一种数字信号输出的霍尔电流传感器的制作方法

1.本发明涉及电子电路相关领域，具体为一种数字信号输出的霍尔电流传感器。


背景技术：

2.霍尔电流传感器是根据霍尔原理制作而成的，通过测量霍尔芯片所感应到的霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。由于其霍尔器件的输出与被测电流具有良好线性关系，且二者之间经历电-磁-电的转换，具有高度的绝缘耐压，所以被广泛应用在变频调速、逆变装置、ups电源等需要隔离测量电流的各个领域，其中霍尔电流传感器有运用于计算机领域，当前在计算机技术的信号处理领域有着广泛的应用，大量以模拟信号输出的传感器信号，需要转换成数字信号，才能提供给计算机系统处理。以纯模拟信号输出的传感器还存在以下缺点：非线性输出的传感器，如果需要做线性修正，则电路非常复杂且调整困难一致性差；温度变化造成的信号漂移，严重影响传感器的输出精度，且补偿困难；长距离传输，信号易受干扰造成信号畸变，影响整个系统的稳定性。
3.采用数据信号输出的传感器，做线性修正、温度补偿非常容易，只需要将修正参数存入单片机参数表格区，输出时做相应修正即可。数字信号通过添加校验机制，可以保证长距离传输的数据可靠性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种数字信号输出的霍尔电流传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种数字信号输出的霍尔电流传感器，包括供电电路、磁芯、霍尔元件、信号调理电路、隔离放大电路、ad采样电路、单片机和rs485电路，所述霍尔元件放置于磁芯的空隙内，所述霍尔元件输出端连接有信号调理电路，所述信号调理电路输出端连接有隔离放大电路，所述隔离放大电路连接有ad采样电路，所述ad采样电路输出端连接有单片机，所述单片机输出口连接有rs485电路；所述信号调理电路包括外部检测信号输入单元、反相器放大器、第一电压跟随器和第二电压跟随器，所述反相器放大器以及第一电压跟随器均与外部检测信号输入单元连接，所述外部检测输入单元与霍尔元件输出端相连接，所述反相器放大器以及第一电压跟随器均经第二电压跟随器相连接，所述外部检测信号输入单元提供外部检测信号，且外部检测信号经反相放大器以及第一电压跟随器处理后合成给第二电压跟随器处理；所述隔离放大电路包括低通滤波电路、放大相位补偿电路和隔离跟随电路，所述通滤波电路输入端与第二电压跟随器的输出端相连接，所述通滤波电路输出端与放大相位补偿电路相连接，所述放大相位补偿电路与隔离跟随电路相连接；所述ad采样电路包括运算放大器u2、电阻r6-r9、电容c2-c3和二极管d1-d2，所述运算放大器u2的同相输入端并联连接有电阻r6、电容c2、二极管d1和二极管d2，所述电阻r6与供电电路相连接，所述电容c2并联连接有电阻r7，所述电阻r7和电容c2的一端接地，所述
运算放大器u2的反相输入端与输出端相连接，所述运算放大器u2的输出端连接有电阻r8，所述电阻r8的一端连接有电阻r9和单片机，所述电阻r9并联连接有电容c3，所述电容c3和电阻r9的一端接地。
6.优选的，所述磁芯聚集电流产生的磁场，其中霍尔元件感应磁场强度输出相应的电压信号。
7.优选的，所述霍尔元件、隔离放大电路、ad采样电路、单片机和rs485电路由供电电路进行供电，所述供电电路输入为外部直流供电或电池，所述信号调理电路采用外部供电进行供电。
8.优选的，所述单片机接收相位补偿电路输出的数字信号，并接收采集当前环境温度传感器信号，查询温度参数表对数字信号做相应补偿修正，将修正后的数据发送到rs485信号输出电路。
9.优选的，所述放大相位补偿电路包括运算放大器u1、电阻r1-r4、ntc热敏电阻r5和补偿电容c1，所述运算放大器u1的同相输入端连接有电阻r4，所述运算放大器u1的反相输入端和输出端之间连接有电阻r2，所述电阻r2一端连接有电阻r3，所述电阻r2并联连接有ntc热敏电阻r5，且ntc热敏电阻r5串联连接有电阻r1，所述电阻r1和ntc热敏电阻r5并联连接有补偿电容c1。
10.优选的，所述二极管d1的负极连接有 5v的直流电源，所述二极管d2的正极接地。
11.优选的，所述的反相器放大器包括运算放大器u3、电阻r10-r12、二极管d3和二极管d4，所述运算放大器u3的反相输入端连接有电阻r10，所述运算放大器u3的正相输入端通过电阻r2后接地，所述运算放大器u3的反相输出端与二极管d4的正极连接，所述二极管d4的负极与反馈电阻r12的一端连接，该反馈电阻r12的另一端与运算放大器u3的反向输入端连接，所述二极管d3的正极连接有电阻r10，所述二极管d3的正极与二极管d2的正极连接。
12.优选的，所述第一电压跟随器包括运算放大器u4、电阻r13-r14和二极管d5和二极管d6，所述运算放大器u4的同相输入端连接有电阻r13，所述运算放大器u4的输出端与二极管d6的正极连接，该二极管d6的负极通过电阻r14与运算放大器u4的反向输入端连接，所述运算放大器u4的输出端与二极管d5正极连接，所述二极管d5的负极与电阻r13与外部检测信号输入单元相连接。
13.优选的，所述第二电压跟随器包括运算放大器u5和电阻r15-r16，所述运算放大器u5的同相输入端通过电阻r15与二极管d4的负极、二极管d6的负极连接，所述运算放大器u5的输出端与隔离放大电路连接，所述电阻r16的两端分别与运算放大器u5的反相输入端以及输出端连接。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用了单片机进行温度补偿和线性修正，可以将输出信号提高到很好的精度范围，单片机输出的数据经过添加校验机制，可以有效提高长距离传输的可靠性；采用数字补偿技术修正温度漂移，能够在全温区保证输出信号的精度；采用数字补偿技术做线性修正，保证全量程的线性度要求；输出数字信号添加校验机制，保证长距离传输信号的可靠性；本发明尤其是用于电力、航空等需要稳定的具有温度修订量的霍尔电流传感器的输出值。
附图说明
15.图1为本发明的数字信号输出霍尔电流传感器的原理框图；图2为本发明的信号调理电路结构示意图；图3为本发明的隔离放大电路结构示意图；图4为本发明的放大相位补偿电路结构示意图；图5为本发明的ad采样电路结构示意图；图6为本发明的反相器放大器结构示意图；图7为本发明的单片机的工作流程图；图8为本发明的第一电压跟随器结构示意图；图9为本发明的第二电压跟随器结构示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
18.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种数字信号输出的霍尔电流传感器，包括供电电路、磁芯、霍尔元件、信号调理电路、隔离放大电路、ad采样电路、单片机和rs485电路，霍尔元件放置于磁芯的空隙内，磁芯聚集电流产生的磁场，其中霍尔元件感应磁场强度输出相应的电压信号，且电压信号与信号调理点库相连接，信号调理电路输出端连接有隔离放大电路，隔离放大电路连接有ad采样电路，ad采样电路输出端连接有单片机，单片机输出口连接有rs485电路，霍尔元件、隔离放大电路、ad采样电路、单片机和rs485电路由供电电路进行供电，供电电路输入为外部直流供电或电池，信号调理电路采用外部供电进行供电。
20.上述中单片机接收相位补偿电路输出的数字信号，并接收采集当前环境温度传感器信号，查询温度参数表对数字信号做相应补偿修正，将修正后的数据发送到rs485信号输出电路。
21.信号调理电路包括外部检测信号输入单元、反相器放大器、第一电压跟随器和第二电压跟随器，反相器放大器以及第一电压跟随器均与外部检测信号输入单元连接，外部检测输入单元与霍尔元件输出端相连接，反相器放大器以及第一电压跟随器均经第二电压
跟随器相连接，外部检测信号输入单元提供外部检测信号，且外部检测信号经反相放大器以及第一电压跟随器处理后合成给第二电压跟随器处理；如图6，反相器放大器包括运算放大器u3、电阻r10-r12、二极管d3和二极管d4，运算放大器u3的反相输入端连接有电阻r10，且电阻r10一端与外部检测信号输入单元相连接，运算放大器u3的正相输入端通过电阻r11后接地，运算放大器u3的反相输出端与二极管d4的正极连接，二极管d4的负极与反馈电阻r12的一端连接，该反馈电阻r12的另一端与运算放大器u3的反向输入端连接，二极管d3的正极连接有电阻r10，二极管d3的正极与二极管d2的正极连接；如图8，第一电压跟随器包括运算放大器u4、电阻r13-r14和二极管d5和二极管d6，运算放大器u4的同相输入端连接有电阻r13，运算放大器u4的输出端与二极管d6的正极连接，该二极管d6的负极通过电阻r14与运算放大器u4的反向输入端连接，运算放大器u4的输出端与二极管d5正极连接，二极管d5的负极与电阻r13与外部检测信号输入单元相连接；如图9，第二电压跟随器包括运算放大器u5和电阻r15-r16，运算放大器u5的同相输入端通过电阻r15与二极管d4的负极、二极管d6的负极连接，运算放大器u5的输出端与隔离放大电路连接，电阻r16的两端分别与运算放大器u5的反相输入端以及输出端连接；对于上述的信号调理电路，其所使用的元器件较少，市场上比较容易获得，且具有结构简单、性能稳定以及价格低廉的特点，相较于现有的调理电路，有较高的使用价值，同时也使本霍尔电流传感器避免因元件特性问题导致系统的性能不稳定。
22.隔离放大电路包括低通滤波电路、放大相位补偿电路和隔离跟随电路，通滤波电路输入端与第二电压跟随器的输出端相连接，通滤波电路输出端与放大相位补偿电路相连接，放大相位补偿电路与隔离跟随电路相连接，其中隔离跟随电路最后一级通过运放进行电压跟随，使得放大相位补偿电路输出与ad采样电路之间存在一个缓冲和隔离，输入阻抗高，输出阻抗低，起到承上启下的作用。
23.放大相位补偿电路包括运算放大器u1、电阻r1-r4、ntc热敏电阻r5和补偿电容c1，运算放大器u1的同相输入端连接有电阻r4，运算放大器u1的反相输入端和输出端之间连接有电阻r2，电阻r2一端连接有电阻r3，电阻r2并联连接有ntc热敏电阻r5，且ntc热敏电阻r5串联连接有电阻r1，电阻r1和ntc热敏电阻r5并联连接有补偿电容c1，二极管d1的负极连接有 5v的直流电源，所述二极管d2的正极接地。
24.ad采样电路包括运算放大器u2、电阻r6-r9、电容c2-c3和二极管d1-d2，运算放大器u2的同相输入端并联连接有电阻r6、电容c2、二极管d1和二极管d2，电阻r6与供电电路相连接，电容c2并联连接有电阻r7，电阻r7和电容c2的一端接地，运算放大器u2的反相输入端与输出端相连接，运算放大器u2的输出端连接有电阻r8，电阻r8的一端连接有电阻r9和单片机，电阻r9并联连接有电容c3，所述电容c3和电阻r9的一端接地。
25.具体的，如图1磁芯聚集电流产生的磁场，霍尔元件放置于磁芯空隙内，霍尔元件感应磁场强度输出相应的电压信号，信号调理电路放大线性霍尔元件输出的电压，并且将电压信号调整到ad采样电路需要的电平，随后通过隔离放大电路，其中隔离放大电路的低通滤波电路对电压信号调整截止频率，保证有效信号的采集，放大相位补偿电路通过使用低噪声运算放大器，对输出信号进行二次放大，使得输出信号匹配adc采样电路的电压范围，并通过相位电容的补偿，将信号调整成与输入波形相对应的状态，然后ad采样电路将隔离放大电路输出的电压转换为数字信号，单片机接收ad采样电路输出的数字信号，并采集
当前环境温度，查询参数表做相应的数值运算，补偿温度漂移并做线性修正，将修正后的数据发送到rs485电路，rs485电路将单片机输出的ttl数字信号做电平转换输出标准的rs485信号电平。
26.如图4，放大相位补偿电路包括运算放大器u1、电阻r1-r4、ntc热敏电阻r5和补偿电容c1，其中运算放大器u1使用宽温低噪声的op系列运算放大器，电阻r1的阻值为20kω，电阻r2的阻值为10kω，电阻r3的阻值为1kω，电阻r4的阻值为4.7kω，ntc热敏电阻r5阻值为10kω，补偿电容c1的电容量为15pf，运算放大器u1的同相输入端连接有电阻r4，运算放大器u1的反相输入端和输出端之间连接有电阻r2，电阻r2一端连接有电阻r3，所述电阻r4和电阻r3一端接地，电阻r2并联连接有ntc热敏电阻r5，通过在支路上并联一个ntc热敏电阻r5，用于补偿温度传感器在不同温度下的输出漂移，再通过将补偿电容c1并联在电阻r1上，提高相位的适配性。
27.如图5，ad采样电路包括运算放大器u2、电阻r6-r9、电容c2-c3和二极管d1-d2，其中运算放大器u2采用型号为mc33204的运算放大器，电阻r6的阻值为10kω，电阻r7的阻值为2kω，电阻r8的阻值为2kω，电阻r9的阻值为100kω，电容c2的容量为0.1
µ
f，电容c3的容量为0.01
µ
f，二极管d1-d2采用的型号为bat54s，运算放大器u2的同相输入端并联连接有电阻r6、电容c2、二极管d1和二极管d2，电阻r6与供电电路相连接，电容c2并联连接有电阻r7，电阻r7和电容c2的一端接地，运算放大器u2的反相输入端与输出端相连接，运算放大器u2的输出端连接有电阻r8，电阻r8的一端连接有电阻r9和单片机，电阻r9并联连接有电容c3，所述电容c3和电阻r9的一端接地。
28.图7为图1中的单片机的工作流程图。单片机首先进行系统初始化，控制ad采样芯片采集电流信号，然后控制采集环境温度数据，接着计算温度补偿，计算线性修正，最后将数字信号发送到rs485接口芯片。
29.本发明的数字信号输出霍尔电流传感器具有很宽的工作温度范围，能达到-40℃～ 85℃。采用了单片机进行温度补偿和线性修正，可以将输出信号提高到很好的精度范围，单片机输出的数据经过添加校验机制，可以有效提高长距离传输的可靠性；采用数字补偿技术修正温度漂移，能够在全温区保证输出信号的精度；采用数字补偿技术做线性修正，保证全量程的线性度要求；输出数字信号添加校验机制，保证长距离传输信号的可靠性；本发明尤其是用于电力、航空等需要稳定的具有温度修订量的霍尔电流传感器的输出值。
30.其中供电电路、磁芯、霍尔元件、ad采样电路、单片机和rs485电路，还有信号调理电路的外部检测信号输入单元、第一电压跟随器和第二电压跟随器，隔离放大电路的隔离跟随电路为现有的技术，故在此不进行详细赘述。
31.本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
32.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。