一种基于TMR的微弱电流传感器信号处理电路

本技术属于电流传感器领域，更具体地，涉及一种基于隧穿磁阻效应的微弱电流传感器信号处理电路。

背景技术：

1、电流传感器是现代传感器产业的一个重要分支，随着科学技术的稳步快速发展，信息数据的获取在如今互联网信息化时代具有十分重要的意义。特别是对于微弱信号的获取，虽然在获取的过程中存在较大的难度，但在实际应用中具有较大的价值。近些年来，微弱电流的检测在信号处理、测量技术、通讯技术、信息技术等领域得到较为广泛的应用，并极大促进了相关领域的发展。

2、电流传感器的研究可按照测量方式和测量原理去划分，其中按测量方式可分为接触式测量和非接触式测量；按测量原理可分为基于欧姆定律，基于安培环路定律和其他间接测量技术三大类。其中基于欧姆定律的分流器是唯一的一类接触式电流传感器，其他均为非接触式电流传感器。非接触式电流传感器按原理进行划分，其中基于安培环路定律的电流传感器又分为直接测量磁感应强度b和法拉第电磁感应定律测量两种方式。直接测量磁感应强度b的电流传感器有霍尔电流传感器、磁通门电流感器、磁电阻电流传感器；应用法拉第电磁感应定律的有罗氏线圈和电流互感器。其他间接测量技术电流传感器主要利用磁场与其他物理学原理或效应结合进行测量。这些电流传感器均有其各自最适合的应用场景。

3、基于欧姆定律的分流器属于接入式测量，其优点是成本低，应用方便；但它存在热稳定误差，并且测量时电流损耗大，无电气绝缘，存在安全问题且测量精度相对低。电流互感器分为交流电流互感器和直流电流互感器。交流电流互感器其优点是高稳定性和耐高击穿电压，但它不适合测量频率过高或过低的电流，会产生很大误差。直流电流互感器其缺点是被测电流不能过大以及结构不方便安装拆卸。罗氏线圈电流传感器不存在铁芯的饱和特性，无磁滞效应，优点是高耐击穿电压，体积小，价格低，容易安装，罗氏线圈尤其适合高频电流、大电流及瞬态电流的测量，但目前研制出的罗氏线圈电流传感器无法驱动一些常用的后继设备，同时也易受外界干扰磁场影响，这无疑限制了该传感器的应用。霍尔电流传感器开环结构的电流精度等级为1.0级，闭环结构具有更高的精度，精度等级为0.1级或更高。其限制是不适合测量过大或过小的电流，击穿电压低，并且闭环结构在测量大电流时，需要提高驱动电路的驱动能力。

4、以上电流传感器由于各自缺陷的限制，均不适用于微弱电流测量的研究。下面针对微弱电流的研究对剩下几类传感器进行说明。首先磁通门电流传感器的应用相对成熟，其在测量微弱电流的应用上也较为广泛。磁通门电流传感器是利用被磁化铁体在饱和区域内的非线性电流来测量磁场，其结构包括磁芯，励磁线圈和感应线圈，根据需求不同，磁通门的结构多种多样。其电流测量范围为ma-a级别，分辨率在10ua-100ua。相对之前提到的传感器，精度有所提高，具有零点漂移低，分辨率和灵敏度高，带宽大，响应速度快等优点，但其成本高，不便安装且制作工艺复杂。

5、伴随着磁阻效应的发现，基于磁阻效应的电流传感器也获得广泛的应用，其中包括基于各向异性磁阻电流(amr)传感器，巨磁阻电流传感器(gmr)，基于隧穿磁阻效应电流传感器(tmr)三种类型。基于磁阻效应的电流传感器各方面性能都较之其他传感器有很大提升，应用更为广泛，非线性度低、线性范围宽、响应快，频率范围可达dc-1000khz，但其存在温度漂移，零点漂移，以及功耗大等限制，需要对这些问题进行优化改进。如今amr、gmr和tmr等几种类型的元件都在实际中得到了应用，特别是应用在电流传感器中。其中amr、gmr等元件的灵敏度相对较高，但是线性范围不够。而tmr电流传感器则在实际应用中具备更为明显的优势，灵敏度也相对更高，并且在线性度上也相对更好。然而，如何通过合理的电路设计利用tmr电流传感器去实现对微弱电流的高精度测量仍面临一定挑战。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种高精度、高灵敏度的基于tmr的微弱电流传感器信号处理电路。该电路包括电源电路模块、tmr电流传感器芯片、仪表放大电路、滤波电路、偏置调零电路、功率放大电路、反馈电路及采样电路等组成。待测微弱电流产生磁场，在外加聚磁环和反馈线圈的作用下，再经过电路处理部分实现闭环结构型测量，对信号进行提取、放大、滤波、采样等实现对待测电流的精确测量，同时闭环型结构也很大程度上减小了外界干扰因素对测量的影响，实现传感器对微弱电流测量的高精度和高灵敏度的测量要求。

2、为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。

3、一种基于tmr的微弱电流传感器信号处理电路，包括电源电路模块、偏置调零电路、tmr传感器芯片、仪表放大电路、滤波电路、功率放大电路、反馈电路及采样电路，所述电源电路模块分别与tmr传感器芯片和偏置调零电路电性连接，tmr传感器芯片和偏置调零电路均与仪表放大电路电性连接，仪表放大电路与滤波电路电性连接，滤波电路与功率放大电路电性连接，功率放大电路与反馈电路电性连接，反馈电路分别与采样电路和tmr传感器芯片电性连接；所述tmr传感器芯片用于对磁场信号进行收集与转化；所述电源电路模块能够实现从单极性电压到双极性电压的变换并满足供电稳定性；偏置调零电路是对tmr传感器芯片产生的偏置电压信号进行调零处理；仪表放大电路用于放大tmr电流传感器芯片的输出信号；滤波电路用于对信号进行滤波处理，排除杂散信号的干扰；功率放大电路用于对前端信号进行功率放大，以此来驱动反馈线圈的运行；反馈电路用于反馈电流的形成；采样电路用于对采样电阻电压的获取，间接获知反馈电流的大小。

4、进一步地，电路的供电部分vcc和vee部分均由外部电源提供，电源电路模块的集成芯片u6的1脚分别与电感l3和电容c26的一端连接，电感l3另一端分别与正电压端vcc和电容c25的一端连接，电容c25的另一端和集成芯片u6的2脚接地，电容c26的另一端与电容c27的一端连接，电容c27的另一端接地；集成芯片u6的6脚分别与电感l2和电容c21的一端连接，电容c21的另一端接地，电感l2的另一端分别与正电压端vcc和电容c22的一端连接，电容c22的另一端接地；集成芯片u6的4脚分别与电感l4和电容c23的一端连接，电容c23的另一端接地，电感l4的另一端分别与负电压端vee和电容c24的一端连接，电容c24的另一端接地；集成芯片u6的5脚五接地。

5、进一步地，仪表放大电路包括前端放大电路和次级信号放大电路；滤波电路包括与前端放大电路连接的电阻r2、电容c3、电容c7、电阻r12和电容c9，以及与次级信号放大电路连接的电阻r19、电容c11、滤波电容c13、电阻r24和电容c15。

6、进一步地，前端放大电路中，运算放大器u2a的3脚分别与电阻r2的一端、电容c3的一端和电容c7的一端连接，电阻r2的另一端与信号输入点signal1+连接，电容c3的另一端接地，电容c7的另一端与运算放大器u2b的5脚连接；运算放大器u2b的5脚还分别与电阻r12的一端和电容c9的一端连接，电容c9的另一端接地，电阻r12的另一端与信号输入点signal1-连接。运算放大器u2a的2脚分别与电阻r8和电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端与信号输出点signal2+连接，同时，电阻r5上并联连接一电容c5；电阻r8的另一端分别与电阻r9的一端和运算放大器u2b的6脚连接，电阻r9的另一端与信号输出点signal2-连接，同时，电阻r9上并联连接一电容c8。运算放大器u2a的5脚串联电阻r1后与正电压端vcc连接，运算放大器u2a的1脚与信号输出点signal2+连接；运算放大器u2b的7脚与信号输出点signal2-连接。跟随器u3a的3脚分别与电阻r4和电阻r6的一端连接，电阻r4的另一端与信号输出点signal2+连接，电阻r6的另一端与信号输出点signal2-连接；跟随器u3a的2脚分别与稳压管q1的3脚、稳压管q2的2脚和信号输入点signal0连接，稳压管q1的2脚与电容c1串联后接地，稳压管q1的1脚分别与电阻r3和电阻r7的一端连接，电阻r3的另一端与电容c1连接，电阻r7的另一端分别与稳压管q1的3脚和电阻r10的一端连接，稳压管q1的3脚与稳压管q2的2脚连接，电阻r10的另一端分别与电阻r11的一端和稳压管q2的1脚连接，电阻r11的另一端分别与稳压管q2的3脚、电容c10的一端、电阻r15的一端和运算放大器u2a的4脚连接；电容c10的另一端接地，电阻r15的另一端与负电压端vee连接。跟随器u3a的1脚与信号输入点signal0连接；跟随器u3a的4脚分别与负电压端vee和电容c6的一端连接，电容c6的另一端接地；跟随器u3a的5脚分别与正电压端vcc和电容c2的一端连接，电容c2的另一端接地；运算放大器u2b的4脚与电容c10连接，运算放大器u2b的8脚与电容c1连接。

7、进一步地，次级信号放大电路中，集成芯片u4的1脚和8脚外并联一个可调电阻r17，用于对整个电路增益的设置；集成芯片u4的2脚分别与电容c11的一端、滤波电容c13的一端和电阻r19的一端连接，电阻r19的另一端与信号输出点signal2-连接，滤波电容c13的另一端接地；集成芯片u4的3脚分别与电容c15的一端、滤波电容c13的另一端和电阻r24的一端连接，电阻r24的另一端与信号输出点signal2+连接，电容c15的另一端接地；集成芯片u4的4脚分别与电阻r26的一端和电容c16的一端连接，电阻r26的另一端与-5v电源端连接，电容c16的另一端接地；集成芯片u4的5脚作为ref1引脚，ref1引脚与电阻r27串联后接地；集成芯片u4的7脚分别与电阻r22的一端和电容c14的一端连接，电阻r22的另一端与+5v电源端连接，电容c14的另一端接地；集成芯片u4的6脚为输出vout11。

8、进一步地，偏置调零电路中，运算放大器u5a的5脚分别与电阻r21的一端和电容c12的一端连接，电容c12的另一端接地，电阻r21的另一端与可调电阻r20的调节端连接，可调电阻r20一端与电阻r16串联后接正电压端vcc，可调电阻r20的另一端与电阻r28串联后接负电压端vee；同时，可调电阻r20外并联有串联连接的电阻r18和电阻r25。运算放大器u5a的6脚和7脚均与电阻r23串联后接集成芯片u4的ref1引脚。运算放大器u5a的8脚接正电压端vcc；运算放大器u5a的4脚接负电压端vee。

9、进一步地，功率放大电路设有一运算放大器u6a，反馈电路包含反馈线圈j1和采样电阻r32；运算放大器u6a的3脚分别与电阻r29的一端和电容c29的一端连接，电容c29的另一端接地，电阻r29的另一端接入次级信号放大电路的输出vout11；运算放大器u6a的1脚和2脚均与电阻r30的一端连接，电阻r30的另一端与反馈线圈j1一端连接，反馈线圈j1的另一端与采样电阻r32一端连接，采样电阻r32另一端接地。运算放大器u6a的8脚分别与电容c17的一端和正电压端vcc连接，电容c17的另一端接地；运算放大器u6a的4脚分别与电容c19的一端和负电压端vee连接，电容c19的另一端接地。

10、进一步地，采样电路设有一运算放大器u7a，运算放大器u7a的5脚与电容c20的一端连接，电容c20的的另一端接地；运算放大器u7a的6脚分别与电阻r33和电阻r34的一端连接，电阻r34的另一端接地，电阻r33的另一端与测试端口j2的一端连接，运算放大器u7a的7脚也与与测试端口j2的一端连接，测试端口j2的的另一端接地。运算放大器u7a的8脚与正电压端vcc连接；运算放大器u7a的4脚与负电压端vee连接。

11、本实用新型提供的tmr微弱电流传感器电路，通过对各模块的分析以及电路的设计，最大程度上符合各模块的功能要求，并且实现各电路模块连接后功能的需求满足。待测微弱电流产生磁场，在外加聚磁环和反馈线圈的作用下，再经过电路处理部分实现闭环结构型测量，对信号进行提取、放大、滤波、采样等实现对待测电流的精确测量，闭环型结构也很大程度上减小了外界干扰因素对测量的影响，实现传感器对微弱电流测量的高精度和高灵敏度的测量要求；本实用新型为tmr传感器在微弱电流测量的电路结构设计以及如何通过电路设计实现低误差、高灵敏度的tmr微弱电流传感器设计提供一种解决方案。

12、该tmr微弱电流传感器电路部分设计方案为解决tmr传感器在微弱电流测量上的应用提供了参考，针对闭环结构型的tmr电流传感器设计的传感器系统原理框图，通过对各模块的分析以及电路的设计，最大程度上符合各模块的功能要求，并且实现各电路模块连接后功能的需求满足。本实用新型关键是对电源供电模块隔离电源的应用以及仪表放大部分电路的设计，以及通过电路的设计及芯片选型尽可能满足对tmr微弱电流传感器的高灵敏度性能的设计要求。