CN111033247B - 用于操作气体传感器装置的方法和气体传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种用于操作气体传感器装置的方法包括：借助于气体传感器(11)产生传感器电流(IR)；根据第一时钟信号(CLK1)在电荷平衡操作中将传感器电流(IR)转换成数字比较器输出信号(LOUT)。根据数字比较器输出信号(LOUT)并且根据第一时钟信号(CLK1)确定包括计数的整数数量的异步计数(C1)。此外，根据数字输出信号(ADC‑COUNT)确定取决于第二时钟信号(CLK2)的分数时间计数(C2)。最后，根据异步计数(C1)和分数时间计数(C2)计算数字输出信号(ADC‑COUNT)。所述数字输出信号(ADC‑COUNT)指示气体传感器(11)产生的传感器电流(IR)。

Description

用于操作气体传感器装置的方法和气体传感器装置

本发明涉及用于操作气体传感器装置的方法和气体传感器装置。

气体传感器用于空气质量的监测、安全或控制以及其他传感器应用。在电阻式气体传感器中，半导体材料暴露于气体中，使得传感器中的电阻在其与所监测的气体接触时降低或增加。采用专用的测量前端来估计传感器的输出信号。输出信号可以是由前端估计的传感器电流或电压，用以推断出电阻式气体传感器的电阻或电阻变化，并进一步确定气体包括的成分。测量前端经常受到温度漂移和过程参数(诸如参考电压、参考电阻等)的不准确性的影响。此外，在大的测量范围(包括低和高电阻)应该确保传感器读取的准确性和可靠性。

本发明的目的是提供用于操作气体传感器装置的方法和允许扩展和可调整测量范围的气体传感器装置。

这些目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了其他改进和实施例。

应当理解，下文中关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用、或者与下文中描述的其他特征结合使用，并且还可以与实施例中任何其他的一个或更多个特征、或者实施例的任何其他的任何组合结合使用，除非明确描述为替代方案。此外，在不脱离如所附权利要求限定的用于操作气体传感器装置的方法和气体传感器装置的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等同和修改。

以下涉及气体感测领域中的改进构思。改进构思提供用于实现气体传感器手段和用于操作气体传感器装置的方法。该气体传感器装置可以包括测量前端(例如实现为一阶调制器或在两个已知电压阈值之间积分的连续时间积分器)。可以存在下阈值和上阈值。每当调制器积分直到上阈值时，触发比较器。比较器触发可以减去将调制器的输出带到下阈值的预定电压。然后，积分器再次开始积分。

积分器的输出能够由根据传感器电阻的量值(例如，由气体传感器电阻确定的信号电流)的异步输出提供。比较器还可以触发提供计数值的计数器。积分的斜率取决于信号电流并且能够使计数是流过气体传感器的电流的直接测量值，并因此测量用于固定积分时间的传感器电阻。

通常，能够执行多个积分周期。然而，第一积分周期可以从不确定的起始电压开始。为了将第一积分周期与其他周期区分，可以考虑第一计数误差。此外，最后一个积分周期可以在有限的积分时间完成之前终止。最后一个不完整积分周期可以导致称为剩余计数误差的误差，所述误差可以通过分数计数考虑。例如，借助高速时钟利用第二计数器的输出能够用于测量积分时段。为了去除归因于可能由不适当初始化引起的第一计数误差的误差并且还考虑可能不包括在计数器输出中的剩余信号，能够利用分数计数补偿整数计数值。

例如，本发明构思采用电阻式气体传感器，所述电阻式气体传感器具有参考电阻器和传感器电阻器的串联电阻。这允许利用(1/x)压缩方式压缩传感器电流范围。比例计算方法减少了对过程参数的绝对准确性、温度漂移以及寿命降低的要求。

在至少一个实施例中，用于操作气体传感器装置的方法包括以下步骤。所述方法可以由配备有气体传感器(诸如电阻式气体传感器)的测量前端来执行，如下面进一步详细所述的。

首先，借助于气体传感器产生传感器电流。根据第一时钟信号在电荷平衡操作中将传感器电流转换成数字比较器输出信号。根据数字比较器输出信号确定异步计数。异步计数包括根据第一时钟信号的计数的整数数量。另外，根据第二时钟信号由数字比较器输出信号确定分数时间计数。最后，根据异步计数和分数时间计数计算指示气体传感器产生的传感器电流的数字输出信号。

然后，例如能够根据数字输出信号和气体传感器的激励电压计算电阻和/或电阻变化。实际上，所提出的构思能够与气体传感器对接(诸如具有1kΩ到1GΩ的动态范围、即十进制7个级数范围的电阻式气体传感器)。能够利用对单个和多个范围的可编程增益设置来缩放或调整所提出的构思，以实现更高的电阻范围。通过比例测量能够实现计算，并且有助于抵消归因于诸如V_force、T_int、C_ref、V_ref以及R_ref的过程参数引起的误差和参考温度漂移。本质上，本发明构思允许在功能操作中检测传感器断开。传感器激励例如借助于激励电压可以是恒定的。最后，能够以低的功率和面积要求实现所述构思。

在至少一个实施例中，传感器电流在积分时间期间被积分到一个或更多个参考电荷包中。电荷包的检测确定积分周期。例如，从起始状态到结束状态累积电荷。在该过程中累积的电荷能够认为是电荷包。第一时钟信号用于在积分时间期间计数多个参考电荷包。异步计数由根据第一时钟信号计数的电荷包数量确定。

在至少一个实施例中，由根据第二时钟信号通过测量异步计数中相邻计数之间的时间计数来确定积分周期。例如，在时间段中测量计数并且时间计数是所述时间段的指示。

在至少一个实施例中，当已经确定计数时，复位时间计数。

在至少一个实施例中，第一积分周期的时间段被确定为第一积分时段。第一积分时间段由指示第一积分周期起始的第一时间戳和指示异步计数中的第一计数时间的第二时间戳确定。

在至少一个实施例中，一个或更多个完整积分时段的时间段被确定为完整积分时段。例如，可以将完整积分时段认为是异步计数中的两个相邻计数之间的任何时间段。例如，完整积分时段由指示异步计数中的计数的第三时间戳和指示异步计数中的相邻计数的第四时间戳确定。

在至少一个实施例中，确定多于一个的完整积分时段。根据确定的完整积分时段确定平均完整积分时段。

在至少一个实施例中，在最后一个完整积分周期和积分结束之间的时间段被确定为剩余时间段。剩余积分时段由指示异步计数中的最后一个计数的时间戳和指示积分结束的时间戳确定，即由于积分时间已运行过而信号采集终止时。

在至少一个实施例中，通过计算第一分数计数来考虑第一计数误差。第一分数计数基于第一个积分时段和完整积分时段。第一分数计数是在第一积分周期期间由气体传感器产生的传感器电流的测量值。

在至少一个实施例中，通过计算第二分数计数来考虑剩余计数误差。第二分数计数基于最后一个积分时段、完整积分时段以及剩余时间段。完整积分时段可以是指示完整积分周期的时间的任何时段。例如，完整积分时段是指最后一个完整积分周期的时段。第二分数计数是在最后一个积分周期期间由气体传感器产生的传感器电流的测量值。

在至少一个实施例中，数字比较器输出信号借助于锁存比较器产生。通过计算多于一个完整积分时段的平均积分时段来考虑比较器锁存器同步误差。平均积分时段是在数字比较器输出信号中由锁存比较器引入的调制的测量值。

在至少一个实施例中，使用平均积分时段替代单个完整积分时段(例如，最后一个完整积分时段)。平均积分时段用于校正第一计数误差、剩余计数误差和/或比较器锁存器同步误差。

在至少一个实施例中，基于一个或更多个完整积分时段和/或平均积分时段，数字输出信号包括基于异步计数以及第一和第二分数计数的总和。

在至少一个实施例中，气体传感器包括至少一个参考电阻器和传感器电阻器，所述至少一个参考电阻器和传感器电阻器分别具有参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor。此外，所述方法以传感器相位和参考相位操作执行。在传感器相位，气体传感器根据参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor的组合电阻值产生传感器电流。传感器相位的数字输出信号指示在传感器相位由气体传感器产生的传感器电流。在参考相位，气体传感器根据至少一个参考电阻R_ref产生传感器电流。参考相位的数字输出信号指示气体传感器在参考相位产生的传感器电流。

例如，参考电阻器和传感器电阻器串联连接并且能够切换，使得传感器电流由参考电阻器R_ref和传感器电阻器R_sensor的组合电阻值确定或者由参考电阻R_ref限定。此外，还可以提供多于一个参考电阻器。可以串联连接更多参考电阻器并且能够提供开关来选择性地施加其组合电阻以影响传感器电流。以此方式，能够实现多个测量范围。

在至少一个实施例中，参考相位的积分时间T_int,r和传感器相位的积分时间T_int,s能够彼此独立地选择。积分时间的值可以相同或彼此不同。实际值能够鉴于系统优化来选择。

在至少一个实施例中，气体传感器装置包括模数转换器装置和信号处理单元。模数转换器装置包括用于连接气体传感器的传感器输入和用于提供数字比较器输出信号的结果输出。信号处理单元连接到模数转换器的结果输出。

在操作期间，模数转换器根据第一时钟信号执行电荷平衡操作。模数转换器适于将由气体传感器产生的传感器电流转换成数字比较器输出信号。信号处理单元适于根据数字比较器输出信号确定包括异步计数和分数时间计数的数字输出信号。异步计数包括根据第一时钟信号的计数的整数数量。分数时间计数根据第二时钟信号。数字输出信号指示由气体传感器产生的传感器电流。

在至少一个实施例中，信号处理单元包括第一计数器、第二计数器以及逻辑/计算引擎。第一计数器具有连接到结果输出的第一时钟输入并且包括第一复位输入。第二计数器包括第二时钟输入和第二复位输入。逻辑/计算引擎包括分别连接到第一计数器的第一计数器输出和第二计数器的第二计数器输出的计算输入。

在操作期间，第一计数器在第一时钟输入处接收第一时钟信号并根据第一时钟信号产生异步计数。第二计数器在第二时钟输入处接收第二时钟信号并根据第二时钟信号产生时间计数。最后，逻辑/计算引擎接收异步计数和时间计数，并且根据异步计数和时间计数重新计算数字输出信号。

在至少一个实施例中，气体传感器包括至少一个参考电阻器和传感器电阻器，所述至少一个参考电阻器和传感器电阻器分别具有参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor。在传感器相位，气体传感器布置成根据参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor的组合电阻值产生传感器电流。在参考相位，气体传感器布置成根据至少一个参考电阻R_ref产生传感器电流。

在至少一个实施例中，模数转换器装置包括提供数字比较器输出信号的锁存比较器。此外，信号处理单元适于确定平均积分时段，以校正数字比较器输出信号中的调制。

气体传感器装置的其他实施方式可以容易地根据用于操作气体传感器装置的方法的各种实施方式和实施例中得出，反之亦然。

在下文中，结合示出了示例性实施例的附图进一步详细地描述了上面提出的原理。

在下面的示例性实施例和附图中，相似或相同的元件均可以设置有相同的附图标记。然而，附图中示出的元件及其相互之间的尺寸关系不应视为真实比例。相反，诸如层、部件以及区域的各个元素可以扩大，以能够更好地说明或改善理解。

图1示出了气体传感器装置的实施例，

图2示出了根据图1的气体传感器装置的实施例的信号时序图，

图3示出了气体传感器的实施例，以及

图4示出了气体传感器的另一个实施例。

图1示出了气体传感器装置10的实施例。气体传感器装置10包括气体传感器11和模数转换器装置12(在下文中简称转换器)。此外，气体传感器装置10包括信号处理单元40。转换器12和信号处理单元40组合成气体传感器装置10，所述气体传感器装置可以设计为集成电路。气体传感器11能够作为外部部件连接到该集成电路，或者可以集成到该集成电路中。在该实施例中，气体传感器11是包括响应于与传感器材料接触的气体中的变化来改变其电阻的材料的电阻式气体传感器。

气体传感器11连接到转换器12的输入14。转换器12包括放大器15，所述放大器具有连接到转换器12的输入14的放大器输入16。在该实施例中，放大器输入16实现为反相输入。放大器15包括例如设计为非反相输入的另一放大器输入17。气体传感器11将转换器装置12的输入14连接到参考电位端子19。第一偏置源18将另一放大器输入17耦接到参考电位端子19。转换器12的积分电容器20将放大器输入16连接到放大器15的放大器输出21。

转换器12包括比较器22，所述比较器具有连接到放大器输出21的比较器输入23。例如，比较器输入23实现为非反向输入。例如，比较器22的另一比较器输入24设计为反向输入。参考电压源25将另一比较器输入24连接到参考电位端子19。比较器22的输出连接到数字控制电路26。数字控制电路26包括控制输入27和控制逻辑以及一个或更多个时钟发生器。

此外，转换器12包括参考电容器29。参考电容器29经由转换器装置12的参考开关30耦合到转换器12的输入14。因此，参考电容器29借助于参考开关30耦合到放大器输入16。数字控制电路26的控制输出31连接到参考开关30的控制端子。第一偏置源18耦合到参考电容器29。

此外，比较器22能够实现为锁存比较器。比较器22具有连接到锁存器52的第一锁存器输入53的输出。锁存器52包括用于接收第一时钟信号CLK1的第二锁存器输入54。锁存器输出55连接到转换器12的结果输出28和数字控制电路26。

信号处理单元40连接到转换器12的结果输出28。信号处理单元40还包括第一计数器41、第二计数器42以及逻辑/计算引擎50。第一计数器41具有连接到结果输出28的第一时钟输入43。此外，第一计数器41具有第一复位输入44。类似地，第二计数器42具有第二时钟输入45和第二复位输入46。第一计数器41的第一计数器输出47和第二计数器42的第二计数器输出48均连接到逻辑/计算引擎50的计算输入49。最后，逻辑/计算引擎50包括计算输出51。信号处理单元40能够至少部分地实现为微控制器。

通过将输入控制信号ADC_ON和积分时间信号STINT施加到数字控制电路26的控制输入27来初始化传感器信号采集。另外，可以将第一时钟信号CLK1提供给控制输入27。第一时钟信号CLK1能够由时钟发生器(未示出)提供和/或由数字控制电路26产生。优选地，在进行信号采集之前清零气体传感器装置10。当输入控制信号ADC_ON提供给控制输入27时，触发转换器12的操作。第一偏置源18在参考端子VREFIN处向参考电容器29提供放大器参考电压(例如，共模电压VCM)。参考电容器29产生电荷包QREF。电荷包QREF的值根据

Q_ref＝V_ref，in·C_ref，

其中，C_ref是参考电容器29的电容值，并且V_ref,in是放大器参考电压的电压值。通过产生电荷包QREF，气体传感器11被已知的整个信号采集中是恒定的激励电压VFORCE激励。

数字控制电路26将参考开关信号S2提供给参考开关30。参考开关信号S2打开或闭合参考开关30。在闭合参考开关30之后，电荷包QREF被施加到积分节点32。此外，通过将复位信号SRESET分别施加到第一和第二复位输入44、46来复位第一和第二计数器41、42。例如，借助于数字控制电路26可以发出复位信号SRESET。

根据输入控制信号ADC_ON并且在气体传感器装置10被设置或清零到初始状态之后，信号采集开始并且气体传感器11产生传感器电流IR。该电流值取决于气体传感器11的电阻，所述电阻受到与传感器材料接触的气体的影响。传感器电流IR被施加到转换器12的输入14。气体传感器11、放大器输入16以及积分电容器20均连接到积分节点32。同样，参考电容器29经由参考开关30耦合到积分节点32。因此，传感器电流IR以正值从积分节点32流到参考电位端子19。输入电压VFORCE在放大器输入16处被分接，并因此也在积分节点32处被分接。输入电压与激励电压对应。第一偏置源18将共模电压VCM提供给另一放大器输入17。放大器参考电压Vref1由参考电压Vref,in和电容器20、29的电容量的比率确定(例如，Vref1＝Cref/Cint·Vref,in)。放大器15在放大器输出21处产生输出电压VOUT。

在参考开关30打开的情况下，在积分电容器20上积分传感器电流IR。输出电压VOUT随时间t的变化而上升

其中，I_R是传感器电流值，并且C_INT表示积分电容器20的电容值。

放大器15的输出电压VOUT被施加到比较器输入23。参考电压源25产生偏置电压VREF2，所述偏置电压然后作为比较器参考施加到另一个比较器输入24。例如，放大器参考电压Vref1和比较器参考电压Vref2构成用于使用测量前端进行信号采集的下阈值和上阈值。比较器22根据输出信号VOUT和比较器参考电压VREF2的值产生比较器输出信号LOUT。如果输出电压VOUT大于比较器参考电压VREF2，则比较器输出信号LOUT具有第一逻辑值，并且如果输出电压VOUT小于比较器参考电压VREF2，则比较器输出信号LOUT具有第二逻辑值。比较器输出信号LOUT被提供给数字控制电路26。

在实现锁存器的情况下，比较器22和锁存器52可以操作为锁存比较器。锁存器52仅在由第一时钟信号CLK1限定的特定情况下输出比较器输出信号LOUT。由于第一时钟信号CLK1，锁存比较器仅在CLK1的特定间隔处将放大器15的输出电压VOUT与偏置电压VREF2比较。

在信号采集期间，信号处理单元40对比较器输出信号LOUT的脉冲计数。基本上，计数是由第一计数器41完成。可以将转换器12和第一计数器41一起认为是产生异步计数COUNT-1或在下文中简称C1的一阶调制器。异步计数C1与在积分电容器20上积分的传感器电流IR直接成正比。然而，这仅在误差容限内是正确的。如将结合图2更详细地讨论的，异步计数C1容易出错，该出错由信号处理单元40考虑。第一计数器41提供异步计数C1。然而，该计数仅包括单独计数的整数数量。

可以认为第二计数器42是在第二时钟输入45处接收的第二时钟信号CLK2下操作的自由运行计数器。第二时钟信号CLK2可以由时钟发生器(未示出)和/或数字控制电路26提供。通过在第二复位输入46处接收比较器输出信号LOUT来复位第二计数器42。第二计数器42产生时间计数COUNT-2，或在下文中简称C2，所述第二计数器解析在异步计数C1中的相邻时段或时间间隔之间的时间段。优选地，当与第一时钟信号CLK2相比时，第二时钟信号CLK2以更高的频率实现。例如，第一时钟信号CLK1具有频率737kHz的矩形函数，第二时钟信号CLK2具有频率2MHz的矩形函数。

逻辑/计算引擎50在计算输入49处接收异步计数C1和时间计数C2两者。逻辑/计算引擎50使用这两个计数C1和C2来产生能够用于解释各种误差的分数计数的C-ERROR，在下文中简称CE。下面将结合图2讨论更多细节。最后，逻辑/计算引擎50提供数字输出信号ADC-COUNT，所述数字输出信号解释了上述误差，并且为了更高的准确性，与测量的传感器电流IR成比例。换言之，逻辑/计算引擎50产生数字输出信号ADC-COUNT，所述数字输出信号能够表示为

ADC-COUNT＝C1+CE＝C1+CE(C1，C2)，

其中，术语CE(C1，C2)指示分数计数CE随计数C1和C2两者变化。

在积分时间结束之后，数字控制电路26不仅初始化而且终止信号采集。根据积分时间信号STINT，在数字控制电路26处设置积分时间。

图2示出了根据图1的气体传感器装置的实施例的信号时序图。该附图示出了气体传感器装置11的不同信号和操作。描述了第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2。时钟信号实现为频率分别为737kHz和2MHz的矩形函数。这些值应该仅被认为是示例并且不限于这些确切值。通常，选择第一时钟信号CLK1的频率低于第二时钟信号CLK2的频率。此外，该附图示出了放大器15的输出电压VOUT。最后，图2示出了异步计数C1和时间计数C2。信号表示为随时间t变化。因为信号采集进行特定的积分时间TINT，所以示出积分时间作为参考。

操作的基本原理依赖于电荷平衡转换器的构思。转换器12收集通过多个步骤转换成计数的传感器电流IR。理想地，在积分时间TINT期间测量的计数C1的数量是传感器电流IR的直接测量值。所得的异步计数C1利用能够从时间计数C2导出的各种误差估计补偿。

基本操作原理通过如图1讨论的气体传感器装置的各个部件实现。转换器12设计为电荷平衡转换器，并且用于将传感器电流IR转换成以数字输出信号ADC-COUNT形式的数字计数。传感器电流IR在积分节点32处积分，并且积分电容器20产生输入电压VFORCE。如果积分到积分电容器20中的电荷大于单位电荷包QREF，则积分电容器20上的电荷将减少一个单位电荷包，并且计数器40将增加一个逻辑值。积分时间信号STINT确定积分时间TINT。通过在积分时间TINT期间积分传感器电流IR，异步计数C1得出由气体传感器11产生的传感器电流的测量值。积分时间TINT例如可以是100ms。积分时间TINT可以是第一时钟信号CLK1的时段的倍数。在该实施例中，比较器参考电压是恒定的，并且其值由偏置电压VREF2确定。

示例性的测量周期可以涉及以下步骤。最初，当输入控制信号ADC_ON为低时，复位转换器12。复位转换器12还会涉及清零气体传感器11；并且清零积分电容器20。放大器VOUT的输出被复位到低于VREF的预定电压。例如，基于测量前端的增益设置确定该预定电压值。

结果，比较器输出信号LOUT为低。参考电容器29利用电荷包QREF充电并与积分节点32断开。清零第一和第二计数器41、42，使得在计算输出51处的数字输出信号为0。施加到参考开关30的第二参考开关信号S2为低。

在复位转换器之后，通过将输入控制信号ADC_ON从低设置为高能够初始化信号采集。在转换器12开始操作的同时，积分时间信号STINT从低转变为高。气体传感器11利用激励电压VFORCE激励并且产生传感器电流IR。所述电流被由放大器15和积分电容器20形成的积分器积分。在积分期间，传感器电流IR在积分节点32处积分，并且输出电压VOUT斜升。比较器22监控积分器的输出电压VOUT，所述输出电压是放大器15的输出电压VOUT。当输出电压VOUT大于比较器参考电压时，比较器输出信号LOUT为高，并且电荷包Qref＝V_ref，in·C_ref被释放到积分节点32中。在第一计数器41处接收输出信号LOUT，并且异步计数C1增加一个计数。

在电荷释放之后，输出电压VOUT以值V_ref，in·C_ref/C_int减小。输出电压VOUT返回到低、即返回到低于上述VREF的预定电压，并且低于比较器参考电压并再次斜升。电荷包电路29与积分节点32断开并返回到重新充电模式。释放的数量N增加了一个计数。输出电压VOUT在放大器参考电压VREF1和比较器参考电压VREF2之间摆动。该过程的特征在于，电荷释放时段CDP并将重复直到经过积分时间TINT并且信号STINT从高转变为低为止。在积分时间TINT期间，信号STINT为高，第一计数器41累加数量计数。计数器值C1等于释放的数量N，并且提供传感器电流IR的第一测量值。异步计数C1等于由第一计数器41计数的释放的数量N，即电荷释放的数量N等于由积分时间TINT限定的时段内产生的转换器12的第一计数器41的计数。然而，异步计数C1可以不直接与传感器电流IR成正比。许多误差源可以影响传感器电流IR转换成以数字输出信号ADC-COUNT形式的数字计数的准确性。图2示出可以导致误差的两个来源。

在信号积分结束时，积分时间信号STINT从高转变为低。这使输出电压VOUT中断斜升到小于比较器参考电压的值。如果不采取额外的步骤，不完整积分的信息不包括到异步计数C1中，并因此不包括到数字输出信号ADC-COUNT中。在积分时间终止之后，剩余电荷QRES保留。换言之，转换器12的最后一个不完整积分周期在异步计数C1中引入了测量误差。随着计数值减少，误差的量值增加越来越多。例如，这会阻碍从低计数值获得准确测量值。在下文中将该误差称为剩余计数误差RCE。

另一个误差源可以归因于复位期间转换器的不完全初始化。第一个周期的积分不总是从期望的值开始。这种不确定性也会在异步计数C1中引入测量误差。尤其是如果寻求准确的信息，则校正该结果(在下文中称为第一计数误差FCE)会是有益的。

通过产生分数计数能够考虑各种误差。因为分数计数不符合完整的整数计数，所以分数计数位于0到1之间。实际上，完整的计数被添加到异步计数C1中。分数计数能够通过使用第二计数器42确定。第二计数器42在第二时钟输入45处接收第二时钟信号CLK2。每当完整的电荷释放时段CDP完成时，经由第二复位输入46复位时间计数C2。第二计数器42解析在异步计数C1中的相邻计数之间的时间段。换言之，每当积分周期完成并且电荷释放时，释放的数量N通过第一计数器41在异步计数C1中增加一个计数。第二计数器42产生时间计数C2，所述时间计数是确定相应积分周期的时间段或持续时间的数字值。

最后一个积分周期从某个时间戳tR4开始，所述时间戳通过在异步计数C1中产生计数来限定(参见附图中的圆圈C1)。如上所述，积分周期通过复位转换器12再次开始。然而，在这种情况下积分在另一个完整的电荷释放时段CDP完成之前终止。这能够通过另一个时间戳tR5表征。在两个时间戳之间的差限定了在时间计数C2中的剩余时间段C2_L。剩余时间段C2_L由随第二时钟信号CLK2变化的第二计数C2确定。该剩余时间段C2_L被提供给逻辑/计算引擎50的计算输入49。

此外，第二计数器42确定一个或更多个完整积分时段C2_P，所述完整积分时段由指示异步计数C1中的连续计数的连续时间戳tR3、tR4限定。在两个连续时间戳之间的差限定了时间计数C2中的完整积分时段C2_P。完整积分时段C2_P由随第二时钟信号CLK2变化的第二计数器C2确定。

类似地，可以将开始时间戳tR1限定为第一积分被初始化(例如，借助于输入控制信号ADC_ON)的时刻。第一积分周期可以在完整电荷释放时段CDP完成之前通过电荷释放终止(参见附图中的圆圈C2)。该第一积分周期完成的时刻能够通过另一个时间戳tR2表征。在前两个连续时间戳tR1、tR2之间的差限定了时间计数C2中的第一积分时段C2_F。第一积分时段C2_F由随第二时钟信号CLK2变化的第二计数器C2确定。

第一积分时间段C2_F、一个或更多个完整积分时间段C2_P以及剩余时间段C2_L被提供给逻辑/计算引擎50。逻辑/计算引擎50包括诸如控制逻辑或微控制器之类的装置，用以支撑包括特征时段C2_F、C2_P以及C2_L的时间计数C2并根据时间计数C2计算误差估计。

通过计算剩余信号估计并将结果添加到第一计数器41的异步计数C1来校正剩余计数误差RCE。剩余信号估计能够近似为剩余时间段C2_L除以完整积分时段C2_P。因此，能够对数字输出信号ADC-COUNT校正剩余计数误差RCE并得出值

其中，C1、C2_L、C2_P分别是异步计数C1、剩余时间段C2_L以及完整积分时间段C2_P的值。例如，完整积分时段C2_P可以是完整积分周期的任何时间段，诸如最后一个。完整积分时段C2_P可以用平均积分时段C2_A交换。

基于由逻辑/计算引擎50确定的第一积分时段C2_F和完整积分时段C2_P，能够考虑第一计数误差FCE计算另一个分数计数。第一计数误差估计是基于这样的事实，借助于转换器对于给定的传感器电流IR的积分可以近似为线性的。因此，两个不完整时段C2_L和C2_F的总和可以由一个完整的积分时段C2_P校正，以得出

例如，完整积分时段C2_P可以再次是完整积分时段的任何时间段，诸如最后一个。完整积分时段C2_P可以用平均积分时段C2_A交换。

剩余计数误差RCE和第一计数误差FCE的估计能够用于考虑两个误差源的数字输出信号ADC-COUNT。然后数字输出信号ADC-COUNT由下式给出

可以将完整积分时段C2_P确定为在积分时间用完和终止测量之前的最后一个完整积分时段C2_P。然而，在第一积分时段C2_F和剩余时段C2_L中间的完整积分周期的任何完整积分时段能够用于确定最后一个完整积分时段C2_P。

可替代地，能够使用多于一个或所有完整积分时段来确定平均积分时段C2_A。在这种情况下，逻辑/计算引擎50设计成确定多于一个或所有完整积分时段并且包括用于计算平均完整积分时段C2_P的装置。然后将平均积分时段C2_A限定为用于计算误差估计的完整积分时段C2_P。因此，

图3示出了电阻式气体传感器的实施例。气体传感器表示为串联连接并连接到电路节点34的传感器电阻器Rsensor和参考电阻器Rref。所述电路节点分别连接到输入14和参考开关30。对应的电阻值分别表示为R_sensor和R_ref。在传感器电阻器Rsensor和参考电阻器Rref之间的另一个电路节点35连接到相位控制开关33。借助于参考开关信号S2能够操作相位控制开关36。

气体传感器装置10能够以两个不同的相位操作：传感器相位S和参考相位R。在每个相位R、S，能够执行结合图2所述的信号采集。这涉及上面讨论的信号的时序，并导致传感器相位S的表示为ADC-COUNT(S)的数字输出信号和参考相R的表示为ADC-COUNT(R)的数字输出信号。在传感器相位S期间，相位控制开关33打开，即气体传感器11可以由R_sensor+R_ref的总和表示。在参考相位R期间，相位控制开关33闭合，即气体传感器11可以由参考电阻R_ref表示。因此，传感器相位S中的信号采集基于由R_sensor+R_ref限定的表示为I_R(S)的传感器电流。参考相位R中的信号采集基于由R_sensor+R_ref限定的表示为I_R(R)的传感器电流。

传感器相位S的数字输出信号ADC-COUNT为：

其中，C1S是计数值C1，C2S_L是剩余时间段，C2S_F是第一积分时段，以及C2S_A是传感器相位的平均积分时段，即Rsensor+Rref测量值。T_int,S表示Rsensor+Rref测量值的积分时间。此外，V_force是激励电压，V_offset是失调电压，V_ref,in是在电容器29处的参考电压，以及C_ref是电容器Cref的电容。例如，失调电压Voffset与共模电压VCM有关，因为

V_force＝VCM±V_offset。

参考相位R的数字输出信号ADC-COUNT为：

其中，C1R是计数值C1，C2R_L是剩余时间段，C2R_F是第一积分时段，以及C2R_A是参考相位的平均积分时段，即Rref测量值。T_int,R表示Rref测量值的积分时间。

使用这两个等式得出：

从该表达式可明显看出，由比例计算能够确定气体传感器11的电阻。传感器电阻R_sensor或在传感器电阻中的变化R_sensor-R_ref能够与特定气体的存在或指示待测量的气体的参数有关。例如，气体传感器装置10能够适于借助适当的校准来测量或检测给定的气体。

换言之，气体传感器装置10能够以传感器相位和参考相位操作来分别确定R_sensor和R_ref。在某种意义上，这与整个测量范围的(1/x)压缩对应。因此，在该范围的一端的测量值可以确定气体传感器装置10的分辨率要求。

对于给定的V_force、T_int、C_ref、V_ref以及R_ref值的配置，气体传感器装置具有相同的增益配置。例如，对于传感器相位和参考相位，能够将用于数据采集的定时设置为10msec。传感器相位可以持续8msec并且参考相位可以持续2msec。考虑参考电阻R_ref＝1MΩ，这是目标范围1kΩ至1GΩ的几何平均值。在这种情况下，可以不需要如Rref将高增益设置在目标范围的极值处。然而，可以更改V_force、T_int、C_ref、V_ref以及R_ref值的配置，以改变在传感器相位中气体传感器装置的有效增益。只要参考相位也以相同的设置完成，则能够期待期计算保持比例并且会抵消由于V_force、T_int、C_ref、V_ref以及R_ref引起的误差。不同的配置允许将测量范围扩展到更大范围，诸如1kΩ到10MΩ和1MΩ到1GΩ的两个范围。只要V_force保持相同的值，气体传感器的激励就恒定。

图3示出了电阻式气体传感器的实施例。除了图3中描述的气体传感器之外，存在耦合在电路节点35和传感器电阻器Rsensor之间的另一个参考电阻器RREF1，所述另一个参考电阻器经由另一个电路节点37连接到传感器电阻器Rsensor。此外，电路节点37连接到另一个表面控制开关36。

气体传感器装置10能够如上面讨论的以传感器相位S操作。在传感器相位S期间，相位控制开关33和36打开，即气体传感器11可以由R_sensor+R_ref+R_ref1总和表示，其中R_ref1表示参考电阻器RREF1的电阻值。此外，根据借助于相位控制开关33或36选择参考电阻器Rref还是Rref1，可以分别存在两个参考相位。在第一参考相位期间，控制开关33闭合并且相位控制开关36打开，即气体传感器11可以由参考电阻R_ref表示。在第二参考相位期间，控制开关33打开并且相位控制开关36闭合，即气体传感器11可以由参考电阻R_ref1表示。在所述相位期间的信号采集导致数字输出信号ADC-COUNT(S)、ADC-COUNT(R1)以及ADC-COUNT(R2)。能够以结合图3讨论的方式由与第一参考相位组合的传感器相位和与第二传感器相位组合的传感器相位构造测量范围。以此方式，气体传感器装置能够适于在2个不同的测量范围中操作。通过提供另外的参考电阻和相位控制开关来提供多个测量范围，能够扩展构思。能够更改诸如V_force、T_int、C_ref、V_ref以及R_ref值的配置的参数，以改变气体传感器装置的有效增益来适合所需要的测量范围。

串联连接的传感器电阻Rsensor、参考电阻Rref和/或任何其他参考电阻Rref1的位置是可互换的。

附图标记

10 气体传感器装置

11 气体传感器

12 模数转换器装置

14 输入

15 放大器

16 放大器输入

17 放大器输入

18 第一偏置源

19 参考电位端子

20 积分电容器

21 放大器输出

22 比较器

23 比较器输入

24 比较器输入

25 参考电压源

26 数字控制电路

27 控制输入

28 结果输出

29 参考电容器

30 参考开关

31 控制输出

32 积分节点

33 相位控制开关

34 电路节点

35 电路节点

36 相位控制开关

37 电路节点

40 信号处理单元

41 第一计数器

42 第二计数器

43 第一时钟输入

44 第一复位输入

45 第二时钟输入

46 第二复位输入

47 第一计数器输出

48 第二计数器输出

49 计算输入

50 逻辑/计算引擎50

51 计算输出

52 锁存器

53 第一锁存器输入

54 第二锁存器输入

55 锁存器输出

ADC_ON 输入控制信号

ADC-COUNT 数字输出信号

CINT 电容值

CREF 电容值

CLK1 时钟信号

CLK2 时钟信号

FCE 第一计数误差

IR 传感器电流

QREF 电荷包

RCE 剩余计数误差

LOUT 比较器输出信号

S2 参考开关信号

STINT 积分时间信号

t 时间

TINT 积分时间

VFORCE 激励电压

VOUT 输出电压

VREFIN 参考电压

VREF1 放大器参考电压

VREF2 比较器参考电压。

Claims (17)

1.一种用于操作气体传感器装置的方法，包括以下步骤：

-借助于气体传感器(11)产生传感器电流(IR)，

-根据第一时钟信号(CLK1)在电荷平衡操作中将传感器电流(IR)转换成数字比较器输出信号(LOUT)，

-根据数字比较器输出信号(LOUT)确定异步计数(C1)，所述异步计数包括取决于第一时钟信号(CLK1)的计数的整数数量，

-根据数字比较器输出信号(LOUT)确定取决于第二时钟信号(CLK2)的分数时间计数(C2)，以及

-根据异步计数(C1)和分数时间计数(C2)计算指示由气体传感器(11)产生的传感器电流(IR)的数字输出信号(ADC-COUNT)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

-传感器电流(IR)在积分时间(TINT)期间被积分到一个或更多个参考电荷包(QREF)中，其中，电荷包(QREF)的检测确定积分周期，

-使用第一时钟信号(CLK1)来在积分时间(TINT)期间计数参考电荷包(QREF)的数量，以及

-根据电荷包的数量(QREF)确定异步计数(C1)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过根据第二时钟信号(CLK2)测量异步计数(C1)中相邻计数之间的时间来根据时间计数(C2)来确定积分周期的时间段，和/或当已确定时间段时，复位时间计数(C2)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，

-第一积分周期的时间段被确定为第一积分时段(C2_F)，并且

-第一积分时段(C2_F)由指示第一积分周期起始的第一时间戳(tR1)和指示异步计数(C1)中的第一计数的时间的第二时间戳(tR2)来确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，

-一个或更多个完整积分时段的时间段被确定为完整积分时段(C2_P)，并且

-完整积分时段(C2_P)由指示异步计数(C1)中的计数的第三时间戳(tR3)和指示异步计数(C1)中的相邻计数的时间的第四时间戳(tR4)来确定。

6.根据权利要求5的方法，其中，

-确定多于一个的完整积分时段(C2_P)，并且

-根据完整积分时段(C2_P)来确定平均积分时段(C2_A)。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，

-在最后一个完整积分周期和积分结束之间的时间段被确定为剩余时间段(C2_L)，并且

-剩余时间段(C2_L)由指示异步计数(C1)中的最后一个计数的时间的时间戳(tR4)和指示积分结束的时间戳(tR5)来确定。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，

-通过基于第一积分时段(C2_F)和完整积分时段(C2_P)计算第一分数计数来考虑第一计数误差(FCE)，并且

-第一分数计数是在第一积分周期期间产生的传感器电流(IR)的测量值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中

-通过基于最后一个积分时段和完整积分时段(C2_P)计算第二分数计数来考虑剩余计数误差(RCE)，并且

-第二分数计数是在最后一个积分周期期间产生的传感器电流(IR)的测量值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，使用平均积分时段(C2_A)替代完整积分时段(C2_P)来计算第一计数误差(FCE)和/或剩余计数误差(RCE)。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，基于一个或更多个完整积分时段和/或平均积分时段，所述数字输出信号(ADC-COUNT)包括基于异步计数(C1)以及第一分数计数和第二分数计数的总和。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，

-气体传感器(11)包括至少一个参考电阻器(Rref)和传感器电阻器(Rsensor)，所述至少一个参考电阻器(Rref)和传感器电阻器(Rsensor)分别具有参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor，

-在传感器相位(S)，气体传感器(11)根据参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor的组合电阻产生传感器电流(IR)，并且传感器相位(S)的数字输出信号(ADC-COUNT)指示由气体传感器(11)在传感器相位(S)产生的传感器电流(IR)，以及

-在参考相位(R)，气体传感器(11)根据所述至少一个参考电阻R_ref产生传感器电流(IR)，并且参考相位(R)的数字输出信号(ADC-COUNT)指示由气体传感器(11)在参考相位(R)产生的传感器电流(IR)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述参考相位的积分时间T_int,r和所述传感器相位的积分时间T_int,s彼此独立地选择。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述参考相位的积分时间T_int,r和所述传感器相位的积分时间T_int,s具有相同的值或彼此不同的值。

15.一种气体传感器装置，包括：

-模数转换器装置(12)，其包括用于连接气体传感器(11)的传感器输入(14)和用于提供数字比较器输出信号(LOUT)的结果输出(28)，以及

-信号处理单元(40)，其连接到模数转换器装置(12)的结果输出(28)；其中，

-模数转换器装置(12)根据第一时钟信号(CLK1)以电荷平衡操作运行，并且适用于将由气体传感器(11)产生的传感器电流(IR)转换成数字比较器输出信号(LOUT)，以及

-信号处理单元(40)适用于根据数字比较器输出信号(LOUT)确定包括异步计数(C1)和分数时间计数(C2)的数字输出信号(ADC-COUNT)，所述异步计数包括取决于第一时钟信号(CLK1)的计数的整数数量，所述分数时间计数取决于第二时钟信号(CLK2)，其中，数字输出信号(ADC-COUNT)指示由气体传感器(11)产生的传感器电流(IR)。

16.根据权利要求15所述的气体传感器装置，其中，所述信号处理单元(40)包括：

-第一计数器(41)，其具有连接到结果输出(28)的第一时钟输入(43)并且包括第一复位输入(44)，

-第二计数器(42)，其包括第二时钟输入(45)和第二复位输入(46)，

-逻辑/计算引擎(50)，其包括连接到第一计数器(41)的第一计数器输出(47)和第二计数器(42)的第二计数器输出(48)的计算输入(49)；其中

-第一计数器(41)在第一时钟输入(43)处接收第一时钟信号(CLK1)并根据第一时钟信号(CLK1)产生异步计数(C1)，

-第二计数器(42)在第二时钟输入(45)处接收第二时钟信号(CLK2)并根据第二时钟信号(CLK2)产生时间计数(C2)，

-逻辑/计算引擎(50)接收异步计数(C1)和时间计数(C2)，并且根据异步计数(C1)和时间计数(C2)计算数字输出信号(ADC-COUNT)。

17.根据权利要求15或16所述的气体传感器装置，其中，

-气体传感器(11)包括参考电阻器(Rref)和传感器电阻器(Rsensor)，所述参考电阻器(Rref)和传感器电阻器(Rsensor)分别具有至少一个参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor，

-在传感器相位(S)，气体传感器(11)布置成根据参考电阻R_ref和传感器电阻R_sensor的组合电阻产生传感器电流(IR)，以及

-在参考相位(R)，气体传感器(11)布置成根据参考电阻R_ref产生传感器电流(IR)。

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