CN105634440B - 用于微机电系统的偏移消除设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于微机电系统的偏移消除设备。本公开涉及一种系统，所述系统包括传感器和耦合到传感器的信号调节器。信号调节器包括耦合到传感器的信号处理电路装置和偏移消除电路装置。偏移消除电路装置包括被配置为基于来自信号处理电路装置的输出信号的符号来输出高信号或低信号的符号检测器、耦合到符号检测器的积分器以及耦合到积分器和信号处理电路装置的输入的除法器。

Description

用于微机电系统的偏移消除设备
技术领域
本公开涉及用于在MEMS设备的启动序列期间和正常操作期间从信号中去除偏移的设备和方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)传感器被集成到许多不同类型的消费电子设备中，诸如例如蜂窝电话、平板计算机以及游戏控制器。模拟读取电路装置被耦合到MEMS传感器以处理由MEMS传感器检测到的移动或其他参数。通常，即使当输入信号为零时，模拟读取电路装置的输出也是非零的。偏移由MEMS传感器引入，并且有时由读取电路装置引入。许多已知的系统利用低通滤波器去除该偏移。
发明内容
本公开的实施例涉及去除由诸如加速度计之类的微机电系统(MEMS)传感器以及相关联的模拟读取电路装置所引入的偏移。可以在启动操作期间以及正常操作期间去除偏移。本公开涉及一种用于在所有操作模式下去除DC输入信号、偏移的设备和方法。
本公开的一个实施例涉及一种包括具有负反馈系统的模拟读取电路装置的设备。数字滤波的输出信号被反馈到偏移消除模块中。偏移消除模块被耦合并控制数字至模拟转换器。偏移消除模块改变系统的增益。在与由MEMS传感器和模拟读取电路装置引入的偏移相反的方向上移动增益。数字滤波的输出信号的符号驱动数字至模拟转换器。
附图说明
在结合附图的情况下，通过下面的详细描述将可以更好地理解本公开的上述特征以及其他特征和优点，因此将更加容易认识到上述特征以及其他特征和优点。
图1是包括了偏移消除模块的设备的框图的一个实施例；
图2是图1的偏移消除模块的框图；
图3A是图1的偏移消除系统的输出的时间图；
图3B是图1的偏移消除系统的输入的时间图；
图4是图1的偏移消除系统响应的备选的时间图；
图5是图1的偏移消除系统响应的另一备选的时间图；以及
图6是示出了偏移消除系统的模式的一个实施例的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述某些具体细节以提供对本公开的各种实施例的充分地理解。然而，本领域的技术人员将理解，在没有这些具体细节的情况下仍可以实践本公开的内容。在其他实例中，没有详细地描述与信号调节设备相关联的已知结构，以避免不必要地使对本公开的实施例的描述的变得不清楚。
除非上下文需要，在整个说明书和随附的权利要求书中，词语“包括”以及它的诸如“包含”、“包括了”之类的变体应当以开放式的、包含式的含义解释，即，“包括但不限于”。
在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用表示与实施例相关联地所描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中的各种位置处，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的形式不一定全部参考相同的实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以与任何适当的方式与一个或多个实施例组合。
如在本说明书或随附的权利要求书中所使用的，除非明确指出，单数形式“一个”、“一种”以及“这个”包括复数形式。还应当注意到，除非明确指出，术语“或”通常被用于包括了“和/或”的含义中。
如在本说明书或随附的权利要求书中所使用的，对“对应”、“对应于”以及“对应的”的使用旨在描述参考对象之间的相似性。不应将“对应”或其形式之一的使用理解为意味着确切的形状和大小。
在附图中，相同的附图标记标识相似的元素或行为。附图中的元素的大小和相对位置并不一定按比例绘制。
微机电系统传感器被用于检测各种条件，包括声音、化学物质、电信号、流体流、环境、位置、移动、光、力、压力、接近度或任何其他条件。来自传感器的输出通常被偏移所偏离。偏移存在于来自被感测的条件的属性中，例如，偏置加速度计的重力加速度，或存在于来自传感器的属性中，例如，传感器输出在非零偏移周围移动。一些系统在偏移已从传感器输出去除的情况下执行得更好，并且在这些系统中可能优选尽可能快地将偏移去除。本公开提供了一种用于快速去除传感器中的偏移的系统。
图1是根据本公开的实施例的包括了偏移消除系统的设备100的框图。传感器设备100包括耦合到信号调节器104的微机电结构(MEMS)传感器102。信号调节器可以是专用集成电路(ASIC)或一些其他类型的设备。信号调节器104在组合器106的第一端子106a处从MEMS传感器102接收输入。来自MEMS传感器102的输入通常包括偏移。MEMS传感器102输出代表由MEMS传感器102所测量的参数的模拟信号。偏移可以是包含在模拟信号中的DC信号。
组合器106被耦合到电荷放大器108。电荷放大器108被耦合到模拟至数字转换器(ADC)110。ADC被耦合到滤波器112。信号调节器104生成数字输出y[n]作为滤波器112的输出。滤波器112还生成被提供到偏移消除系统114的信号yFIR[n]。在一个实施例中，信号yFIR[n]基本上类似于传感器设备100的数字输出y[n]。在另一个实施例中，数字输出y[n]可以具有类似于信号yFIR[n]的波形，但被不同地缩放或具有不同采样频率。在优选实施例中，电荷放大器108是电荷至电压放大器。
偏移消除系统114包括偏移消除模块116和数字至模拟转换器(DAC)118。偏移消除模块116被配置为去除包括在来自MEMS传感器102的模拟信号中的偏移。通过去除来自MEMS传感器的输出的偏移，系统防止MEMS传感器读取设备的非对称饱和。偏移消除模块116接收信号yFIR[n]并产生可以作为偏移的数字信号u[n]。偏移消除模块116被耦合到产生模拟偏移u(t)的DAC 118。DAC 118被耦合到组合器106的第二端子106b并向组合器106提供模拟偏移u(t)。
MEMS 102可以是被配置为基于感测条件a(t)来生成感测信号c(t)的传感器。MEMS102可以是任意数目的传感器，包括但不限于：声学、化学、电学、流体、环境、位置、导航、光学、力、压力、温度、接近度以及任意其他的传感器。来自传感器的感测信号c(t)可以是供信号调节器处理的电学、机械、光学或任何其他输出信号。在一个实施例中，MEMS 102是加速度计，其输出表示与所感测的加速度成比例的电荷。在该实施例中，加速度计可以具有240g至-240g的加速度的感测范围以及大约17个最低有效位(LSB)/g的灵敏度。
组合器106被配置为从MEMS 102接收感测信号c(t)并将其与从偏移消除系统114所接收的模拟偏移u(t)组合。组合器106可以是加法器、减法器、编译器、求和器或将两个输入组合的任何其他设备。在一个实施例中，组合器106被配置为将来自MEMS 102的感测信号c(t)与来自偏移消除系统114的反相信号相加。
电荷放大器108放大来自组合器106的输出。在优选的实施例中，电荷放大器将由组合器106生成的电荷信号进行转换，并将其转换为对应的电压信号。
ADC 110可以将电荷放大器的输出转换为数字信号。在一个实施例中，输出数字信号是12比特信号。12比特信号能够表示4096个唯一值，12个比特是表示范围在120g至-120g的、具有17LSB/g的灵敏度的有符号模拟信号所要求的最小数目的比特。在另一实施例中，有符号的模拟信号可以具有240g至-240g的范围，模拟信号会具有13个比特。可以将ADC110的输出数字信号提供到滤波器112。
滤波器112接收ADC 110的输出数字信号并对ADC的数字信号执行信号滤波。在一个实施例中，滤波等同于具有16KHz的采样频率以及1.5ms的阶跃响应周期或时间的数字低通滤波器。在该实施例中，滤波器112的第一输出可以是12比特信号，其是信号调节器104的数字输出y[n]，并且第二输出可以是12比特的信号，其是偏移消除系统114的信号yFIR[n]。在一个实施例中，滤波器112包括多个滤波元件，诸如与低通滤波器和线性插值器级联的CIC抽取器。在该实施例中，yFIR[n]是由CIC抽取器和低通滤波器形成的级联的输出。线性插值器不贡献于yFIR[n]。输出y[n]由线性插值器生成。
偏移消除系统114被配置为接收滤波器112的输出并生成表示来自MEMS 102的感测信号c(t)中的DC偏移的模拟偏移u(t)。模拟偏移u(t)向组合器106的第二端子提供，以与在组合器106的第一端子处的来自MEMS 102的感测信号组合。偏移消除系统114可以包括偏移消除模块116和DAC 118。
偏移消除模块116可以被耦合到偏移消除系统114的输入。在一个实施例中，偏移消除模块116生成表示DC偏移的数字偏移u[n]，并向DAC 118提供数字偏移u[n]。
DAC 118可以接收数字偏移u[n]，并将其转换为对应的模拟信号，即模拟偏移u(t)。可以向偏移消除系统114的输出提供来自DAC 118的模拟偏移u(t)，偏移消除系统114可以被耦合到组合器106的第二端子。
在一个实施例中，信号调节器104对MEMS感测的信号的数字化信号实施数字带通滤波器。在该实施例中，滤波器112有效地去除作为滤波器截止频率的第一截止频率以上的频率，并且偏移消除系统114有效地去除作为偏移截止频率的第二截止频率以下的频率。第一截止频率优选地高于第二截止频率。在一个实施例中，带通滤波器可以使用级联的低通滤波器来实施。在该备选的实施例中，信号调节器104包括对组合器106的输出进行滤波的第一低通滤波器，和对信号调节器104的输出进行滤波的第二低通滤波器。第一低通滤波器输出信号调节器104的输出信号，并且第二低通滤波器输出偏移消除系统114的输出，偏移消除系统114的输出可以被反相并与信号调节器104的输入组合。
在一个实施例中，第一和第二截止频率以及信号调节器104的阶跃响应是动态的。第一和第二截止频率以及阶跃响应可以根据时间、信号值或其他条件而变化。在一个实施例中，截止频率以及阶跃响应可以是跨多个模式可变的，每个模式是固定的或可编程的。此外，用于第一和第二截止频率以及阶跃响应的每个轮廓(profile)的使用的条件可以是固定的或可由用户编程的。
在一个实施例中，截止频率以及信号调节器104的阶跃响应随时间区间而变化。在MEMS的启动和初始化时，信号调节器104进入第一模式。在第一模式下，滤波器112的截止频率被设定为滤波器截止频率且偏移消除模块116的截止频率被设定为第一偏移截止频率。偏移消除模块116的转换速率被设定为第一转换速率。第一转换速率可以被设定成在第一模式的持续时间内达到期望偏移，并且在一个实施例中是1.6LSB/ms。传感器设备100可以包括内部定时电路或可以接收设定周期频率的外部定时信号。在一个实施例中，周期频率由500Hz(即2ms的周期)的内部时钟所控制。第一时间段可以是用户所需的任何时间段，在一个实施例中第一时间段是64ms。
第一时间段之后，第二时间段可以开始，在第二时间段期间，信号调节器104在第二模式下操作。在第二模式下，滤波器112的截止频率可以在滤波器截止频率处被保持恒定。偏移消除模块116的截止频率可以从第一偏移截止频率改变到第二偏移截止频率。在一个实施例中，第二偏移截止频率低于第一偏移截止频率。此外，在第二模式下，转换速率可以从第一转换速率改变到第二转换速率，其中第二转换速率小于第一转换速率。在一个实施例中，第二转换速率是0.1LBS/ms。
第二时间段可以是用户所需的任意时间段，且在一个实施例中是64ms。备选地，第二时间段可以延续直到传感器设备100的状态的改变，诸如从MEMS 102或信号调节器104中去除功率，其中当向MEMS102或信号调节器104重新施加功率时，信号调节器104在时间等于零处再次开始序列。备选地，时间段的序列可以在不中断至传感器设备100的功率的情况下被重新设定。
可选地，在第二时间段期满之后，第三时间段开始，在第三时间段期间，信号调节器104在第三模式下操作。在第三模式下，滤波器的截止频率可以在滤波器截止频率处被保持恒定。偏移消除模块116的截止频率可以从第二偏移截止频率改变到第三偏移截止频率。在一个实施例中，第三偏移截止频率低于第二偏移截止频率。此外，在第三模式下，转换速率可以从第二转换速率改变到第三转换速率，其中第三转换速率小于第二转换速率。在一个实施例中，第三转换速率是0.05LBS/ms。
第三时间段可以是用户所需的任意时间段，且在一个实施例中第二时间段是64ms且第三时间段是200ms。在另一实施例中，第三时间段可以针对传感器设备100的一般的操作条件而被无限地优化。在这种情况下，第三时间段可以延续直到传感器设备100的状态的改变，诸如从MEMS 102或信号调节器104中去除功率，其中当向MEMS 102或信号调节器104重新施加功率时，信号调节器104在时间等于零处再次开始。备选地，时间段的序列可以在不中断至传感器设备100的功率的情况下被重新设定。
传感器设备100的三种模式可以优化信号调节器的操作。在一个实施例中，第二模式具有相对高的第二截止频率(偏移截止频率)，第二截止频率导致对MEMS 102的输出和信号调节器104的输出之间的差分信号的快速响应。在第一模式下，信号调节器104被配置为对MEMS 102的输出中的DC偏移快速响应。该系统将对MEMS 102的输出中的改变快速响应并将其消除，抑制了MEMS 102的感测条件a(t)读取。
作为一种抵消对来自MEMS 102的感测条件a(t)读取的抑制的方式，每个相继的模式降低转换速率，并将信号调节器104的偏移截止频率降低到MEMS 102的输出中的改变。第二和第三模式中的较慢的响应使得信号调节器104能够跟随并因此能够以高准确度去除由MEMS 102以及模拟电路108和110引入的偏移。
感测信号c(t)中的偏移可以来自多个源并可以存在于时间等于零处，传感器设备100被通电时，或备选地可以在MEMS 102或信号调节器104的操作期间形成。在MEMS 102为加速度计的情况下，偏移可以通过检测源于地球质量的重力加速度而引起。加速度计初始偏移也可以根据加速度计的定向和高度而变化。在本公开的范围内的其他传感器也可以具有引起在传感器中的存在于启动时或形成于操作期间的各种偏移条件的因素。
三种模式的序列使得信号调节器104能够快速地捕捉存在于来自MEMS的感测信号c(t)中的偏移。三种模式允许系统调整并提供每个模式的不同步长，以使得系统在第二和第三模式下去除偏移时变得准确。
图2是图1的偏移消除模块116的一个实施例。在一个实施例中，偏移消除模块116的输入被耦合到存储器202。存储器202可以是触发器或任何适合的存储设备。存储器可以是将数字输出yFIR[n]锁存在读取频率FS的瞬变存储设备。在一个实施例中，读取频率FS被设定为4000Hz。存储器202被配置为恒定地向存储器202输出表示最后输入信号的信号。
存储器202的输出由符号检测器204读取。符号检测器204可以基于存储器202的输出的符号来输出高信号或低信号。在一个实施例中，高信号和低信号是在不同电压的模拟信号。在另一个实施例中，高信号和低信号是具有不同值的数字信号。在又一个实施例中，符号检测器204针对高侧信号输出表示1的数字信号，并且针对低侧信号输出表示-1的数字信号。
符号检测器输出204被耦合到积分器206。积分器206可以使用多种不同的数学方法来操作。在一个实施例中，积分器206在积分区间上对符号检测器204的输出进行积分。离散系统中的积分区间可以是自上一积分之后的多个值。模拟系统中的积分区间可以是待在其上积分的时间段。积分区间还可以是随时间改变的动态值。在一些实施例中，积分区间可以是用户可编程的。在一个实施例中，积分区间可以在三个时间段上变化。在一个实施例中，积分区间在三个时间段中的每个相继的一个时间段中增加。
积分器206的输出被耦合到除法器208以计算来自积分器206的输出的平均值。在一个实施例中，离散积分器输出可以除以积分区间中的离散值的数目。在另一实施例中，模拟积分器输出可以除以积分区间的持续时间。其他相关值也可以用于估计积分器206的输出的平均值。除法器208也可以被设定为动态值。在一个实施例中，除法器的分母可以是多个离散值、积分区间的持续时间、或当积分区间改变时而改变的一些其他相关数字。在另一实施例中，除法器的分母可以在三个不同的时间段上变化。除法器的分母也可以在三个时间段中的每个相继的一个时间段中增加。
乘法器210缩放来自除法器208的信号以使其与MEMS 102的输出相比被相等地缩放，或以限制偏移消除模块116的有效转换速率。乘法器210的输出可以与MEMS 102的输出一起被耦合到组合器106，并且如上面所讨论的，将两个信号组合。备选地，乘法器210可以是数字乘法器，其输出向DAC 118提供的数字信号。DAC 118连同MEMS 102的输出一起被耦合到组合器106。在一个实施例中，乘法器210的倍增系数可以是由用户选择的任意数字。在另一实施例中，倍增系数将乘法器210的稳定状态输出设定为近似等于MEMS 102的稳定状态输出。乘法器可以是以2为倍数的移位。乘法器可以是移位器，其可以在设备的制造期间节省硅的面积。
必须基于系统的参数来限定乘法器的值，以避免反馈系统104的不稳定性的问题。与符号检测器204结合的乘法器210限制信号调节器104的输出避免改变大于所选的量。在另一实施例中，乘法器210和符号检测器204将在每个周期处反馈回路的输出的改变限定为所选的步长大小。在该实施例中，在每个周期中，偏移消除系统基于数字输出yFIR[n]的符号来向上增加一个步长，或向下减少一个步长。
此外，乘法器系数可以是动态的。乘法器系数中的改变可以与积分区间中的改变相关，以使得在一个实施例中，乘法器系数在三个不同时间段上变化。乘法器系数可以在三个时间段的每个相继的一个时间段中减少。
在一个备选实施例中，除法器208和乘法器210可以被组合成单一组合的乘法器块，组合的乘法器块可以基于缩放因子来缩放积分器206的输出。缩放因子是除法器和乘法器功能的复合。在一个实施例中，通过采用倍增因数并将其除以积分区间来计算缩放因子。
在一个实施例中，使用符号检测器204保留了信号调节器204的性能，而同时与偏移消除系统中的模拟低通滤波器相比降低了电路面积。低通滤波器的有源模拟部件包括电容器和电阻器，其被设定尺寸以生成所需的截止频率并限制来自其他部件的干扰。可以使用已知的数字电路制造技术来实施符号检测器204，该技术可以实现比对应的有源模拟部件明显更小的电路面积。
图3A是图1的偏移消除系统114的模拟偏移u(t)的时间图300。u(t)可以是考虑了理想DAC的来自等效数字波形的模拟波形。时间图300表示给定在时间等于零处的到信号调节器104的阶跃输入，偏移消除系统114的随时间的输出的幅度。在一个实施例中，信号调节器104在时间等于零处被接通。在备选的实施例中，随着重置序列的激活，时间等于零。
在时间等于零之后，偏移消除模块116对由MEMS 102输出的传播通过信号调节器104的信号做出响应。图3A图示了偏移消除系统对来自MEMS 102的感测信号c(t)的响应的一个实施例。在该实施例中，偏移消除模块116的行为在三个不同的时间段上变化。
根据一个实施例，第一时间段在零时间t0开始并持续直到第一时间t1。在第一时间段期间，积分区间是低的、相对较小，并且乘法器系数是高的、相对较大。在第一时间段期间被指定的这些参数导致由偏移消除模块引起的初始响应，其比在第二或第三时间段中更快地趋近于MEMS第一偏移。在每个步长处的改变可以基于由偏移消除模块116做出的更高-更低确定，因此，如果偏移消除模块116超过MEMS第一偏移，则偏移消除模块116将围绕MEMS第一偏移移动。在一个实施例中，乘法器系数在第一时间段中等于16。每个步长的积分时间也可以被设定为第一步长值。
第二时间段在第一时间t1开始并持续直到第二时间t2。第二时间段可以具有不同的乘法器系数或积分区间。如图3A所示，乘法器系数可以减小，以使得在偏移消除模块中的步长小于在第一时间段中。在每个步长处的改变可以基于由偏移消除模块116做出的更高-更低确定，因此，如果偏移消除模块116超过MEMS第一偏移，则偏移消除模块116将围绕MEMS第一偏移移动。在一个实施例中，在第二时间段中的乘法器系数是1。每个步长的积分时间也可以被设定为大于第一步长值的第二步长值，即，在第二步长值的情况下积分时间更长。
第三时间段在第二时间t2开始并持续直到第三时间t3。第三时间段也可以具有与第一或第二时间段不同的乘法器系数或积分区间。乘法器系数可以减小，以使得在偏移消除模块116的输出中的步长小于在第二时间段中。基于由偏移消除模块116做出的更高-更低确定来得出关于是否进行步进的确定，因此，如果偏移消除模块116超过MEMS第一偏移，则偏移消除模块116将围绕MEMS第一偏移移动。在一个实施例中，在第三时间段中的乘法器系数是1。每个步长的积分时间也可以被设定为大于第二步长值的第三步长值，即，在第三步长值的情况下积分时间更长。
使用具有不同有效转换速率限制和积分区间的不同模式允许设备快速地将传感器初始化，以去除偏移而不引起在传感器设备100的操作模式下的传感器性能的显著恶化。在操作模式下，偏移已经被计算并被补偿，且然后偏移消除模块116变为较不响应于MEMS102的输入，从而允许在没有消除感测信号c(t)的情况下，信号调节器104将来自MEMS 102的信号传递到读取设备。响应度的降低基于偏移消除电路的参数(积分时间、除法器值和乘法器值)，将参数改变以将由于启动偏移已经被去除而没有待去除的偏移的情况考虑在内。
在另一实施例中，偏移消除模块116在传感器设备100的操作模式期间保持有效，但对MEMS 102的输出具有较低的响应度。基于多种原因，MEMS 102的偏移可以在操作模式期间从第一偏移改变到第二偏移，原因包括：功率源的改变、与所设计的感测功能不相关的环境条件的改变、MEMS的定向的改变或任何其他多种原因。通过保持有效，偏移消除模块116可以在操作模式期间调整以适应MEMS 102的偏移的改变。
图3B是图1的偏移消除系统114的信号yFIR[n]的时间图302。时间图302表示给定了在时间等于零处的到信号调节器104的阶跃输入，偏移消除系统114的随时间的输出的幅度。在时间图302中，当传感器设备100通电时、当传感器设备被重置时或在一些其他时间处，时间可以等于零。
如前面参照图1所讨论的，滤波器112向偏移消除系统114提供输出，并且偏移消除系统的输出与MEMS 102的输出组合作为到滤波器112的输入。因此，在一个实施例中，作为对在时间等于零处的阶跃输入的响应，信号yFIR[n]在起始时突然上升，因为偏移消除系统起始时并没有对偏移做出响应。在信号调节器104的第一模式下，偏移消除模块确定数字输出y[n]大于零，并因此驱动增加的数字偏移u[n]以去除从数字输出y[n]和信号yFIR[n]中所检测的偏移，如可以在时间图302中看到的。
当数字偏移u[n]通过感测信号c(t)时，数字偏移然后开始在感测信号c(t)的值周围移动直到第一时间t1，t1对应于时间图300的第一时间t1。这可以在时间图302中看到，其中信号yFIR[n]正围绕y＝0的轴线振荡。
根据一个实施例，在第一时间t1处，信号调节器104进入比第一模式具有更小步长和更大积分时间的第二模式。信号yFIR[n]通过靠近y＝0的轴并且然后围绕其振荡直到第二时间t2来做出响应，t2对应于时间图300的第二时间t2。
在一个实施例中，信号调节器104进入第三模式，第三模式具有与第二模式相同的步长但比第二模式更大的积分时间。如时间图302所示，第三模式驱动信号yFIR[n]围绕y＝0的轴的几乎不变的移动。
在时间图302中的第三时间t3(对应于时间图300中的第三时间t3)之后，信号调节器104可以进入正常操作模式。在一个实施例中，在正常操作模式期间，信号调节器104具有比之前的模式中任何模式都更大的积分时间。在正常操作模式期间，信号调节器104还可以具有偏移消除模块116中的较小的步长大小。
图4是偏移消除系统响应的备选时间图。在图4中，仅显示了时间图的一部分作为时间图400。时间图400放大了待去除的目标偏移的较窄范围，以图示偏移消除系统114的从向信号调节器104的阶跃输入的代表性行为。
时间图400显示当模拟偏移u(t)接近第一模式下的感测信号c(t)的幅度时的模拟偏移u(t)。如前面所讨论的，模拟偏移围绕感测信号c(t)的幅度移动。如从附图中可以理解的，模拟偏移并未在常规区间上步进。积分时间在每个模式下保持恒定；然而，偏移消除系统114可以包括在高输出和低输出之间的在其中没有指示(direct)动作的死区(deadband)。因此，如果滤波器112的输出并未足够高或足够低，则偏移消除系统可以指示没有步进动作，如可以在震荡的变化周期中所观察到的。
时间图400也描绘了系统中的由积分器206和系统104的延迟所引起的延迟的影响。该延迟可以在时间图400的第一时间和第二时间之间的过冲中观察到，其中模拟偏移在每个方向上移动多于一个步长。在该实施例中，步长被限制为1，其指示系统是稳定的。
在图4所示的实施例中，积分时间在第一模式和第二模式下是相同的，但第三模式具有比第一或第二模式更大的积分时间，并且正常操作模式具有比第三模式更大的积分时间。
同样在图4中所示，第一模式具有比第二模式步长大小更大的步长大小；然而，第二模式具有与第三模式和正常操作模式相同的步长大小。
图5是偏移消除系统响应的又一备选的时间图。图5中，仅显示了时间图的一部分作为时间图500。时间图500放大了y轴的较窄范围，以图示偏移消除系统114的从向信号调节器104的阶跃输入的代表性行为。
时间图500显示当模拟偏移u(t)接近第一模式下的感测信号c(t)的幅度时的模拟偏移u(t)。时间图500在许多方面类似于时间图400；然而，一个显著的不同在于第三模式下的相对步长大小。时间图500描绘了t0和t1之间的第一模式、t1和t2之间的第二模式以及t2和t3之间的第三模式。在时间图500中，u(t)在第一模式下具有第一步长大小，第一步长大小大于第二模式下的第二步长大小，并且第二步长大小大于第三模式下的步长大小。
图6是示出了偏移消除系统的模式的一个实施例的流程图。实施方法600以将偏置从MEMS传感器102的输出信号中去除。具体地，在MEMS传感器102的初始化期间，信号处理器可以被用于快速地从MEMS 102的输出信号中去除偏置。
方法600包括将MEMS输出与消除信号组合的步骤602。步骤602的消除信号可以是MEMS 102或信号处理器的初始化的第一时刻处的任意值。这包括消除信号开始于初始化的第一时刻处的零、非零或空基线值。基线值可以由瞬变信号引起，或可以根据预测的偏移值的预期由信号处理器有意地预设。
在步骤604中，信号处理器可以在第一时间段期间通过第一标量调整消除信号。在一个实施例中，如参照上面附图所讨论的，第一时间段落在第一模式内。第一标量可以是任意数字，但在一些实施例中，被限定为正值和负值的整数。
在步骤606中，信号处理器可以在第二时间段期间通过第二标量调整消除信号。第二时间段可以通过差数(margin)来排除第一时间段，或可以紧靠第一时间段。在一些实施例中，第一和第二时间段也可以重叠。第二标量可以是任意数字，但在一些实施例中被限定为正值和负值的整数。第二标量可以小于第一标量，并且在一个实施例中小于第一标量大约16的因子。
在步骤608中，信号处理器可以在第三时间段期间通过第三标量调整消除信号。第三时间段可以通过差数来排除第二时间段，或可以紧靠第二时间段。在一些实施例中，第一、第二和第三时间段也可以重叠。第三标量可以是任意数字，但在一些实施例中被限定为正值和负值的整数。第三标量可以小于第二标量，并且在一个实施例中小于第二标量大约2的因子。
在其他实施例中，通过在第一时间段期间以第一步长、在第二时间段期间以第二步长以及在第三时间段期间以第三步长增加消除信号来调整消除信号。在第一、第二和第三模式下分别通过将消除信号增加或降低第一、第二和第三步长的幅度来实施增加。步长的符号由MEMS输出和消除信号的组合的符号来确定。在一些实施例中，第一步长大于第二步长，且第二步长大于第三步长。
其他实施例也可以包括所调整的消除信号的积分，积分在第一模式下具有第一积分区间、在第二模式下具有第二积分区间，以及在第三模式下具有第三积分区间。在一个实施例中，第一积分区间小于第二积分区间，且第二积分区间小于第三积分区间。可以使用在三个模式下变化的积分区间来逐步地增加信号处理器对MEMS输出和消除信号的组合的改变的抑制效果。
本公开涉及用于在MEMS设备的启动序列期间和正常操作期间从信号中去除偏移的设备和方法。可以通过如下方法来执行去除：设定偏移消除系统中的积分时间和转换速率限制的初始值，并且然后在启动序列的初始启动周期之后，调整积分时间和转换速率限制的初始值。现有技术设备使用低通滤波器来去除该偏移；然而，本公开的实施例使用符号检测器、积分器以及除法器来去除偏移。
本公开的一个实施例涉及偏移消除设备，其被配置为从在第一输入处所接收的输入信号中减去DC偏置信号。偏移消除设备还包括处理模块和偏置消除模块。偏置消除模块被配置为基于处理模块的输出信号来在两个模式下生成DC偏置信号。两个模式包括第一模式，其中偏置消除模块被配置为通过将处理模块的输出信号在第一转换速率的情况下在第一区间上积分而计算DC偏置信号。第二模式是这样的模式，其中偏移消除电路被配置为通过将处理模块的输出信号在第二区间上积分而计算DC偏置信号，第二区间大于第一区间，第二转换速率小于第一转换速率。
偏移消除设备可以包括第三模式，其中偏置消除电路被配置为通过将处理模块的输出信号在第三区间上积分而计算DC偏置信号，第三区间大于第二区间、第三转换速率小于第二转换速率。第一和第二区间分别是第一和第二离散数目的值。
偏移消除模块包括耦合到偏移消除模块的输入的积分器和耦合在积分器和偏移消除模块的输出之间的除法器，除法器被配置为在第一模式下将积分器的输出除以第一区间以及在第二模式下将积分器的输出除以第二区间。此外，偏移消除模块被配置为将DC偏置信号限制到最大转换速率。电路被配置为接收模拟信号并输出模拟信号，并且偏移消除模块被配置为接收数字信号并输出模拟信号。偏移消除模块输出与偏移消除模块输入是非线性的。
本公开的另一实施例涉及一种设备，其包括被配置为在第一模式下和第二模式下操作的偏置估计器，偏置估计器包括：存储器；耦合到存储器的取整(rounding)电路；耦合到取整电路的平均电路，平均电路被配置为在第一模式下将取整电路的输出在第一区间上进行平均，在第二模式下将取整电路的输出在第二区间上进行平均，第二区间大于第一区间；以及耦合到平均电路的放大器，放大电路被配置为在第一模式下通过第一乘数以及在第二模式下通过第二乘数来放大平均电路的输出，第一乘数大于第二乘数。
本公开的另一实施例涉及一种系统，所述系统包括微机电系统和耦合到微机电系统的偏移消除设备。偏移消除设备包括被配置为从微机电系统接收第一模拟信号以及输出第一数字信号的电路，以及耦合到该电路的反馈回路，反馈回路被配置为基于第一数字信号向该电路提供第二模拟信号，该电路被配置为将第一和第二模拟信号组合。反馈回路被配置为在第一模式下在第一区间上计算第一数字信号的第一平均值，并将第一平均值乘以第一标量，并且在第二模式下在第二区间上计算第二数字信号的第二平均值，并将第二平均值乘以第二标量，第一区间小于第二区间，并且第一标量大于第二标量。
本公开的另一实施例涉及一种偏移消除设备，所述偏移消除设备包括组合电路；耦合到组合电路的电荷放大器，电荷放大器被配置为检测电容并输出对应的电压；耦合到电荷放大器的模拟至数字(ADC)转换器；耦合到ADC的滤波器；耦合到滤波器的符号检测器电路；耦合到符号检测器电路的积分器；耦合到积分器的除法器；以及耦合到除法器和组合电路的乘法器。
可以将上述各种实施例组合提供另外的实施例。可以修改实施例的方面(如果需要)以利用各种专利、申请以及公开的概念来提供另外的实施例。
鉴于上述详细描述，可以对实施例做出这些以及其他改变。总体上，在随后的权利要求书中，所使用的术语不应被理解为将权利要求限定为本说明书和本权利要求书中所公开的特定实施例，而是应当被理解为包括所有可能的实施例，连同这样的权利要求所享有的等同方案的全部范围。因此，权利要求并不由本公开所限定。

Claims (26)

1.一种用于提供偏移消除的设备，包括：
偏移消除电路，所述偏移消除电路包括：
输入节点；
符号检测器，所述符号检测器耦合到所述输入节点并被配置为从所述输入节点接收输入信号，所述符号检测器被配置为基于从所述输入节点所接收的所述输入信号的符号来输出第一信号和第二信号；
积分器，所述积分器耦合到所述符号检测器；
除法器，所述除法器耦合到所述积分器；以及
输出节点，所述输出节点耦合到所述除法器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述积分器的区间等于所述除法器的除数。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述符号检测器被配置为基于所述输入信号的符号和幅度来输出所述第一信号、所述第二信号或空信号。
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括耦合在所述除法器和所述输出节点之间的乘法器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中在第一模式下，所述乘法器具有第一乘数，并且在第二模式下，所述乘法器具有第二乘数，所述第二乘数小于所述第一乘数。
6.根据权利要求1所述的设备，其中在第一模式下，所述积分器具有第一区间，并且在第二模式下，所述积分器具有第二区间，所述第二区间大于或等于所述第一区间。
7.根据权利要求1所述的设备，其中在第一模式下，所述除法器具有第一除数，并且在第二模式下，所述除法器具有第二除数，所述第二除数大于或等于所述第一除数。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备在第一模式下在第一偏移截止频率处操作并且在第二模式下在第二偏移截止频率处操作，所述第一偏移截止频率高于所述第二偏移截止频率。
9.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
电荷放大器，所述电荷放大器耦合到所述偏移消除电路；
模拟至数字转换器ADC，所述ADC耦合到所述电荷放大器的输出；以及
数字低通滤波器，所述数字低通滤波器耦合到所述ADC并且耦合到所述偏移消除电路的所述输出节点。
10.根据权利要求9所述的设备，进一步包括触发器，所述触发器耦合到所述数字低通滤波器并耦合到所述符号检测器。
11.一种用于提供偏移消除的系统，包括：
传感器；
信号调节器，所述信号调节器耦合到所述传感器，所述信号调节器包括：
信号处理电路装置，所述信号处理电路装置耦合到所述传感器；以及
偏移消除电路装置，所述偏移消除电路装置包括：
符号检测器，所述符号检测器被配置为基于来自所述信号处理电路装置的输出信号的符号来输出高信号或低信号；
积分器，所述积分器耦合到所述符号检测器；以及
除法器，所述除法器耦合到所述积分器和所述信号处理电路装置的输出。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述信号调节器具有第一模式和第二模式，在所述第一模式下，所述积分器具有第一区间且所述除法器具有第一除数，并且在所述第二模式下，所述积分器具有大于或等于所述第一区间的第二区间且所述除法器具有大于或等于所述第一除数的第二除数。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述信号调节器具有正常操作模式，在所述正常操作模式下，所述积分器具有大于所述第二区间的正常模式区间且所述除法器具有大于所述第二除数的正常模式除数。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述信号调节器在所述第一模式下在第一偏移截止频率处对数字信号操作并且在所述第二模式下在第二偏移截止频率处对数字信号操作，所述第一偏移截止频率大于所述第二偏移截止频率。
15.根据权利要求12所述的系统，进一步包括乘法器，所述乘法器在所述第一模式下具有第一乘数标量并且在所述第二模式下具有第二乘数标量，所述第二乘数标量小于所述乘数标量。
16.一种用于提供偏移消除的方法，包括：
检测来自感测设备的输入信号，所述输入信号包括偏移；
基于所述输入信号提供偏移消除信号，所述提供包括：
在第一模式下计算所述输入信号的第一平均值并基于所述第一平均值的符号来通过第一量调整所述偏移消除信号；以及
在第二模式下计算所述输入信号的第二平均值并基于所述第二平均值的符号来通过第二量调整所述偏移消除信号；以及
利用所述偏移消除信号来消除所述输入信号的所述偏移。
17.根据权利要求16所述的方法，其中利用数字信号来在离散域中处理所述偏移消除信号，所述第一模式在第一偏移截止频率处操作且所述第二模式在第二偏移截止频率处操作，所述第一偏移截止频率大于所述第二偏移截止频率。
18.根据权利要求16所述的方法，其中如果所述第一平均值不大于第一阈值，则所述第一量是零，并且如果所述第二平均值不大于第二阈值，则所述第二量是零。
19.根据权利要求16所述的方法，其中计算所述输入信号的所述第一平均值包括：
确定在第一时间处的所述输入信号的符号，并且确定在第二时间处的所述输入信号的符号；以及
将在第一时间处的所述输入信号的符号与在第二时间处的所述输入信号的符号进行平均。
20.一种用于提供偏移消除的系统，包括：
微机电系统；以及
偏移消除设备，所述偏移消除设备被耦合到所述微机电系统，所述偏移消除设备包括：
信号检测器，所述信号检测器被配置为从所述微机电系统接收第一模拟信号并输出第一数字信号；以及
反馈回路，所述反馈回路耦合到所述信号检测器，所述反馈回路被配置为基于所述第一数字信号来向所述信号检测器提供第二模拟信号，所述信号检测器被配置为组合所述第一模拟信号和所述第二模拟信号，所述反馈回路被配置为：
在第一模式下，在第一区间上计算所述第一数字信号的第一平均值并且将所述第一平均值乘以第一标量；以及
在第二模式下，在第二区间上计算所述第一数字信号的第二平均值并且将所述第二平均值乘以第二标量，所述第一区间小于所述第二区间，并且所述第一标量大于所述第二标量。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述反馈回路包括符号检测器和平均器，所述符号检测器耦合到所述平均器的输入和所述信号检测器的输出。
22.根据权利要求20所述的系统，其中所述信号检测器包括在数字检测器输出和反馈回路输入之间的数字低通滤波器。
23.一种用于提供偏移消除的方法，包括：
从MEMS传感器的输出信号去除偏移，所述去除包括：
将所述MEMS传感器的所述输出信号与消除信号组合；
在第一时间段期间，通过第一标量来调整消除信号；
在第二时间段期间，通过小于所述第一标量的第二标量来调整消除信号；以及
在第三时间段期间，通过小于所述第二标量的第三标量来调整消除信号。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段期间调整所述消除信号包括：以幅度等于所述第一时间段中的所述第一标量、所述第二时间段中的所述第二标量和所述第三时间段中的所述第三标量的步长来增加消除信号，所述步长与分别在所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段期间组合的所述输出信号和所述消除信号的符号相同。
25.根据权利要求23所述的方法，其中在所述第一时间段期间的所述调整发生在第一频率处，在所述第二时间段期间的所述调整发生在第二频率处，并且在所述第三时间段期间的所述调整发生在第三频率处，所述第一频率大于所述第二频率，并且所述第二频率大于所述第三频率。
26.根据权利要求23所述的方法，其中调整所述消除信号包括：
在所述第一时间段期间，在第一区间上对所述消除信号进行积分；
在所述第二时间段期间，在第二区间上对所述消除信号进行积分；以及
在所述第三时间段期间，在第三区间上对所述消除信号进行积分。
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