CN103018489A

CN103018489A - 零点偏移校正方法及其校正装置

Info

Publication number: CN103018489A
Application number: CN2012104889580A
Authority: CN
Inventors: 戴忠伟; 陈家驹
Original assignee: MICROMOTION TECHNOLOGY (HANGZHOU) Co Ltd
Current assignee: BROADCHIP TECHNOLOGY GROUP Corp.,Ltd.
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: CN103018489B

Abstract

本发明公开了一种零点偏移校正方法及其校正装置，所述零点偏移校正方法包括步骤：S1、将加速度传感器中的电容差值转化为一电压值；S2、比较所述电压值和一零点参考电压；S3、将一校正电压和所述零点参考电压相加得到一比较电压；S4、比较所述比较电压和所述电压值，若所述电压值不等于所述比较电压，则在所述校正电压中加入一单位电压，并重复步骤S4，否则流程结束。本发明还公开了一种使用所述零点偏移校正方法的零点偏移校正装置。本发明通过加入零点偏移比较的方式确定了零点偏移，减少了加速度传感器的加速度测量误差，提高了测量的精度。

Description

零点偏移校正方法及其校正装置

技术领域

本发明涉及一种零点偏移校正方法及其校正装置，特别是涉及一种加速度传感器的零点偏移校正方法及其校正装置。

背景技术

零点偏移（offset）在为两个内处于加速度传感器内的传感电容C+ 和 C-在稳定状态之间的差值（ΔC=C+ - C-）。其中稳定状态就是传感器在被检测量的方向下没有任何移动。这个零点偏移电容差值（offset ΔC）的存在除了设计的误差以外就是在由芯片工艺制造过程中的极限限制。这个零点偏移必须在测量实际传感器在动态的时候的传感电容C+和C-之间的差异之前被删除掉。换句话说，C+必须等于C-在非移动的稳定状态下。其实，加速度传感器在一个方向移动会造成的C+ > C-，在相反的方向移动会造成C- > C+。C+和C-之间产生了差值ΔC。加速度测量就是与这个ΔC成正比，就是说加速度越快，ΔC越大，加速度越慢，ΔC越小。这个ΔC会经过一个电容电压转换电路转换成一个和ΔC成正比例的差分电压。

理想零点偏移应该是零的（ΔC=C+ - C-=0）。但是如上所述存在零点偏移电容差值（offset ΔC），如果零点偏移值比电容电压转换电路的最大允许输入压范围大，加速度测量值就不能被检测。而且所述零点偏移值的存在也为准确测量加速度的大小带来了困难，从而造成加速度测量的不准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中加速度传感器中零点偏移电容差值导致的加速度测量不准确缺陷，提供一种零点偏移校正方法及其校正装置，通过比较的方式确定了零点偏移，减少了加速度传感器的加速度测量误差，提高了测量的精度。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种零点偏移校正方法，用于加速度传感器，其特点是，所述零点偏移校正方法包括以下步骤：

S1、将稳定状态下的所述加速度传感器中的电容差值转化为一电压值；

S2、比较所述电压值和一零点参考电压，若所述电压值大于所述零点参考电压，则进入步骤S3，若所述电压值小于所述零点参考电压，则进入步骤S5；

S3、将正值的一第一校正电压和所述零点参考电压相加得到一第一比较电压；

S4、比较所述第一比较电压和所述电压值，若所述电压值大于所述第一比较电压，则在所述第一校正电压中加入正值的一第一单位电压，并返回步骤S3，否则流程结束；

S5、将负值的一第二校正电压和所述零点参考电压相加得到一第二比较电压；

S6、比较所述第二比较电压和所述电压值，若所述电压值小于所述第二比较电压，则在所第二述校正电压中加入负值的一第二单位电压，并返回步骤S5，否则流程结束。

本发明中所述零点参考电压是指加速度传感器的设计中预先设计的表征稳定状态下的所述加速度传感器中的电容差值的电压，这属于加速度传感器的设计参数，所以此处不再详细赘述。

由于加速度传感器的工艺条件有限，而且实际电容电压转化中的误差或噪音的存在，实际稳定状态下，即处于无加速度的状态下，所述加速度传感器中的电容存在偏移，所以电容差值不为零，因而此时表征加速度传感器中的电容差值的电压必然是不等于预先设计的零点参考电压。本发明通过调整零点参考电压，使其与实际采集的表征加速度传感器中的电容差值的电压相同，从而可以得到加速度传感器的实际的零点参考电压和误差值，进而提高了加速度传感器加速度测量的精度。

所以本发明中此处的和第一校正电压或第二校正电压用于校正所述零点参考电压，其中所述第一单位电压或第二单位电压用于调整所述第一校正电压或第二校正电压的大小，其中本发明通过在所述第一校正电压或第二校正电压反复叠加所述第一单位电压或第二单位电压来调整所述第一校正电压或第二校正电压的电压大小。

也就是说在本发明中所述第一单位电压或第二单位电压为电压调整的单位电压，其具体大小可以根据可以依据具体的加速度传感器的工作电压和精度等调整，本发明不限定其具体的电压。所述第一校正电压或第二校正电压同样可以通过所述第一单位电压或第二单位电压反复的叠加得到。

而且本发明中正是通过所述第一单位电压或第二单位电压不断的调整所述第一校正电压或第二校正电压，进而通过与表征加速度传感器中的电容差值的电压，来确定最终的对零点参考电压的校正电压。

此外，本发明中所述正值是指所述电压的数值为正值，同理所述负值是指所述电压的数值为负值。

较佳地，所述加速度传感器为MEMS（微机电系统）加速度传感器。

本发明提供了一种零点偏移校正装置，用于加速度传感器，其特点是，所述零点偏移校正装置使用如上所述的零点偏移校正方法，并包括一电容电压转换电路、一比较器、用于生成零点参考电压的一零点参考电压源和一可变电压源；

所述电容电压转换电路将稳定状态下的所述加速度传感器中的电容差值转化为电压值；

所述可变电压源通过所述第一单位电压或第二单位电压调整生成所述第一校正电压或第二校正电压。

本发明中所述可变电压源能够按照预设的第一单位电压或第二单位电压叠加调整所述第一校正电压或第二校正电压，从而确定最终的对零点参考电压的校正电压。

其中本发明通过一比较器的跳变来确认最终的对零点参考电压的校正电压，也就是说，在零点偏移时，所述零点参考电压与加速度传感器实际输出的电压值不相等，从而比较器的输出结果不是高点平，就是低电平，若需要加入校正电压的零点参考电压与所述电压值的比较最终使得比较器输出结果的电平发生跳变，也就标志着此时的校正电压就是实际的零点偏移电压。

因而本发明不再需要专门判断电压相同的器件结构，所以结构简单，便于实现。

较佳地，所述加速度传感器为MEMS加速度传感器。

较佳地，所述电容电压转换电路为全差分开关电容电路。

较佳地，所述可变电压源包括一可调数字电压源和一数模转换器，所述数模转换器将可调数字电压源输出的数字电压信号转化为模拟电压信号并输出至所述比较器。

其中所述可调数字电压源以数字电压信号的方式通过所述第一单位电压或第二单位电压调整生成所述第一校正电压或第二校正电压，在通过所述数模转换器转化为模拟电压信号形式的所述第一校正电压或第二校正电压。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的零点偏移校正方法及其校正装置，通过调节校正电压并反复与表征稳定状态的包含零点偏移电容差的电压值比较的方式确定了零点偏移量，从而减少了加速度传感器的加速度测量误差，提高了测量的精度。

此外本发明还能够将电容电压转换电路在电容转为电压过程中产生的误差一并通过零点偏移量来进行调整消除，所以能够进一步提高后续的测量的精度。

附图说明

图1为本发明的零点偏移校正装置的较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明的较佳实施例的零点偏移校正的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示，本实施例的零点偏移校正装置包括一电容电压转换电路1、一比较器2、一零点参考电压源3、一可调数字电压源4和一数模转换器5。

其中本实施例的所述电容电压转换电路1为全差分开关电容电路，用于把一MEMS加速度传感器内的传感电容C+ 和 C-的电容值转换成相应的电压值。

其中所述电容电压转换电路1在1/2 VDD的共模电压（common mode voltage，简称VCM）下运作。如果电容电压转换电路1的输入是ΔC，则电容电压转换电路1的输出是差分电压OUT+和OUT-。所以共模电压等于VCM = (OUT+ + OUT-)/2。当加速度传感器处于稳定状态，就是不动的时候，电容电压转换电路1的理想输出是一个零的输出，也就是OUT+ = OUT- = VCM = 1/2 VDD。电容电压转换电路1的输出的相应方向是根据输入的方向。当输入ΔC为正，也就是C + > C-时，电容电压转换电路1的输出将有一个正的差分电压，也就是 OUT+ > OUT-（OUT+ > VCM，OUT- < VCM）。另一方面，如果输入ΔC为是负，就是C - > C+，电容电压转换电路1的输出将有一个负的差分电压，就是OUT+ < OUT-（OUT+ < VCM，OUT- >VCM）。加速度传感器经过电容电压转换电路1从而产生一个和加速度成正比例的差分电压。换句话说，正的加速度会产生正差分电压，负的加速度会产生一个负的差分电压。此外，电容电压转换电路1输出差分电压最终会连接到所述比较器2，以产生去一个逻辑电平信号，表示加速度已达到一定的加速值。

由于电容电压转换电路1中的OUT+和OUT-表征ΔC是互补的，所以本实施例中仅使用OUT+一路信号就可以表征ΔC的变化。而且电容电压转换电路1使用差分结构，可以减少共模干扰，如开关引起的误差和通过芯片衬底或电源线耦合而来的噪声。此外，输入端的灵敏度和动态范围也会有所增加。

因此，如果本实施例的MEMS加速度传感器存在零点偏移的电容差值，即在稳定状态下C+ ≠ C -，电容电压转换电路1的输出会依然存有一个分差电压。这个分差电压就是代表着有电容差异的输入或表示有加速度的状况。但事实上这只是因为零点偏差的关系。所以本实施例中就是把这个由于零点偏移存在而产生的电容电压转换电路1输出分差值定为比较器的比较电压。

本实施例的比较器2有两个输入IN+和 IN-，而VOUT是一个单一的输出。当IN+ > IN- 时，VOUT= VDD，而IN + < IN-，VOUT = 0。比较电压是用于连接比较器2的负端，这个比较电压，决定比较器2的转折点。就是当电压在比较器2的正端大于等于负端的比较电压，比较器就会输出VOUT = VDD，如果相反，就是电压在比较器2的正端小于负端的电压，比较器2会输出VOUT=0。

由于电容电压转换电路1的理想输出是一个零的输出，就是OUT+ = OUT-，而电容电压转换电路1是输出给比较器2的。所以比较器2的理想的零点参考电压也就是电容电压转换电路1的共模电压VCM=1/2VDD。

为了在MEMS加速度传感器稳定状态下，消除零点偏移，本实施例中通过改变连接于比较器2负端的比较电压来确定具体的零点偏移量。

其中所述比较电压由理想的零点参考电压和表征零点偏移的校正电压构成。

其中本实施例中所述理想的零点参考电压由所述零点参考电压源3生成。所述校正电压由所述可调数字电压源4和数模转换器5共同产生。

其中在IN+端的电压大于所述比较电压时，所述可调数字电压源4以数字电压信号的方式，通过为正值的一第一单位电压调高一第一校正电压，并将调整后第一校正电压通过数模转换器5转为模拟信号模式，再与所述零点参考电压叠加，并进一步地通过比较器2进行比较，若比较结果仍是IN+端的电压大于所述比较电压，则继续调整第一校正电压，直到比较器2的比较结果跳变，即变为IN+端的电压小于等于所述比较电压时，测试的第一校正电压即为表征零点偏移的电压值。

同理，在IN+端的电压小于所述比较电压时，所述可调数字电压源4以数字电压信号的方式，通过为负值的一第二单位电压调低一第二校正电压，并将调整后第二校正电压通过数模转换器5转为模拟信号模式，再与所述零点参考电压叠加，并进一步地通过比较器2进行比较，若比较结果仍是IN+端的电压小于所述比较电压，则继续调整第二校正电压，直到比较器2的比较结果跳变，即变为IN+端的电压大于等于所述比较电压时，测试的第二校正电压即为表征零点偏移的电压值。

也就是说，本实施例中在这个寻找最终校正电压的过程，首先要知道零点偏移的方向，如上所述，当零点偏移为正时，此时比较器输出为高电平，反之，当零点偏移为负时，比较器输出为低电平。从而可以确定校正电压的调整方向。然后数模转换器5的输出电压通过调高或调低直到比较器2的输出从一个电位状态转换到另一个电位状态为止。此时数模转换器5的输出电压即为校正电压。

就是说，如果比较器2输出为高电平，零点偏移就是正值，数模转换器5的输出需要被调整调高直至比较器2输出从高电平改变成低电平。反之，如果比较器2输出为低电平，零点偏移就是负值，数模转换器5的输出需要被下调整调低直至比较器2输出从低电平改变成高电平。这个时候就是对数模转换器5的校正电压的调整完成。

所以如图2所示，本实施例的零点偏移校正的流程如下：

步骤S1，电容电压转换电路1将稳定状态下的所述加速度传感器中的电容差值转化为一电压值.

步骤S2，比较器2比较所述电压值和所述零点参考电压，若所述电压值大于所述零点参考电压，则进入步骤S3，若所述电压值小于所述零点参考电压，则进入步骤S6。

步骤S3、将正值的所述第一校正电压和所述零点参考电压相加得到一第一比较电压。

步骤S4、比较器2比较所述第一比较电压和所述电压值，若所述电压值大于所述第一比较电压，则进入步骤S5，否则流程结束。

步骤S5、在所述第一校正电压中加入正值的所述第一单位电压，并返回步骤S3。

步骤S6，将负值的所述第二校正电压和所述零点参考电压相加得到一第二比较电压。

步骤S7、比较器2比较所述第二比较电压和所述电压值，若所述电压值小于所述第二比较电压，则进入步骤S8，否则流程结束。

步骤S8，在所第二述校正电压中加入负值的所述第二单位电压，并返回步骤S6。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种零点偏移校正方法，用于加速度传感器，其特征在于，所述零点偏移校正方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的零点偏移校正方法，其特征在于，所述加速度传感器为MEMS加速度传感器。

3.一种零点偏移校正装置，用于加速度传感器，其特征在于，所述零点偏移校正装置使用如权利要求1所述的零点偏移校正方法，所述零点偏移校正装置包括一电容电压转换电路、一比较器、用于生成零点参考电压的一零点参考电压源和一可变电压源；

4.如权利要求3所述的零点偏移校正装置，其特征在于，所述电容电压转换电路为全差分开关电容电路。

5.如权利要求3所述的零点偏移校正装置，其特征在于，所述可变电压源包括一可调数字电压源和一数模转换器，所述数模转换器将可调数字电压源输出的数字电压信号转化为模拟电压信号并输出至所述比较器。

6.如权利要求3-5中任一项所述的零点偏移校正装置，其特征在于，所述加速度传感器为MEMS加速度传感器。