CN108627190A - 一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构和校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁传感器技术领域，具体为一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构和校正方法，其能够在提高校正精度的同时，所需数字/模拟转换器的面积较少，其包括磁传感器，所述磁传感器的输出端通过放大倍数固定的信号放大器连接模拟信号处理器的输入端，所述模拟信号处理器的一个输出端为最终输出信号、另一个输出端通过AD转换器、数字校正算法处理器和DA转换器连接所述磁传感器的偏置端（校正端），其特征在于，所述磁传感器与所述放大倍数固定的信号放大器之间设置有放大倍数可调的信号放大器，每个所述放大倍数可调的信号放大器与所述数字校正算法处理器之间设置有一个DA转换器形成反馈回路。

Description

一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构和校正方法

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种通过新的基于集成电路的磁传感器校正架构来提高校正精度及校正范围，具体为一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构和校正方法。

背景技术

磁传感器是那些可以将磁场幅度（或方向）变化转换为电信号幅度（或方向）变化的器件，这些器件由于其工作机理的不同，可以划分为霍尔器件、磁阻器件等。通过人为设置磁场，磁传感器可用于测量各种机械参数，例如位置、位移、角度、角速度、转速等等。

由于器件本身的特性，磁传感器的测量精度容易受到外界环境的干扰（如温度、压力），另一方面，磁传感器本身的制造误差也会导致磁传感器测量精度的下降。故此，磁传感器校正技术被广泛应用于该领域。由于集成电路在数字算法及微弱信号处理方面的优势，基于集成电路芯片的磁传感器信号处理及数字校正技术，已经成为当前磁传感器应用的主流方法。

传统的磁传感器信号处理芯片的架构如图1所示，其中100为外部磁场，101为磁传感器，其功能是将外部磁场的磁场信号转换为微弱的电信号；102为信号放大器，其功能是将101发出的微弱电信号进行放大，以供后续电路使用；103为模拟信号处理器，主要是完成对102传送过来的信号进行滤波及其它必要的信号调理；104是模拟/数字转换器（AD转换器）及数字校正算法处理器，其功能是将103调理好的信号转换为数字信号，并通过数字校正算法给出必要的数字校正信号；105为数字/模拟转换器（DA转换器），其主要功能是将104给出的数字校正信号转化为模拟校正信号，用来对101及相关电路进行校正；106为最终的输出信号。

磁传感器的校正存在着校正范围和校正精度之间的矛盾，基于数字处理技术的校正误差可以表示为：

L = S/2^N （公式1）

其中L为校正误差，S为校正范围，而N则为校正字长。由此可见，在校正字长一定的条件下，校正误差（L）与校正范围（S）成正比，即：校正精度与校正范围成反比，由于集成电路芯片面积（以下简称：面积）及工艺精度的制约，校正字长（N）不能无限制加长，所以制约了校正的精度及范围。

参考图1，磁传感器信号处理芯片的校正字长（N）本身在数字电路（104）中所占用的面积有限，但其必须通过数字/模拟转换器（105）进行转换，然后才能对磁传感器（101）进行校正。数字/模拟转换器（105）为了保证转换精度，其转换位数与面积的关系遵循以下公式：

A = a*2^N （公式2）

其中A为芯片面积，a为面积系数（与使用工艺和电路架构相关），N为数字/模拟转换器（105）的转换位数。由此可见，如果想将现有转换位数提高一位，则数字/模拟转换器的面积需要增加一倍。通常由于芯片面积和工艺精度的约束，常见数字/模拟转换器（105）的转换位数（N）为8位~12位，从而限制了系统的校正精度和范围。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构和校正方法，其能够在提高校正精度的同时，所需数字/模拟转换器的面积较少。

其技术方案如下：一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构，其包括磁传感器，所述磁传感器的输出端通过放大倍数固定的信号放大器连接模拟信号处理器的输入端，所述模拟信号处理器的一个输出端为最终输出信号、另一个输出端通过AD转换器、数字校正算法处理器和DA转换器连接所述磁传感器的偏置端（校正端），其特征在于，所述磁传感器与所述放大倍数固定的信号放大器之间设置有放大倍数可调的信号放大器，每个所述放大倍数可调的信号放大器与所述数字校正算法处理器之间设置有一个DA转换器形成反馈回路。

一种基于集成电路的高精度磁传感器校正方法，其将磁传感器的输出端顺次连接放大倍数固定的信号放大器和模拟信号处理器，所述模拟信号处理器的一个输出端为最终输出信号、另一个输出端通过AD转换器、数字校正算法处理器和DA转换器连接所述磁传感器的偏置端，其特征在于，在所述磁传感器与所述放大倍数固定的信号放大器之间设置放大倍数可调的信号放大器，在每个所述放大倍数可调的信号放大器与所述数字校正算法处理器之间设置一个DA转换器形成反馈回路，芯片面积与校正字长的关系为A≈ a₁*2^(N-N1)+a₂*2^(N-N2) +…+ a_i*2^(N-Ni)，a₁、a₂…a_i分别为相应级DA转换器的面积系数，N为总的校正字长，N1、N2…Ni分别为相应级DA转换器的字长，i为大于等于2的整数。

其进一步特征在于，所述磁传感器的偏置端经过DA转换器输出信号的校正实现精度的粗调，所述放大倍数可调的信号放大器实现精度的精调，设ec为粗调精度，ef为精调精度，error为系统探测出的误差，当error＞ec，进行粗调；当error＞ef且error＜ec，进行精调；当error小于ef，完成精度的调节。

采用本发明后，将原来单个DA转换器的校正改成至少两级DA转换器的校正，电路面积不再与校正字长的指数成正比，而是介于指数与加法之间，芯片增加的面积非常有限，提高了校正精度的同时，所需数字/模拟转换器的面积较少。

附图说明

图1为现有结构示意图；

图2为单个信号放大器拆分为较多的具有较小放大倍数的信号放大器结构示意图；

图3为本发明结构示意图；

图4为本发明调节字长示意图。

具体实施方式

一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构，其包括磁传感器，所述磁传感器的输出端通过放大倍数固定的信号放大器连接模拟信号处理器的输入端，所述模拟信号处理器的一个输出端为最终输出信号、另一个输出端通过AD转换器、数字校正算法处理器和DA转换器连接所述磁传感器的输入端及放大倍数可调的信号放大器，所述磁传感器与所述放大倍数固定的信号放大器之间设置有放大倍数可调的信号放大器，每个所述放大倍数可调的信号放大器与所述数字校正算法处理器之间设置有一个DA转换器形成反馈回路。

一种基于集成电路的高精度磁传感器校正方法，其将磁传感器的输出端顺次连接放大倍数固定的信号放大器和模拟信号处理器，所述模拟信号处理器的一个输出端为最终输出信号、另一个输出端通过AD转换器、数字校正算法处理器和DA转换器连接所述磁传感器的输入端及放大倍数可调的信号放大器，在所述磁传感器与所述放大倍数固定的信号放大器之间设置放大倍数可调的信号放大器，在每个所述放大倍数可调的信号放大器与所述数字校正算法处理器之间设置一个DA转换器形成反馈回路，芯片面积与校正字长的关系为A≈ a₁*2^(N-N1)+ a₂*2^(N-N2) +…+ a_i*2^(N-Ni)，a₁、a₂…a_i分别为相应级DA转换器的面积系数，N为总的校正字长，N1、N2…Ni分别为相应级DA转换器的字长，i为大于等于2的整数。

磁传感器的偏置端（校正端）经过DA转换器输出信号的校正实现精度的粗调，放大倍数可调的信号放大器实现精度的精调，设ec为粗调精度，ef为精调精度，error为系统探测出的误差，当error＞ec，进行粗调；当error＞ef且error＜ec，进行精调；当error小于ef，完成精度的调节。

见图2所示，原来图1中的信号放大器102被拆分成若干级放大倍数可调的信号放大器202a、202b、202c等，每一级的放大倍数A对应于该级对应DA转换器205、205a、205b、205c等的有效分辨率N：

A = 2^N

从图2中可见，新架构采用了N个（N>1）DA转换器205、205a、205b、205c等级联的方式，从磁传感器201及信号放大器的不同级分别对信号进行校正。

通常，磁传感器所转换出来的电信号较为微弱，以半导体霍尔传感器为例，通常一个50um X 50um的半导体霍尔传感器在1毫特斯拉（mT）的磁场强度下，在1安培（A）的偏置电流工作条件下，其输出的电压信号约为100毫伏（mV）左右。实际工作条件下，由于偏置电流远小于1安培（A），所以输出的电压信号实际为微伏（μV）。综上所述，图1的信号放大器102的放大倍数通常在1000倍左右，在图2中的信号处理芯片架构图上可以将其拆分为较多的具有较小放大倍数的放大环节。

本发明即利用了这些放大环节，由于信号幅度的权重与每一级放大器的放大倍数相关，合理地分配每级放大器的放大倍数及相对应的DA转换器有效位数，在信号处理的各个阶段进行校正，则可以获得级联的校正效果。

见图3，图4所示，使用了两个8位转换字长的DA转换器407、408，并分别通过对霍尔传感器401的偏置电流及第1级放大器402增益进行调整来完成校正。根据公式A≈ a₁*2^{(N -N1)}+ a₂*2^(N-N2) +…+ a_i*2^(N-Ni)，不计入数字控制部分，新的校正架构面积约相当于传统单级校正架构中9位校正字长的校正精度，但实际校正字长为14位；相当于同样面积条件下校正精度提高5位，即：25倍。两个AD转换器300、301的转换精度均为8位字长，精度重叠范围为2位字长，最终控制效果可以等效为一个14位字长的数字/模拟转换器。

由以上说明可见，基于本发明的高精度磁传感器校正架构可以大幅度降低数字/模拟转换器所占用的芯片面积，相应地，在相同面积条件下，该架构在校正精度、校正范围方面有明显优势，在集成电路设计中具有巨大实用价值。

Claims (3)

1.一种基于集成电路的高精度磁传感器校正结构，其包括磁传感器，所述磁传感器的输出端通过放大倍数固定的信号放大器连接模拟信号处理器的输入端，所述模拟信号处理器的一个输出端为最终输出信号、另一个输出端通过AD转换器、数字校正算法处理器和DA转换器连接所述磁传感器的偏置端（校正端），其特征在于，所述磁传感器与所述放大倍数固定的信号放大器之间设置有放大倍数可调的信号放大器，每个所述放大倍数可调的信号放大器与所述数字校正算法处理器之间设置有一个DA转换器形成反馈回路。

2.一种基于集成电路的高精度磁传感器校正方法，其将磁传感器的输出端顺次连接放大倍数固定的信号放大器和模拟信号处理器，所述模拟信号处理器的一个输出端为最终输出信号、另一个输出端通过AD转换器、数字校正算法处理器和DA转换器连接所述磁传感器的偏置端，其特征在于，在所述磁传感器与所述放大倍数固定的信号放大器之间设置放大倍数可调的信号放大器，在每个所述放大倍数可调的信号放大器与所述数字校正算法处理器之间设置一个DA转换器形成反馈回路，芯片面积与校正字长的关系为A≈ a₁*2^(N-N1)+ a₂*2^(N-N2)+…+ a_i*2^(N-Ni)，a₁、a₂…a_i分别为相应级DA转换器的面积系数，N为总的校正字长，N1、N2…Ni分别为相应级DA转换器的字长，i为大于等于2的整数。

3.根据权利要求2所述的一种基于集成电路的高精度磁传感器校正方法，其特征在于，所述磁传感器的偏置端经过DA转换器输出信号的校正实现精度的粗调，所述放大倍数可调的信号放大器实现精度的精调，设ec为粗调精度，ef为精调精度，error为系统探测出的误差，当error＞ec，进行粗调；当error＞ef且error＜ec，进行精调；当error小于ef，完成精度的调节。