一种双ADC协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测电路及方法与流程

本发明属于非接触式霍尔精密位移传感与高精度模拟信号采集，具体涉及一种双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测电路及方法。

背景技术：

1、霍尔式位移传感器依靠永磁体梯度磁场与气隙距离的对应关系实现无接触位置测量，具备抗振动、寿命长、结构简单、响应速度快等优势，广泛应用于工业闭环控制设备。传统霍尔位移检测电路普遍采用单路缓冲+单通道adc采集架构，存在无法根除的固有缺陷：

2、（1）固定增益无法适配全行程磁场变化：永磁体远离霍尔芯片时，感应磁场微弱，有效信号幅值低，电路热噪声、adc量化噪声占比极高，信噪比严重恶化，微米级微小位移极易被噪声淹没，分辨力不足；若单纯提升放大增益，永磁体靠近、磁场变强时模拟输出直接饱和削波，大位移区间数据完全失效；

3、（2）单通道采集存在全程信噪比不均衡问题，位移近端测量精度高、远端精度差，整段行程检测一致性差，无法满足精密闭环控制对全程低抖动、均匀测量精度的硬性要求；

4、（3）常规双通道方案缺少对称低温漂缓冲前置电路，两路通道输入阻抗不匹配、温漂特性不一致，引入额外通道失配误差；且大多采用固定阈值切换量程，过渡区间易出现输出跳变、信噪比突变，并未实现全行程信噪比均衡；

5、（4）现有高精度优化手段多依赖斩波调制电路、dac动态补偿模块，外围器件多、pcb布线复杂、硬件成本高，不利于传感器小型化与批量量产。

6、综上，现有霍尔位移采集方案无法兼顾全行程均匀高信噪比、微位移高分辨、大行程不饱和、电路简洁低成本的多重需求，存在明显技术短板。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题：针对现有技术中单adc固定增益霍尔位移电路全行程信噪比不均衡、远端微位移信噪比差、近距离易饱和、双通道电路温漂失配、量程切换输出跳变、高精度方案硬件复杂的缺陷，提供一种双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测电路及方法，依托两路对称低温漂跟随缓冲、差异化增益调理、同源同步双adc采集与信噪比自适应加权融合算法，在不设置斩波电路、dac补偿电路的前提下，实现霍尔位移全行程均匀高信噪比检测，兼顾微位移分辨力与完整大行程测量，同时降低通道温漂失配，简化硬件结构。

2、技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，对霍尔传感器的霍尔输出电压进行处理得到标准霍尔感应电压估值，计算高增益通道信噪比、低增益通道信噪比和综合后等效信噪比，基于自适应加权融合完整数学算法得到最终检测位移。

4、进一步的，标准霍尔感应电压估值的计算方法为：霍尔输出电压进入两路低温漂跟随电路进行阻抗变换和缓冲隔离，输出两路稳定的霍尔输出电压，两路稳定的霍尔输出电压经过高增益调理电路与低增益调理电路进行增益调理，输出到信噪比自适应数据融合单元进行量化与矫正，得到标准霍尔感应电压估值。

5、进一步的，采用adc进行量化与矫正，得到的标准霍尔感应电压估值为：

6、；

7、其中，为高增益通道经过模数转换后的采样数据，为低增益通道经过模数转换后的采样数据，为高增益通道、低增益通道两路的增益系数，为高增益通道、低增益通道两路的增益零点，为高增益通道标准霍尔感应电压估值，为低增益通道标准霍尔感应电压估值。

8、进一步的，高增益通道与低增益通道两路信噪比为：

9、；

10、其中，为高增益通道信噪比，为低增益通道信噪比，为高增益通道总噪声功率，为低增益通道总噪声功率，为霍尔输出电压。

11、进一步的，综合后等效信噪比基于设定的融合权重与霍尔输出电压获得；融合权重设定为、，满足；综合后等效信噪比为：

12、；

13、其中，为高增益通道总噪声功率，为低增益通道总噪声功率，为霍尔输出电压。

14、进一步的，自适应加权融合完整数学算法包括位移区间判定阈值标定，基于分区间权重数学表达式计算得到标准霍尔感应电压，基于标准霍尔感应电压得到最终检测位移。

15、进一步的，位移区间判定阈值标定包括通过低增益通道换算出基础位移估值，通过基础位移估值设置两个固定远端阈值、，基于两个固定远端阈值确定两个远端区间和一个过渡区间。

16、进一步的，分区间权重表达式包括：

17、远端区间：采用高增益通道；

18、远端区间：采用低增益通道；

19、过渡区间：基于基础位移估值和固定远端阈值确定融合权重，基于融合权重与标准感应电压估值得到标准霍尔感应电压。

20、进一步的，最终检测位移表达式为：

21、；

22、其中，为标准霍尔感应电压，、为固定远端阈值。

23、一种双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测电路，包括霍尔传感器、低温漂跟随电路、增益调理电路和信噪比自适应数据融合单元；霍尔传感器输出霍尔输出电压，增益调理电路实现阻抗匹配缓冲、消除温漂偏移，增益调理电路包括高增益调理电路和低增益调理电路；信噪比自适应数据融合单元采用同源时钟同步双adc并行采集前路信号，结合自适应加权融合完整数学算法，实现霍尔位移全行程均匀高信噪比，得到最终检测位移。

24、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、本发明提供一种双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测电路及方法，依托高增益通道抬升远端微弱感应信号幅值、搭配信噪比自适应权重平滑过渡机制，无需更换硬件增益档位即可大幅压低远端检测噪声基底，在完整全位移行程内实现均匀一致的高信噪比输出，彻底解决传统单固定增益采集方案远端微位移分辨力不足、全程信噪比分布失衡、输出抖动大的固有缺陷，微米级微小位移变化可稳定、精准识别，输出信号无阶跃跳变，能够满足工业精密阀芯、伺服定位闭环控制对低抖动、均匀高精度检测信号的严苛需求。

1.一种双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：对霍尔传感器的霍尔输出电压进行处理得到标准霍尔感应电压估值，计算高增益通道信噪比、低增益通道信噪比和综合后等效信噪比，基于自适应加权融合完整数学算法得到最终检测位移。

2.根据权利要求1所述双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：标准霍尔感应电压估值的计算方法为：霍尔输出电压进入两路低温漂跟随电路进行阻抗变换和缓冲隔离，输出两路稳定的霍尔输出电压，两路稳定的霍尔输出电压经过高增益调理电路与低增益调理电路进行增益调理，输出到信噪比自适应数据融合单元进行量化与矫正，得到标准霍尔感应电压估值。

3.根据权利要求2所述的双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：采用adc进行量化与矫正，得到的标准霍尔感应电压估值为：

4.根据权利要求1所述的双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：高增益通道与低增益通道两路信噪比为：

5.根据权利要求1所述的双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：综合后等效信噪比基于设定的融合权重与霍尔输出电压获得；融合权重设定为、，满足；综合后等效信噪比为：

6.根据权利要求1所述的双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：所述自适应加权融合完整数学算法包括位移区间判定阈值标定，基于分区间权重数学表达式计算得到标准霍尔感应电压，基于标准霍尔感应电压得到最终检测位移。

7.根据权利要求6所述的双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：所述位移区间判定阈值标定包括通过低增益通道换算出基础位移估值，通过基础位移估值设置两个固定远端阈值、，基于两个固定远端阈值确定两个远端区间和一个过渡区间。

8.根据权利要求6或7所述的双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：所述分区间权重表达式包括：

9.根据权利要求6所述的双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测方法，其特征在于：所述最终检测位移表达式为：

10.一种双adc协同采样实现全行程高信噪比的霍尔位移检测电路，其特征在于：包括霍尔传感器、低温漂跟随电路、增益调理电路和信噪比自适应数据融合单元；霍尔传感器输出霍尔输出电压，增益调理电路实现阻抗匹配缓冲、消除温漂偏移，增益调理电路包括高增益调理电路和低增益调理电路；信噪比自适应数据融合单元采用同源时钟同步双adc并行采集前路信号，结合自适应加权融合完整数学算法，实现霍尔位移全行程均匀高信噪比，得到最终检测位移。