作為一顆傳感器類芯片，磁編碼器芯片在使用過(guò)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(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，它的性能會(huì)顯著影響整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的表現(xiàn)。因此在過(guò)去幾年中，我們得到很多客戶的反饋，他們?cè)诔醮问褂么啪幋a器芯片的時(shí)候，對(duì)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(jué)得無(wú)從入手。接下來(lái)我們會(huì)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(jiàn)問(wèn)題。

（一）噪聲、分辨率和積分非線性INL

首先我們來(lái)了解和認(rèn)識(shí)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(duì)角度精度）這幾個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)。

噪聲是所有電子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法繞開(kāi)的基礎(chǔ)問(wèn)題，芯片的噪聲主要來(lái)自內(nèi)部各類有源和無(wú)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(hào)在傳輸過(guò)程中如果受到了某些干擾，其中有些也會(huì)以毫無(wú)規(guī)律的噪聲形式表現(xiàn)在最終的輸出上。幸運(yùn)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(hào)處理技術(shù)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，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(mén)的電路“處理”掉了。因此當(dāng)有部分高端用戶利用單獨(dú)磁敏感元件以及分立的運(yùn)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(shí)候，如何確認(rèn)各個(gè)環(huán)節(jié)的噪聲并抑制他們，將是首先要面對(duì)的問(wèn)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(gè)簡(jiǎn)單的例子，一把普通的直尺，最小刻度是1mm，假設(shè)每一個(gè)1mm的刻度都能被清晰的分辨出來(lái)，我們就認(rèn)為這把尺的分辨率為1mm（但是請(qǐng)注意，這里在談?wù)摲直媛实臅r(shí)候，我們并不關(guān)注刻度所代表的長(zhǎng)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(shuō)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(shí)現(xiàn)的有效分辨率的最大障礙，過(guò)大的噪聲將使得相鄰的步進(jìn)變得無(wú)法分辨，從而降低了實(shí)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(guò)14位，絕對(duì)值角度的有效分辨率一般不超過(guò)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(duì)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(shí)測(cè)的ABZ輸出噪聲

表1.  MT6825 18bit絕對(duì)值輸出在固定角度點(diǎn)連續(xù)讀取10000次測(cè)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?cè)倩氐角懊骊P(guān)于刻度尺的例子。對(duì)于最小刻度1mm的尺子，正常情況下每個(gè)1mm刻度都應(yīng)該是清晰可區(qū)分的，那么接下來(lái)的問(wèn)題就是每個(gè)1mm的刻度準(zhǔn)確不準(zhǔn)確呢？假如尺子量出來(lái)是5mm的長(zhǎng)度，那么這個(gè)5mm到底多精確呢？這就涉及到了INL積分非線性（或者叫絕對(duì)精度）的概念了，它定義整個(gè)量程內(nèi)任意一個(gè)點(diǎn)和該點(diǎn)的理想值的偏差。比如一把20cm的尺，我們已知1mm一個(gè)刻度，總共有200個(gè)mm刻度，經(jīng)過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)尺的對(duì)比測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)這200個(gè)刻度中，第47個(gè)刻度點(diǎn)實(shí)際長(zhǎng)度是46.2mm，偏差了-0.8mm，第128個(gè)刻度點(diǎn)實(shí)際長(zhǎng)度是129.8mm，偏差了+1.8mm，以上2個(gè)點(diǎn)是所有刻度點(diǎn)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(duì)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(lái)提升磁編碼器芯片的INL性能。

圖2.  MT6825的一個(gè)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(shí)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(qǐng)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(duì)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(méi)有對(duì)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(huì)對(duì)最終的INL性能造成影響，如圖3所示。對(duì)于由磁鐵和芯片的裝配所帶來(lái)的偏差（在一定范圍內(nèi)），可以在裝配完成后，對(duì)芯片進(jìn)行一次重新校準(zhǔn)來(lái)消除這些影響。一般來(lái)說(shuō)對(duì)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(cè)的要求，可以不用進(jìn)行額外的校準(zhǔn)。而對(duì)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(jiàn)的2500線分辨率的伺服電機(jī)控制應(yīng)用，INL的大小直接決定了伺服電機(jī)的速度波動(dòng)性能。

圖3.  磁鐵安裝的偏心和間隙，對(duì)最終INL性能的影響

l  手持云臺(tái)中磁編碼器芯片的選型實(shí)例

近年來(lái)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)自媒體的迅猛發(fā)展，手持云臺(tái)火遍大江南北。手持云臺(tái)中的轉(zhuǎn)動(dòng)控制就是磁編碼器的一個(gè)典型應(yīng)用。每個(gè)手持云臺(tái)需要3顆磁編碼器芯片來(lái)控制XYZ三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。這一應(yīng)用相比于步進(jìn)伺服電機(jī)應(yīng)用而言轉(zhuǎn)動(dòng)速度要低很多；自拍桿的長(zhǎng)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(duì)于用戶體驗(yàn)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(dòng)時(shí)候平順性的體驗(yàn)，10~12位的分辨率足以讓用戶沒(méi)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。