CN103090885B - 用于校正传感器信号的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于校正传感器信号的设备和方法。该设备具有传感器接口，该传感器接口被构造来以便读入表示物理量的传感器信号。此外，该设备还包括信号处理单元，该信号处理单元被构造来以便在使用传感器信号的情况下确定处理信号。此外，该设备还包括反馈单元，该反馈单元被构造来以便将反馈信号输出给传感器，其中反馈单元此外还被构造来以便基于非线性的处理规则和处理信号提供反馈信号。最后，该设备包括信号校正单元，该信号校正单元被构造来以便在使用处理信号的情况下确定修正过的信号，其中信号校正单元此外还被构造来以便在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下确定修正过的信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于校正传感器信号的设备、一种用于校正传感器信号的方法以及涉及一种相对应的计算机程序产品。
背景技术
由于微电子传感器（MEM传感器）的力反馈中的非线性，所以在这种经过力补偿的传感器中的噪声性能降低。非线性可通过各种效应来形成，例如在使用多个反馈电极的情况下或即使在电容式转换器元件中的具有多个电压值的电压反馈的情况下也形成非线性。这在电容式转换器的情况下通常通过如下方式来避开：使用PWM反馈（PWM=脉宽调制），而不是电压反馈。由此仅存在两个力状态，这两个力状态自然始终具有线性关系。但是，该方法具有如下缺点：在所需的高量化的情况下，时间步长必须非常小。例如如果反馈力要以10比特被量化，则在400kHz的采样率的情况下，下限时钟（Untertakt）会须为大约400MHz。这在技术上并不是有意义的，并且将在PWM的情况下的反馈中的量化限制到数比特。
在Martin Handtmann在慕尼黑工业大学（TU München）于2002年10月1日递交的论文“Dynamische Regelung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) mit Hilfekapazitiver Signalwandlung und Kraftrückkopplung”中介绍了用于动态调节微电子机械系统的不同方法。
发明内容
在此背景下，利用本发明介绍了一种用于校正传感器信号的设备，此外还介绍了一种用于校正传感器信号的方法。
本发明提出了一种用于校正传感器信号的设备，其中该设备具有如下特征：
- 传感器接口，所述传感器接口被构造来以便读入表示物理量的传感器信号；
- 信号处理单元，所述信号处理单元被构造来以便在使用传感器信号的情况下确定处理信号；
- 反馈单元，所述反馈单元被构造来以便将反馈信号输出给传感器，其中反馈单元此外还被构造来以便基于非线性的处理规则和处理信号来提供反馈信号；以及
- 信号校正单元，所述信号校正单元被构造来以便在使用处理信号的情况下确定修正过的信号，其中信号校正单元此外还被构造来以便在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下确定修正过的信号。
设备在此可以被理解为如下电设备：所述电设备处理传感器信号并且根据该传感器信号输出控制信号和/或数据信号。该设备可以具有接口，其中所述接口可以以硬件方式和/或以软件方式被构造。在硬件方式的构造方案中，接口例如可以是所谓的系统ASIC的包含该设备的极其不同的功能的部分。但是也可能的是，接口是自己的集成电路或者至少部分地包括分立器件。在软件方式的构造方案中，接口可以是例如在微控制器上在其他软件模块旁存在的软件模块。
此外，本发明还提出了一种用于校正传感器信号的方法，其中该方法具有如下步骤：
- 从接口读入传感器信号，其中该传感器信号表示物理量；
- 通过信号处理单元处理该传感器信号，以便在使用该传感器信号的情况下来确定处理信号；
- 由反馈单元给传感器输出该反馈信号，其中反馈单元被构造来以便基于非线性的处理规则和处理信号而提供反馈信号；以及
- 借助信号校正单元修正处理信号，以便在使用处理信号的情况下确定修正过的信号，其中信号校正单元被构造来以便此外还在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下确定修正过的信号。
因此，本发明提出了一种方法，该方法可以在相对应的用于校正传感器信号的设备上被实施，其中该设备具有相对应的装置，以便执行或实施该方法的步骤。也可以通过本发明的方法形式的实施变形方案而快速且有效地解决本发明所基于的任务。
具有如下程序代码的计算机程序产品也是有利的：所述程序代码可以被存储在如半导体存储器、固定磁盘存储器或者光学存储器之类的机器可读的载体上，并且被用于执行根据前述实施形式之一所述的方法，其中该程序被实施在计算机或者设备上。
非线性的处理规则可以被理解为在要处理的与处理过的信号之间的非线性关系。修正过的信号在此可以被理解为传感器信号的校正。物理量例如可以被理解为电压、电流、力、加速度、转速或其他要测量的量，该物理量可以由传感器检测并且其中传感器可以输出与要测量的量相对应的传感器信号。
本发明基于如下认知：现在通过使用校正单元可能快速且有效地补偿通过反馈已被插入到反馈的调节回路中的非线性，其中该校正单元在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下确定修正过的信号。以这种方式，一方面可以避免信号在处理单元中费事的矫正，并且另一方面可以有利地省去了高频在脉宽调制中的使用，由此可以实现更低的损耗功率并且同时实现更高的分辨率。
根据本发明的实施形式，反馈单元和/或信号校正单元可以使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则，所述非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则基于输入量与输出量的二次关系。例如，在电容式反馈的情况下，非线性的处理规则可以相对应地映射传感器的二次电压变化曲线，其中在物理量作用时，传感器信号受其电容的改变制约。本发明的这样的实施形式提供了如下优点：简单的非线性的处理规则可以被用于提高分辨率，所述分辨率也能简单地以数字技术被实施。
此外有利的是，根据本发明的实施形式构造信号处理单元来将处理信号确定为时间离散的和/或值离散的信号。本发明的这样的实施形式提供了使用数字实施的校正单元的优点，该使用通过滤波器设计的已经可支配的方法而能简单地被配置。
当信号处理单元被构造来此外还在使用处理信号本身的情况下提供处理信号时，那么用于校正传感器信号的设备特别稳健地（robust）且可靠地工作。本发明的这样的实施形式能够实现在处理单元中处理信息，该处理尽可能直接在应用非线性的处理规则之前可供使用。
此外有利的是，根据本发明的实施形式，信号处理单元具有数字滤波器和在信号流中被置于数字滤波器下游的量化器。通过在数字滤波器之后布置量化器，提供了非常好的可能性来提供被输送给反馈单元的处理信号，在该反馈单元中实施非线性的处理规则。
当根据本发明的实施形式，信号校正单元通过数字滤波器形成时，能特别简单地实施信号校正单元。本发明的这样的实施形式提供了如下优点：非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则能非常简单且成本低廉地被实施。
此外，本发明的其中设置有传感器的实施形式是特别有利的，该传感器与接口和反馈单元相耦合，其中传感器被构造来以便在物理量的作用下和在反馈信号下提供传感器信号。本发明的这样的实施形式提供了如下优点：传感器和反馈单元、特别是使用在反馈单元中的非线性的处理规则能够彼此相协调。
尤其是，当传感器被构造来以便检测微机械元件的运动，尤其是以便通过检测电容的改变来提供传感器信号时，在此所介绍的方法的优点能有利地被实现。
附图说明
以下依据附图示例性地进一步阐述本发明。其中：
图1示出了本发明的作为设备的实施例的框图；
图2示出了用于表示在没有应用这里所介绍的用于校正传感器信号的方法的实施形式中在不同频率的情况下的信号质量的模拟结果的曲线图；
图3示出了用于表示在采用这里所介绍的用于校正传感器信号的方法的实施形式中在不同频率的情况下的信号质量的模拟结果的曲线图；以及
图4示出了本发明的作为用于校正传感器信号的方法的实施例的流程图。
在以下对本发明的优选实施例的描述中，针对在不同的附图中所示出的并且作用类似的元件使用相同的或类似的附图标记，其中省去了对这些元件的重复描述。
具体实施方式
图1示出了本发明的作为用于校正传感器信号的设备100的实施例的框图。用于校正传感器信号的设备100包括用于读入传感器信号x的接口110，该传感器信号x由传感器120接收。传感器120例如可以是汽车领域或消费电子领域中的转速传感器并且此外还包括换能器（Transducer），以便提供可数字处理形式的传感器信号。由接口110给处理单元130输送传感器信号x，其中传感器信号x首先被输送给处理单元130的数字滤波器133，接着通过数字滤波器133滤波的传感器信号被输送给量化器135，以便在量化器135的输出上获得处理信号v。数字滤波器133用于使调节回路稳定和在感兴趣的信号带中形成噪声的目的。量化器135具有将数字滤波器133的信号数字化、即时间离散地和值离散地转换数字滤波器133的信号的功能。在数字化时形成的量化噪声与数字滤波器一起在感兴趣的信号带中被抑制，并且由此实现了转换器的输出上的非常高的信噪比。处理信号v随后一方面又被输送给处理单元130的数字滤波器133以及另一方面被输送给反馈单元140。在反馈单元140中，非线性的处理规则被应用到处理信号v上，以便获得反馈信号y，该反馈信号y通过另外的接口150被输出给传感器120。反馈信号y在此例如可以基于在作为反馈单元140的输入信号的处理信号v与作为反馈单元140的输出信号的反馈信号y之间的二次关系而被确定。在传感器120的换能器中，接着使用反馈信号y，以便影响物理量u（譬如加速度、力或转速）的测量值记录（Messwertaufnahme）。当传感器120例如是用于电容式地检测小的振荡块（Schwingmasse）的运动的微机械传感器时，反馈信号可以被用于电容式地、即以静电方式预张紧该振荡块，以便改变振荡块的谐振频率并且由此使振荡块的确定的待分析的振荡频率范围的分辨率优化。通过在电容与电压之间的非线性关系、尤其是二次关系，作为电压信号存在的处理信号v由此可以通过反馈单元140被转移到反馈信号y中，该反馈信号y接着被用于对传感器120的电容充电。但是，传感器信号x由于反馈信号y的效果而非线性地失真。
为了现在补偿传感器信号x的由于反馈信号y的作用而造成的非线性失真，现在与现有技术相反并未建议数字滤波器133和/或量化器135的特别设计，而是使用校正单元160，该校正单元160根据本发明的实施例的在图1中所示的框图而被实施为数字滤波器。给校正单元160输送处理信号v，该处理信号v在校正单元160中在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下被转换成修正过的信号v。在此要注意的是，在校正单元160中使用的处理规则应对应于在反馈单元140中使用的非线性的处理规则或由该非线性的规则导出的处理规则，以便实现尽可能良好地矫正修正过的信号v中的传感器信号x或处理信号v。例如如果非线性的处理规则以在反馈单元140的输入信号v与反馈单元140的输出信号y之间的二次关系的形式存在，则修正单元160的处理规则也应以在校正单元160的输入信号v与校正单元160的输出信号v之间的二次关系来实施，或以在校正单元160的输入信号v与校正单元160的输出信号v之间的反二次关系作为校正单元160的非线性的处理规则来实施。以这种方式可以非常好地补偿通过反馈信号y被插入到传感器信号x中的非线性，并且确定修正过的信号v。
此外还有利的是，不仅反馈单元140被加载有处理信号v，而且处理信号v也被输送给处理单元130本身，尤其是被输送给数字滤波器133。以这种方式，不仅通过反馈信号y的效果而造成的非线性失真的传感器信号x可供处理单元130使用，而且处理信号v本身也可供处理单元130使用，使得有用于补偿非线性反馈的更大量的信息可供使用。
图1因此示出了在使用用于校正传感器信号的设备的情况下的系统模型，其中该系统模型具有传感器120、滤波器133、非线性反馈装置140、量化器135和数字校正滤波器160。滤波器133可以输出时间连续的、时间离散的和/或值离散的值。数字校正滤波器160根据量化器135的输出信号v计算修正过的信号v。
像模型那样，传感器120、处理单元130和反馈单元140以及其在信号流中的布局可以被理解为德尔塔－西格玛转换器。在德尔塔－西格玛转换器中，量化器的输出ν通常对应于在感兴趣的信号带中的输入信号u=v。通过反馈装置140中的非线性，量化器的输出v不再对应于输入f（v）=u。但是，由于在随后的信号处理中仅有处理信号v可用，所以在这种情况下形成决定性地降低了传感器的性能的误差。但是，该误差可以以数字方式通过如下方式被修正：确定修正过的量v=f（v），使得修正过的量又对应于输入信号u=v。
例如，这在下文针对具有电容式反馈的MEM传感器120更详细地被示出，其中该方法也可以被扩展到任意非线性和/或随机过程。在图1中已示出了整个系统的框图，该整个系统包括传感器120、滤波器133、量化器135、非线性反馈装置140和数字校正滤波器160。在此，以缩放（skaliert）形式给出了所有变量（所有变量对应于信号）。电容式反馈的特性（电容式反馈被实施在反馈单元140中）是与（例如信号v的）电压的二次相关性。这导致反馈根据关系f（v）=v2存在，其中线性特征和两个单独的用于实现符号（例如在传感器120中）的电极被假定为DAC传输特性。通过在感兴趣的信号带之内的（包括单元：传感器120、滤波器133、量化器135和反馈单元140的调节回路的）正向通路中的大的环路增益，可以假定的是，反馈f（v）=v2对应于输入信号u=v2。为了确定实际输入信号u，因而量化器135的输出v应以同样的非线性传递函数v=v2=u被修正。因此，通过数字校正滤波器160来实现（校正）函数f（x）=x2。
图2示出了用于表示在没有应用这里所介绍的方法的实施形式中在不同频率的情况下的信号质量的模拟结果的曲线图，其中以具有二次反馈力（Rückkoppelkraft）的MEM传感器为基础。在此，针对图2中的图示已模拟了具有力特性曲线的二次相关性的电容式转换器的信号质量并且以谱方式示出了输出信号（即在量化器的输出上的信号v）。如从图2中可看到的那样，未被修正的输出信号v在感兴趣的信号带200中在频率210处拥有极大被提高的IBN，其中测量信号（即根据图2表示非线性的力特性曲线的传感器信号x）在感兴趣的频带210中极大地失真。
图3示出了用于表示在采用量化器的输出信号v的数字校正v的前面所介绍的方法的情况下的实施形式中在不同频率的情况下的信号质量的仿真结果的曲线图，其中又以具有二次反馈力的MEM传感器为基础，如该MEM传感器也针对图2中的模拟已被假设的那样。修正过的信号v=v2拥有相同的IBN，如没有非线性反馈的转换器，并且信号功率对应于为-10dBFS的注入的（eingepraegt）信号u。如非常清楚地看到的那样，量化器的输出信号v的数字校正v导致IBN的极大改善，该IBN在该情况下在40dB处。
图4示出了本发明的作为用于校正传感器信号的方法400的实施例的流程图。该方法400包括从接口读入410传感器信号的步骤，其中传感器信号表示物理量。此外，该方法400包括通过信号处理单元处理420传感器信号的步骤，以便在使用传感器信号的情况下来确定处理信号。此外，该方法400还包括通过反馈单元将反馈信号输出430给传感器的步骤，其中反馈单元被构造来以便基于非线性的处理规则将反馈信号提供给传感器信号和/或处理信号。最后，该方法400包括借助信号校正单元来修正440处理信号的步骤，以便在使用该处理信号的情况下确定修正过的信号，其中信号校正单元被构造来以便此外还在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下来确定修正过的信号。
前面所介绍的方法因此用于在反馈中的非线性方面对数字化的信号进行修正的目标，所述非线性可以是确定性的（例如在具有电容式转换器的电压反馈中）和/或可以是随机的（例如由于过程散射（Prozessstreuung）以及也公知的随机变化）。由此例如可以省去电容式转换器中的PWM反馈，并且反馈力的量化被提高到6-10比特。
本发明的重要方面是校正单元（例如数字校正滤波器）的使用，该校正单元将非线性函数映射在数字域中，例如在电容式反馈的情况下映射到二次电压变化曲线中。由此可能省去PWM反馈中的高频，由此可以实现具有较低损耗功率或较高分辨率的（传感器）系统。另一方面，也可以省去拥有非常大的面积和损耗功率的具有根传递函数（Wurzeluebertragungsfunktion）的复杂的DAC（DAC=Digital-Analog-Converter=数字模拟转换器）。如果随机变量是已知的或是不变化的，则在此所建议的方法的另一优点是用于校正随机变量的可能性，其中该可能性在其他方面可以提高IBN（IBN=In-Band Noise=信号带内噪声）。
通过这里所介绍的方法能实现的对非线性的校正的完整的数字实施方案简化了模拟的电路设计并且能够通过利用未来的ASIC工艺进行缩放而实现成本优点。附加地，该方法通过数字实施方案而与过程散射无关。
替换于前面所介绍的行动方式，也可以执行在PWM反馈中的系统性误差的补偿。也可以在带末端进行数字校正滤波器的匹配。最后也可以考虑使用用于在线/离线确定数字校正滤波器的自适应的学习算法。
可以重复根据本发明的方法步骤，以及以不同于所描述的顺序来实施这些根据本发明的方法步骤。此外，如果实施例包括在第一特征与第二特征之间的“和/或”链接，则这要被读为：该实施例根据一个实施形式不仅具有第一特征而且具有第二特征，并且根据另一实施形式或者仅具有第一特征或者仅具有第二特征。
Claims (7)
1.一种用于校正传感器信号（x）的设备（100），其中该设备（100）具有如下特征：
- 传感器接口（110），所述传感器接口（110）被构造来从传感器（120）读入传感器信号（x）；
- 信号处理单元（130），所述信号处理单元（130）具有第一数据滤波器（133）和在信号流中被置于第一数字滤波器（133）下游的量化器（135）并且与所述传感器接口（110）的输出端连接，并且所述信号处理单元（130）被构造来以便在使用传感器信号（x）的情况下确定处理信号（v）；
- 反馈单元（140），所述反馈单元（140）与所述信号处理单元（130）的输出端连接并且被构造来以便将反馈信号（y）输出给传感器（120），其中反馈单元（140）此外还被构造来以便基于非线性的处理规则和处理信号（v）将反馈信号（y）提供给传感器（120）；以及
- 信号校正单元（160），所述信号校正单元（160）通过第二数字滤波器形成并且与反馈单元（140）的输出端连接，并且所述信号校正单元（160）被构造来以便在使用提供给反馈单元（140）的处理信号（v）的情况下确定修正过的信号（v），其中信号校正单元（160）此外还被构造来以便在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下确定修正过的信号（v），其中所述信号校正单元（160）在信号流中被置于提供给反馈单元（140）的处理信号（v）的下游。
2.根据权利要求1所述的设备（100），其特征在于，反馈单元（140）和/或信号校正单元（160）使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规程导出的处理规则，所述非线性的处理规则或由该非线性的处理规程导出的处理规则基于输入量（v）与输出量（y，v）的二次关系。
3.根据上述权利要求之一所述的设备（100），其特征在于，信号处理单元（130）被构造来将处理信号（v）确定为时间离散的和/或值离散的信号。
4.根据上述权利要求之一所述的设备（100），其特征在于，信号处理单元（130）被构造来此外还在使用处理信号（v）本身的情况下提供处理信号（v）。
5.根据上述权利要求之一所述的设备（100），其中传感器（120）被构造来以便在物理量（u）的作用下和在反馈信号（y）下提供传感器信号（x）。
6.根据权利要求5所述的设备（100），其特征在于，传感器（120）被构造来以便检测微机械元件的运动，以便通过检测电容的改变来提供传感器信号（x）。
7.一种用于校正传感器信号（x）的方法（400），其中该方法（400）具有如下步骤：
- 从与传感器连接的传感器接口读入（410）传感器信号（x），其中传感器信号（x）表示物理量（u）；
- 通过信号处理单元处理（420）传感器信号（x），以便在使用传感器信号（x）的情况下来确定处理信号（v），其中所述信号处理单元具有第一数据滤波器和在信号流中被置于第一数字滤波器下游的量化器并且与所述传感器接口的输出端连接；
- 由反馈单元给传感器输出（430）反馈信号（y），其中反馈单元与信号处理单元的输出端连接并且被构造来以便基于非线性的处理规则和处理信号（v）提供反馈信号（y）；以及
- 借助信号校正单元修正（440）处理信号（v），以便在使用提供给反馈单元的处理信号（v）的情况下确定修正过的信号（v），其中信号校正单元被构造来以便此外还在使用非线性的处理规则或由该非线性的处理规则导出的处理规则的情况下确定修正过的信号（v），其中所述信号校正单元通过第二数字滤波器形成并且与反馈单元的输出端连接，并且其中所述信号校正单元在信号流中被置于提供给反馈单元的处理信号的下游。
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