磁性角度編碼器晶片入門精講一(收藏版)
2021-01-14 麥歌恩磁性角度編碼器晶片經過10多年時間的發展和推廣，已被廣泛應用於消費、工業和汽車等行業中，目前國內磁編碼器晶片的需求量已經超過了每年5000萬顆，並且依然在以每年20%~30%的幅度增長。
早期國內的磁編碼器晶片市場被歐美以及日本廠商所壟斷，2016年，上海麥歌恩微電子推出了第一代自主研發的基於AMR磁阻技術的磁編碼器晶片MT6801，經過多年的持續研發和積累，麥歌恩微電子已先後推出了三代磁編碼器晶片產品，最新一代的MT6825晶片性能已經達到了業界的頂尖水平。
作為一顆傳感器類晶片，磁編碼器晶片在使用過程中需要有配套的外部磁路，比如磁鐵、磁環等，而且在絕大部分應用中，磁編碼器晶片參與整個系統的閉環控制，它的性能會顯著影響整個閉環系統的表現。在過去幾年中，我們得到很多客戶的反饋，他們在初次使用磁編碼器晶片的時候，對於磁編碼器晶片的性能參數以及如何定義其在系統中的參數要求覺得無從入手。接下來我們會在此逐一的和大家分享如何理解磁編碼器晶片核心性能以及應用中的一些常見問題。
首先我們來了解和認識一下磁編碼器晶片的噪聲、解析度和積分非線性INL（或者絕對角度精度）這幾個關鍵性能指標。
噪聲是所有電子系統在設計時無法繞開的基礎問題，晶片的噪聲主要來自內部各類有源和無源器件的噪聲，比如電阻和MOS電晶體的熱噪聲、電阻和MOS電晶體的1/f噪聲等，另外信號在傳輸過程中如果受到了某些幹擾，其中有些也會以毫無規律的噪聲形式表現在最終的輸出上。幸運的是雖然噪聲源有很多，但是得益於持續發展的電路和信號處理技術，對於用戶來說，磁編碼器晶片的噪聲主要以電阻和MOS的熱噪聲為主，而別的形式的噪聲基本都被專門的電路「處理」掉了。因此當有部分高端用戶利用單獨磁敏感元件以及分立的運放、AD轉換器和MCU等器件搭建一套磁編碼器系統（一般為17位的磁編碼器系統）的時候，如何確認各個環節的噪聲並抑制他們，將是首先要面對的問題。
噪聲的大小將直接影響我們能夠分辨的最小角度即解析度。我們考慮一個簡單的例子，一把普通的直尺，最小刻度是1mm，假設每一個1mm的刻度都能被清晰的分辨出來，我們就認為這把尺的解析度為1mm（但是請注意，這裡在談論解析度的時候，我們並不關注刻度所代表的長度是否精準，比如13mm的刻度是否真的是13mm）；如果由於加工的精度不夠，導致有些相鄰的1mm刻度重疊了，那麼顯然這把尺的有效解析度就達不到1mm了，這就是說一把標稱解析度是1mm的尺，由於加工得不好，導致它的有效解析度可能只有2mm，有效解析度比標稱的解析度差了一倍。
回到我們的磁編碼器晶片，系統噪聲是影響磁編碼器晶片能實現的有效解析度的最大障礙，過大的噪聲將使得相鄰的步進變得無法分辨，從而降低了實際的有效解析度。目前市面上的磁編碼器晶片，增量式ABZ輸出的有效解析度一般不超過14位，絕對值角度的有效解析度一般不超過15位。麥歌恩微電子公司推出的新一代角度編碼器晶片MT6825，基於AMR技術的高靈敏度，可提供有效解析度14位（4096線）的ABZ增量式輸出，如圖1所示；以及有效解析度17位的（數據解析度為18位）絕對值輸出，如表1 所示。
圖1. MT6825在AB=2500線解析度，轉速=600轉/分鐘下實測的ABZ輸出噪聲
在初步理解了噪聲和解析度的關係之後，我們再回到前面關於刻度尺的例子。對於最小刻度1mm的尺子，正常情況下每個1mm刻度都應該是清晰可區分的，那麼接下來的問題就是每個1mm的刻度準確不準確呢？假如尺子量出來是5mm的長度，那麼這個5mm到底多精確呢？這就涉及到了INL積分非線性（或者叫絕對精度）的概念了，它定義整個量程內任意一個點和該點的理想值的偏差。比如一把20cm的尺，我們已知1mm一個刻度，總共有200個mm刻度，經過和標準尺的對比測量，我們發現這200個刻度中，第47個刻度點實際長度是46.2mm，偏差了-0.8mm，第128個刻度點實際長度是129.8mm，偏差了+1.8mm，以上2個點是所有刻度點裡偏差最大的，因此這把尺的INL=1.8-（-0.8）=2.6mm（峰-峰值）或者INL=±1.3mm（峰值）。
所以對於角度編碼器晶片的輸出INL積分非線性的理解也和上面的刻度尺一樣，如圖2所示。目前磁編碼器晶片的INL普遍只能做到±0.5°~±1°左右，即使在裝配完成後進行一次額外的在線校準，INL目前也只能提高到±0.05°~±0.1°左右（相當於12~13位左右的精度），目前各大廠家都在努力探索各種新的便捷的非線性校準的方法來提升磁編碼器晶片的INL性能。
圖2. MT6825的一個典型INL特性曲線，此顆樣品的INL=±0.125°（峰值）
磁編碼器晶片在實際使用中能達到的INL不僅取決於晶片本身，還取決於磁鐵的性能、磁鐵的安裝精度等多種因素。關於磁鐵的選型和要求，請參考www.magntek.com.cn關於磁鐵的應用筆記（點擊文末左下角「閱讀原文」獲取）。由於絕大部分磁編碼器晶片是配合一對極充磁磁鐵在軸（同軸）工作的，因此如果磁鐵安裝位置有偏差（磁鐵中心位置沒有對準晶片的感應中心），以及磁鐵和晶片的間隙（AG：Air Gap）有差別，都會對最終的INL性能造成影響，如圖3所示。對於由磁鐵和晶片的裝配所帶來的偏差（在一定範圍內），可以在裝配完成後，對晶片進行一次重新校準來消除這些影響。一般來說對於12位及以下的應用，確保磁鐵選型和裝配能夠達到晶片產品手冊的要求，可以不用進行額外的校準。而對於12位以上的應用，一般建議晶片和磁鐵裝配完成後，需要進行一次額外的校準，INL才能更好的滿足系統要求，比如常見的2500線解析度的伺服電機控制應用，INL的大小直接決定了伺服電機的速度波動性能。
圖3. 磁鐵安裝的偏心和間隙，對最終INL性能的影響
下一期，我們將談談磁編碼器晶片和速度有關的一系列問題，敬請關注！！！
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