CN106932736B - 使用宽带信号的闭环设备校准 - Google Patents

Abstract

本申请涉及使用宽带信号的闭环设备校准，本申请公开一种闭环校准方案，该闭环校准方案被配置为允许设备(140、240)在连续操作中保持。信号发生器设备(141、240)为由磁场的磁场传感器(143、243)(诸如霍尔效应传感器)接收的信号(142、242)提供伪随机序列。信号解码器电路(250)接收输出信号(144、244)并通过测量整体信号中的增益从干扰中解码生成的扩展频谱信号。解码器设备(250)从任意特定带宽的扰动效应中区分已知的扩展频谱信号。然后处理电路(246)输出具有已经被调用于补偿扰动效应的操作参数的信号。处理电路(246)提供接收器电路(243)以补偿信号，由此形成闭环校准配置。

Description

使用宽带信号的闭环设备校准

相关申请

本申请要求2015年12月30日提交的编号为62/273033的美国临时专利申请号的权益，该申请的内容通过引用类似在本文中重写而被并入。

技术领域

本发明总体涉及设备的校准，并且具体涉及通过使用将信号应用到设备来获得设备的操作(诸如霍尔效应传感器的闭环校准)的反馈信息。

背景技术

开环和闭环校准方法是众所周知的并且被应用于各种环境中。一种此类环境是在霍尔效应磁场传感器的校准中。霍尔效应磁场传感器是可用于测量磁场的固态磁性传感器设备。霍尔效应磁场传感器的应用需要高精确度；然而，已知其随着过程变化、温度以及封装应力变化而遭受灵敏度的变化和漂移。控制霍尔效应传感器呈现的复杂的温度依赖性的常规解决方案是实施被称为“开环”的温度补偿电路配置。微调(或“修整”)每部分对过程变化的灵敏度可以被实施，并且通过使用片上的温度和应力传感器以及预估计的补偿表可以补偿随温度和应力的灵敏度的变化。这种方法需要昂贵的独立设备的多点特性以及超时(over time)重校准。通过使用片上电流线圈或外部磁场源可以产生对传感器的校准的磁场激励。然而，由于被测量的信号可能与校准信号相干扰，因此仅当设备脱机(并且因此不在运行中)时可以执行校准。

作为开环方案的替代，闭环方法已经被实现以在没有外部磁场的情况下执行连续的校准。闭环校准通常按照以下工作：对设备施加已知的磁场(生成已知磁场的方法将是：已知的温度不敏感的电流穿过片上/片外的线圈/传感器附近的其他合适的迹线)，然后传感器输出与期望的响应相比较，以及传感器灵敏度/增益被调节以便最小化比较器误差。这得到具有比开环配置高的多的精确度。

霍尔效应传感器的常规闭环校准的已知问题是霍尔效应传感器附近的校准电流可以生成改变操作温度的足够的热，从而导致灵敏度的变化并影响主要测量。此外，闭环校准已经被证明在没有外部磁场的情况下良好执行，但在实际应用中完全消除干扰并不简单，并且需要在磁性屏蔽环境中的脱机校准。

发明内容

一般而言，依据这些各种实施例，闭环校准方案可以以设备保留在连续操作(例如，在线)中的方式被配置。在一个特定示例中，信号发生器设备被配置为提供在宽范围频率扩展信号的伪随机序列。由磁场发生器接收该“扩展频谱”信号，该磁场发生器为诸如霍尔效应传感器的磁场传感器提供编码的磁场信号或“扩展频谱”磁场信号。特定带宽的外部干扰可以影响整体的传感器输出信号。然而，信号解码器电路接收输出信号，并且可以通过使用对整体接收信号的合适的解码方案从干扰中解耦生成的扩展频谱。通过限定，扩展频谱信号在频率域上被扩展，因此解码器设备作用为将已知的扩展频谱信号与特定带宽的任意干扰区分开来。然而，对应于扩展频谱信号的输出取决于改变磁性传感器的灵敏度的任意扰动效应。然后处理电路可以输出具有可以被调节以补偿该扰动效应的操作参数的信号。处理电路为接收器电路提供补偿信号，由此形成闭环校准配置。

该方案使得微小校准信号(电流)的使用能够避免之前提出的霍尔效应传感器附近的热生成问题，从而保持操作温度。这种配置允许连续校准，而不需要昂贵的多点温度测试。而且，设备从而能够在操作中连续保留。

根据对以下详细描述进行彻底的评述和研究，这些和其余益处会变得更加清楚。

附图说明

图1是根据本发明的各种实施例具有闭环校准配置的示例设备的框图。

图2是根据本发明的各种实施例具有进一步被配置为包含扩展频谱信号和解码器电路的闭环校准的另一个示例设备的框图。

图3是类似于图2的示例设备的电路图，其根据本发明的各种实施例进一步包括霍尔效应传感器和附加电路系统元件。

图4是根据本发明的各种实施例说明操作方法的流程图。

本领域技术人员将认识到附图中的元件被简明和清晰地图示说明，并且不必要按比例绘制。例如，附图中一些元件的尺寸和/或相对位置可以相对于其他元件被扩大，以便有助于提升本发明的各种实施例的理解。并且，通常不绘制在工业可行的实施例中有用的或必需的常规而公知的元件，以便有助于不妨碍这些实施例的视图。将进一步认识到某些动作和/或步骤可以发生的特定顺序被描述或描绘，同时本领域技术人员将理解针对序列的这种特定不是实际需要的。还将理解本文使用的术语和表述除了以其它方式在本文描述的不同的特定含义之外还具有符合在以上阐述的由本技术领域技术人员使用的该术语和表达的原始技术含义。

具体实施方式

现在参考附图，具体参考图1，其示出简化的闭环校准电路系统设备示例140。在此配置中，信号发生器设备141提供伪随机宽带校准信号142，其中几乎随机的序列位(例如，一和零)被扩展到宽范围的频率上。然后接收器电路设备143接收校准信号142并且输出至少依赖于所述宽带校准信号142、设备被期望测量的任何输入信号130、以及改变接收器143的响应/特性的其他可能的扰动效应(诸如温度效应)的新信号144。处理电路146接收输出信号144和期望的响应信号147。在这种方式中，处理电路146可以确定然后什么补偿信号148应该被返回施加到接收器电路设备143。根据基于伪随机宽带校准信号142的输出144和期望的响应信号147的至少一方面的比较，补偿信号148影响操作参数的调整，从而抵抗所述扰动效应145。接收器电路设备143接收所述补偿信号142，从而形成闭环校准配置，并且设备140可以保持在连续操作中。分别地，当去除伪随机宽带校准信号的影响时，去嵌入电路160提供仅包括输入信号130的各方面的检测的输出170。

一般来说，接收器电路设备143可以是接收外部信号并提供依赖于接收的外部信号的输出的任意设备。示例包括磁场检测器，诸如霍尔效应传感器、类各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)、庞磁阻(CMR)的磁阻传感器(XMR)、磁通门传感器等。本文描述的方法进一步适用其他类型的传感器，诸如红外传感器、光电传感器、音频传感器、超声传感器等。在接收器电路设备143是磁场检测器的示例中，去嵌入电路160由于校准信号142而有效地从输出信号144方面分离出来，使得然后去嵌入电路160可以提供准确描绘以其它方式感测的磁场的检测输出。

在图2中说明的另一方法中，该设备以信号发生器241进一步包含扩展频谱信号的此种方式被配置。扩展频谱技术采取生成的特定带宽的信号(在本实施例中的伪随机宽带校准信号242)并将其在频域中展开。已知编码的扩展频谱信号用于抗干扰并且因此可以保持区别于任意扰动效应245。

接收器电路243被配置为接收伪随机宽带校准信号242，伪随机宽带校准信号242现在包含扩展频谱信号251。然后(扩展频谱)解码器电路250接收来自接收器电路243的输出信号244，输出信号244包含伪随机宽带校准信号242和由接收器电路243感测的任意输入信号230。接收器的响应或传递功能也被任意附加的扰动245影响。解码器电路250检测扩展频谱信号并且转而从输入信号230中分离已知的伪随机宽带校准信号242。此解码信号249被发送到处理电路246，然后处理电路246可以将解码信号249与期望的响应信号247进行比较。现在补偿信号248可以从处理电路246发送回到接收器电路243，因此形成闭环配置，并且允许高精确度的、迭代的过程。分别地，去嵌入电路260提供检测的输出270，检测的输出270包括的输出方面不是基于伪随机宽带校准信号，而是仅基于由接收器电路243检测的输入信号230。

图3说明闭环校准装置的另一个示例。在此配置中，信号发生器电路是伪随机位序列(“PRBS”)信号发生器341。PRBS发生器341提供信号以生成待被施加到接收器电路设备的已知频率的磁场，在本示例中，该接收器电路设备是磁场检测器343。参考电流发生器351为线圈352提供电流以便针对磁场检测器343产生校准磁场，使该磁场检测器343接收随伪随机宽带校准信号变化的磁场。类H桥式开关组合344是调制器，该调制器依赖于PRBS电信号改变穿过线圈352的电流的方向，以便促进PRBS磁信号的供应。PRBS磁场信号由可以靠近线圈352的霍尔传感器353接收。霍尔效应传感器前端电路354接收来自霍尔效应传感器353的生成的磁场电流并且与解码器电路350连接。

一般来说，解码器电路350允许来自传感器的输出的离散时间信号处理。在此示例中，解码器电路350接收来自霍尔效应传感器前端电路354的输出和伪随机宽带校准信号，并且解码器电路350提供基于伪随机宽带校准信号的输出方面，以与期望的设备响应信号相比较。如图3所说明的，电路包括开关电容器解调器364、SC积分器电路363、以及采样和保持电路365。SC解调器364被配置为接收来自接收器电路设备343的输出和由PRBS发生器341生成的伪随机位序列，并且SC解调器364生成解调信号。SC积分器363接收解调信号和针对伪随机宽带校准信号的由时钟342提供的时钟信号以产生积分信号。SC积分器电路363基于伪随机宽带校准信号导出输出的方面，并且在时间周期内对基于伪随机宽带校准信号的输出的方面进行积分以提供积分输出。直到下一个积分信号，积分输出才被存储在针对PRBS序列的整个长度的采样和保持电路365中。存储的信号用于与期望的设备响应信号进行比较。

更具体地，在图3的该示例中，使用差分信号。PRBS信号S 360及其反向信号Sbar361被用作PRBS调制器344的调制信号。来自接收器电路设备343的输出也是利用PRBS信号S和Sbar解调的差分信号。

处理电路346进一步包括误差电路358。误差电路358包括误差放大器357，误差放大器357被配置为接收期望的设备响应信号347以及来自采样和保持电路365的积分输出。误差放大器357通过接收的信号之间的比较输出误差信号。环路稳定开关电容器积分器电路359被配置为接收误差信号并且基于该误差信号提供补偿信号。补偿信号被路由作为对霍尔偏置电流发生器348的反馈以便有助于控制霍尔效应传感器353。

处理电路346还包括校准信号抵消/去嵌入电路375，该校准信号抵消/去嵌入电路375被配置为接收来自霍尔效应传感器前端电路354的输出和伪随机宽带校准信号。校准信号抵消电路375为霍尔效应传感器353提供去除应用伪随机宽带校准信号的效应(effect)的干净输出信号。

在图4中说明了根据这些公开的操作的示例方法。该方法包括将信号发生器生成的伪随机宽带校准信号应用到接收设备400；生成的伪随机宽带校准信号的示例是扩展频谱信号400a。使用设置有设备的集成的或邻近的线圈可以影响本申请，例如，在设备是霍尔效应传感器的情况下，霍尔效应传感器检测401所施加的随伪随机宽带校准信号变化的磁场和接合(engage)该设备的其他磁场。因此，接收器设备提供402至少依赖于伪随机宽带校准信号和干扰效应的输出以及其他感测的信号(例如，磁场)。

然后输出信号由解码器电路解码403，解码器电路从其他感测信号中解除已知的伪随机宽带校准信号，但同时保留外部扰动的影响。解码信号由处理电路接收404并与期望的响应信号比较，以产生405补偿信号。

补偿信号的产生和提供405可以通过包括上述方式的任意数量的方式来实行。通过一种方法，该步骤可以通过以下来实行：由解码器电路接收输出和伪随机宽带校准信号以及由解码器电路提供基于伪随机宽带校准信号的输出方面，以与期望的设备响应信号相比较。

在该方法的一个特定实施方式中，对于由图3的电路实行的情况，解码器电路接收输出和伪随机宽带校准信号。基于伪随机宽带校准信号的输出方面被获得并在时间周期上被进行积分，以提供积分输出。积分输出被提供给采样和保持电路，采样和保持电路被配置为进行接收并存储，以与期望的设备响应信号相比较。误差放大器接收误差放大器中的期望的设备响应信号以及来自采样和保持电路的积分输出。误差放大器输出由环路稳定开关电容器积分器电路接收的误差信号，该环路稳定开关电容器积分器电路进而基于误差信号提供补偿信号。补偿信号用于根据基于伪随机宽带校准信号的输出方面和期望的设备响应信号的比较来调节406操作参数，以抵抗设备的扰动效应。由于接收器电路被提供了补偿扰动效应的信号，因此现在设备的配置可以形成闭环。

如此配置的闭环方法允许传感器设备的微调而不必去除来自传感器的外部影响。在霍尔效应的示例中，不需要使霍尔效应传感器屏蔽于外部磁场来调节其参数。类似地，基于温度或芯片上的环境因素的扰动效应可以在发生(on the fly)时被处理。

本领域技术人员将认识到对于上述实施例可以进行各种的修改、替换以及组合，而不偏离本发明的范围的情况下，并且这些修改、替换和组合被视为在该发明构思的范围内。

Claims (14)

1.一种闭环校准装置，其包含：

信号发生器设备，其被配置为提供伪随机宽带校准信号；

接收器电路设备，其被配置为接收所述校准信号并且提供至少基于所述伪随机宽带校准信号和扰动效应的输出；

处理电路，其被配置为接收所述输出和期望的设备响应信号以及提供补偿信号，所述补偿信号被配置为根据基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面和所述期望的设备响应信号的比较来调节操作参数，以便抵抗所述接收器电路设备的所述扰动效应；

所述接收器电路设备还包括磁场检测器；以及

所述信号发生器设备被配置为提供所述伪随机宽带校准信号，以导致应用到所述磁场检测器的磁场随所述伪随机宽带校准信号而变化。

2.根据权利要求1所述的闭环校准装置，其中所述处理电路进一步被配置为提供检测的输出，所述检测的输出包括不基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面。

3.根据权利要求1所述的闭环校准装置，其中所述磁场检测器包括霍尔效应传感器；并且所述装置进一步包括集成的或邻近的设置有所述霍尔效应传感器的线圈，以便为所述霍尔效应传感器提供随所述伪随机宽带校准信号变化的磁场。

4.根据权利要求3所述的闭环校准装置，其中所述处理电路进一步包括：

校准信号抵消电路，其被配置为接收所述输出和所述伪随机宽带校准信号，并且为所述霍尔效应传感器提供去除应用所述伪随机宽带校准信号的效应的干净输出信号；

解码器电路，其被配置为接收所述输出和所述伪随机宽带校准信号并且提供基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面，以与所述期望的设备响应信号进行比较。

5.根据权利要求4所述的闭环校准装置，其中：

所述解码器电路进一步包括：

开关电容器积分器电路，其被配置为接收所述输出和用于所述伪随机宽带校准信号的时钟信号，获得基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面，以及在时间周期上对基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面进行积分，以提供积分输出；

采样和保持电路，其被配置为接收并存储所述时间周期的所述积分输出并提供用于与所述期望的设备响应信号相比较的所述积分输出；

所述处理电路进一步包括：

误差放大器，其被配置为：

接收：

所述期望的设备响应信号，以及

来自所述采样和保持电路的所述积分输出；以及

输出误差信号；

环路稳定开关电容器积分器电路，其被配置为接收所述误差信号并且基于所述误差信号提供所述补偿信号。

6.一种闭环校准方法，其包括：

将伪随机宽带校准信号施加到设备；

提供来自所述设备的至少基于所述伪随机宽带校准信号和扰动效应的输出；

由处理电路接收所述输出；

由所述处理电路提供补偿信号；

根据基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面与期望的设备响应信号的比较，使用所述补偿信号来调节操作参数以抵抗所述设备的所述扰动效应；

所述方法进一步包括：

用所述设备检测磁场；以及

将施加的磁场施加到所述设备，所述磁场随所述伪随机宽带校准信号而变化。

7.根据权利要求6所述的闭环校准方法，其进一步包括由所述处理电路提供检测的输出，所述检测的输出包括不基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面。

8.根据权利要求6所述的闭环校准方法，其中检测所述磁场包括用霍尔效应传感器检测所述磁场；并且所述方法进一步包括通过设置有所述霍尔效应传感器的集成的或邻近的线圈为所述霍尔效应传感器提供随所述伪随机宽带校准信号变化的施加的磁场，从而为所述霍尔效应传感器提供随所述伪随机宽带校准信号变化的磁场。

9.根据权利要求8所述的闭环校准方法，其中由所述处理电路提供所述补偿信号进一步包括:

由校准信号抵消电路接收所述输出和所述伪随机宽带校准信号；

由所述校准信号抵消电路向所述霍尔效应传感器提供干净输出信号，所述干净输出信号去除应用所述伪随机宽带校准信号的效应；

由解码器电路接收所述输出和所述伪随机宽带校准信号；以及

由所述解码器电路提供基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面，以与所述期望的设备响应信号相比较。

10.根据权利要求9所述的闭环校准方法，其中由所述处理电路提供所述补偿信号进一步包括：

由开关电容器积分器电路接收所述输出和用于所述伪随机宽带校准信号的时钟信号；

获得基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的所述方面；

在时间周期上对基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的所述方面进行积分，以提供积分输出；以及

为采样和保持电路提供所述积分输出，所述采样和保持电路被配置为进行接收并存储，以与所述期望的设备响应信号进行比较。

11.根据权利要求10所述的闭环校准方法，其中由所述处理电路提供所述补偿信号进一步包括：

在误差放大器中接收所述期望的设备响应信号和来自所述采样和保持电路的所述积分输出；

输出误差信号；

由环路稳定开关电容器积分器电路接收所述误差信号；

基于所述误差信号从所述环路稳定开关电容器积分器电路提供所述补偿信号。

12.一种闭环校准装置，其包括：

霍尔效应传感器；

信号发生器设备，其被配置为提供伪随机宽带校准信号，以调制施加到所述霍尔效应传感器的磁场；

其中所述霍尔效应传感器被配置为提供至少基于所述伪随机宽带校准信号和扰动效应的输出；

处理电路，其被配置为：

接收所述输出和期望的设备响应信号，

提供补偿信号，所述补偿信号被配置为根据基于所述伪随机宽带校准信号的输出的方面和所述期望的设备响应信号的比较来调节操作参数，以便抵抗所述霍尔效应传感器的所述扰动效应，

提供检测的输出，所述检测的输出包括不基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的方面。

13.根据权利要求12所述的闭环校准装置，其中所述处理电路进一步包括：

校准信号抵消电路，其被配置为接收所述输出和所述伪随机宽带校准信号，并且为所述霍尔效应传感器提供去除应用所述伪随机宽带校准信号的效应的干净输出信号；

解码器电路，其被配置为接收所述输出和所述伪随机宽带校准信号并提供基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的所述方面，以与所述期望的设备响应信号相比较。

14.根据权利要求13所述的闭环校准装置，其中所述处理电路进一步包括：

开关电容器积分器电路，其被配置为接收所述输出和用于所述伪随机宽带校准信号的时钟信号；

采样和保持电路，其被配置为接收来自所述开关电容器积分器电路的输出和所述伪随机宽带校准信号，并且被配置为提供基于所述伪随机宽带校准信号的所述输出的所述方面，以与所述期望的设备响应信号相比较。

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