限点电压阈值，两个跳变点电压阈值之差即为迟滞电压或滞环窗口；电阻四8、电阻五9的阻值相同，电阻四8、电阻五9的型号一致，参考电压信号四的数值v4，是直流模拟电源电压数值vaa的一半。

所述的反向缓冲电路，其特征在于，反相器一11、反相器二12的型号一致，反向缓冲电路的输入信号与输出信号在经过两级反向处理后电压高低电平保持一致。

本发明具有的优点和有益效果：本发明对伺服控制电路中hall信号进行了调理，使得hall输入信号受到的干扰影响得到了及时消减。本发明对hall输入信号调理的电路优化方案简单可行，所需主要元器件为一片运算放大器、两片反向器、一个电容、一个二极管及六个电阻，从生产性看，对生产工艺要求低，从维护性看，在实际操作中便于实施。按照本发明设计的hall输入信号调理电路，有效消减了不利干扰，经过电路调理后的hall传感器输入信号，转换为稳定可清晰识别的数字电平离散量信号，可以直接进入处理器管脚进行捕获读取，提高了基于hall传感器的伺服闭环控制电路工作的可靠性。

附图说明

图1是hall输入信号调理电路原理示意图；

其中，1是hall传感器，2是电阻一，3是电阻二，4是电容，5是二极管，6是运算放大器，7是电阻三，8是电阻四，9是电阻五，10是电阻六，11是反相器一，12是反相器二。

具体实施方式

本发明的原理：

本发明一种hall输入信号调理电路，工作原理在于，对hall传感器的输入信号，在入口处进行上拉，确定hall传感器输入信号“开”转台的电压数值，随后进行一阶滤波，滤除hall输入信号存在的高频杂质信号，再经过单向导通电路，防止负向干扰脉冲进入后级电路，然后通过滞环比较电路获得状态清晰的高低电平数字信号，最后经过反向缓冲电路对信号进行陡度优化，由此获得经过调理的hall信号。

下面的结合附图对本发明进行进一步详细的说明。

本发明一种hall输入信号调理电路，其特征在于，所述电路包括入口上拉电路、一阶滤波电路、单向导通电路、滞环比较电路、反向缓冲电路；

入口上拉电路：其功能是将hall传感器(1)输入的直流模拟量信号，通过电阻一2进行上拉处理后得到信号一，信号一数值为v1，其中，电阻一2一端连接直流模拟电源正端，直流模拟电源数值为vaa；

电阻一2型号的选取，是根据hall传感器器件的手册，推荐选择阻值为2k的电阻，为提高抗干扰性，用15v直流模拟电源或5v直流模拟电源对hall输入信号进行上拉处理。选定直流模拟电源电压等级后，需要特别注意电阻一2的额定功率必须大于对应的电阻计算功耗，由此确保电阻一2在发热状态下能够正常工作，电阻功率计算公式如下：

p＝va²/r(1)

公式(1)中，p为电阻功率，va为直流模拟电源电压值，r为电阻阻值；

一阶滤波电路：其功能是对信号一进行一阶滤波处理后得到信号二，信号二数值为v2，由于hall输入信号为“地/开”信号，当hall输入信号为“开”状态时，滤波时间常数计算公式如下：

t＝(r1+r2)*c(2)

当hall信号为“地”时，滤波时间常数计算公式如下：

t＝r2*c(3)

公式(2)、公式(3)中，t为一阶滤波时间常数，r1为入口上拉电路中所述的电阻一2，r2为一阶滤波电路中所述的电阻二3，c为一阶滤波电路中所述的电容4，而滤波时间常数转换为滤波截止频率的计算公式如下：

f＝1/(2*pi*t)(4)

公式(4)中，f为一阶滤波截止频率，pi为圆周率，t为一阶滤波时间常数，根据传统电路滤波参数设计要求，该一阶滤波电路的截止频率应当至少大于hall最大输入频率的10倍，而hall输入频率的计算公式如下：

f＝n*p/60(5)

公式(5)中，f为hall输入频率，n为电机空载转速，p为电机中hall传感器的极对数；

单向导通电路：其功能是利用二极管5实现对信号二进行单向导通处理后得到信号三，信号三数值为v3，单向导通电路的作用是防止负干扰脉冲进入电路，选取常用的g1n4148快速开关二极管作为二极管5，在防止负向干扰脉冲进入后级滞环比较电路的同时，起到开关整流、保护滞环比较电路中运算放大器6的作用；

滞环比较电路：其功能是由运算放大器6对信号三进行与参考电压的比较，并在比较过程中形成电压阈值的滞环窗口，其中，电阻四8和电阻五9将vaa分压后生成参考电压信号四，信号四数值为v4，运算放大器6根据信号三与信号四的比较结果输出“地/开”特性的信号，并由电阻六10将该信号进行上拉处理后得到信号五，信号五数值为v5，其中，电阻六10一端连接数字电源正端，数字电源数值为vcc；滞环比较使用电阻四8、电阻五9对直流模拟电源电压的分压作为参考电压，其数值为v4，电阻四8、电阻五9的阻值相同，电阻四8、电阻五9的型号一致，确保参考电压信号四的数值v4，是直流模拟电源电压数值vaa的一半；

所述滞环比较电路，其特征在于，当单向导通电路的输出信号三的电压由低向高变化时，滞环比较电路的电压门限是上门限点电压阈值，当信号三上升到大于上门限点电压阈值时，滞环比较电路的输出信号v5的电压为高电平；当单向导通电路的输出信号三的电压由高向低变化时，滞环比较电路的电压门限是下门限点电压阈值，当信号三下降到小于下门限点电压阈值时，滞环比较电路的输出信号v5的电压为低电平；因此，单向导通电路的输出信号在滞环比较电路的转换过程中，出现了两个跳变点上门限点电压阈值和下门限点电压阈值，两个跳变点电压阈值之差即为迟滞电压或滞环窗口；

上门限点电压阈值计算公式如下：

公式(6)中，vi(l→h)为滞环比较回路的上门限点电压，r2为电阻二3，r3为电阻三7，vref为参考电压信号四，vol为运算放大器6lm139输出低电平时的电压值，常温最大0.4v，全温范围最大0.7v，vd为二极管5g1n4148的导通压降，认为运算放大器6lm139输出电压为低电平时，即为“地”信号，对于运算放大器6lm139，当同相端输入信号大于反向端输入线号时，运算放大器6lm139输出为“开”，反之，当同相端输入信号小于反向端输入线号时，运算放大器6lm139输出为“地”；

下门限点电压阈值计算公式如下：

公式(7)中，vi(h→l)为滞环比较回路的下门限点电压，r2为电阻二3，r3为电阻三7，vref为参考电压信号四，vcc为运算放大器6lm139输出端的经电阻六10的上拉数字电源电压，采用3.3v或者5v，vd为二极管5g1n4148的导通压降；

在这里有一个参数假设，假设r3>10*r6，r3为电阻三7，r6为电阻六10，如此能确保上拉数字电源电压有效作用于运算放大器6lm139输出端，不会因被滞回比较电路分压而导致上拉电平电压值不足，

由公式(6)、公式(7)中，得到滞环比较电路的滞环窗口计算公式为：

公式(8)中，δv为滞环窗口，通过计算δv的最大和最小值来看是否满足滞环窗口参数要求，一般要求，滞环比较电路的滞环窗口不小于0.6，不大于1.2v；

反向缓冲电路：其功能是将信号五送入两级反向缓冲电路后增加信号的陡度，反向缓冲电路将信号五转换为数字电路可准确识别的离散量形式的信号六，信号六数值为v6，信号六即为本发明一种hall输入信号调理电路最终输出的hall调理后信号；所述的反向缓冲电路，其特征在于，反相器一11、反相器二12的型号一致，反向缓冲电路的输入信号与输出信号在经过两级反向处理后电压高低电平保持一致；此时要注意电阻六10上拉电阻的选取，电阻六10的阻值不能过大，要保证反相器一11、反相器二12的输入端有足够电流输入，建议电阻六10的阻值选取4.7k。

实施例

一种hall输入信号调理电路，其特征在于，所述电路包括入口上拉电路、一阶滤波电路、单向导通电路、滞环比较电路、反向缓冲电路；

入口上拉电路：其功能是将hall传感器1输入的直流模拟量信号，通过电阻一2进行上拉处理后得到信号一，信号一数值为v1，其中，电阻一2一端连接直流模拟电源正端，直流模拟电源数值为vaa；

电阻一2型号的选取，是根据hall传感器器件的手册，推荐选择阻值为2k的电阻，为提高抗干扰性，用15v直流模拟电源对hall输入信号进行上拉处理，即vaa＝+15v。选定直流模拟电源电压等级后，需要特别注意电阻一2的额定功率必须大于对应的电阻计算功耗，由此确保电阻一2在发热状态下能够正常工作，电阻一2选定阻值为2kω的电阻，根据公式(1)，计算得到电阻功率p＝va²/r＝(15v)²/2kω＝0.1125w，考虑功率裕量及常用电阻功率选用范围，选择电阻一2的电阻型号为rmk3216-1/4w-2kohm-j；

一阶滤波电路：其功能是将信号一，进行一阶滤波处理后得到信号二，其数值为v2，hall输入频率计算方法为转速乘极对数，例如舵机霍尔传感器最高空载转速n为9000rpm，极对数p是2，则根据公式(5)，计算f＝n*p/60＝9000*2/60＝300hz，计算得到输入频率f为300hz，根据设计经验，截止频率至少要大于hall信号频率的10倍，才不至于使得有用信号被衰减，因此选择电阻二3型号rmk1608kb124fmb，即电阻二(3)阻值为120kω，选择电容4型号gct41l-0603-2c1-50v-330pf-k，根据公式(2)，计算得到滤波时间常数t＝r2*c＝120k*330p＝39.6us，又根据公式(4)，计算出一阶滤波截止频率f＝1/(2*pi*t)＝1/(2*3.1415926*39.6us)＝4khz，可以看出，4khz＞10*f＝3khz，满足一阶滤波截止频率至少要大于hall信号频率10倍的要求；

单向导通电路：其功能是利用二极管5实现对信号二进行单向导通处理，单向导通电路的作用是防止负干扰脉冲进入电路，信号二经过单向导通电路处理后，转换为信号三，其数值为v3，选取常用的g1n4148快速开关二极管作为二极管5，在防止负向烦扰脉冲进入后级滞环比较电路的同时，起到开关整流、保护滞环比较电路中运算放大器6的作用；

滞环比较电路：其功能是由运算放大器6对信号三进行与参考电压的比较，并在比较过程中形成电压阈值的滞环窗口，其中，参考电压为信号四，其数值为v4，根据比较结果输出“地/开”特性的信号，并由电阻六10将该信号的“开”状态上拉至数字电源电压水平，由此得到高低电平信号五，其数值为v5，使用+15v直流模拟电源电压，滞环比较使用电阻四8、电阻五9对直流模拟电源电压的分压作为参考电压，其数值为v4，建议电阻四8、电阻五9选择为型号一致、阻值一样的电阻，使得参考电压数值为直流模拟电源电压的一半，使用15v分压为vref＝7.5v，考虑电阻精度及常用电阻功率选用范围，分压电阻电阻四8、电阻五9选用rmk1608yb103bmt，即电阻四8、电阻五9的阻值为10kω，电阻三7选用rmk1608kb914fmb，即电阻三7的阻值为910kω，当单向导通电路的输出信号三的电压由低向高变化时，滞环比较电路的电压门限是上门限点电压阈值，当信号三上升到大于上门限点电压阈值时，滞环比较电路的输出信号v5的电压为高电平；当单向导通电路的输出信号三的电压由高向低变化时，滞环比较电路的电压门限是下门限点电压阈值，当信号三下降到小于下门限点电压阈值时，滞环比较电路的输出信号v5的电压为低电平；因此，单向导通电路的输出信号在滞环比较电路的转换过程中，出现了两个跳变点上门限点电压阈值和下门限点电压阈值，两个跳变点电压阈值之差即为迟滞电压或滞环窗口；

在这里有一个参数假设，假设r3>10*r6，r3为电阻三7，r6为电阻六10，如此能确保上拉数字电源电压有效作用于运算放大器6lm139输出端，不会因被滞回比较电路分压而导致上拉电平电压值不足；

根据公式(8)，计算滞环比较电路的滞环窗口δv＝0.607v，满足滞环窗口不小于0.6v、不大于1.2v的要求；

反向缓冲电路：其功能是将信号五送入两级反向缓冲电路，增加信号的陡度，将信号五转换为数字电路可准确识别的数字电平信号六，其数值为v6，信号六即为已转换为数字电平的hall调理信号，为让后级数字信号的上升和下降沿更陡，建议反相器一11、反相器二12使用两极14反相器进行缓冲，建议反相器一11、反相器二12采用snj54hct14w芯片，此时要注意电阻六10上拉电阻的选取，电阻六10的阻值不能过大，要保证反相器一11、反相器二12的输入端有足够电流输入，建议电阻六10的阻值选取4.7k，而电阻三7的阻值为910kω，满足r3>10*r6的参数假设，r3为电阻三7，r6为电阻六10。

通过对反向缓冲电路输出端信号六的实际观测，输出的hall调理信号已转换为接近标准方波的数字电平信号，验证本发明一种hall输入信号调理电路实现了预期设计目标。