1 概述

磁編碼器憑借非接觸、高可靠、寬溫域、抗振動等優(yōu)勢，在伺服控制、機器人關(guān)節(jié)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域逐步替代傳統(tǒng)光電編碼器。納芯微（含原麥歌恩）基于 AMR（各向異性磁阻）與 TMR（隧道磁阻）技術(shù)，推出單芯片絕對式磁編碼器，集成正交磁敏電橋、模擬前端（AFE）、高精度 ADC、數(shù)字校準電路與硬件 CORDIC 角度解算引擎，實現(xiàn)從旋轉(zhuǎn)磁場到絕對角度的單芯片信號鏈，解決了分立方案正交精度差、延遲高、溫漂大等痛點。

2 正交信號生成原理

2.1 磁阻效應(yīng)基礎(chǔ)

納芯微磁編碼器敏感單元采用 AMR 或 TMR 磁阻效應(yīng)：

AMR（各向異性磁阻）：鐵磁合金（坡莫合金 NiFe）薄膜電阻隨磁化方向與電流方向夾角周期性變化，磁阻變化率約 2%~5%，成本適中、抗雜散磁場強。

TMR（隧道磁阻）：基于磁隧道結(jié)（MTJ）量子隧穿效應(yīng)，磁阻變化率 >100%，信號幅值高、溫漂小、噪聲低，適用于超高精度場景。

電阻模型可表示為：

( R(theta)=R_0+Delta Rcdotcos^2(theta-alpha) )

其中 (R_0) 為零場基準電阻，(Delta R) 為磁阻變化量，(theta) 為磁場夾角，(alpha) 為制造偏置角。

2.2 正交磁敏電橋結(jié)構(gòu)

為獲得 360° 連續(xù)角度，納芯微在芯片晶圓級集成兩組空間正交布置的磁敏惠斯通電橋：

SIN 電橋：拾取磁場 Y 軸分量，輸出正弦信號 (V_{text{SIN}}=Asintheta)。

COS 電橋：物理版圖偏移 90° 電氣角度，拾取 X 軸分量，輸出余弦信號 (V_{text{COS}}=Acostheta)。

電橋采用全對稱差分結(jié)構(gòu)，共模抑制比（CMRR）>90 dB，有效抑制共模干擾、溫漂與雜散磁場影響。

2.3 信號生成物理過程

轉(zhuǎn)軸末端安裝徑向磁化永磁體，形成平行于芯片表面的均勻平面磁場，磁場矢量方向與機械轉(zhuǎn)角 (theta) 一致。

永磁體旋轉(zhuǎn)時，磁場方向連續(xù)變化，磁敏電橋電阻隨 (theta) 周期性改變。

惠斯通電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)為差分電壓，輸出同頻、正交、差分的 SIN/COS 模擬信號。

旋轉(zhuǎn)一周（360°），輸出完整無盲區(qū)正交信號，實現(xiàn)絕對角度測量。

理想輸出模型：

( begin{cases} V_{text{SIN}}=Asintheta+text{Offset}_S\ V_{text{COS}}=Acostheta+text{Offset}_C end{cases} )

其中 (text{Offset}_S,text{Offset}_C) 為電橋固有失調(diào)電壓。

3 模擬前端與數(shù)字化

3.1 低噪聲 AFE 調(diào)理

微弱磁阻信號（mV 級）經(jīng)模擬前端放大、濾波與穩(wěn)定化：

低噪聲差分放大器：噪聲 <5 nV/√Hz，高 CMRR，將信號放大至 ADC 滿幅范圍。

自動增益控制（AGC）：適配氣隙（0.5~4 mm）與磁鐵強度波動，穩(wěn)定信號幅值。

抗混疊濾波：二階巴特沃斯低通濾波器，抑制高頻噪聲與射頻干擾。

斬波穩(wěn)零：抑制放大器失調(diào)與 1/f 噪聲，提升直流精度。

3.2 高精度 ADC 采樣

分辨率：AMR 配 16~20 位 SAR ADC；TMR 配 20~24 位高精度 ADC。

采樣率：支持高速采樣，匹配電機最高 120,000 rpm 轉(zhuǎn)速，保證動態(tài)角度無失真。

線性度：高積分非線性（INL），確保數(shù)字化 SIN/COS 信號真實還原原始波形。

4 數(shù)字域校準與誤差補償

出廠 OTP 校準 + 實時在線校準，將 “橢圓畸變” 的原始信號修正為 “理想單位圓”，為 CORDIC 提供高精度輸入。

4.1 直流失調(diào)校正

扣除兩路信號固有偏置：

( begin{cases} D_{text{SIN}}'=D_{text{SIN}}-text{Offset}_S\ D_{text{COS}}'=D_{text{COS}}-text{Offset}_C end{cases} )

(text{Offset}_S,text{Offset}_C) 為出廠校準值。

4.2 幅值失衡校正

修正 SIN/COS 幅度不一致：

( D_{text{COS}}''=D_{text{COS}}'cdot k )

(k) 為增益平衡系數(shù)。

4.3 正交誤差校正

補償制造 / 安裝導(dǎo)致的非 90° 相位偏差 (varepsilon)：

( D_{text{COS}}'''=D_{text{COS}}''-D_{text{SIN}}'cdotsinvarepsilon )

補償后正交誤差 <0.01°。

4.4 溫度漂移動態(tài)補償

內(nèi)置高精度溫度傳感器，實時監(jiān)測芯片溫度，通過溫度–誤差擬合模型，動態(tài)修正電橋溫漂、運放漂移與 ADC 增益溫漂，全溫域（?40℃~125℃）誤差控制在 ±0.01° 以內(nèi)。

4.5 非線性多項式校正

片內(nèi) EEPROM 存儲 256 點高階校準系數(shù)，修正電橋、AFE、ADC 固有非線性，MT6835 可將積分非線性（INL）從 ±0.5° 優(yōu)化至 ±0.07° 以內(nèi)。

5 硬件 CORDIC 角度解算

5.1 CORDIC 算法核心原理

CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer，坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算）是納芯微磁編碼器角度解碼的核心引擎，替代傳統(tǒng)浮點 (arctan) 運算，通過移位 + 加減迭代邏輯，實現(xiàn)低延遲、高并行度、硬件加速的角度解算。

磁編碼器采用向量模式：將二維正交矢量 ((X,Y)) 通過 (n) 次迭代旋轉(zhuǎn)至 (x) 軸，累計旋轉(zhuǎn)角度即為目標角度 (theta)。

迭代公式（向量模式）：

( begin{cases} x_{k+1}=x_k-y_kcdot d_kcdot 2^{-k}\ y_{k+1}=y_k+x_kcdot d_kcdot 2^{-k}\ z_{k+1}=z_k-d_kcdot arctan(2^{-k}) end{cases} )

其中 (d_k=text{sign}(y_k)) 為旋轉(zhuǎn)方向，(z_k) 累計角度，迭代收斂后 (z_napproxtheta)。

5.2 硬件實現(xiàn)與優(yōu)勢

全硬件并行迭代：專用 CORDIC 引擎，無流水線阻塞，納秒級延遲（典型 <100 ns）。

無乘法器設(shè)計：僅用移位與加減，邏輯門少、功耗低、成本低。

高精度收斂：16~24 次迭代可實現(xiàn) 0.001° 級角度分辨率。

單周期輸出：直接輸出 19~32 位絕對角度，支持 SPI、ABZ、PWM 等接口。

5.3 角度解算流程

校準后的正交矢量 ((X=D_{text{SIN}}',,Y=D_{text{COS}}''')) 送入 CORDIC 引擎。

向量模式迭代，將 ((X,Y)) 旋轉(zhuǎn)至 (x) 軸，累計角度 (z)。

輸出絕對角度 (theta=z)，并進行分段線性修正，進一步抑制殘余非線性。

角度數(shù)據(jù)經(jīng)接口輸出，支持多圈計數(shù)、零位標定與故障診斷。

6 系統(tǒng)性能與技術(shù)優(yōu)勢

精度：TMR 方案角度誤差 <±0.05°，AMR 方案 <±0.1°，INL <±0.07°。

延遲：硬件 CORDIC 解碼延遲 <100 ns，適配高速伺服控制。

溫漂：全溫域（?40℃~125℃）誤差 <±0.01°。

抗干擾：差分電橋 + 數(shù)字校準，抗雜散磁場、振動與溫度波動能力強。

集成度：單芯片集成傳感、信號鏈、校準與解碼，外圍極簡，可靠性高。

納芯微磁編碼器通過正交磁敏電橋將旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)為正交 SIN/COS 信號，經(jīng)低噪聲 AFE + 高精度 ADC 數(shù)字化，再通過多級數(shù)字校準修正誤差，最終由硬件 CORDIC 引擎實現(xiàn)納秒級、高精度絕對角度解算。該技術(shù)鏈突破了傳統(tǒng)磁編碼器正交精度差、延遲高、溫漂大等瓶頸，為高端運動控制提供了高可靠、高性能的角度傳感解決方案。

審核編輯 黃宇