专利名称：：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l)中，使温度传感器信号调理电路分別工作在温度变化率为0及A^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、A^、及2、^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A^且压力变化率为0、温度变化率为a7^且压力变化率为A^、温度变化率为2^^且压力变化率为0、温度变化率为2、^且压力变化率为A^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。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l，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(offsetcancellation),线性调节电压源(LD0)、参考源(REF)、温度传感器(TEMP)、振荡器(0SC)、一次编程存储单元(0TP)、.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(V服)、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(V0UT)，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UM0(i+^r)vs0@(i+7rls:r+rc2,sr2)(LL工)v(i+《+(i+rc,。r+rc2oer2)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&，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)的输出为式中rc;^是传感器本身的温度系数，r'，e是传感器本身的零输入误差，rCp^和^^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(i.i.i)和(1.1.2)可得到ADC的转换结果为、U+rc腸c.A:r)一=2.d(i丄聽c'^.(1+rC,'Ar)(i丄3)『腳(i+rc朋a:t)v(i+;'Ar+rc2,sAr2)(i+ap)AF+r。#0.(i+rclo.Ar+rc2，。△")]+f0,c}其中，W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Ar和AP的多项式即M"r,D期.『腳參V(l+化".Ar+rC2s.Ar2),(l+^.AP).AP"脱:2^.4G,[^^.(i+rCw.Ar+rc2,A:r2).(i+^.AP).AP(1.1.4)"嚴M必c在上式中，re,".rC^力、rC^和F^w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，令尸s=2&oc.7朋oFTTO_厶A簡，，则式(1.1.4)可表示为+Jp0*(i+rcvAr+rc2,Ar2)此外，当所述传感器为温度传感器时，其输出电压可表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>爿DC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Ar和压力变化率AP两个敏感参数都为O，若Ar-O且AP-O零输入状态下记录ADC的输出此状态的数字输出值il^，再调节零输入误差调节控制器使其值最接近M,,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AP，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Ar-O而AP分别为零、A^、及2、^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Ar=0且^=0时的数字输出值似2，在厶r=0且^=么&时的数字输出值M3，在Ar=0且/^=2*么&时的数字输出值肘4。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=」扁'F"(l+rC,s'Ar+7T2s'Ar2)—l+i^.AP).AP+m2(i+rc!。.Ar+rc20Ar2)相应有m3=v4，fs(1+《sAa)△&+m2M4=v4PG4《(2+4.iC,A;》+M2根据式(1.1.9)和(1.1.10)可得(1.1.8)(1.1.9)(1.1.10)^腦《=4'M3—M4-3省2(1.1.11)2.M3_M4—M2(Af4—4.iW3+3-M"2)化(1.1.12)进而可计算出应达到的PGA增益为:0.5f—见(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。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Ar-O且AP=0、A7，=△《且AP=0、A71=a7;且AP=aa、AT=2*a7;且AP=0、AT:2^7;且AP-A凡的状态，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M2。，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△r=0且厶尸=0时的数字输出值^/5，在厶丁-Az;且AP二o时的数字输出值Me，在Ar二at;且AP-AA时的数字输出值i^，在AT=2*^且^=0时的数字输出值肘9，在厶7=2*^且A/^A凡时的数字输出值M,。。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=4>C"《(1+&.厶A),+M:20其中，M2。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(1.1.14)尸=j.F二20(1+因此式(L1.8)可变换为+m20(i+rc,0.Ar+rc20at2)其中，Fc和&可根据前述说明予以计算得到，进而有m6=m2(i+rc;,。.a7;+rc2,。az;2)m7=fg(i+rc,s+rc2s.at;2)(i+《s'a")a/s+m2。(i+rq,。-a7;+rc2o-a:;2)=fg(i+s+rc2s.az;2)(i+&'△凡)△&+m6m9=m2。(i+2-rc,o.Arv+4rc2,0.a7;2)m10=fg.(l+2-rq,s.厶j;+4.rc2,s.Ars2).(i+&龟)Ap,+m2。(i+2.rcl0+4.rc2,。-az;2)二fg(i+2rcs+4rc2s.a7;2)(i+&.△&).△&+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:(1.1.15)(1.1.16)(1.1.17)(1.1.18)(1.1.19)(1.1.20)、M202m2。2(1.1.21)&2，。=^,0《2=(1-2M6!m9)1m202(3(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:rcis=rqs=(4.a—6_3):53-m20—3'm5_m1()_4.m6+1m7+m92.(m5—m20)(1.1.23)f77C2,S=《=(一2+6+1):5一m5—m20+2.m6-2.似7_m9+m10=2.(m5—m20)(1.1.24)式中m7—m6，6=m10—m9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+m2。(i+rc!。.Ar+rc2,。.Ar2)(1.1.27)其中，m,M,为压力传感器信号调理电路的adc的输出值，根据上式可计算出厶p:—1±Jl+4-e《2-(1.1.28)见20其中，-a/20*(1+j,。.+2,0.fr)a.i.29)因为厶户是(-1，1)之间的数，且&是一个远小于的数，因此式(1.1.28)可变换为-—1+^/1+4.2-《。w(l-e《-(l一2.e人))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A7;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7^1，温度为A7;时的数字输出值是^^。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ik^二2、;，，进而有M,2=Mn.(i+rc,，.Ar)由此可得到相应的温度补偿系数分别为i^。二M,i，&=M'2-M"，而式(1.1.7)可变换为-M=Fr,(l+Fre.Ar)(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A:r，根据式a.i.25)可得Ff=Md，其中，M是温度传感器调理电路的adc的输出值。△rsm,2—,'需要说明的是，前述的各公式中的参数的含义可参见后表l，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釆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。11表1:<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求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、A/7、及2、^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A^且压力变化率为0、温度变化率为A^且压力变化率为A^、温度变化率为2、^且压力变化率为0、温度变化率为且压力变化率为^^的状态。6.—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l)中，使温度传感器信号调理电路分別工作在温度变化率为0及A^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。全文摘要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。文档编号G01D18/00GK101329188SQ20071004495公开日2008年12月24日申请日期2007年8月16日优先权日2007年8月16日发明者刚许申请人:捷顶微电子(上海)有限公司