CN102636189A

CN102636189A - 用于校正测量信号的测量信号校正装置和方法

Info

Publication number: CN102636189A
Application number: CN2012100261695A
Authority: CN
Inventors: A.布曼; M.凯克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: FR2971334A1; US8773293B2; CN102636189B; FR2971334B1; DE102011003736B4; DE102011003736A1; US20120198909A1

Abstract

本发明涉及一种具有模拟数字转换器（140）的测量信号校正装置（100），该模拟数字转换器（140）被构造用于在使用参考频率信号（130）的情况下将借助接口读入的模拟测量信号（155）转换为数字测量信号（167，v[n]）。此外，测量信号校正装置（100）还包括校正因子提供单元（160），用于提供基于参考频率信号（130）确定的校正因子（165）。此外，测量信号校正装置（100）还包括测量信号校正单元（170），其被构造用于将数字测量信号（167，v[n]）与校正因子（165）相乘，以得到经校正的测量信号（180）。

Description

用于校正测量信号的测量信号校正装置和方法

技术领域

本发明涉及测量信号校正装置、涉及测量信号校正装置用于转换转速传感器测量信号的模拟测量信号的应用、涉及用于校正测量信号的方法以及涉及相应的计算机程序产品。

背景技术

为了抑制在力补偿的转速传感器情况下的时钟边沿起伏（Takt-Jitter,时钟抖动）的效应，迄今为止需要高分辨率的参考振荡器。

US 2008 031 59 28 A1示出了一种锁相环，其根据通过HF时钟信号由锁相环产生的时钟信号工作。频率额定值输入提供参考时钟。可控的振荡器产生该HF时钟信号。

发明内容

以此为背景，利用本发明介绍了按照主权利要求的测量信号校正装置、测量信号校正装置用于转换转速传感器测量信号的模拟测量信号的应用、用于校正测量信号的方法以及最后介绍了相应的计算机程序产品。有利的扩展方案从各个从属权利要求和后面的说明中得到。

本发明实现一种测量信号校正装置，具有下面的特征：

－模拟数字转换器，其被构造用于在使用参考频率信号的情况下将借助接口读入的模拟测量信号转换为数字测量信号；

－校正因子提供单元，用于提供基于参考频率信号确定的校正因子；以及

－测量信号校正单元，其被构造用于将数字测量信号与校正因子相乘，以得到经校正的测量信号。

测量信号校正装置当前可以理解为处理传感器信号并且根据其输出经校正的测量信号的电设备。测量信号校正装置可以具有至少一个可以按照硬件和/或按照软件构造的接口。在按照硬件构造时，一个或多个接口例如可以是包含装置的最不同的功能的所谓的系统ASIC的部分。然而也可能的是：接口是自己的集成电路或者至少部分地由分立器件组成。在按照软件构造时，接口可以是软件模块，其例如在微控制器上除了其它软件模块而存在。

此外，本发明还实现一种用于校正测量信号的方法，其中该方法具有下面的步骤：

－利用模拟数字转换器在使用参考频率信号的情况下将借助接口读入的模拟测量信号转换为数字测量信号；

－提供在使用参考频率信号的情况下被确定的校正因子；以及

－将数字测量信号与校正因子相乘，以便得到经校正的测量信号。

具有程序代码的计算机程序产品也是有优点的，其中该程序代码可以存储在机器可读的载体如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且当程序在与计算机相应的设备上实施时用于执行根据上述实施形式之一的方法。

模拟测量信号可以理解为任意传感器的信号，该传感器将物理参量转换为模拟电参量。在此模拟测量信号可以通过接口被一并读入，使得用于提供模拟测量信号的传感器不强制地需要是这里介绍的校正装置的部分。参考频率信号可以理解为表示模拟数字转换器的时钟信号的信号。校正因子提供单元可以构造为不强制地需要基于参考频率信号确定校正因子的接口。更确切地说，可以读入已经（由其它单元）确定的校正因子并且提供给测量信号校正单元。

本发明基于如下认识：应该进行在技术上要非常简单地执行的、对在测量信号分析系统的数字部分中的测量信号的校正。在此要考虑:通过参考频率信号给模拟数字转换器提供时钟（takten），从而在参考频率信号的时钟波动的情况下这种波动导致在数字测量信号中的错误。这些错误现在可以通过如下方式被补偿，即使用校正因子，使所述校正因子与数字测量信号相乘，以便得到经校正的测量信号，其中所述校正因子在使用参考频率信号的情况下被确定。由此可能的是：校正数字测量信号的由在参考频率信号中的波动引起的错误。

本发明提供了如下优点：数字测量信号中的错误的补偿可以在测量信号分析系统的数字部分中执行，从而无需耗费地改变分析系统的模拟组件。同时通过将数字测量信号与校正因子相乘，根据本发明的方案的在数值上或电路技术上简单的实施变得可能。

按照本发明的一个实施形式，校正因子提供单元可以被构造用于还基于模拟测量信号的参数确定校正因子。模拟测量信号的这种参数例如可以是周期持续时间或频率。本发明的这种实施形式提供如下优点：校正因子可以专门地根据要转换的模拟测量信号被调整并且因此在模拟测量信号的校正时高精度变得可能。

有益的是：校正因子提供单元被构造用于实施参考频率信号的参数、尤其是周期持续时间的取平均以及在确定校正因子时使用。本发明的这种实施形式提供如下优点：可以基于对参考频率信号的时间上持续得更长的分析来确定校正因子。因此，可以更好地识别参考频率信号的参数与参考频率信号的参数的平均值的当前偏差，使得对当前要使用的校正因子的更精确的确定变得可能。

按照本发明的特别的实施形式也可以将校正因子提供单元构造用于提供值来作为校正因子，该值在使用在一方面参考频率信号或由其导出的值和另一方面参考频率信号的取平均的参数之间的比例的情况下被确定。例如，在此，参考频率信号的当前周期持续时间或采样周期关于参考频率信号的取平均的周期持续时间或采样周期的比例可以作为校正因子被确定。本发明的这种实施形式提供如下优点：使用这样确定的校正因子能够实现在数字测量信号中的错误的非常好的补偿，所述错误在模拟数字转换时由参考频率信号的时钟边沿波动引起。

按照本发明的另一实施形式也可以将校正因子提供单元构造用于以取决于模拟测量信号的参数和/或参考频率信号的参数的速率来更新校正因子，尤其是其中该速率取决于在模拟测量信号的频率和/或参考频率信号的频率之间的比例。本发明的这种实施形式提供如下优点：通过以所述的速率更新校正因子，数字测量信号在时间方面非常好的校正变得可能。尤其是通过这种方式例如可以针对数字测量信号的每个模拟数字转换的值确定单独的校正因子。

在本发明的特别的实施形式中，还可以设置用于从振荡器信号中提供参考频率信号的数字锁相环，尤其是其中该数字锁相环具有数字控制振荡器。本发明的这种实施形式提供如下优点：一方面可以设置数字的以及从而成本低的用于提供参考频率信号的电路，并且另一方面可以非常简单地从这种数字锁相环中截取确定校正因子用的参数。在使用数字控制振荡器的情况下例如可以非常简单地使用该振荡器的计数器读数，以便确定校正因子。

按照本发明的另一实施形式，可以将模拟数字转换器构造用于在使用德尔塔-西格玛（Delta-Sigma）调制方法的情况下执行转换。本发明的这种实施形式提供如下优点：相对于其它A/D转化原理，相比于有用信号的带宽而言模拟信号的高采样率变得可能。通过在输入端连续地采样，也不需要额外的保持电路。此外，对模拟抗混滤波器（Anti-Aliasing-Filter）提出小的要求。

特别有利的是，前面描述的测量信号校正装置被用于将转速传感器的模拟测量信号转换为经校正的测量信号。本发明的这种实施形式提供如下优点：尤其是在力补偿的转速传感器的情况下反馈力平均地（im Mittel）相应于科里奥利力（Corioliskraft），从而在采样时尤其是转速传感器对于时钟边沿波动特别灵敏。通过使用前述的测量信号校正装置，因此变得可能的是，使用较少精确并且因此成本较低的振荡器来提供模拟数字转换用的参考频率信号，其中仍然得到具有高品质的经校正的测量信号。

附图说明

下面借助所附附图示例性进一步阐述本发明。其中：

图1 示出测量信号准备单元的框图，其中使用按照本发明实施例的测量信号校正装置；

图2 示出在不使用（图2A,左边）和使用（图2B，右边）本发明的方案情况下所测量的噪声传递函数的两个曲线图；以及

图3 示出本发明的作为方法的实施例的流程图。

具体实施方式

在本发明的优选实施例的后面的描述中，为在不同图中示出的并且起类似作用的元件使用相同的或类似的参考标记，其中取消对这些元件的重复描述。

图1示出了测量信号准备系统的框图，其中使用按照本发明实施例的测量信号校正装置100。振荡器110提供时钟信号115，其在数字锁相环120中被进一步处理。为此，在数字锁相环120中首先由鉴相器122检测时钟信号115，在所述鉴相器122中探测时钟信号115的相位。此外，锁相环120还包括用于对由鉴相器122获得的信号、例如所探测的相位进行滤波的环路滤波器125。由环路滤波器125滤波的信号接着由数字控制振荡器127（NCO）处理，其例如包括计数器。该数字控制振荡器127输出参考频率信号130，其作为自由运行的（freilaufend）时钟被用于模拟数字转换器140，该模拟数字转换器140例如基于西格玛-德尔塔调制工作。通过将参考频率信号130反馈到鉴相器122中，可以引起数字控制振荡器127的复位，该数字控制振荡器127可以在参考频率信号中导致在时钟边沿之间的不均匀长的间距，如在曲线图135中通过两个时间错开的信号区域137的比较所看出的。名称FB[n]和FB[m]在此表示由数字锁相环120提供的参考频率信号130的相继的时钟循环FB的长度。尤其是，在数字控制振荡器127被复位时可能在这种自由运行的时钟信号情况下相对于在前的和/或后续的标签信号边沿出现信号边沿的间距的这种明显偏差。时钟信号边沿的间距的这种偏差也被称为抖动。

为了避免这种抖动导致由传感器150（例如转速传感器）读入的模拟测量信号155在模拟数字转换器140中的有错的模拟数字转换，设置校正因子提供单元160，其提供基于参考频率信号130确定的校正因子165。在使用该校正因子165的情况下，由模拟数字转换器140提供的数字测量信号167在测量信号校正单元170中被处理，以便得到经校正的测量信号108。在此在测量信号校正单元170中尤其执行校正因子165与数字测量信号167的相乘，以便得到经校正的测量信号180。

通过应用上述方案，因此可以通过由模拟数字转换器140输出的数字测量信号167的数字校正而实现参考频率信号130中的时钟边沿起伏对（例如转速）测量信号155的效应的减少或补偿。在此，可被看作本发明的重要的方面是：对模拟数字转换器140的绝对时钟持续时间的测量或估计，所述模拟数字转换器140的输出信号167 v[n](=f(u,FB[n]))是参考频率信号130的时钟持续时间FB[n]的函数，其中接着对该信号167进行数字校正。该方案的优点在于在数字部分中的比较简单的实施，因为为此不需要在模拟部分（例如传感器150）中或在参考振荡器110或120处的改变并且从而该方案非常好地适于力补偿的转速传感器。

图1因此示出测量信号校正的总系统模型的框图，由用于产生参考时钟130的ADPLL120组成。该参考时钟130被用于AD转换140并且通过其相位抖动（FB[n]！＝FB[m])导致有错的输出信号v。通过利用放大因子165（增益[n]）的接着的数字校正170，能够完全地校正该错误。

模拟数字转换器140的绝对时钟持续时间的测量/估计在此通过初级振动器110或振荡器110的数字锁相环ADPLL 120（ADPLL＝全数字锁相环（All Digital Phase Locked Loop））来进行。该锁相环120给具有组件模拟数字转换器140、校正因子提供单元160和测量信号校正单元170的后面的整个数字信号处理装置提供时钟130，并且通过所调节的与传感器元件150的相同时钟而具有高的长时间稳定性和温度稳定性。但是因为ADPLL 120在使用NCO 127的情况下被实现，并且该ADPLL可以仅仅通过取平均来实现大多（输出）频率、如参考频率信号，因此时钟信号（如用于后面组件的参考频率信号130）的这样的生成导致不同长的时钟，如在图1中在曲线图135中示出的。所述时钟起伏至少相应于ADPLL的参考振荡器的时钟，除了参考振荡器的时钟是初级振动器的传感器谐振的2ⁿ倍之外，因为于是不出现时钟边沿起伏。

模拟数字转换器140现在产生有错的输出信号v[n]，其中该模拟数字转换器140的数字输出信号v[n]是本来的测量参量u和时钟信号130的周期持续时间T_FB的函数。在此，T_FB代表在转换阶段或反馈阶段FB[n]期间在两个NCO边沿之间（也即在参考频率信号130的两个边沿之间）的周期持续时间。FB[n]在此描述状态，并且T_FB[n]是该状态的特性。有抖动的A/D转换的该问题尤其是在力补偿的转速传感器作为测量信号发生器的情况下具有提高的意义，其中反馈力F_FB平均地相应于科里奥利力（也即其中适用：F_科里奥利[n]=F_FB[n]= F_静电学·T_FB[n]/T_S～v[n]，其中F_静电学是被测量的力）。在典型的设计中，反馈力被施加参考频率信号130 的采样周期T_S的2/16…5/16。最小的时钟起伏至少相应于ADPLL 120的参考振荡器110的时钟，如果其不是参考振荡器110的频率的精确多倍。在精确多倍的情况下，时钟起伏变为零。

本发明的该实施例所基于的思想在于，通过确定或估计参考频率信号130的时钟周期、也即T_FB[n]或FB[n]来数字地校正模拟数字转换器140的数字输出信号v[n]，并且从而消除在参考频率信号130中的时钟起伏（如其在图1中在曲线图135中所示）的影响。在测量信号校正单元170中被用作增益[n]（也即校正因子）的校正因子165从比例T_FB[n]/Mean(T_FB)中确定。Mean(T_FB)在此代表参考频率信号130的周期持续时间的平均值（也或者参考值），其对于到例如°/S的换算而被假定。在校正因子提供单元160中可以作为校正因子165而确定并提供该上述的比例。在校正因子提供单元160中因此可以实施期望值E｛T_FB｝的形成或者取平均，以便确定参考频率信号130的周期持续时间或采样周期的该平均值，其中该平均值于是在确定校正因子165时如上所述例如被用于形成比例。

另外的思想在于：NCO 127的该取平均借助最后的NCO计数器读数是可预测的。该值于是可以以简单的方式被使用来对模拟数字转换器140的德尔塔-西格玛输出加权。由此，反馈力在数字域被标准化。因为反馈力、确切地说德尔塔-西格玛数据流是机械转速的尺度，因此该值不再通过时钟长度起伏影响并因此实现较好的、较低噪声的转速估计。在此情况下，以简单的方式涉及在FPGA或DSP内可简单实现的、与ADPLL调节器的调整值的乘法。

在典型的实施形式中，NCO 127具有200MHz的基本频率并且参考振荡器（在传感器元件150中）具有15kHz的频率。因此，得到0.26μs的反馈持续时间的典型值，以及从而得到针对数字锁相环120的每个反馈大约52个NCO时钟。通过NCO 127的平均的特性，现在该值例如波动在52和51之间。如果针对具有较短反馈的周期将模拟数字转换器140的数字输出数据流v[n]与51/52（也即被称为为增益[n]的这种比例）相乘，则从v[n]得到经校正的测量信号值180。在NCO 127中的反馈的时钟的计数器读数按照顺序51，52，52，51，52，52，51的情况下，例如可以分别按照顺序51/52，1，1，51/52，1，1，51/52输出增益校正值165。通过这种方式以数字锁相环120的反馈速率来更新校正因子165，从而针对每个经模拟数字转换的测量值v[n]167由校正因子提供单元160提供分别合适的校正因子165，以便得到尽可能最佳的经校正的测量值180。

数字测量信号167 v[n]的这种前述的校正的效果例如在具有力补偿的转速传感器测量信号的应用情况下在图2中示出。在图2的两个部分曲线图中，分别在横坐标上绘出以kHz为单位的频率，并且在纵坐标上绘出所分析的测量信号v[n]165或180的以dB为单位的幅度。在有错的数字测量信号167 v[n]情况下时钟边沿起伏的效应可作为在左边图示中的“凹口（Notch）”的填充、也即从图2A中看出。在数字校正之后，也即对于经校正的测量信号180，在右边的部分曲线图中示出测量曲线的曲线走向，也即在图2B中在频谱曲线走向中不再示出该填充特性，并且因此尽管使用了具有强的时钟边沿起伏的振荡器110仍然能够实现高得多的转速分辨率。

因此图2 示出了没有（图2A,左边）和具有（图2B，右边）数字抖动补偿的、所测量的德尔塔-西格玛噪声传递函数。围绕15kHz的信号带中的噪声抑制（“凹口”）通过抖动补偿显著更强地被表现出来。在该情况下，NCO127具有50MHz的时钟频率，因为在此情况下涉及FPGA实施。

时钟持续时间的确定可以通过附加的计数器来实现，该计数器以FB[n]的上升的时钟边沿开始，以FB[n]的下降的时钟边沿停止，并且其时钟直接由NCO 127来产生。

代替地，校正值增益[n]165也可以直接地通过NCO 127的最后的计数器读数来预测。因此不需要估计或确定时钟持续时间T_FB/FB[n] 的附加的块。然后该值165可以被用于对数据流v[n]加权并且因此在数字域中标准化反馈力。在此情况下以简单的方式涉及在FPGA或DSP内可有效实现的、与ADPLL调节器的调整值的乘法。代替地也可以使用基于NCO的不同的PLL。

尤其是在汽车领域和消费电子领域，可以将这里介绍的方案可望行之有效地在将来的转速传感器的情况下使用。

图3示出了本发明的作为用于校正测量信号的方法300的实施例的流程图。该方法具有在使用模拟数字转换器的情况下在使用参考频率信号情况下将借助接口读入的模拟测量信号转换310为数字测量信号的步骤。此外，该方法300还具有提供320在使用参考频率信号情况下确定的校正因子的步骤。最后，该方法300包括将数字测量信号与校正因子相乘330以便得到经校正的测量信号的步骤。

所描述的和在图中示出的实施例仅仅是示例性地选择的。不同的实施例可以完全地或者关于单个特征相互组合。一个实施例也可以通过另外的实施例的特征来补充。

另外，根据本发明的方法步骤可以重复地以及按照不同于按照所述顺序的顺序来实施。

Claims

1.测量信号校正装置（100），具有下面的特征：

－模拟数字转换器（140），其被构造用于在使用参考频率信号（130）的情况下将借助接口读入的模拟测量信号（155）转换为数字测量信号（167，v[n]）；

－校正因子提供单元（160），用于提供基于参考频率信号（130）确定的校正因子（165）；以及

－测量信号校正单元（170），其被构造用于将数字测量信号（167，v[n]）与校正因子（165）相乘，以得到经校正的测量信号（180）。

2.根据权利要求1所述的测量信号校正装置（100），其特征在于，校正因子提供单元（160）被构造用于还基于模拟测量信号（155）的参数确定校正因子（165）。

3.根据上述权利要求之一所述的测量信号校正装置（100），其特征在于，校正因子提供单元（160）被构造用于实施参考频率信号（130）的参数尤其是周期持续时间的取平均（E｛T_FB｝）。

4.根据权利要求3所述的测量信号校正装置（100），其特征在于，校正因子提供单元（160）被构造用于提供值来作为校正因子（165），该值在使用在一方面参考频率信号（130）或由其导出的值（T_FB[n]）和另一方面参考频率信号（130）的取平均的参数（Mean（T_FB））之间的比例的情况下被确定。

5.根据上述权利要求之一所述的测量信号校正装置（100），其特征在于，校正因子提供单元（160）被构造用于以取决于模拟测量信号（155）的参数和/或参考频率信号（130）的参数的速率来更新校正因子（165），尤其是其中该速率取决于在模拟测量信号（155）的频率和/或参考频率信号（130）的频率之间的比例。

6.根据上述权利要求之一所述的测量信号校正装置（100），其特征在于，还设置用于从振荡器信号（115）中提供参考频率信号（130）的数字锁相环（120），尤其是其中该数字锁相环（120）具有数字控制振荡器（127）。

7.根据上述权利要求之一所述的测量信号校正装置（100），其特征在于，模拟数字转换器（140）被构造用于在使用德尔塔-西格玛调制方法情况下执行转换。

8.根据上述权利要求之一所述的测量信号校正装置（100）的、用于将转速传感器（150）的模拟测量信号（155）转换为经校正的测量信号（180）的应用。

9.用于校正测量信号的方法（300），其中该方法（300）具有下面的步骤：

－借助模拟数字转换器（140）在使用参考频率信号（130）的情况下将借助接口读入的模拟测量信号（155）转换（310）为数字测量信号（167，v[n]）；

－提供（320）在使用参考频率信号（130）的情况下被确定的校正因子（165）；以及

－将数字测量信号（167，v[n]）与校正因子（165）相乘（330），以便得到经校正的测量信号（180）。