CN108880535B

CN108880535B - 基于振荡器的传感器接口电路

Info

Publication number: CN108880535B
Application number: CN201810430695.5A
Authority: CN
Inventors: J·韦尔高温
Original assignee: Melexis Technologies NV
Current assignee: Melexis Technologies NV
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: US20180321065A1; US10473493B2; EP3402077B1; CN108880535A; EP3402077A1

Abstract

本发明涉及一种基于振荡器的传感器接口电路，包括：‑至少两个振荡器(21，22)，所述至少两个振荡器中的至少一个被安排用于接收表示电量的电信号，所述电量是经转换的物理量(100)，‑相位检测装置(3)，所述相位检测装置被安排用于对所述至少两个振荡器的输出信号进行比较，并且用于根据所述比较的结果来输出数字相位检测输出信号，所述相位检测器输出信号也是所述基于振荡器的传感器接口电路的输出信号，‑反馈元件(4)，所述反馈元件被安排用于将所述数字相位检测输出信号的表示转换成直接或间接用于维持所述至少两个振荡器的振荡器频率之间的给定关系的反馈信号，‑用于检测所述至少两个振荡器之间的差异的检测装置，‑至少一个调谐元件(7)，所述至少一个调谐元件被安排用于接收所检测的差异，并且用于对所述基于振荡器的传感器接口电路的引起所述振荡器中的至少一个的振荡器频率变化的至少一个特性进行调谐，以便减小所述所检测的差异。

Description

基于振荡器的传感器接口电路

技术领域

本发明总体上涉及用于传感器系统的传感器接口领域。

背景技术

传感器在需要精细并且甚至更智能控制的任何领域中变得越来越重要。在不断发展的汽车应用或无线传感器网络(WSN)领域中可以找到示例。在汽车行业中，传感器对于范围从提高的安全性到道路稳定性以及到提高由客户要求的汽车性能和可靠性的应用是至关重要的。进一步地，紧凑和低功耗的传感器接口需要在不断增长的市场上具有竞争力，并且能够为“物联网”提供新的应用。

尽管市场要求附加功能，但价格压力依然存在。硅面积是传感器接口成本的主要因素，因此接口必须尽可能小。这应该不仅适用于当今使用的技术节点(并且所述传感器对于汽车行业来说仍然相对较大)，而且还适用于更先进的技术。

为实现小面积和低功率约束，正在研究新的传感器接口架构。然而，传统的结构包含大型且高功耗模拟构建块，最近，焦点已经转移到频率转换而不是电压转换。现在简要介绍这两种方法。

传感器信号在时间和振幅上是连续的。通常，这种模拟信号被放大、采样并由模数转换器(ADC)转换为数字域。众所周知的ADC类型是δ-Σ(Delta-Sigma)ADC，其利用输入信号的过采样和噪声整形技术来获得改进的精度。在大多数应用中，传感器信号频率从DC直到10kHz至100kHz变化，这允许δ-Σ转换器所需的过采样。

基于时间/频率的转换机制通过使用已知时间/频率信号作为参考而不是电压来量化连续输入信号。通常，基于时间/频率的转换电路包含两个构建块：电压到时间转换器(VTC)将模拟信号c(t)变换成时间或频率信息f(t)；而时间到数字转换器(TDC)借助于参考频率将所述信息数字化。为了实现期望分辨率，需要准确的参考时钟信号。这种时间/频率转换技术由于其与较新的CMOS技术的兼容性而越来越受欢迎。分辨率现在取决于时钟频率而不是模拟电压值的准确度。减小的门电容导致更小的门延迟，从而提高了这些缩放技术中的定时分辨率。此外，与信息被存储为电压信息时相反，当信息被存储为频率信息时，所述信息不太容易产生噪声。传感器信号在大多数应用中的特征在于其较低频率并且因此使用这种数字化的方式是理想的。

如图1中的基于闭环振荡器的传感器接口结合了基于时间的转换器(小型并且利用技术进行放缩)和Σ-δADC(由于过采样和噪声整形而具有高准确度)的优点。这种架构基本上是锁相环(PLL)结构，但其还与如在论文“A novel PLL-based sensor interface forresistive pressure sensors(一种用于电阻式压力传感器的新型基于PLL的传感器接口)”(H.Danneels(H丹内尔)等人，能源工程，欧洲传感器2010，2010年，第5卷，第62页至65页)中所解释的Σ-δ转换器具有相似之处。所述架构具有相同的噪声整形特性，这有助于提高准确度(例如，以SNR表示的)。

基于闭环振荡器的传感器读出电路的典型设置包含：两个受控振荡器(21、22)，例如，匹配的两个电压控制的振荡器(VCO)；用于比较这两个振荡器输出(41、42)的相位检测器(3)；以及朝向感测装置(1)的反馈机制(4)。接口电路的数字输出信号(31)也从相位检测器输出推导出。

在如图1中所展示的在闭环中使用的基于常规振荡器的传感器接口电路如下进行操作。物理量(100)由传感器(1)转换成影响连接到所述传感器的振荡器(21、22)的电信号(11、12)。在相位检测器(3)中对振荡器输出(41、42)的相位进行比较。相位检测器输出信号(31)通过反馈元件(4)反馈给传感器(1)，以便保持这两个振荡器之间的相位差较小。闭环确保平均相位检测器输出(31)是物理量(100)的数字表示。包含有待在传感器中转换的物理量(100)的输入信号通常表示压力、温度或磁场。其他类型的物理信号也可以用作到接口的输入。

在任何应用方案中，传感器系统的两个或更多个功能块之间总是存在某种失配，即使这些功能块具有完全一样的原理图和布局。这也适用于电压控制的振荡器(或者其他受控振荡器，如电流控制的振荡器或传感器控制的振荡)。对于振荡器而言可能比例如放大器更糟，因为振荡器不断切换并且其可能因此更容易互相干扰。这意味着振荡器需要彼此隔离，这可能降低其之间的匹配。失配还随时间推移并随温度而变化。

如果受控振荡器被用作传感器接口，则振荡器之间的失配可能导致可能影响信号转换的误差。示例为偏移、增益和非线性度。在论文“Digital-Domain Chopping Techniquefor PLL-based Sensor Interfaces(用于基于PLL的传感器接口的数字域斩波技术)(J.Marin(J马林)等人，能源工程，欧洲传感器2015，2015年，第120卷，第507页至510页)中，斩波技术应用于补偿偏移误差。另外，校准可以用于补偿大部分的初始误差，但是其无法补偿整个寿命中的漂移。

振荡器误差对传感器读出的影响还受到受控振荡器的输入共模的影响。这还导致传感器接口输出的漂移。所述漂移可以通过保持固定的共模信号来补偿，但是这通常需要准确的共模反馈。

这些误差以及甚至其更多组合限制了基于时间的传感器接口的准确度。

因此，需要其中避免或克服这些限制中的至少一个或多个的基于振荡器的传感器接口。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供一种用于传感器系统的、与现有技术的解决方案相比具有改进的准确度的基于振荡器的传感器接口电路。

通过根据本发明的解决方案来实现上述目的。

在第一方面，本发明涉及一种被安排用于离线误差调谐的基于振荡器的传感器接口电路。所述传感器接口电路包括：

-至少两个振荡器，所述指示两个振荡器中的至少一个被安排用于接收表示电量的电信号，所述电量是经转换的物理量并且影响所述至少一个振荡器的频率，

-相位检测装置，所述相位检测装置被安排用于对所述至少两个振荡器的输出信号进行比较，并且用于根据所述比较的结果来输出数字相位检测输出信号，所述相位检测器输出信号也是所述基于振荡器的传感器接口电路的输出信号，

-反馈元件，所述反馈元件被安排用于接收所述数字相位检测输出信号的表示，并且用于将所述表示转换成直接或间接用于维持所述至少两个振荡器的振荡器频率之间的给定关系的反馈信号，

-用于检测所述至少两个振荡器之间的差异的检测装置，

-至少一个调谐元件，所述至少一个调谐元件被安排用于接收所检测的差异，并且用于对所述基于振荡器的传感器接口电路的引起所述振荡器中的至少一个的振荡器频率变化的至少一个特性进行调谐，以便减小所述所检测的差异。

在第二方面，本发明涉及一种被安排用于在线误差调谐的基于振荡器的传感器接口电路。所述传感器接口电路包括：

-至少两个振荡器，所述至少两个振荡器中的至少一个被安排用于接收表示电量的电信号，所述电量是经转换的物理量并且影响所述至少一个振荡器的频率，

-斩波电路系统，所述斩波电路系统被安排用于使用斩波信号对表示所述电量的所述电信号进行调制，并且用于将经调制的电信号馈送给所述至少一个振荡器，

借助于此，所述斩波电路系统进一步被安排用于在将所述输出信号施加至所述相位检测装置之前对所述输出信号进行解调，或者用于对所述数字相位检测输出信号进行解调，

所述基于振荡器的传感器接口电路进一步包括：

-检测装置，所述检测装置用于基于所述数字相位检测输出信号来检测所述至少两个振荡器之间的差异，

所提出的解决方案实际上允许检测接口电路的误差并且随后借助于调谐元件来减小此误差。本发明首先聚焦于振荡器失配，但还允许补偿由于电路或电路是其一部分的系统的其他功能模块引起的误差。可以在线或离线执行调谐。

在优选实施例中，所述传感器接口电路包括斩波电路系统，所述斩波电路系统被安排用于使用斩波信号对表示所述电量的所述电信号进行调制，并且用于向所述至少一个振荡器输出所述经调制的信号，并且还被安排用于解调。

在优选实施例中，所述斩波电路系统被安排用于对所述至少两个振荡器的输出信号进行解调，并且将经解调的输出信号施加至所述相位检测装置。

在另一优选实施例中，所述斩波电路系统被安排用于对所述数字相位检测输出信号执行解调。这可以可选地在对数字相位检测输出信号进行滤波之后完成。

在一个实施例中，所述基于振荡器的传感器接口电路进一步包括：数字滤波器，所述数字滤波器被安排用于对所述数字相位检测输出信号进行滤波，并且用于将经滤波的数字相位检测输出信号施加至所述反馈元件。

在优选实施例中，所述基于振荡器的传感器接口电路包括感测装置，所述感测装置被安排用于将被包括在所接收信号中的所述物理量转换成所述电量，并且用于输出表示所述电量的所述电信号。

在一个实施例中，所述感测装置包括被安排用于接收包括所述物理量的所述信号的传感器以及被安排用于生成参考信号的参考元件。

在一个实施例中，所述反馈元件包括至少一个电流源。

在优选实施例中，所述基于振荡器的传感器接口电路包括所述反馈元件是其一部分的惠斯通电桥。

在另一实施例中，所述相位检测装置包括触发器。

在一个实施例中，所述误差检测装置被安排用于通过对在斩波之后获得的平均数字输出信号进行差分来检测所述误差。

在一个实施例中，所述反馈信号返回至所述感测装置。

在又另一实施例中，所述反馈信号为差分信号。

在实施例中，所述至少一个调谐元件被安排用于对所述至少两个振荡器中的至少一个进行增益调谐。在另一实施例中，所述至少一个调谐元件被安排用于对所述至少两个振荡器中的至少一个进行偏移调谐。

在一个实施例中，所述所接收信号是压力、温度、力、来自光学感测装置或来自磁性感测装置的信号中的一个。

出于总结本发明以及相对于现有技术实现的优点的目的，上文已经描述了本发明的某些目标和优点。当然，应当理解，根据本发明的任何特定实施例，不一定可以实现所有这些目标或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必实现本文可能教导或建议的其他目标或优点。

本发明的上述和其他方面将根据在此之后所描述的(多个)实施例清楚并且将参考在此之后所描述的(多个)实施例对其进行阐述。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式进一步描述本发明，其中，相同参考号在各个图中指代相同元件。

图1展示了在闭环中使用的基于常规振荡器的传感器接口电路。

图2a示出了根据本发明的基于振荡器的传感器接口的实施例的基本方案，其中，应用了斩波。图2b示出了根据本发明的不使用斩波的基于振荡器的传感器接口的实施例的基本方案。

图3示出了根据本发明的基于振荡器的传感器接口的实施例。

图4展示了耦合的锯齿波振荡器的两个级。

图5展示了基于闭环振荡器的电容式传感器接口的示例。

图6展示了电流不足的环形振荡器的两个级。

图7示出了根据本发明的基于振荡器的传感器接口的实施例。

图8展示了在振荡器的偏移失配的情况下的仿真结果。

图9展示了在振荡器的增益失配的情况下的仿真结果。

图10展示了在振荡器的偏移失配和增益失配的情况下的仿真结果。

具体实施方式

将关于具体实施例并且参考某些附图对本发明进行描述，但是本发明不限于此，而仅受限于权利要求书。

此外，说明书中和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等用于在类似元件之间进行区分并且不一定用于描述顺序，无论是时序上、空间上、排序上还是以任何其他方式。要理解的是，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且在此所描述的本发明的实施例与在此所描述或展示的相比能够以其他顺序运转。

要注意的是，权利要求书中所使用的术语“包括”不应该被解释为限于其后所列出的装置；其不排除其他元件或步骤。因此，其将被解释为指定如提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤或部件、或其组的存在或添加。因此，表达“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。这意味着，对于本发明，设备的仅有的相关部件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例(one embodiment)”或“实施例(an embodiment)”的引述意味在本发明的至少一个实施例中包括了所描述的与该实施例相联系的一个具体的特征、结构或特性。因此，贯穿本说明书各处的短语“在一个实施例中(in oneembodiment)”或“在实施例中(in an embodiment)”并非必须但是可以全部指同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，这些具体的特征、结构或特性可以用任何合适的方式相结合，如本披露将对本领域的技术人员是明显的。

类似地，应该理解的是，在对本发明的示例性实施例的描述中，为了简化本公开并帮助理解各个发明性方面中的一个或多个的目的，有时在单个实施例、附图、或其描述中将本发明的各个特征聚集在一起。然而，本披露的方法意图不应被解释为反映所要求保护的发明需要的特征比在每个权利要求中清楚地叙述的更多。相反，如以下权利要求书所反映，创造性方面在于比单个前述公开的实施例的所有特征更少。因此，据此将具体实施方式之后的权利要求书明确结合到本具体实施方式中，其中，每项权利要求独自代表本发明的单独实施例。

此外，虽然本文中所述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些而非其他特征，但是如本领域的技术人员将理解的，不同实施例的特征的组合旨在处于本发明的范围内并形成不同实施例。例如，在以下的权利要求中，任何所要求保护的实施例可以用在任何组合中。

应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时使用特定术语不应该被认为暗示所述术语在此被重新限定为限于包括与此术语相关联的本发明特征或方面的任何特定特性。

在此提供的描述中，提出了许多具体的细节。然而，应理解本发明的实施例可以在没有这些具体的细节的情况下实践。在其他实例中，为了不混淆对本描述的理解，未详细示出众所周知的方法、结构和技术。

传感器将物理量转换成模拟电量。通常，传感器输出信号太小而不能被直接使用。因此，传感器接口电路对从传感器接收到的包括电量的信号进行放大以获得更有用的信号。所述信号还经常在传感器接口中被进一步处理(例如，滤波)。另外，所述信号可以被转换成数字信号并且在数字域中进一步进行处理。在本发明的上下文中，传感器接口电路被认为是用于将从传感器出来的电量转化成数字信号的结构。尽管包含有待在传感器中转换的电量(100)的输入信号经常表示压力、温度或磁场，但是其他类型的物理信号也可以用作到本发明的接口电路的输入。

尽管在本发明的传感器接口电路的许多实施例中将传感器作为接口电路的一部分可以是有利的，但是这不是严格要求的。在其他实施例中，(多个)传感器可以在本发明的电路的外部，并且电路被馈送有表示物理量在传感器中被转换成的电量的电信号。

斩波是用于在电压域中减小偏移和低频噪声的众所周知的技术，但是其还可以用于时域中。在下文中，使用图2a中示出的本发明的电路的实施例介绍了斩波的基本操作。所述图展示了所提出的基于振荡器的传感器接口电路的实施例的基本方案，其中，应用了斩波。注意的是，在图2的方案中，传感器被示出为接口电路的一部分。已经在振荡器(21、22)之前和之后添加了两个斩波块(50、51)。斩波操作可以被划分成两个阶段。在这两个斩波阶段之一期间，斩波器(50)的开关将输入信号(11)连接至VCO(21)并且将输入信号(12)连接至VCO(22)。同时，第二斩波器开关(51)连接VCO(21)的输出以将信号(41)馈送至相位检测器的输入，并且连接VCO(22)的输出以将(42)施加至另一相位检测器的输入。在另一斩波阶段中，VCO(21)使用信号(12)作为输入以及(42)作为输出，而VCO(22)使用信号(11)作为输入以及(41)作为输出。斩波块的所述阶段受CTRL_CH信号控制。在图2a的实施例中，振荡器的输出在块51中被去斩波(被解调)，所述块将信号41、42输出到相位检测器。相位检测器(3)比较振荡器的输出信号并且相应地输出数字相位检测输出信号。在图3的实施例中，使用触发器来实施相位检测器并且在相位检测器(3)与输出之间引入可选数字滤波器(10)。施加至振荡器的信号可以在块50中被斩波(即，使用具有频率f_斩波的信号进行调制)并在图2a的块51中被去斩波(被解调)。块50的输入全部来自传感器并不是强制性的。输入中的一些还可以来自参考信号或来自另一信号(例如，用于反馈或调谐的信号)。尽管在根据本发明的传感器接口电路的有利实施例中应用了斩波，但是并不是严格地需要使用斩波，如稍后将在本描述中变得明显。注意的是，在图3中，这两个电阻器受物理量的影响(在相反方向上)，但是接口电路还在电阻器之一被固定的实施例中工作。此固定电阻器用于例如使用在图的顶部的电流源来生成参考信号。然而，这可以以完全不同的方式完成，例如，通过由带隙产生参考电压。

如果这两个VCO是完全相同的，则是否应用斩波没有区别。调节回路使这两个VCO的平均频率相等，并且这在完全相同的VCO的情况下还导致在VCO输入处的平均电压相等。如果在VCO之间存在偏移失配，则调节回路仍会迫使平均电压相等，但是现在这会在VCO的输入之间产生较小电压差。这种VCO输入电压差与斩波阶段无关。然而，在一个斩波阶段中，VCO 21和22的输入分别通过斩波开关连接至节点11和节点12，而在另一斩波阶段中，节点12连接至VCO 21并且节点11连接至VCO 22。这意味着节点11与节点12之间的电压差在这两个斩波阶段中不是相同的：在一个斩波阶段中其为正，而在另一个阶段中为负。电压差的这种变化可能仅由反馈回路引起(假设物理量是稳定的)，这意味着在不同的斩波阶段中数字输出是不同的。众所周知的是，可以通过计算这两个斩波阶段期间的数字输出的平均值来移除偏移。

参照图3进一步解释了根据本发明的基于振荡器的传感器接口电路的工作原理。在此实施例中，传感器(1)由两个电阻器组成，在存在物理量(100)的情况下，其中一个电阻器的电阻值增大并且另一个电阻器的电阻值减小。电阻器由充当反馈元件(4)的电流源来偏置。反馈元件包含固定部分以及由数字输出控制的可变部分。由于物理量(100)的存在而引起的电阻变化通过电流偏置被转换成在节点(11)和(12)处的电压差。如果物理量增大，则在第一实例处的电压信号(11)增大，而在另一节点处的电压(12)减小。总体上，VCO的周期与输入电压近似成反比。因此，物理量的增大使VCO(21)更快并且使VCO(22)更慢，这在一个或多个VCO周期之后导致信号(41)在信号(42)之前具有其上升沿的情况。此时，用作相位检测器(3)的触发器的输出(31)变高。这增大了可选数字滤波器(10)的、每个VCO周期都更新的输出。这种信号被反馈回用作反馈元件(4)的电流源。反馈完成，其方式为使得信号(41)和(42)的相位彼此锁定。这意味着，这两个振荡器的平均频率是相同的。如果这两个VCO是完全匹配的，则这还意味着信号(11)和(12)的平均电压被调节成相同的值。因此，在左侧的电流增大，同时在右侧的电流减小以补偿由增大的物理量引起的电阻变化。反馈回路确保电流差与共模电流之比平均等于电阻差与共模电阻之比。因此，控制电流源的数字信号表示物理量的大小。

在这两个振荡器之间不具有不希望的耦合(例如，相位锁定)的情况下获得所述振荡器之间的良好匹配并不总是容易实现。振荡器的失配可能产生误差，所述误差有时难以补偿。偏移可以容易地通过斩波来补偿。然而，振荡器还可以具有不同的增益或不同的非线性度。这种误差更加难以补偿。斩波可以促进对这两个VCO之间的失配的检测，因为失配会在每个斩波阶段中导致(平均)数字输出中的差异。

基于振荡器的传感器接口电路因此包括可能影响其中电路被应用的系统的性能的各种构建块。因此，存在潜在误差的几个来源。

如以上所解释的，当存在这两个VCO之间的偏移失配时，在一个斩波阶段或在另一个斩波阶段期间的平均数字输出是不同的。其他类型的失配可能导致类似的差异。这意味着从一个斩波阶段的平均数字输出减去另一个斩波阶段的平均数字输出是对这两个VCO之间的失配的测量。计算这两个斩波阶段的输出差异是误差检测块6的实施方式的示例，但是可以使用其他方法。这种输出差异可以用作用于减小这两个VCO之间的失配的调谐元件的输入。

使用本发明中提出的解决方案，可以减少这些误差中的一些。根据本发明，每个斩波阶段中的(平均)数字输出中的差异可以在误差检测块(6)中被检测并且用于通过参见图2和图3的调谐元件(7)来调谐振荡器，其方式为使得此差异被补偿。这种调谐可以补偿无法仅通过斩波补偿的其他误差源。应该注意的是，这种调谐可以缓慢地完成，因为失配也缓慢变化。图2b重复图2a的方案，但是未应用任何斩波。

在根据本发明的电路中，提出了通过使用调谐元件7来调谐传感器接口电路的至少一个参数来实现减小影响性能的误差。所述误差在误差检测块6中被检测。所述调谐在振荡器的至少一个中直接或间接地引起振荡器频率的变化。如果使用斩波，则误差检测变得容易，因此使用斩波描述了本发明。

数字输出信号还包含潜在误差源的信息。例如，在这两个斩波阶段中的数字输出的差异提供了这两个振荡器(21、22)失配的指示。可以在误差检测块(6)中检测和计算并且量化此差异。这种信息可以用于使用调谐元件(7)来调谐振荡器中的至少一个的一个或多个参数，以便减小(或者甚至完全移除)由振荡器的失配引起的误差。

在优选实施例中，可以通过调节振荡器的增益来执行调谐，以使得振荡器在操作点处输出相同的频率。应当注意的是，这并不意味着调谐能够使VCO的增益相等。如果在其他参数(例如，偏移)中也存在失配，则针对这两个VCO将增益调谐至不同值以补偿这种其他失配。

在许多振荡器实施方式中，增益调谐可以是简单的。例如，可以使用耦合的锯齿波振荡器来实施图3的VCO。在图4中示出了耦合的锯齿波振荡器的两个级，但是实际上可以组合若干级以形成多级张弛振荡器。可以通过改变差分对之上的电流来执行调谐。V_参考是电压输入或从VCO的电压输入推导出。还可以将电流用作电流控制振荡器的输入并且通过改变V_参考来执行调谐。

图5的电容或传感器控制的振荡器可以由例如电流不足的环形振荡器来实施，在图6中示出所述电流不足的环形振荡器的两个级。可以组合若干级以形成多级张弛振荡器。通过改变电流来调谐增益，这可以通过改变逆变器与电源轨之间的NMOS晶体管和PMOS晶体管的偏置电压(分别为V_调谐_N和V_调谐_P)来完成。

可替代地，其可以是被调谐以获得改进行为的偏移。在其他实施例中，所述调谐在振荡器的外部执行。举例来讲，在生成VCO的输入电压信号时可能导致偏移移位。进一步地，可以例如在信号被施加至相位检测器之前调谐振荡器输出的分频系数。技术人员将容易理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，还可以在方案中的其他位置处应用调谐。

在优选实施例中，可以连续地且在线完成调谐，即，在不干扰电路的操作的正常操作期间完成。在不同斩波阶段中的数字输出实际上在正常操作期间是直接可用的。因此，使用斩波促进使用在线调谐。

然而，有可能例如在离线校准中不使用斩波的情况下获得这种误差信息。在这种情况下，可以在不使用斩波的情况下使用本发明的电路的实施例。本发明的电路还可以与离线或不连续调谐一起使用。例如，可以只有一次校准，或者可以在每次系统被通电时或以规律的时刻执行校准。在这些情况下，所述调谐可以被允许中断正常应用。

代替应用斩波，可以将相同输入信号强加到振荡器，并且调谐另一参数以得到相同的输出频率。一旦振荡器被调谐，在执行斩波时也就具有较少的优势，因为所述振荡器彼此匹配的非常好。调谐可以用于使这种差异最小化，并且因此，也使误差最小化。

以下提供了关于本发明的各个实施例的更多技术细节。

传感器将物理量的变化转换成如电阻、电容、电压、电荷或电流等电量的变化。同样，可以应用其他类型的电信号。在传感器是接口电路的一部分的情况下，包含在传感器输出中的电量可以直接用作受控振荡器的输入或者其可以被斩波。在传感器不是传感器接口电路的一部分的情况下，包括电量的传感器输出信号被施加至接口电路输入，其中，所述传感器输出信号接下来可以用作受控振荡器的输入或其可以被斩波。在另一实施例中，电量首先可以被转换成另一电量，例如，通过迫使电流通过电阻器而将电阻转换成电压(如在图3的实施例中所展示的)。此外，在由传感器输出的电量被用作受控振荡器的输入之前，其还可以被放大、滤波或以另一种方式处理。所述由传感器输出的电量还可以被转换成另一种电量，例如，可选地在速度饱和模式下通过晶体管进行的电压到电流的转换，其中，在电压与电流之间存在线性行为。

感测装置可以采用许多不同的方式来实施。传感器的一种实施方式可以是具有两个电阻器，所述两个电阻器通过需要感测的信号(例如压力)而改变(如图3中所示)。可替代地，仅一个电阻器是可变的并且另一个是固定的。在另一实施例中，电阻器的数量是不同的(例如，在惠斯通电桥配置中有四个电阻器)。技术人员将容易认识到，其他配置也是可能的。其他类型的传感器也可以用于不同的配置中。例如，代替电阻式传感器，可以采用电容式传感器。在某些实施例中，传感器和振荡器可以被合并成传感器控制的振荡器。在图5示出了电容式传感器的示例，其中，传感器1由作为振荡器21的一部分的单个可变电容器形成。

如已经提及的，在优选实施例中，存在两个受控振荡器。然而，可以存在多于两个振荡器。例如，第三振荡器可以用于生成用于包括传感器接口电路的芯片的数字核的主时钟。然后可以改变这两个其他振荡器，以使得其以平均与第三振荡器相同的频率或者以所述频率的某个分数或倍数的频率运行。可替代地，数字主时钟可以直接从由传感器接口使用的振荡器之一推导出。在这种情况下，将此振荡器保持在一固定频率并且仅控制另一个振荡器可以是有利的。例如在只有一个感测元件(例如，电容器)受物理量影响的情况下，也可以只使用一个受控振荡器，如图5中所示。还可以通过使用参考信号作为受控振荡器的输入来生成在一些示例中使用的固定振荡器频率。

可以设想各种类型的受控振荡器以供在传感器接口电路中使用。一个显而易见的选择是电压控制的振荡器(如例如图3中)或电流控制的振荡器，但是其他选项也是适用的，例如，电容控制的振荡器。如已经提及的，传感器和受控振荡器还可以被合并成传感器控制的振荡器。图5示出了电容/传感器控制的振荡器的示例：传感器电容1直接影响振荡器21的频率。

在优选实施例中，对从振荡器出来的经斩波的信号执行解调，如图2a或图3中示出的块51中。在另一实施例中，可以将一个或多个其他功能块放入在斩波块(50)与去斩波块(51)之间的方案中。例如，可以在相位检测之后执行解调。在单比特相位检测器的情况下，解调可以简单地使用异或(EXOR)门来完成，以便根据斩波信号值来反相或不反相相位检测器的输出，如图7中所展示的。原则上还可以在可选滤波器(10)之后完成解调。

斩波和去斩波还可以根据振荡器拓扑在其自身的振荡器中执行。例如，用于检查参考信号与变化信号之间的差异的内部比较器的输入和输出两者可以交换。

振荡器的失配导致各个斩波阶段中的(平均)数字输出中的差异。这种差异可以在系统中进行反馈以将差异朝向零调谐。

在优选实施例中，斩波应用于振荡器。其他块(例如，反馈元件4)也可以从斩波或动态元件匹配中受益。同样，这里可以使用调谐，可选地结合斩波(或动态元件匹配)，以便更进一步减小系统误差。

在某些实施例中，相位检测器接收去斩波的信号(参见图3)。然而，如已经提及的，在其他实施例中，经斩波的信号被馈送至相位检测器(参见图7)。检测器比较在其输入处接收到的信号的相位。

相位检测器根据比较结果来输出数字信号。相位检测器输出信号通常进一步被滤波以得到传感器接口的准确输出。另外，相位检测器输出(在滤波之前或之后)还被反馈回以闭合系统中的回路，以便形成PLL结构。

相位检测器输出可以是单比特。以这种最简单的形式，相位检测器只是D触发器，其中，一个信号用作时钟，并且另一个信号用作数据输入，如在图3和图7中所展示的。在这种情况下，输出仅显示这两个输入中的哪一个首先被切换。同时，可以使用多比特相位检测器。在这种情况下，输出包含关于对这两个输入的切换之间的时间差的进一步的信息。

在反馈回路中使用相位检测器输出信号。反馈元件(4)能够(在可选滤波之后)将数字相位检测器输出信号转换成反馈信号。反馈信号用于保持在控制下彼此之间具有预定义的链路的振荡器频率。以这种方式，接口电路可以保持平衡。这意味着PLL应该保持锁定。

在图3中示出了反馈元件的示例：电流源可以被添加到电阻式传感器的电流激励中或从所述电流激励移除。有待被感测的物理量和用作反馈信号的电流两者正影响VCO的电压输入。注意的是，还可能的是反馈元件仅改变这两个电流之一，因此，例如在固定电阻器之上的电流源可以与数字输出无关。这导致了固定的参考电压，其还可以以另一种方式进行(例如，通过带隙)。在图5中示出了另一示例：可以以与电容式传感器(1)并联的方式添加一个或多个附加电容器(4)，以将总电容与在其他振荡器(22)中使用的参考电容器相匹配。在这种情况下，反馈元件(和传感器)是振荡器(21)的一部分。

反馈信号经常表示有待感测的物理信号。在许多实施例中，反馈信号为电信号。可以在传感器激励中使用所述电信号。反馈信号可以是物理域中而不是电域中的信号。例如，相位检测器输出可以被转换成在电容式传感器上生成静电力以迫使电容器板更靠近在一起或者进一步远离的大电压。传感器输出信号然后是包含有待测量的物理量的实际信号和反馈信号的组合。在另一示例中，反馈信号可以修改用于电阻式传感器的电流激励，从而产生用于振荡器中的电压信号。在另一实施例中，通过反馈信号调整其中一个或多个电阻器被用作传感器元件的惠斯通电桥中的一个或多个电阻器。

反馈信号返回至在上述示例中的传感器元件。这并不是硬性要求，尽管在许多情况下是有利的。在图5中，反馈信号改变与传感器电容并联的电容(4)，而在其他振荡器中的电容保持固定。可替代地，可以将反馈信号施加至另一个振荡器：在一个振荡器中使用传感器电容器，并通过借助于反馈信号改变电容来匹配另一个振荡器。反馈信号还可以去往两个或更多个位置，例如，去往如图3中示出的这两个传感器。在这两个振荡器输入信号都受传感器影响的情况下，这种差分反馈是优选的。

调谐信号用于补偿接口电路和/或所述接口电路是其一部分的传感器系统的误差。因此，使调谐尽可能地靠近主误差源可以是有利的，所述主误差源经常是振荡器。

本发明聚焦于对振荡器失配的调谐。然而，所述调谐还可以应用于减小由其他块引起的系统误差。例如，反馈元件(4)也可能是系统误差的主要来源。因此，调谐(在线或离线)在这里也可以是有意义的。

在线执行调谐的情况下，所述调谐实际上也是反馈机制，但是在调谐与通过反馈元件(4)进行的反馈之间存在一些明显的区别。为避免混淆，因此所述调谐不能被称为反馈。需要反馈来保持电路平衡，而调谐负责减小误差。反馈信号是传感器信号的表示，然而调谐信号是在一些系统元件(例如，振荡器)中存在的失配的表示。反馈元件最好可以尽可能近地连接至传感器，而调谐最好可以应用于导致失配的系统元件(例如，振荡器)。反馈信号需要快速变化(通常每个振荡器周期)，而完成调谐通常慢的多。

振荡器的偏移中的失配导致传感器接口电路中的偏移。斩波可以应用于消除系统偏移。不需要任何调谐。相反，调谐也可以用于减小系统偏移，而不需要任何斩波。这可以在图8的仿真曲线图中看出。图8示出了在图3的电阻式传感器接口电路的振荡器之间存在偏移失配时的仿真曲线图。斩波仅在右边的曲线图上是有效的。增益调谐仅应用于下部的曲线图。应用偏移，使得这两个振荡器的频率在操作电压下都改变3％，但是针对这两个振荡器在相反的方向上改变。在此示例中，当未应用斩波或增益调谐(左上和中上)时，这种失配导致输出范围的30％的输出误差。因此，在不使用斩波或调谐的情况下，当振荡器的偏移失配被引入时，在输出处产生较大的误差。斩波消除误差(使用或不使用增益调谐)。在不使用斩波(左下和中下)的情况下，增益调谐也可以大量减小偏移误差。然而，注意的是，输出误差取决于若干系统参数，因此在其他示例中所产生的误差可以是不同的。在左上曲线图与中上曲线图之间的区别是斩波开关的极性。当这两种极性结合时，即，使用斩波(右上)，完全地消除了除一些小的分辨率限制之外的误差。增益调谐完全消除了范围中间的输出误差，即使当未应用斩波(左下和中下)时。然而，在范围的中间之外仍存在小误差。当应用附加斩波(右下)时，这种剩余误差被移除。

振荡器的增益失配主要导致输出处的偏移误差。因此，斩波可以减小误差，但是无法完全消除所述误差。即使不执行斩波，增益调谐也可以消除振荡器的增益失配误差。这可以在图9的曲线图中看出，其示出了在图3的电阻式传感器接口电路的振荡器之间存在增益失配时的仿真曲线图。斩波仅在右边的曲线图上是有效的。增益调谐仅应用于下部的曲线图。应用增益误差，使得这两个振荡器的频率在操作电压下都改变3％，但是针对这两个振荡器在相反方向上改变。在此示例中，当未应用斩波或增益调谐(左上和中上)时，这种失配导致输出范围的大约30％的输出误差。然而，注意的是，输出误差取决于若干系统参数，因此在其他示例中所产生的误差可以是不同的。在左上曲线图与中上曲线图之间的区别是斩波开关的极性。当这两种极性结合时，即，使用斩波(右上)，显著减小了误差但是仍存在剩余增益误差。增益调谐完全消除除一些分辨率限制之外的输出误差。这在不使用斩波(左下和中下)和使用斩波(右下)的情况下都是适用的。

在振荡器中的偏移失配误差和增益失配误差的组合导致更大的误差，这些误差无法通过斩波来完全补偿。图10示出了在图3的电阻式传感器接口电路的振荡器之间存在偏移失配和增益失配时的仿真曲线图。斩波仅在右边的曲线图上是有效的。增益调谐仅应用于下部的曲线图。应用了与图8中相同的偏移误差以及与图9中相同增益误差。在此示例中，当未应用斩波或增益调谐(左上和中上)时，这些误差导致输出范围的大约60％的输出误差。输出误差取决于若干系统参数，因此在其他示例中所产生的误差可以不同。在左上曲线图与中上曲线图之间的区别是斩波开关的极性。当这两种极性结合时，即，使用斩波(右上)，显著减小了误差但是仍存在剩余增益误差。

斩波可以完全地补偿偏移误差(图8)并且还可以减小VCO的增益失配(图9)。同样地，通过斩波减小了偏移误差和增益失配的组合，但是所产生的误差大于单独地这两个误差源的所产生误差之和。增益调谐可以完全补偿VCO的增益失配，并且还可以减小偏移误差。同样地，通过增益调谐减小了偏移误差和增益失配的组合，并且所产生的误差与仅具有偏移误差时相同。然而，当将增益调谐和斩波组合时，可以完全补偿误差。调谐(与斩波结合)对于其他误差源(例如，非线性度)也比斩波更稳健。

以上关于构建块的解释清楚地表明，本发明的传感器接口电路的许多实施例可以通过如所描述的适当的组合组件来设计。技术人员将容易理解这一点。通过示例的方式，现在进一步描述图3、图5和图7中示出的实施例的操作。

图3示出了基于振荡器的电阻式传感器接口电路的示例。架构与图2a相对应，但提供了附加实施方式的细节。传感器元件(1)由两个电阻器组成，这两个电阻器在物理量(100)的影响下在相反方向上变化。两个电流源(4)用于将电阻变换成电压(11、12)。这两个电压用作电压控制的振荡器(21、22)的输入。振荡器的这两个输入电压可以与振荡器的这两个输出信号同时交换，从而使得可以获得对振荡器偏移的调制以便将其进一步移除。例如，经斩波的振荡器输出(41、42)的相位差可以与D触发器(3)相比较，因为Q输出包含哪个振荡器为主导的信息。通常，执行进一步的滤波(10)以获得数字输出信号。通过将数字信号反馈回传感器(1)顶部上的电流源(4)来闭合回路。这些电流源被调整以保持振荡器的平均相位差接近0。数字输出还包含潜在误差源的信息。例如，在这两个斩波阶段中的数字输出差异说明了关于这两个振荡器(21、22)失配的一些情况。可以测量和计算(6)这种差异并且将其通过调谐元件(7)反馈回振荡器。

图7示出了基于振荡器的电阻式传感器接口电路的另一示例。其与图3相同，除了第二斩波器元件(51)现在在相位检测器(3)之后使用异或门来实施，并且在相位检测器之前不再使用开关。

如在图5中的基于振荡器的电容式传感器接口电路的示例中，为不使绘图过载，省略了斩波和调谐。传感器元件现在由作为振荡器自身(21)的一部分的一个电容器(1)形成。还存在可以根据相位检测器输出(31)添加或不添加与传感器电容并联的额外电容器(4)。这种电容器(4)是反馈元件，并且闭环确保了在理论上在这两个振荡器(21、22)中获得相同的平均电容。

所提出的接口电路有助于使传感器系统更稳健地对抗其他类型的非理想或误差组合。出于说明的目的，给出了以下两个示例：

-这两个振荡器输入的共模电压变化的影响大幅度地减小。这对于理想VCO来说不是问题，但是共模电压变化对于实际的VCO具有系统级的明显影响。通过所提出的解决方案避免了这种影响。

-传感器电阻器的不对称行为未被补偿，但是使用增益调谐，可以使这种误差固定(并且因此容易通过校准来补偿)，甚至当振荡器不匹配时(并且失配漂移)。

尽管在附图和前述描述中已经展示和描述本发明，但是这种展示和描述被视为说明性的或示例性的且非限制性的。前述描述详述了本发明的某些实施例。然而，将理解的是，不管前述描述在文本方面看起来多么详细，都可以用许多方式实践本发明。本发明并不限于本公开的实施例。

在实践所要求保护的发明时，本领域技术人员可以通过学习附图、公开内容、以及所附权利要求书来理解并且实现所公开实施例的其他变化。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，而不定冠词“一(a)”、“一个(an)”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求书中陈述的若干项的功能。在彼此不同的从属权利要求中陈述的某些措施的简单事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以被存储/分布在适当介质(诸如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质)上，而且还可以以其他形式分布，诸如，经由互联网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的参考符号不应被理解为对范围进行限制。

Claims

1.一种被安排用于在线误差调谐的基于振荡器的传感器接口电路，所述基于振荡器的传感器接口电路包括：

至少两个振荡器，所述至少两个振荡器中的至少一个被安排用于接收表示电量的电信号，所述电量是经转换的物理量，并且影响所述至少一个振荡器的频率，

斩波电路系统，所述斩波电路系统被安排用于使用斩波信号对表示所述电量的所述电信号进行调制，并且用于用输入信号向所述至少两个振荡器中的每个振荡器馈送，由此所述振荡器中的至少一个振荡器接收经调制的所述电信号，

相位检测装置，所述相位检测装置被安排用于对所述至少两个振荡器的输出信号进行比较，并且用于根据所述比较的结果来输出数字相位检测输出信号，所述数字相位检测输出信号也是所述基于振荡器的传感器接口电路的输出信号，

所述基于振荡器的传感器接口电路进一步包括：

反馈元件，所述反馈元件被安排用于接收所述数字相位检测输出信号的表示，并且用于将所述表示转换成直接或间接用于维持所述至少两个振荡器的振荡器频率之间的给定关系的反馈信号，

检测和计算装置，所述检测和计算装置用于基于所述数字相位检测输出信号来检测并计算所述至少两个振荡器的斩波相位之间的差异，

至少一个调谐元件，所述至少一个调谐元件被安排用于接收所计算的差异，并且用于对所述基于振荡器的传感器接口电路的引起所述振荡器中的至少一个的振荡器频率变化的至少一个特性进行调谐，以便减小所述所计算的差异。

2.如权利要求1所述的基于振荡器的传感器接口电路，进一步包括：数字滤波器，所述数字滤波器被安排用于对所述数字相位检测输出信号进行滤波，并且用于将经滤波的数字相位检测输出信号施加至所述反馈元件。

3.如权利要求1所述的基于振荡器的传感器接口电路，包括感测装置，所述感测装置被安排用于将被包括在所接收信号中的所述物理量转换成所述电量，并且用于输出表示所述电量的所述电信号。

4.如权利要求3所述的基于振荡器的传感器接口电路，其中，所述感测装置包括被安排用于接收包括所述物理量的所述信号的传感器以及被安排用于生成参考信号的参考元件。

5.如权利要求3所述的基于振荡器的传感器接口电路，包括惠斯通电桥。

6.如权利要求3所述的基于振荡器的传感器接口电路，其中，所述反馈信号返回至所述感测装置。

7.如权利要求3所述的基于振荡器的传感器接口电路，其中，所述所接收信号是压力、温度、力、来自光学感测装置或来自磁性感测装置的信号中的一个。

8.如权利要求1所述的基于振荡器的传感器接口电路，其中，所述反馈元件包括至少一个电流源。

9.如权利要求1所述的基于振荡器的传感器接口电路，其中，所述相位检测装置包括触发器。

10.如权利要求1所述的基于振荡器的传感器接口电路，其中，所述至少一个调谐元件被安排用于对所述至少两个振荡器中的至少一个进行增益调谐。

11.如权利要求1所述的基于振荡器的传感器接口电路，其中，所述至少一个调谐元件被安排用于对所述至少两个振荡器中的至少一个进行偏移调谐。