传感器信号调理电路的数字校准方法.pdf

一种传感器信号调理电路的数字校准方法，首先使传感器信号调理电路工作在零输入状态，根据传感器信号调理电路在零输入状态下的数字输出调节传感器信号调理电路的零输入误差调节控制器以使传感器信号调理电路的零输入误差降至最低，接着使经过零输入误差调节的传感器信号调理电路分别工作在一敏感参数不同且其他各敏感参数相同的状态，并根据传感器信号调理电路的各数字输出值调节传感器信号调理电路的放大器增益，最后使经过零输入误差调节及增益调节的传感器信号调理电路分别工作在各敏感参数都不同的状态，并根据传感器信号调理电路的各数字输出值调节传感器信号调理电路的各阶补偿系数，如此实现对传感器信号调理电路的数字校准。

1.  一种传感器信号调理电路的数字校准方法，应用于具有多个敏感参数的传感器，其特征在于包括步骤：
1)使传感器信号调理电路工作在零输入状态，并根据所述传感器信号调理电路在零输入状态下的数字输出调节所述传感器信号调理电路的零输入误差调节控制器以使所述传感器信号调理电路的零输入误差降至最低；
2)使经过零输入误差调节的所述传感器信号调理电路分别工作在一个敏感参数不同且其他敏感参数相同的多种状态，并记录所述传感器信号调理电路在各种状态输出的数字值，其中，在所述多种状态中，发生改变的敏感参数为影响所述放大器增益的主敏感参数；
3)根据所记录的各数字值及所述传感器信号调理电路的输入与输出的关系计算所述传感器信号调理电路的放大器应达到的增益值；
4)根据所计算出的放大器应达到的增益值调节所述传感器信号调理电路的放大器增益；
5)使经过零输入误差调节及增益调节的所述传感器信号调理电路分别工作在多个敏感参数都不同的状态，并记录所述传感器信号调理电路在各不同状态输出的各数字输出值；
6)根据所记录的各数字输出值及经过零输入误差调节及增益调节的传感器信号调理电路的输入与输出的关系，计算所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数应达到的值；
7)根据所述各阶补偿系数应达到的值调节所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数以校准所述传感器信号调理电路。

2.  如权利要求1所述的传感器信号调理电路的数字校准方法，其特征在于：所述传感器信号调理电路为压力传感器信号调理电路。

3.  如权利要求2所述的传感器信号调理电路的数字校准方法，其特征在于：所述压力传感器信号调理电路具有温度变化率及压力变化率两个敏感参数。

4.  如权利要求3所述的传感器信号调理电路的数字校准方法，其特征在于：在步骤2)中，使经过零输入误差调节的压力传感器信号调理电路分别工作在温度变化率都为0而压力变化率分别为零、Δp_s、及2*Δp_s的状态。

5.  如权利要求4所述的传感器信号调理电路的数字校准方法，其特征在于：在步骤5)中，使经过零输入误差调节及增益调节的所述压力传感器信号调理电路分别工作在温度变化率和压力变化率都为0、温度变化率为ΔT_s且压力变化率为0、温度变化率为ΔT_s且压力变化率为Δp_s、温度变化率为2*ΔT_s且压力变化率为0、温度变化率为2*ΔT_s且压力变化率为Δp_s的状态。

6.  一种传感器信号调理电路的数字校准方法，应用于具有一个敏感参数的传感器，其特征在于包括步骤：
1)使传感器信号调理电路分别工作在敏感参数不同的状态，并记录所述传感器信号调理电路在不同状态下的各数字输出值；
2)根据所记录的各数字输出值及所述传感器信号调理电路的输入与输出的关系计算所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数应达到的值；
3)根据所述各阶补偿系数应达到的值调节所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数以校准所述传感器信号调理电路。

7.  如权利要求6所述的传感器信号调理电路的数字校准方法，其特征在于：所述传感器信号调理电路为温度传感器信号调理电路。

8.  如权利要求7所述的传感器信号调理电路的数字校准方法，其特征在于：所述敏感参数为温度变化率。

9.  如权利要求8所述的传感器信号调理电路的数字校准方法，其特征在于：在步骤1)中，使温度传感器信号调理电路分别工作在温度变化率为0及ΔT_s的状态，并记录所述温度传感器信号调理电路在各不同状态的数字输出值。

传感器信号调理电路的数字校准方法
技术领域
本发明涉及一种传感器信号调理电路的数字校准方法，特别涉及具有一个敏感参数及具有多个敏感参数的传感器信号调理电路的数字校准方法。
背景技术
现有对传感器的输出进行校准常采用模拟校准方法，该种方法一则导致传感器的补偿电路极为复杂，再则也难以对二阶或二阶以上的非线性系数进行校准，因此如何解决现有技术存在的缺点实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传感器信号调理电路的数字校准方法，以实现对具有一个敏感参数传感器信号调理电路的数字校准。
本发明的另一目的在于提供一种传感器信号调理电路的数字校准方法，以实现对具有多个敏感参数传感器信号调理电路的数字校准。
为了达到上述目的，本发明提供的传感器信号调理电路的数字校准方法，应用于具有一个敏感参数的传感器，其包括步骤：1)使传感器信号调理电路分别工作在敏感参数不同的状态，并记录所述传感器信号调理电路在不同状态下的各数字输出值；2)根据所记录的各数字输出值及所述传感器信号调理电路的输入与输出的关系计算所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数应达到的值；3)根据所述各阶补偿系数应达到的值调节所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数以校准所述传感器信号调理电路。
其中，所述传感器信号调理电路可为具有温度变化率的温度传感器信号调理电路，在步骤1)中，使温度传感器信号调理电路分别工作在温度变化率为0及ΔT_s的状态，并记录所述温度传感器信号调理电路在各不同状态的数字输出值。
此外，本发明的传感器信号调理电路的数字校准方法，应用于具有多个敏感参数的传感器，其包括步骤：1)使传感器信号调理电路工作在零输入状态，并根据所述传感器信号调理电路在零输入状态下的数字输出调节所述传感器信号调理电路的零输入误差调节控制器以使所述传感器信号调理电路的零输入误差降至最低；2)使经过零输入误差调节的所述传感器信号调理电路分别工作在一个敏感参数不同且其他敏感参数相同的多种状态，并记录所述传感器信号调理电路在各种状态输出的数字值，其中，在所述多种状态中，发生改变的敏感参数为影响所述放大器增益的主敏感参数；3)根据所记录的各数字值及所述传感器信号调理电路的输入与输出的关系计算所述传感器信号调理电路的放大器应达到的增益值；4)根据所计算出的放大器应达到的增益值调节所述传感器信号调理电路的放大器增益；5)使经过零输入误差调节及增益调节的所述传感器信号调理电路分别工作在多个敏感参数都不同的状态，并记录所述传感器信号调理电路在各不同状态输出的各数字输出值；6)根据所记录的各数字输出值及经过零输入误差调节及增益调节的传感器信号调理电路的输入与输出的关系，计算所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数应达到的值；7)根据所述各阶补偿系数应达到的值调节所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数以校准所述传感器信号调理电路。
其中，所述传感器信号调理电路可为具有温度变化率及压力变化率两个敏感参数的压力传感器信号调理电路，在步骤2)中，使经过零输入误差调节的压力传感器信号调理电路分别工作在温度变化率都为0而压力变化率分别为零、Δp_s、及2*Δp_s的状态，在步骤3)中，使经过零输入误差调节及增益调节的所述压力传感器信号调理电路分别工作在温度变化率和压力变化率都为0、温度变化率为ΔT_s且压力变化率为0、温度变化率为ΔT_s且压力变化率为Δp_s、温度变化率为2*ΔT_s且压力变化率为0、温度变化率为2*ΔT_s且压力变化率为Δp_s的状态。
综上所述，本发明的传感器信号调理电路的数字校准方法通过采用数字方法实现对具有一个或多个敏感参数的传感器信号调理电路的数字校准。
附图说明
图1为传感器信号调理电路的示意图。
图2为本发明的传感器信号调理电路的数字校准方法操作流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其为传感器信号调理电路的示意图，在所述传感器信号调理电路中分别设有传感器(Sensor)、可编程放大器(PGA)和输入零偏调节电路(offset cancellation)、线性调节电压源(LDO)、参考源(REF)、温度传感器(TEMP)、振荡器(OSC)、一次编程存储单元(OTP)、多路选择器(MUX)、增量积分模数转换器(SDM)、降采样滤波器(DEC)、校准单元(Calibration)、I2C接口电路(IIC)及数模转换器(DAC)等，所述传感器信号调理电路分别接设了桥臂激励电压(VBR)、电源电压(VDD)及地(VSS)，其还设有桥臂负输入端(IN)、桥臂正输入端(IP)、第二路辅助负输入端(IN2)、第二路辅助正输入端(IP2)、第三路辅助负输入端(IN3)、第三路辅助正输入端(IP3)、电路开关端(nSHDN)、模拟输出信号端(VOUT)，当所述传感器为压力传感器时，其输出可等效为具有二次项的多项式：
Vsense=VBR0⊕(1+TCBR⊕T)∀S0⊕(1+TC1,S⊕T+TC2,S⊕T2)]]>(1.1.1)
∀(1+Ks⊕P)⊕P+Voff,0⊕(1+TC1,o⊕T+TC2,o⊕T2)]]>
上式中各参数的含义请参见表1，式中第一项为施加在传感器桥壁上的偏置电压V_BR，第二项为传感器灵敏度的非线性温度系数，第三项为传感器灵敏度的非线性系数，第四项为零输入误差的非线性系数，而可编程放大器(PGA)的输出为：
V_PGA＝A_PGA·(1+TC′_PGA·ΔT)·V′_sense+A_PGA·V_o，PGA        (1.1.2)
＝A_PGA·(1+TC_PGA·ΔT)·V_sense
式中TC′_PGA是传感器本身的温度系数，V′_sense是传感器本身的零输入误差，TC_PGA和V_sense是在考虑了可编程放大器的非线性后的等效传感器温度系数和等效的零输入误差，由式(1.1.1)和(1.1.2)可得到ADC的转换结果为：
M≈2NADC·(VPGAVRADC·(1+TCVRADC·ΔT)+Vo,ADC)]]>
=2NADC·{1VRADC·(1+TCVRADC·ΔT)·APGA·(1+TCPGA·ΔT)---(1.1.3)]]>
·[VBR0·(1+TCBR·ΔT)·S0·(1+TC1,S·ΔT+TC2,S·ΔT2)]]>
·(1+Ks·ΔP)·ΔP+Voff,0·(1+TC1,o·ΔT+TC2,o·ΔT2)]+Vo,ADC}]]>
其中，N为所述压力传感器信号调理电路的模数变换数字位数；根据泰勒(Taylor)多项式原理，上述表达式中可以表达为一个关于ΔT和ΔP的多项式即：
M≈2NADC·APGAVRADC·[VBR0·S0·(1+TC1,S·ΔT+TC2,S·ΔT2)·(1+Ks·ΔP)·ΔP]]>
+Voff,0·(1+TC1,o·ΔT+TC2,o·ΔT2)]]]>
=2NADC·APGA·[VBR0·S0VRADC·(1+TC1,S·ΔT+TC2,S·ΔT2)·(1+Ks·ΔP)·ΔP---(1.1.4)]]>
+Voff,0VRADC·(1+TC1,o·ΔT+TC2,o·ΔT2)]]]>
在上式中，TC_VRADC、TC_PGA、TC_BR和V_o，ADC等系数以在Taylor展开中被其他多项式系数等效，而高阶系数在上式中被忽略，令
Fs=2NADC·VBR0·S0VRADC]]>
Fo=2NADC·APGA·Voff,0VRADC,]]>则式(1.1.4)可表示为：
F_Ks＝F_S·K_s
M＝A_PGA·F_s·(1+TC_1，S·ΔT+TC_2，S·ΔT²)·(1+K_s·ΔP)·ΔP
                                                                                        (1.1.5)
+F_o·(1+TC_1，o·ΔT+TC_2，o·ΔT²)
此外，当所述传感器为温度传感器时，其输出电压可表示为：
V_temp＝V_o，temp·(1+TC_temp·ΔT)(1.1.6)
M=2N·Vo,tempVRADC·(1+TCtemp·ΔT)---(1.1.7)]]>
本发明的传感器信号调理电路的数字校准方法即为对上述传感器信号调理电路的输出进行校准，首先以具有两个敏感参数的压力传感器信号调理电路为例详细说明。
压力传感器信号调理电路的数字校准方法主要包括以下步骤：
第一步：使传感器信号调理电路工作在零输入状态，并根据所述传感器信号调理电路在零输入状态下的数字输出调节所述传感器信号调理电路的零输入误差调节控制器以使所述传感器信号调理电路的零输入误差降至最低，所述零输入状态为温度变化率ΔT和压力变化率ΔP两个敏感参数都为0，若ΔT＝0且ΔP＝0零输入状态下记录ADC的输出此状态的数字输出值M₁，再调节零输入误差调节控制器使其值最接近M₁，由于如此可使零输入误差降至最低。
第二步：由于传感器信号调理电路为压力传感器信号调理电路，所以影响所述放大器增益的主敏感参数为压力变化率ΔP，故使经过零输入误差调节的传感器信号调理电路分别工作在ΔT＝0而ΔP分别为零、Δp_s、及2*Δp_s的状态，并记录经过零输入误差调节的所述传感器信号调理电路在ΔT＝0且ΔP＝0时的数字输出值M₂，在ΔT＝0且ΔP＝Δp_s时的数字输出值M₃，在ΔT＝0且ΔP＝2*Δp_s时的数字输出值M₄。
第三步：根据所记录的各数字值及所述传感器信号调理电路的输入与输出的关系计算所述传感器信号调理电路的放大器应达到的增益值计算所述传感器信号调理电路的放大器应达到的增益值，所述压力传感器信号调理电路的输入输出关系如式(1.1.5)，由此可知：M₂＝Fo，
所以式(1.1.5)变换为：
M＝A_PGA·Fs·(1+TC_1，S·ΔT+TC_2，S·ΔT²)·(1+K_s·ΔP)·ΔP
+M₂·(1+TC_1，o·ΔT+TC_2，o·ΔT²)               (1.1.8)
相应有：M₃＝A_PGA·F_s·(1+K_s·Δp_s)·Δp_s+M₂     (1.1.9)
M₄＝A_PGA·F_s·(2+4·K_s·Δp_s)·Δp_s+M₂          (1.1.10)
根据式(1.1.9)和(1.1.10)可得：
2·ΔP_s·A_PGA·F_s＝4·M₃-M₄-3·M₂               (1.1.11)
Ks=2·M3-M4-M2(M4-4·M3+3·M2)·Δps---(1.1.12)]]>
进而可计算出应达到的PGA增益A_PGAC为：
APGAC=Δps·0.5*2NM3-M4·APGA---(1.1.13)]]>
第四步：根据计算出的放大器应达到的标准增益值调节所述放大器的增益，即使PGA的增益调整为A_PGAC。
第五步：使经过零输入误差调节及增益调节的所述传感器信号调理电路分别工作在ΔT＝0且ΔP＝0、ΔT＝ΔT_s且ΔP＝0、ΔT＝ΔT_s且ΔP＝Δp_s、ΔT＝2*ΔT_s且ΔP＝0、ΔT＝2*ΔT_s且ΔP＝Δp_s的状态，并记录经过零输入误差调节及增益调节的所述传感器信号调理电路的模数转换器测出的零输入偏移值M₂₀，零输入误差调节及增益调节的所述传感器信号调理电路在ΔT＝0且ΔP＝0时的数字输出值M₅，在ΔT＝ΔT_s且ΔP＝0时的数字输出值M₆，在ΔT＝ΔT_s且Δp＝Δp_s时的数字输出值M₇，在ΔT＝2*ΔT_s且ΔP＝0时的数字输出值M₉，在ΔT＝2*ΔT_s且ΔP＝Δp_s时的数字输出值M₁₀。
第六步：根据所记录的各数字输出值及经过了零误差调节及增益调节的传感器信号调理电路的输入与输出的关系，计算所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数应达到的值，经过了零误差调节及增益调节的传感器信号调理电路的输入与输出的关系如式(1.1.8)所示，根据式(1.1.8)可得：
M₅＝A_PGAC·F_s·(1+K_S·Δp_s)·Δp_s+M_2O    (1.1.14)
其中，M₂₀为经过零输入误差调节及增益调节后的零输入偏移，现设定：
FG=APGAC·Fs=M5-M2O(1+KS·Δps)·ΔPs---(1.1.15)]]>
因此式(1.1.8)可变换为：
M＝F_G·(1+TC_1，S·ΔT+TC_2，S·ΔT²)·(1+K_S·ΔP)·ΔP
                                                                             (1.1.16)
+M_2O·(1+TC_1，o·ΔT+TC_2，o·ΔT²)
其中，F_G和K_S可根据前述说明予以计算得到，进而有：
M6=M2·(1+TC1,o·ΔTs+TC2,o·ΔTs2)---(1.1.17)]]>
M7=FG·(1+TC1,S·ΔTs+TC2,S·ΔTs2)·(1+KS·Δps)·Δps]]>
+M2O·(1+TC1,o·ΔTs+TC2,o·ΔTs2)---(1.1.18)]]>
=FG·(1+TC1,S·ΔTs+TC2,S·ΔTs2)·(1+KS·Δps)·Δps+M6]]>
M9=M2O·(1+2·TC1,o·ΔTs+4·TC2,o·ΔTs2)---(1.1.19)]]>
M10=FG·(1+2·TC1,S·ΔTs+4·TC2,S·ΔTs2)·(1+KS·Δps)·Δps]]>
+M2O·(1+2·TC1,o·ΔTs+4·TC2,o·ΔTs2)---(1.1.20)]]>
=FG·(1+2·TC1,S·ΔTs+4·TC2,S·ΔTs2)·(1+KS·Δps)·Δps+M9]]>
联合式(1.1.17)和(1.1.19)即可得到零输入误差的温度补偿系数为：
FTC1,o=TC1,o·ΔTs=(2M6M2O-M92M2O-32)---(1.1.21)]]>
FTC2,o=TC2,o·ΔTs2=(1-2M6M2O+M9M2O)·12---(1.1.22)]]>
联合式(1.1.19)和(1.1.20)即可得到温度变化率不为零的温度补偿系数为：
FTC1,S=TC1,s·ΔTs=(4·a-b-3)·12]]>(1.1.23)
=3·M2O-3·M5-M10-4·M6+4·M7+M92·(M5-M2O)]]>
FTC2,S=TC2,s·ΔTs2=(-2·a+b+1)·12]]>(1.1.24)
=M5-M2O+2·M6-2·M7-M9+M102·(M5-M2O)]]>
式中：a=M7-M6FG·(1+Ks·Δps)·Δps,]]>b=M10-M9FG·(1+Ks·ΔPs)·ΔPs.]]>
第七步：根据计算出的各补偿系数应达到的值调节所述传感器信号调理电路的相应各补偿系数，从而完成压力传感器信号调理电路的校准。
经过校准的压力传感器信号调理电路测量压力时，根据式(1.1.16)可知：
M_test＝F_G·(1+TC_1，S·ΔT+TC_2，S·ΔT²)·(1+K_S·ΔP)·ΔP    (1.1.27)
+M_2O·(1+TC_1，o·ΔT+TC_2，o·ΔT²)
其中，M_test为压力传感器信号调理电路的ADC的输出值，根据上式可计算出ΔP：
ΔP=-1±1+4·e·Ks2·Ks---(1.1.28)]]>
其中，e=Mtest-M2O·(1+TC1,o·ΔT+TC2,o·ΔT2)FG·(1+TC1,S·ΔT+TC2,S·ΔT2)]]>
=Mtest-M2O·(1+FTC1,o·FT+FTC2,o·FT2)FG·(1+FTC1,S·FT+FTC2,S·FT2)]]>(1.1.29)
因为ΔP是(-1，1)之间的数，且K_s是一个远小于的数，因此式(1.1.28)可变换为：
ΔP=-1+1+4·e·Ks2·Ks.]]>
≈e·(1-e·Ks·(1-2·e·Ks))]]>
对于温度传感器调理电路，由于其仅仅对温度变化率敏感，因此其校准过程较为简单，主要包括以下步骤：
第一步：使温度传感器信号调理电路分别工作在温度为0及ΔT_s的状态，并记录所述温度传感器信号调理电路在各不同状态的数字输出值，例如记录有温度为0时的数字输出值为M_t1，温度为ΔT_s时的数字输出值是M_t2。
第二步：根据所记录的各数字输出值及所述传感器信号调理电路的输入与输出的关系计算所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数应达到的值，根据前述分析可知，所述传感器信号调理电路的输入与输出的关系如式(1.1.7)，因为根据式(1.1.7)可知：Mt1=2N·Vo,tempVRADC,]]>进而有：M_t2＝M_t1·(1+TC_temp·ΔT)由此可得到相应的温度补偿系数分别为：F_To＝M_t1，FTS=Mt2-Mt1ΔTs·Mt1,]]>而式(1.1.7)可变换为：
M＝F_To·(1+F_TS·ΔT)                  (1.1.25)
第三步：根据所述各阶补偿系数应达到的值调节所述传感器信号调理电路的各阶补偿系数以校准所述传感器信号调理电路。
经过上述校准后，当所述温度传感器测量相对于初始温度的温度变化为ΔT，根据式(1.1.25)可得：FT=ΔTΔTs=Mt,test-Mt1Mt2-Mt1,]]>其中，M_t，test是温度传感器调理电路的ADC的输出值。
需要说明的是，前述的各公式中的参数的含义可参见后表1，在此不一一予以解释，以上仅以具有一阶温度补偿系数的温度传感器信号调理电路的校准及具有两个敏感系数的压力传感器信号调理电路的校准为例予以说明，但并非依此为限，例如，也可将本发明的校准方法用于对二阶以上的补偿系数予以校准，即通过使传感器信号调理电路工作在敏感参数不同的状态，并根据传感器信号调理电路输入与输出之间的关系即可计算出相应二阶以上的补偿系数，由此可完成对二阶以上系数的校准，在此不再详述。再有，敏感参数也并非以本实施方式所示为限，例如也可为地磁力、加速度、湿度等。
综上所述，本发明的传感器信号调理电路的数字校准方法采用数字校准技术实现对传感器调理电路的校准，其中，传感器所有非线性敏感系数及非线性温度系数都通过数字计算得到校准，相较于现有的模拟校准方法，其补偿电路较为简单，而且信号调理电路的供电电压可以更低，更加适用于深亚微米工艺的制造，再有，也可为将来的单芯片传感器信号处理系统集成打下基础，同时还可延伸至对传感器的二阶以上的非线性系数进行校准。
表1：