使用霍尔效应传感器将 PWM 输出转换为模拟输出

在深入设计滤波器之前，步是快速查看 PWM 传感器的输出信号是什么样的。PWM 波形基本上是一个方波，其频率我们将定义为 fPWM，幅度为 0 V 表示逻辑低电平，VCC 表示逻辑高电平。从这里开始，我们将幅度称为 VPWM 。信号高电平时间 tON 与周期 (TPWM = 1 / fPWM ) 的比率就是占空比 D。这些关系如图 1 所示。

图 1 基本 PWM 定义


图 2 用于增加磁场的 PWM


图 3 递减磁场的 PWM

PWM 输出霍尔 IC 的占空比与感测磁场成正比。随着输入字段强度的增加，D 也随之增加（图 2）。相反，随着输入字段减小，D 也减小（图 3）。

模拟输出传感器的工作原理

现在我们回顾了霍尔效应 IC 的 PWM 输出如何工作，现在是时候简要讨论传感器的模拟输出如何工作了。其前提与具有 PWM 输出的霍尔 IC 几乎相同。输出不是不断切换输出来生成信号，而是断言与感测磁场成比例的模拟电压。例如，当 PWM 占空比由于输入场上升而增加时，模拟输出将简单地上升到更高的直流电压，反之亦然。

无源滤波器

现在我们进入该过程中有趣的部分，我们从 PWM 输出信号创建模拟直流电压。简单的方法是使用无源低通滤波器。出于本指南的目的并为了简单起见，重点将放在无源一阶和二阶低通滤波器上。无源滤波器可以通过电阻器和电容器非常简单地实现。这里提出的概念可以应用于更的过滤器。

就本文档而言，我们将重点分析和设计使用无源低通滤波器的电路，一阶滤波器的衰减滚降因子为 –20 dB/十倍频程，二阶滤波器的衰减滚降因子为 –40 dB/十倍频程。在某些情况下，一阶滤波器可以正常工作。然而，某些应用程序可能需要更快的响应时间。在这些情况下，可能需要二阶滤波器。由终用户来评估过滤器成本和过滤器性能之间的权衡。可以通过简单地级联越来越多的级来增加滤波器的阶数。滤波器每增加一阶，滚降率就会陡峭地增加 –20 dB/十倍频程。

有几种方法可以计算滤波器对输入信号的响应：时间分析和频率分析。我更喜欢粗略的频率分析，并将重点关注使用频率分析技术来设计一阶和二阶低通滤波器。一般来说，在设计简单滤波器时，大多数没有电子背景的人比时域方法更了解频率方法。