作為一顆傳感器類芯片，磁編碼器芯片在使用過程中需要有配套的外部磁路，比如磁鐵、磁環(huán)等，而且在絕大部分應(yīng)用中，磁編碼器芯片參與整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制，它的性能會顯著影響整個閉環(huán)系統(tǒng)的表現(xiàn)。因此在過去幾年中，我們得到很多客戶的反饋，他們在初次使用磁編碼器芯片的時候，對于磁編碼器芯片的性能參數(shù)以及如何定義其在系統(tǒng)中的參數(shù)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芯片核心性能以及應(yīng)用中的一些常見問題。

（一）噪聲、分辨率和積分非線性INL

首先我們來了解和認(rèn)識一下磁編碼器芯片的噪聲、分辨率和積分非線性INL（或者絕對角度精度）這幾個關(guān)鍵性能指標(biāo)。

噪聲是所有電子系統(tǒng)在設(shè)計時無法繞開的基礎(chǔ)問題，芯片的噪聲主要來自內(nèi)部各類有源和無源器件的噪聲，比如電阻和MOS晶體管的熱噪聲、電阻和MOS晶體管的1/f噪聲等，另外信號在傳輸過程中如果受到了某些干擾，其中有些也會以毫無規(guī)律的噪聲形式表現(xiàn)在最終的輸出上。幸運的是雖然噪聲源有很多，但是得益于持續(xù)發(fā)展的電路和信號處理技術(shù)，對于用戶來說，磁編碼器芯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(dāng)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(zhuǎn)換器和MCU等器件搭建一套磁編碼器系統(tǒng)（一般為17位的磁編碼器系統(tǒng)）的時候，如何確認(rèn)各個環(huán)節(jié)的噪聲并抑制他們，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分辨率。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(shè)每一個1mm的刻度都能被清晰的分辨出來，我們就認(rèn)為這把尺的分辨率為1mm（但是請注意，這里在談?wù)摲直媛实臅r候，我們并不關(guān)注刻度所代表的長度是否精準(zhǔn)，比如13mm的刻度是否真的是13mm）；如果由于加工的精度不夠，導(dǎo)致有些相鄰的1mm刻度重疊了，那么顯然這把尺的有效分辨率就達(dá)不到1mm了，這就是說一把標(biāo)稱分辨率是1mm的尺，由于加工得不好，導(dǎo)致它的有效分辨率可能只有2mm，有效分辨率比標(biāo)稱的分辨率差了一倍。

回到我們的磁編碼器芯片，系統(tǒng)噪聲是影響磁編碼器芯片能實現(xiàn)的有效分辨率的最大障礙，過大的噪聲將使得相鄰的步進(jìn)變得無法分辨，從而降低了實際的有效分辨率。目前市面上的磁編碼器芯片，增量式ABZ輸出的有效分辨率一般不超過14位，絕對值角度的有效分辨率一般不超過15位。麥歌恩微電子公司推出的新一代角度編碼器芯片MT6825，基于AMR技術(shù)的高靈敏度，可提供有效分辨率達(dá)14位（4096線）的ABZ增量式輸出，如圖1所示；以及有效分辨率17位的（數(shù)據(jù)分辨率為18位）絕對值輸出，如表1 所示。

圖1.  MT6825在AB=2500線分辨率，轉(zhuǎn)速=600轉(zhuǎn)/分鐘下實測的ABZ輸出噪聲

表1.  MT6825 18bit絕對值輸出在固定角度點連續(xù)讀取10000次測試得到的噪聲

在初步理解了噪聲和分辨率的關(guān)系之后，我們再回到前面關(guān)于刻度尺的例子。對于最小刻度1mm的尺子，正常情況下每個1mm刻度都應(yīng)該是清晰可區(qū)分的，那么接下來的問題就是每個1mm的刻度準(zhǔn)確不準(zhǔn)確呢？假如尺子量出來是5mm的長度，那么這個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(nèi)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(jīng)過和標(biāo)準(zhǔn)尺的對比測量，我們發(fā)現(xiàn)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個點是所有刻度點里偏差最大的，因此這把尺的INL=1.8-（-0.8）=2.6mm（峰-峰值）或者INL=±1.3mm（峰值）。 

所以對于角度編碼器芯片的輸出INL積分非線性的理解也和上面的刻度尺一樣，如圖2所示。目前磁編碼器芯片的INL普遍只能做到±0.5°~±1°左右，即使在裝配完成后進(jìn)行一次額外的在線校準(zhǔn)，INL目前也只能提高到±0.05°~±0.1°左右（相當(dāng)于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(zhǔn)的方法來提升磁編碼器芯片的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）

磁編碼器芯片在實際使用中能達(dá)到的INL不僅取決于芯片本身，還取決于磁鐵的性能、磁鐵的安裝精度等多種因素。關(guān)于磁鐵的選型和要求，請參考www.magntek.com.cn關(guān)于磁鐵的應(yīng)用筆記。由于絕大部分磁編碼器芯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(zhǔn)芯片的感應(yīng)中心），以及磁鐵和芯片的間隙（AG：Air Gap）有差別，都會對最終的INL性能造成影響，如圖3所示。對于由磁鐵和芯片的裝配所帶來的偏差（在一定范圍內(nèi)），可以在裝配完成后，對芯片進(jìn)行一次重新校準(zhǔn)來消除這些影響。一般來說對于12位及以下的應(yīng)用，確保磁鐵選型和裝配能夠達(dá)到芯片產(chǎn)品手冊的要求，可以不用進(jìn)行額外的校準(zhǔn)。而對于12位及以上的應(yīng)用，一般建議芯片和磁鐵裝配完成后，需要進(jìn)行一次額外的校準(zhǔn)，INL才能更好的滿足系統(tǒng)要求，比如常見的2500線分辨率的伺服電機控制應(yīng)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

l  手持云臺中磁編碼器芯片的選型實例

近年來隨著移動互聯(lián)網(wǎng)自媒體的迅猛發(fā)展，手持云臺火遍大江南北。手持云臺中的轉(zhuǎn)動控制就是磁編碼器的一個典型應(yīng)用。每個手持云臺需要3顆磁編碼器芯片來控制XYZ三個軸的轉(zhuǎn)動。這一應(yīng)用相比于步進(jìn)伺服電機應(yīng)用而言轉(zhuǎn)動速度要低很多；自拍桿的長度一般在1米以內(nèi)，以拍攝人像、景物等為主，因此角度控制精度INL<±2°對于用戶體驗就已經(jīng)足夠好了；至于分辨率的選擇，出于用戶控制轉(zhuǎn)動時候平順性的體驗，10~12位的分辨率足以讓用戶沒有頓挫感。因此，一款分辨率10~12位，INL<±2°的磁編芯片就可以勝任這一應(yīng)用要求了，如果追求小體積，那么可以選擇一款QFN的小封裝體芯片即可。