CN110708066A - 比较器诊断系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种比较器诊断系统和方法。一种用于自校准比较器的模拟前端电路，该电路包括：比较器测量路径中的比较器；前置放大器，该前置放大器通过一组开关耦合至该比较器；以及放大器，该放大器耦合至该前置放大器，该前置放大器接收参考信号作为第一输入以及用户可定义的参考作为第二输入，该用户可定义的参考生成被选择用于在该前置放大器的输出端处创建已知状态的用户可定义的值，该前置放大器确定表示包括该比较器的信号路径中的测量误差并用于调整该用户可定义的参考值以校准该信号路径的残差值，使得可以调整该比较器的阈值边界以加强比较器规范。

Description

比较器诊断系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请涉及发明人丹尼尔·詹姆斯·米勒、布赖恩A米勒、赛义德·阿夫塔、丹尼尔·大卫·亚历山大和杰森·R·弗格森的于2018年7月10日提交的名称为“COMPARATOR DIAGNOSTIC SYSTEMS AND METHODS(比较器诊断系统和方法)”的共同未决且共同拥有的美国临时专利申请号62/696,223，并根据35 U.S.C.§119(e)要求其优先权权益，该专利申请通过引用以其全文结合在此并用于所有目的。

技术领域

本披露总体上涉及电数据采集系统和方法。更具体地，本披露涉及包括独立的冗余测量路径的数据采集系统。

背景技术

典型的数据采集系统由可以用于测量期望电压或电流的测量电路组成，例如比较器或模数转换器(ADC)。对于安全关键应用，例如，设计用于监测汽车中堆叠电池电压的系统，通常需要备用的冗余测量路径来验证结果。可能需要冗余测量路径是与第一路径不同的架构，从而改善设计的鲁棒性，例如，逐次逼近寄存器(SAR)ADC主路径和比较器冗余路径。

在成本和功耗方面，具有冗余测量路径可能是昂贵的。可能需要降低冗余测量路径的准确度以降低成本和功耗。比较器可以用作冗余路径，因为比较器通常可以使用比ADC少的数量的部件或电流来设计。

由于因温度变化或材料老化效应引起的比较器准确度随时间漂移，冗余路径的总体准确度同样降低。在某些应用中，特别是在安全关键应用中，期望严格约束可允许的漂移，以确保冗余电路比较结果的完整性。用于比较器电路的常用校准技术涉及复杂的电路系统和麻烦的方法，这些方法使用例如SAR搜索算法来准确地确定比较器何时越过已知电压。

二进制搜索算法通常将已知的固定电压施加到比较器的一个输入端，并且将数模转换器(DAC)输出施加到另一个输入端。扫描DAC直到比较器改变状态。在检测到比较器输出状态改变之后，将DAC的输出电压与固定输入电压进行比较，以确定比较器的准确度。当误差已知时，可以调整比较器以补偿误差。实际上，采用这种类型的SAR型搜索算法用于校准或诊断目的的架构耗时且难以实施。

因此，期望具有可以诊断和提高比较器的性能的系统和方法，而无需用于扫描DAC电压的SAR校准例程的不必要复杂实施。

附图说明

将参考本发明的实施例，附图中可以展示这些实施例的示例。这些附图旨在为说明性的，并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的背景下描述了本发明，但是应当理解的是，其不旨在将本发明的范围限制于这些具体实施例。

图(“图”)1是展示了根据本披露的各种实施例的模拟前端电路的功能框图，该模拟前端电路包括利用比较器校准路径的比较器诊断电路。

图2是展示了利用图1中的模拟前端电路中的比较器准确度路径的比较器诊断电路的功能框图。

图3是展示了根据本披露的各种实施例的包括比较器诊断电路的示例性系统的功能框图。

图4是根据本披露的各种实施例的用于比较器诊断的说明性过程的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而将明显的是，本领域的技术人员可以在不具有这些细节的情况下实践本发明。此外，本领域的技术人员将认识到，以下所描述的本发明的实施例可以在有形计算机可读介质上以诸如过程、设备、系统、装置或方法等各种方式实施。

在图中示出的部件或模块展示了本发明的示例性实施例并且意在避免模糊本发明。还应理解的是，贯穿本讨论，部件可以被描述为可以包括子单元的单独的功能单元，但是本领域技术人员将认识到的是，各种部件或其多个部分可以被分成单独的部件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或部件中。应注意的是，本文所讨论的功能或操作可以被实施为部件。部件可以以软件、硬件、或其组合来实施。

此外，附图内的部件或系统之间的连接不旨在局限于直接连接。相反，这些部件之间的数据可以通过中间部件进行修改、重新格式化或以其他方式改变。而且，可以使用附加的连接或更少的连接。还应注意的是，术语“耦合(coupled)”、“连接(connected)”或“通信地耦合(communicatively coupled)”应被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间装置的间接连接、以及无线连接。

在本说明书中，对“一个实施例(one embodiment)”、“优选实施例(preferredembodiment)”、“实施例(an embodiment)”、或“多个实施例(embodiments)”的引用意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中并且可以在多于一个实施例中。而且，在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定都是指同一个实施例或多个实施例。

在本说明书中的不同地方使用某些术语是用于说明并且不应被解释为限制。服务、功能或资源不限于单个服务、功能或资源；对这些术语的使用可以指可以是分散的或聚集的一组相关服务、功能或资源。此外，对存储器、数据库、信息库、数据存储设备、表、硬件等的使用可以在本文中用于指可以将信息输入或以其他方式记录到其中的一个或多个系统组件。

此外，应当注意的是，虽然本文描述的实施例是在前端放大器的背景下给出的，但是本领域技术人员将认识到，本披露的教导不限于前端放大器应用，并且同样可以用于涉及将从本披露的校准系统和方法中受益的比较器的其他电路架构中。

图1是展示了根据本披露各种实施例的模拟前端电路的功能框图，该模拟前端电路包括利用比较器校准路径的比较器诊断电路。在实施例中，电路100包括比较器102、前置放大器104，模数转换器(ADC)106、数模转换器(DAC)110、参考缓冲器112、数据寄存器120、放大器130、复用器150和标准ADC路径190。在实施例中，电路100可以包括开关176，该开关可以用于将前置放大器104与比较器120解耦，例如以执行校准操作。在实施例中，在配置100中的比较器校准路径118包括参考电压缓冲器112、放大器130、前置放大器104、包含开关160、162的复用器150、以及ADC 106。

参考缓冲器112可以是嵌入到电路100中或在电路100外部的模拟电压源。在实施例中，参考缓冲器112可以创建在诊断阶段可以用作ADC 106和放大器130的参考信号的已知的固定模拟电压(例如，2.307V)。另外，参考电压缓冲器112可以用作DAC 110的全刻度参考。

寄存器120可以是用户定义的数据寄存器，在实施例中，该用户定义的数据寄存器可以被预编程为提供给DAC 110的特定值，例如数字输入字或代码。DAC110可以被实施为例如10位DAC，该DAC在其输入端处接收来自寄存器120的值并将该值转换为模拟电压，该模拟电压对应于数字输入并且根据参考112的全刻度而被缩放，即分压。然后可以将由DAC 110生成的模拟电压提供给前置放大器104的输入端108。在实施例中，前置放大器104的输入107、108可以各自具有不同的增益。

ADC 106可以被实施为例如12位基于SAR的ADC，该ADC使用可以由温度补偿的精确电压源(未示出)生成的参考电压。在实施例中，ADC 106可以由电压源供电，并且可以被配置用于例如经由复用器150接收比较器前置放大器104的输出电压，以生成其模拟输入的数字表示。复用器150可以用于例如经由开关162将前置放大器104的输出电压复用到ADC106。

在操作中，例如在校准阶段，开关176可以是打开的，使得比较器102不电耦合至前置放大器104。类似地，开关160可以是打开的，使得ADC 106不经由标准ADC路径190接收信号。在实施例中，当电路100以如图1中所示的配置进行操作时，可以将前置放大器104的模拟输出电压提供给可以将模拟电压转换为数字测量值的ADC 106的输入端，该数字测量值可以被存储在例如寄存器(未示出)中并且可以根据需要进行进一步处理。

在实施例中，寄存器120可以用于对DAC 110进行编程以输出参考值，该参考值在乘以前置放大器104的输入增益108时理想地等于放大器130的输出值乘以前置放大器104的输入增益107。在实施例中，从多个预定参考值中选择参考值，该多个预定参考值对应于由参考缓冲器112生成的可以被设置为已知电压的电压，例如2.307V。

作为示例，图1中的放大器130被示出为具有为1的增益，该增益由前置放大器104放大6倍并被馈送至前置放大器104的第一输入端。类似地，DAC 110的输出电压可以被缩放，使得当该输出电压在被馈送至前置放大器104的第二输入端之前乘以13时，前置放大器104的两个输入都呈现相同的值，使得理想地是它们组合以彼此抵消。因此，前置放大器104输出已知的零。

实际上，前置放大器104的差分输出将稳定至非零值，该非零值呈现可以由比较器校准路径118中的ADC 106例如在前置放大器104的输出端处测量的误差。

在实施例中，比较器校准路径118在前置放大器104与ADC 106之间建立连接，该连接可以例如针对预定的规范值来测量和验证比较器102的功能。另外，ADC 106可以用于验证比较器102是否根据指定值进行操作。如将参考图2更详细地讨论的那样，在实施例中，所测得的误差可以被存储在例如寄存器120中，并用于调整比较器102的上限阈值电压电平和下限阈值电压电平的值。在实施例中，可以基于所测得的误差来校准包括比较器102的比较器测量路径。有利地，ADC 106可以在ADC 106可以以其他方式处于空闲状态的时间段期间被使用。一旦ADC 106例如在比较器102的输入端处完成电压测量以确定测量误差，ADC 106和参考电压缓冲器112就可以与前置放大器104解耦，例如，以恢复常规操作。

理解的是，图1中展示的比较器诊断电路不限于那里示出或所附文本中描述的结构细节。例如，放大器130可以具有例如全刻度的6/13的非单位增益，使得5V差分输入信号可以衰减到可用作参考电压的2.307V，以用于与DAC 110的在图1为全刻度的6/13的输出电压进行比较。另外，如本领域技术人员将理解的，ADC 106可以由任何合适的测量部件(诸如，第二比较器)替换。类似地，比较器102可以由另一个ADC替换。

图2是展示了利用图1中的模拟前端电路中的比较器测量路径的比较器诊断电路的功能框图。为了清晰起见，与图1所示部件类似的部件以相同方式标记。为了简洁的目的，描述或所述部件的功能此处不予赘述。

在实施例中，包括ADC 106的比较器校准路径118比包括比较器102的比较器测量路径216更准确。在实施例中，比较器102可以是模拟比较器，该模拟比较器接收来自前置放大器104的输出端的差分信号，并且生成指示两个输入信号之间的差异的信号。应注意的是，连接270可以是内部连接，在实施例中，该内部链接用于校准比较器102，如以上参考图1所讨论的。

在实施例中，一旦确定了比较器校准路径118中的误差，例如，如通过使用图1中的配置所测量的，则例如在测量阶段可以使用该结果来消除比较器测量路径216中的大部分或全部误差。在实施例中，这可以通过根据误差调整寄存器120中的用户定义的参考值以便约束比较器102的限制来实现。因此，两个独立路径118、216一起启用一组冗余检查(例如，作为安全诊断)，在实施例中，该组冗余检查使用比较器102的已知误差来检查和校准比较器测量路径216，例如，以加强规范，如接下来所讨论的。

具体而言，在正常操作中，图2中的开关160是闭合的，使得ADC 106可以例如经由标准ADC路径190中的MUX 150接收信号。另外，开关176可以是闭合的，以便将比较器102耦合至前置放大器104以形成比较器测量路径216，在实施例中，该比较器测量路径可以包括参考电压缓冲器112、DAC 110、可以被配置用于例如从电池单元(未示出)接收输入电压的放大器130、比较器102以及可以用于利用差分信号来驱动比较器102的前置放大器104。

在实施例中，前置放大器104驱动比较器102并在其一个输入端接收放大器130的输出电压，并在其第二输入端接收由DAC 110生成的参考电压值。前置放大器104将为例如6的增益因子施加至第一输入端并将为例如13的增益因子施加至第二输入端，并且然后将这两个放大的电压进行相互比较，以便生成被馈送至比较器102的差分输出电压。

在实施例中，比较器测量路径216可以用作主信号路径。在实施例中，除了验证功能之外，ADC 106还可以用于测试比较器102的准确度并且执行按需校准，例如，以满足或超过预定规范值，从而提高比较器102的性能和准确度超出某个初始电气规范。在实施例中，这可以例如在测量序列结束时通过计算比较器测量路径216的误差值来实现，然后该误差值可以用于(例如，手动地)调整比较器102的上限比较器阈值和下限比较器阈值，以便确保阈值反映比较器102的真实性能。

在实施例中，寄存器120可以被设置为例如可以表示过压阈值或欠压阈值的用户定义的参考值。这些阈值可用于定义和触发过压、欠压或部件故障警报。理解的是，应该仔细地选择这些阈值(例如，+/-5DAC代码)，以避免触发错误警报。总的来说，不是如通常在现有设计中所做的那样必须建立额外的安全裕度以解决未知误差，而是使用电路200的输入端处的电压源、寄存器120中的用户定义的阈值、以及已知的残差误差(即，知道前置放大器104从零误差偏离多远)来有利地允许用户对比较器102的边界进行调整，例如，以通过向上或向下校正寄存器120中的阈值来加强规范，使得比较器102可以更密切地跟踪ADC 106。

注意的是，寄存器120中的参考值可以初始地被设置为用户定义的值并且随后自动地改变，例如，以便设置可以用于触发警报的误差限制。在实施例中，可以使用更新的误差限制来例如加强先前指定的比较器102的阈值边界。

作为阈值校正的示例，如果由ADC 106测得的误差是例如正100mV，则可以将寄存器120中的用户定义的阈值向下调整至为负100mV的值以抵消或至少部分地补偿误差以获得比较器102的更准确表示。在实施例中，可以调整存储在寄存器120中的电压值以解决例如由于温度漂移和部件老化而引起的随时间的电位偏移。

在实施例中，可以监视电路100自身的操作以确定正确的电路操作。假设比较器102正确地操作但ADC 106偏离一定量，则ADC 106和比较器102的测量的不一致将指示某些东西可能已在电路100内移位，例如由于某个故障或导致差异的部件的物理缺陷。例如，错误的电压测量落在由ADC表中的值指定的范围之外，使得已知的输入电压导致ADC测量升高，以其他方式将保持未被检测到的差异(例如，在仅利用ADC但没有比较器的电路中)可以由比较器102检测到，该比较器用作可以用于确定两个测量路径之间的偏移或一些部件故障的冗余测量。

理解的是，在实施例中，电路200可以执行其他和/或附加的诊断测量和校准，这些诊断测量和校准可以被组合以验证部件的准确度并校准电路200中的部件。例如，由电路200执行的诊断可以与增益校准诊断组合，该增益校准诊断验证校准正确运行，并且例如ADC 106和放大器130正在如指定的预定范围内操作。

总的来说，结合本文提出的校准和诊断技术使用图1中和图2中的电路促进了诊断工具，该诊断工具可以用于验证和/或提高比较器测量路径216的准确度并且执行附加的诊断测量以对各种电路部件进行故障排除。

实际上，ADC 106用于校准比较器102，并且比较器102用于针对ADC 106进行校准，使得一个电路部件可以用于监测另一电路部件的可操作性和/或准确度，从而彼此校准。将包括例如较不准确且较小功耗(即，较小裸片面积)的比较器102的路径的准确度与包括例如更准确的ADC 106的另一路径的准确度进行比较和校准，从而确定然后可以减小或完全消除以确保ADC测量在比较器102的边界内以及比较器102维持在相对严格的规范内的误差。

注意的是，在实施例中，利用图1和图2中的电路的一种或多种测量技术可以并行地操作。

图3是展示了根据本披露的各种实施例的包括比较器诊断电路的示例性系统的功能框图。在实施例中，系统300包括比较器102、放大器104、DAC 110、放大器130、数字控制306和微处理器308。数字控制306是可以包括控制逻辑、数据寄存器、算术逻辑单元等的控制电路。在实施例中，数字控制306包括可以耦合至微处理器308的一个或多个寄存器。

一旦已经执行了实际上将参考电压切换到比较器信号调节路径中以及从比较器信号调节路径切换出的诊断技术(如以上参考图1和图2所讨论的)，就可以将系统300中的比较器102锁存到数字控制306。

在实施例中，数字控制306可以被配置用于接收、存储以及进一步处理(例如，求平均)由比较器102生成的输出信号。在实施例中，数字控制306可以耦合至作为比较器信号调节路径的一部分的同一ADC(图1中示出的)，使得同一逻辑部件可以有利地用于处理比较器信号和ADC信号两者的双重目的。

在实施例中，电路300被配置用于测量一个或多个输入电压，例如，以监测各自产生其自己的电压的电池单元堆叠。放大器130可以将电池单元的相对高的输入电压转变成可以由电路300处理的相对较低的输出电压。另外，实施例提供增加了安全相关应用中的可用性的冗余。有利地，创建诊断能力并提供冗余的技术的不同性进一步增强了系统可靠性。

本领域技术人员将理解的是，在不脱离本披露的范围的情况下，系统300可以包括附加的和/或不同的元件。例如，系统300可以包括任何数量的比较器电路，每个比较器电路可以经由复用器耦合至数字控制308。

图4是根据本披露的各种实施例的用于比较器诊断的说明性过程的流程图。过程400是验证具有第二路径的电路中的一个路径的准确度诊断，因此提供了冗余和准确度。过程400在步骤402处开始，此时参考电压用于例如在电路启动时生成，作为放大器的第一输入电压。

在步骤404处，使用用户可定义的参考值来向放大器提供第二输入电压。可以选择用户可定义的参考值，以便在放大器的输出端创建已知的“零”状态。

在步骤406处，例如使用ADC来测量放大器的输出，以确定表示比较器校准路径中的测量误差的残差值。在实施例中，比较器可以由例如ADC电路替换。由于要测量的误差通常相对较小——并且理想情况下为零——因此，当在接近零的值下操作时，由于比较器倾向于具有次优的分辨率，因此公共比较器可能不是优选的选择。

最后，在步骤408处，可以调整比较器的阈值边界，诸如以加强一个或多个比较器规范。

注意的是：(1)可以可选地执行某些步骤；(2)步骤可以不限于本文阐述的特定顺序；(3)可以按不同的顺序执行某些步骤；以及(4)可以同时完成某些步骤。

本领域技术人员将认识到的是，没有计算系统或编程语言对于本发明的实践是至关重要的。本领域技术人员还将认识到的是，以上所描述的多个元件可以被物理地和/或功能性地分成多个子模块或组合在一起。

对于本领域技术人员将理解的是，前述示例和实施例是示例性的并且不限于本披露的范围。意图是，在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进都包括在本披露的真实精神和范围内。还应注意的是，可以不同地安排任何权利要求中的元素，从而包括具有多种相关性、配置和组合。

Claims (20)

1.一种用于自校准比较器的模拟前端电路，该电路包括：

比较器测量路径中的比较器；

前置放大器，该前置放大器通过一组开关耦合至该比较器；以及

放大器，该放大器耦合至该前置放大器，该前置放大器接收参考信号作为第一输入以及用户可定义的参考作为第二输入，该用户可定义的参考生成被选择用于在该前置放大器的输出端处创建已知状态的用户可定义的值，该前置放大器确定表示包括该比较器的信号路径中的测量误差并用于调整该用户可定义的参考值以校准该信号路径的残差值，使得可以调整该比较器的阈值边界以加强比较器规范。

2.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：一个或多个开关，该一个或多个开关被配置用于将该前置放大器与该比较器解耦以执行校准操作。

3.根据权利要求1所述的电路，其中，在常规操作中，该参考信号和ADC与该前置放大器解耦。

4.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：生成数字输入字的可编程数据寄存器。

5.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：存储测得误差的寄存器。

6.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：生成该参考信号作为模拟电压的参考电压缓冲器。

7.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：在诊断阶段接收该参考信号的DAC。

8.根据权利要求7所述的电路，其中，该DAC生成该用户可定义的参考。

9.根据权利要求1所述的电路，其中，该用户可定义的值当乘以该前置放大器的第一输入增益时基本上等于该放大器输出乘以该前置放大器的第二输入增益。

10.一种用于自校准模拟前端电路中的比较器的方法，该方法包括：

提供参考作为放大器的第一输入；

提供用户可定义的参考值作为该放大器的第二输入，该用户可定义的参考值被选择用于在前置放大器的输出端处创建已知状态；

测量该前置放大器的输出以确定表示比较器信号路径中的测量误差的残差值；

基于该残差值，调整该用户可定义的参考值以校准该比较器信号路径；以及

改变比较器的阈值边界以收紧该比较器的规范。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，该用户可定义的参考用于定义或触发过压阈值或欠压阈值中的至少一个。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，该用户可定义的参考用于定义或触发部件故障警报。

13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：在常规操作中，将该模拟前端电路中的ADC和该参考与该放大器解耦。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：使用该ADC来测试该比较器的准确度，并执行按需校准以提高比较器准确度和性能。

15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：将该前置放大器与该比较器解耦以执行校准操作。

16.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：将该测量误差存储在寄存器中。

17.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：在诊断阶段，将该参考信号提供给生成该用户可定义的参考的DAC。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，该用户可定义的值当乘以该前置放大器的第一输入增益时基本上等于该放大器输出乘以该前置放大器的第二输入增益。

19.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：使用生成该参考信号作为模拟电压的参考电压缓冲器。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：从初始值自动地改变该用户可定义的参考值。

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