CN102820862A - 提高传感器有效分辨率的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于提高传感器分辨率的方法及装置。在一实例中，使用了两个测量过程。第一测量用于跨传感器的满量程进行有效测量。所述第一测量可识别传感器当前工作点。之后可以做出第二测量以跨所述传感器的子量程进行有效测量，所述子量程包含传感器当前工作点。在第二测量期间可以提高所述放大器的增益，从而产生更高分辨率的测量。某些情况下，所述第一测量可以用于确定适当的偏移，所述偏移可以被应用以便将所述放大器标定至包含传感器当前工作点的期望子量程内。某些情况下，两个测量可共同使用从而计算出实际上更高分辨率的测量信号。某些情况下，这使得在仍能获得较好结果的情况下，允许使用更小以及/或者更廉价的传感器。

Description

提高传感器有效分辨率的方法及其装置
技术领域
本发明通常涉及传感器，并且更具体地，涉及用于提高这样的传感器的分辨率的方法和设备。
背景技术
在各种不同的应用(包括，例如，医学应用，飞行控制应用，工业过程应用，燃烧控制应用，气候监测应用，以及许多其他应用)中，传感器通常用于感测各种的参数。一些应用中，用户通常期望提高的传感器分辨率，从而分辨更小的传感器信号和/或控制这样的传感器的动态范围。
发明内容
本发明通常涉及传感器，并且更具体地，涉及用于提高所述传感器在使用期间的分辨率的方法和设备。在一实例中，可以使用两个测量过程。第一测量可以用于在手边跨传感器大或满量程(例如，0-5VDC)进行有效测量，并且可以用于识别传感器当前工作点(例如，3.5VDC输出)。第二测量可以用于跨传感器的子量程进行测量，其中所述子量程包含在第一测量期间确定的传感器当前工作点(例如，对于当前工作点3.5VDC，跨子量程3.0-4.0VDC)。在第二测量期间放大器的增益可以更高，这可以产生更高分辨率的测量信号。为了有助于防止放大器超出量程，第一测量可用于确定适当的偏移，所述偏移可以应用于放大器，从而使得放大器的输入偏移以对应于包含传感器当前工作点的期望的子量程。在某些情况下，第一测量和第二测量的结果可以合并在一起从而提供来自传感器的实际上更高分辨率的测量信号。某些情况下，这可以允许在仍能获得较好结果的情况下，使用更小以及/或者更廉价的传感器。
某些情况下，模拟传感器输出信号可以从传感器接收。在第一测量期间，模拟传感器输出信号可由使用第一增益的放大器放大，从而产生较低分辨率的放大模拟传感器输出信号。为了有助于防止在第二测量期间放大器超出量程，可以使用与较低分辨率的放大器模拟传感器输出信号相关的量度，从而确定偏移值，并且在第二测量期间将所述偏移值应用于模拟传感器输出信号，结果得到偏移的模拟传感器输出信号。在第二测量期间，可以使用比第一增益高的第二增益将偏移的模拟传感器输出信号进行放大，从而产生更高分辨率的模拟传感器输出信号。
某些情况下，所述较低分辨率放大模拟传感器输出信号可转换为较低分辨率数字传感器输出信号，并且被存储在存储器中。同样地，所述更高分辨率模拟传感器输出信号可转换成更高分辨率数字传感器输出信号，并且被存储在该存储器中。复合数字传感器输出信号可使用所述较低分辨率的数字传感器输出信号以及所述更高分辨率的数字传感器输出信号进行计算。
示例性的装置可以包括可变增益的放大器块，其具有两个或更多个增益设定。所述放大器块可以接收来自传感器的模拟传感器输出信号。偏移块当被指令来如此做时可选择地将偏移应用于模拟传感器输出信号。控制器可以与放大块以及偏移块耦合。控制器可以引起放大器块使用第一增益设定对模拟传感器输出信号进行放大，从而产生较低分辨率的模拟传感器输出信号。控制器可使用与较低分辨率的模拟传感器输出信号相关的量度来确定偏移值，并且可以指令偏移块将所述确定的偏移值应用于模拟传感器输出信号，从而产生偏移的模拟传感器输出信号。此后控制器可以使得放大器块使用比第一增益设定高的第二增益设定对偏移的模拟传感器输出信号进行放大，从而产生更高分辨率的模拟传感器输出信号。
提供前述发明内容以有助于对本公开的一些特征的理解，但是并不意图于作为全面的说明。通过将整个说明书，权利要求，附图和摘要作为一个整体可以获得对本公开的全面理解。
附图说明
考虑本公开的各种实施例的下述说明以及附图，能够更完整的理解本公开，其中：
图1为示例性装置的原理框图，所述装置用于处理来自传感器的模拟传感器输出信号；
图2为示例性可变增益放大器块的原理框图；
图3示出根据用于处理模拟传感器输出信号的示例性方法的第一测量和第二测量；
图4是示出用于处理模拟传感器输出信号的示例性方法的流程图；
图5是示出用于处理模拟传感器输出信号的另外的示例性方法的流程图；以及
图6是示出用于处理模拟传感器输出信号的示例性方法的流程图。
尽管本公开可修改为各种变型和替换形式，但其细节已经采用附图中实例的方式来示出，并且将进行详细的描述。然而应当理解，意图并不是将本公开限于此处描述的特定示例性实施例。相反，意图是覆盖落入本公开的精神和范围之内的所有的变型、等价形式以及替换形式。
具体实施方式
以下具体实施方式应当参考附图进行阅读，自始至终的几个附图内，类似的参考标记指示类似的元件。具体实施方式和附图示出若干实例，其意思是对所要求权利的公开的示例性说明。
图1为示例性装置10的原理框图，所述装置用于处理传感器14的模拟传感器输出信号12。在示例性实施例中，传感器14可为任意适当的传感器，例如压力传感器，流量传感器，磁接近传感器，加速度计，陀螺仪或任何其他适合的传感器。图1中所示的示例性传感器14包括四个以全惠斯通电桥配置连接的感测电阻器R1-R4，其提供差动模拟传感器输出信号12。然而，这仅仅是一个实例传感器配置，可以构想的是可以按照期望使用任意适当的传感器类型和/或传感器配置。并且，可以构想的是，按照期望，传感器14可以产生差动或者单端模拟传感器输出信号。
在图1的示例性实施例中，模拟传感器输出信号12被提供到多路器(MUX)16的“A”通道。MUX 16的“B”通道示出为连接到温度传感器18的输出。操作期间，MUX 16可以在“A”通道和“B”通道之间选择，并且可以将所选择的信号传送到预放大器20的输入。也就是说，在图1的示例性实施例中，当选择“B”通道时，MUX 16可以将模拟传感器输出信号12传送到预放大器20，并且当选择“A”通道时，可以将温度传感器18的输出传送到预放大器20。MUX 16可由控制器24进行控制。
在图1的示例性实施例中，预放大器20可以放大通常具有相对较低增益(例如，增益为1)的模拟传感器输出信号12。这有助于将传感器14与下游电路进行隔离。应当理解的是，MUX 16，预放大器20和温度传感器18均为可选的，并不是要求的。并且，在一些实例中，可以包括其他电路，例如调整电路(未示出)，其能够在将信号提供到可变增益放大器30之前至少在一定程度上对模拟传感器输出信号12进行调整。例如，可以包括调整电路，这有助于补偿模拟传感器输出信号12的非线性或者其他非期望特性。
模拟传感器输出信号12(有时在传送通过MUX 16和/或预放大器20后)可以提供给偏移块22。在示例性实施例中，偏移块22可以由控制器24的偏移控制块40控制。当偏移块22受到偏移控制块40的指令时，其能够将被控电压偏移添加到模拟传感器输出信号上，从而产生偏移模拟传感器输出信号28。在一个实例中，偏移块22可以通过求和元件26添加(或减少)电压而将提供给偏移块22的模拟传感器输出信号的电压移位，产生偏移模拟传感器输出信号28。在一些情况下，偏移控制块40可将模拟传感器输出信号移位0伏或者一些其他期望的电压。
在图1的示例性实施例中，偏移模拟传感器输出信号28被提供到可变增益放大器30。可变增益放大器30的增益可以由控制器24的增益控制块42进行控制。可以预期可变增益放大器30可以允许控制器24沿着一系列增益值变动增益，或者可以仅允许离散增益设定。可变增益放大器30仅允许离散增益设定的示例性实施例如图2所示。在示例性实施例中，多个放大器50a-50C中每一个都将其输入连接到可变增益放大器30的输入端子(Vin)。每个放大器50a-50C均具有不同的增益。例如，放大器50a具有增益“X”，放大器50b具有增益“2X”，并且放大器50c具有增益“nX”，其中“n”为大于2的整数。每个放大器50a-50C的输出都连接到多路器52的单独通道。增益选择端子54，其可以连接到控制器24的增益控制块42(参见图1)，可以选择放大器50a-50C的哪个输出被传送到可变增益放大器30的输出端子(Vout)。这仅仅是可变增益放大器的一个实例实施方式，且可以构想的是按照期望可以使用任何适当的可变增益放大器。
参考回图1，某些情况下，可变增益放大器30的输出可以传送到模数(A/D)转换器60。A/D转换器60可以将可变增益放大器30产生的模拟传感器输出信号转换为数字传感器输出信号。某些情况下，A/D转换器具有偏移控制，其可由控制器24的偏移控制块40来控制，但是这并不是必需的。由A/D转换器产生的数字传感器输出信号可存储在存储器中，例如存储器62。某些情况下，可提供调整块64从而在将数字传感器输出信号存储到存储器之前对数字传感器输出信号进行调整。调整块64例如可以有助于补偿数字传感器输出信号的非线性或者其他非期望特性。某些情况下，调整块64可以接收一个或者多个来自存储器，例如控制器24的存储器62的调整系数，但这并不是要求的。在所示的实施例中，控制器可以接收来自调整块64的经过补偿的数字传感器输出信号，并且将结果存储在储存器62内。此后控制器24可以在输出端子70上产生输出信号。某些情况下，控制器24的控制块38能够读取来自存储器例如存储器62的程序指令，并且可以按照期望执行所述程序指令从而控制增益控制块42，偏移控制块40和/或调整块64。
在操作期间，控制器24可以使用两个测量过程从而获得对于传感器14的提高的分辨率的信号。第一测量期间，控制器24的偏移控制块40将指令偏移块22将0(或者更低的)偏移添加到模拟传感器输出信号。控制器24的增益控制块24可以指令可变增益放大器30，从而使用第一增益设定(例如，增益1-2)放大得到的信号来产生较低分辨率的模拟传感器输出信号。图3中示出表示这样的第一测量的图表80。如图3所示，并且由于可变增益放大器30相对较低的增益(例如，增益＝1)，第一测量可以用于跨传感器14的宽或者全量程(例如，0-5VDC)有效地进行测量，并且这样可以在识别传感器14的当前工作点82(例如，3.5VDC输出)上是有效的。此后控制器24可以识别并且存储传感器14的当前工作点82。某些情况下，A/D转换器60可以将较低分辨率的模拟传感器输出信号转换成较低分辨率的数字传感器输出信号，并且控制器24可以将较低分辨率的数字传感器输出信号存储在存储器62内。所述较低分辨率的数字传感器输出信号本身可以代表传感器14的当前工作点82。
第二测量然后可用于跨传感器14的子量程进行测量，其中所述子量程包含如由第一测量所确定的传感器14的当前工作点82(例如，对于当前工作点为3.5VDC，跨子量程为3.0-4.0VDC)。第二测量期间放大器的增益可以更高，这从而可以产生更高分辨率的测量信号。为了有助于防止可变增益放大器30超出量程之外，第一测量可以用于确定适当的偏移，所述偏移可以应用于将可变增益放大器的输入集中到传感器14的子量程上，所述子量程包括传感器14的当前工作点82。
更具体的说，第二测量期间，控制器24可以使用与较低分辨率的模拟传感器输出信号相关的量度来确定偏移值，并且可以指令控制器24的偏移块22将确定的偏移值添加到模拟传感器输出信号上，从而产生偏移模拟传感器输出信号。控制器24的增益控制块42此后可以指令可变增益放大器30使用比第一增益设定高的第二增益设定(例如，增益为2-200)，将新的偏移模拟传感器输出信号进行放大，从而产生更高分辨率的模拟传感器输出信号。
表示示例性第二测量的图表86在图3中示出。如图3所示，控制器24将可变增益放大器的输入集中到传感器14的子量程88上，所述子量程包括传感器14的当前工作点82。示例性子量程88跨越输入电压量程3.0v-4.0V，其包括3.5V的当前工作点82。图3中，控制器24的增益控制块42指令可变增益放大器30在第二测量86期间使用增益五(5)来放大新偏移模拟传感器输出信号，所述增益比第一测量80期间所使用的增益一(1)要高。所述提高的增益可以产生更高分辨率的模拟传感器输出信号。如图3的实例中所示，所述更高的分辨率可以表示当前工作点82大约为3.55V而不是如可能由第一测量80所示的3.5V。虽然增益五(5)作为第二测量的一个实例时，可以构想的是任意适当的提高的增益值均可以使用(例如2-200)。高增益值通常会产生较窄的子量程88。
某些情况下，A/D转换器60可以将更高分辨率的模拟传感器输出信号转换为更高分辨率的数字传感器输出信号，并且控制器24可以将更高分辨率的数字传感器输出信号存储到存储器62中。可以使用较低分辨率的数字传感器输出信号和更高分辨率的数字传感器输出信号计算出复合数字传感器输出信号。所述复合信号可以被提供到输出端子70上。
图4是示出用于处理模拟传感器输出信号的示例性方法100的流程图。所述示例性方法从101开始，并且可以包括两个测量过程，包括第一测量102和第二测量104。在第一测量102期间，可以从传感器接收模拟传感器输出信号，如106处所示。接着，可以使用第一增益放大模拟传感器输出信号，从而产生较低分辨率的经过放大的模拟传感器输出信号，如108处所示。
在第二测量104期间，与较低分辨率的经过放大的模拟传感器输出信号相关的量度用于确定偏移值，如110处所示。接着，所述偏移值可以应用于模拟传感器输出信号，产生偏移模拟传感器输出信号，如112处所示。然后，使用比第一增益高的第二增益对偏移模拟传感器输出信号进行放大，从而产生更高分辨率的模拟传感器输出信号，如114处所示。然后可以退出所述示例性方法100，如116处所示。
图5是示出另一个用于处理模拟传感器输出信号的示例性方法200的流程图。所述示例性方法从201开始，并且可以包括两个测量过程，包括第一测量202和第二测量204。在第一测量202期间，可以从传感器处接收模拟传感器输出信号，如206处所示。然后，可以使用第一增益对模拟传感器输出信号进行放大从而产生较低分辨率的经过放大的模拟传感器输出信号，如208处所示。接下来，所述较低分辨率的放大模拟传感器输出信号可以转换为较低分辨率的数字传感器输出信号，如210处所示，并且将所述较低分辨率的数字传感器输出信号存储在存储器中，如212处所示。
在第二测量204期间，较低分辨率的数字传感器输出信号可以用于确定偏移值，如214处所示。所述偏移值可应用于模拟传感器输出信号，产生偏移模拟传感器输出信号，如216处所示。此后可以使用第二增益对所述偏移模拟传感器输出信号进行放大，所述第二增益比第一增益要高，从而产生更高分辨率的放大模拟传感器输出信号，如218处所示。更高分辨率的放大模拟传感器输出信号可以转换为更高分辨率的数字传感器输出信号，如220处所示。接着更高分辨率的数字传感器输出信号可以存储在存储器中，如222处所示。在某些情况下，可以使用第一测量202的较低分辨率的数字传感器输出信号和第二测量204的更高分辨率的数字传感器输出信号计算复合数字传感器输出信号。此后可以退出所述示例性方法200，如在226处所示。
图6是示出用于处理模拟传感器输出信号的示例性方法300的流程图。示例性方法在301处开始，并且可以包括两个测量过程，包括第一测量302和第二测量304。在第一测量302期间，放大器的增益可针对满标度传感器测量而设定，如306处所示。偏移也可针对满标度传感器测量而设定，如308处所示。接下来，可以使用上述增益和偏移值测量传感器输出，并且结果可以转换为数字数值，如310处所示。
在第二测量304期间，放大器的增益可以转变为更高的值从而可以获得更高的分辨率，如312处所示。第一测量302期间所测得的满标度数字数值可用于计算对于更高分辨率测量所需的偏移，如314处所示。此后可以相应的设定偏移，如316处所示。此后，可以使用更高的增益和经过计算的偏移值测量传感器输出，如318处所示。结果可以转换为数字数值。第一测量302的数字数值和第二测量304的数字数值可以合并在一起从而获得传感器的提高分辨率的信号，如320处所示。此后可以退出所述示例性200，如在322处所示。
虽然已经如此描述了本公开的各种示例性实施例，但是本领域的技术人员应当容易理解在此处所附权利要求的范围内还可以做出和使用其他的实施例。在不超出公开范围的情况下，可以在细节方面做出修改，尤其是形状，尺寸，部件的布置方面。当然本公开的范围以其中所附权利要求表述的语言进行限定。

Claims (10)

1.一种用于处理来自传感器(14)的模拟传感器输出信号(12)的装置，包括：
放大器块(30)，所述放大器块(30)具有两个或更多的增益设定，所述放大器块(30)接收来自传感器(14)的模拟传感器输出信号(12)；
偏移块(22)，用于当被指令如此做时，选择性地将偏移应用于模拟传感器输出信号(12)；以及
控制器(24)，与放大器块(30)和偏移块(22)耦合，控制器(24)使得放大器块(30)使用第一增益设定对模拟传感器输出信号(12)进行放大，从而产生较低分辨率的模拟传感器输出信号，控制器(24)使用与该较低分辨率的模拟传感器输出信号相关的量度来确定偏移值，控制器(24)指令偏移块(22)以将确定的偏移值应用于模拟传感器输出信号，产生偏移模拟传感器输出信号，此后控制器(24)使得放大器块(30)使用比第一增益设定高的第二增益设定对偏移模拟传感器输出信号进行放大，从而产生更高分辨率的模拟传感器输出信号。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
模数转换器(60)；
存储器(62)；以及
其中所述模数转换器(60)将较低分辨率的模拟传感器输出信号转换为较低分辨率的数字传感器输出信号，并且所述控制器(24)将所述较低分辨率的数字传感器输出信号存储到存储器(62)中，所述控制器(24)进一步使用存储在所述存储器(62)中的所述较低分辨率的数字传感器输出信号来确定偏移值。
3.根据权利要求2所述的装置，其中：所述模数转换器(60)将所述更高分辨率的模拟传感器输出信号转换为更高分辨率的数字传感器输出信号，并且所述控制器(24)将所述更高分辨率的数字传感器输出信号存储在所述存储器(62)中。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器(24)使用所述较低分辨率的数字传感器输出信号以及所述更高分辨率的数字传感器输出信号确定复合数字传感器输出信号，并且输出所述复合数字传感器输出信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述控制器(24)将所述复合数字传感器输出信号存储到所述存储器(62)中。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述模拟传感器输出信号与惠斯通电桥的输出相对应。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述模拟传感器输出信号与压力传感器，流量传感器，磁接近传感器，加速度计或者陀螺仪的输出相对应。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括预放大器(20)，其在模拟传感器输出信号(12)到达放大器块(30)之前对模拟传感器输出信号(12)进行预放大。
9.一种用于处理模拟传感器输出信号(12)的方法，包括：
接收来自传感器(14)的模拟传感器输出信号(12)；
使用第一增益放大所述模拟传感器输出信号(12)从而产生较低分辨率的放大模拟传感器输出信号；
使用与所述较低分辨率的放大模拟传感器输出信号相关的量度来确定偏移值；
将所述偏移值应用于所述模拟传感器输出信号(12)，产生偏移模拟传感器输出信号(28)；并且
使用高于第一增益的第二增益对所述偏移模拟传感器输出信号(28)进行放大，从而生成更高分辨率的模拟传感器输出信号(12)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述偏移值由以下确定：
将所述较低分辨率的放大模拟传感器输出信号转换为较低分辨率的数字传感器输出信号；
将所述较低分辨率的数字传感器输出信号存储到存储器(62)中；
使用所述较低分辨率的数字传感器输出信号确定偏移值。
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