一种基于TMR的微弱电流传感器信号处理电路制造技术

本实用新型专利技术属于电流传感器领域，具体涉及一种高精度、高灵敏度的TMR微弱电流传感器信号处理电路。该信号处理电路包括电源电路模块、TMR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，再经过本实用新型专利技术的电路处理部分实现闭环结构型测量，通过TMR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。弱电流测量的高精度和高灵敏度的测量要求。弱电流测量的高精度和高灵敏度的测量要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TMR的微弱电流传感器信号处理电路


[0001]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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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
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A级别，分辨率在10uA
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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。
[0006]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
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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

[0007]本技术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。
[0008]为实现上述目的，本技术的技术方案如下。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TMR的微弱电流传感器信号处理电路，其特征在于，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，以此来驱动反馈电路中反馈线圈的运行；反馈电路用于反馈电流的形成；采样电路用于对反馈电路中采样电阻上电压的获取，间接获知反馈电流的大小。2.根据权利要求1所述的基于TMR的微弱电流传感器信号处理电路，其特征在于，信号处理电路供电部分的正电压端VCC和负电压端VEE均由外部电源提供，电源电路模块设有一集成芯片U6，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脚接地。3.根据权利要求1所述的基于TMR的微弱电流传感器信号处理电路，其特征在于，仪表放大电路包含前端放大电路，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；前端放大电路中设有运算放大器U2A，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
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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
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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
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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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张巨锋，李伟，陈忠斌，刘鹏，裴蕴智，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：新型
国别省市：