CN113131943B - 一种传感器检测电路及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器检测电路，所述传感器检测电路包括位于所述传感器检测电路的输入端和输出端之间的数模转换器和数字信号处理器，所述数模转换器包括Δ‑Σ调制器，所述Δ‑Σ调制器包括输入级和反馈级，通过调节所述输入级与所述反馈级的比值实现对所述Δ‑Σ调制器输入信号的放大控制。通过这种方式数模转换器可以直接对传感器的模拟小信号进行处理，从而显著降低设计难度，同时大幅减小芯片面积与功耗，而且适用于大部分传感器信号处理，提升通用性。

Description

一种传感器检测电路及电子装置

技术领域

本发明涉及检测领域，具体而言涉及一种传感器检测电路及电子装置。

背景技术

在以MEMS为代表的传感器ASIC设计中，通常的设计思路为对传感器(sensor)的模拟小信号进行放大后通过模数转换器(ADC)转换为数字信号，再通过专用DSP对其进行校正修正后输出。

然而，上述方案中往往需要高性能的前置放大器对信号进行放大，而前置放大器的加入将明显增加电路设计复杂度，并且，对于前置放大器而言，往往需要其达到高增益，低噪声，低失调等要求，为了实现上述要求，必须采用特殊的架构来实现，这也增加了设计的难度，而且，前置放大器的存在还增加了面积和功耗，显著提升了芯片成本。

与此同时，为获取高性能，前置放大器需要较大的面积和功耗，主流的斩波放大器还需要额外的时钟电路及低通滤波器等电路，进一步显著提升了芯片成本，且对于整体器件而言，传感器信号放大主要由前置放大器决定，模数转换器采用固定转换量程，因此，这种方案适用于某种特定应用，但在通用型设计中缺乏灵活性。

为解决上述问题中任意一个，本发明提供一种传感器检测电路。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明为了克服目前存在问题，本发明第一方面提供了一种传感器检测电路，所述传感器检测电路包括位于所述传感器检测电路的输入端和输出端之间的模数转换器和数字信号处理器，所述传感器检测电路在所述输入端处接收传感器信号，所述传感器信号依次经过所述模数转换器和所述数字信号处理器后从所述传感器检测电路的所述输出端输出，所述模数转换器包括Δ-Σ调制器，所述Δ-Σ调制器包括输入级和反馈级，通过调节所述输入级与所述反馈级的比值实现对所述Δ-Σ调制器输入信号的放大控制。

示例性地，所述Δ-Σ调制器还包括一阶积分器或二阶积分器。

示例性地，所述Δ-Σ调制器还包括单比特量化器，所述单比特量化器的基准电压是可调的。

示例性地，所述传感器检测电路还包括与所述Δ-Σ调制器耦接的失调校准电路。

示例性地，所述失调校准电路包括校准电容和数字信号控制开关。

示例性地，所述失调校准电路在差分输入的正负两端接有多个校准电容，通过串联数字开关分别接到正负基准电平上通过控制数字信号开关闭合，对输入信号的失调进行补偿。

示例性地，所述数字信号处理器包括一阶的高斯滤波器。

本发明的第二方面提供了一种电子装置，包括前述的传感器检测电路。

本发明在传感器检测电路中采用高精度Δ-Σ模数转换器，通过调节输入端电容比例以及调节基准电压两种方式，在数模转换的过程中即可同步实现对模拟小信号的放大，从而替代了前置放大器的放大作用。通过这种方式模数转换器可以直接对传感器的模拟小信号进行处理，从而显著降低设计难度，同时大幅减小芯片面积与功耗，而且适用于大部分传感器信号处理，提升通用性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为传统的传感器检测电路原理的框图；

图2为本发明的一个实施例所示出的传感器检测电路的框图；

图3为本发明的一个实施例所示出的Δ-Σ框图；

图4为本发明的一个实施例所示出的失调校准原理示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

随着科技发展，传感器在电子市场应用越来越广泛，对应不同传感器输出的专用处理芯片(ASIC)应运而生。因为传感器的模拟输出信号幅度很小，所以处理电路一般采用前置放大器将传感器原始信号放大后送到后级模数转换器进行处理，其中，传感器检测电路原理的框图如图1所示。

具体地，如图1所示，传感器检测电路包括模拟输入端、数字输出端和模拟输出端。

其中，模拟输入端将传感器(sensor)产生的模拟输入信号引入前置放大器，前置放大器依据传感器信号的幅度，可以进行不同的增益调节。信号经过前置放大后经由高精度模数转换器进行模数转换，接下来经过数字校准信号处理器进行信号处理，经过处理的信号一部分作为数字输出，另一部分经过高精度模数转换器进行模拟输出。

方形框内，还包括基准电路、振荡器和存储器，以配合实现传感器信号的处理，需要注意的是，图1仅为示例性描述传感器检测电路，其中，仅表示前置放大器为传统传感器处理电路中包含的部件，图1中其他的部件，比如：高精度模数转换器、数字校准信号处理器、基准电路、振荡器和存储器仅为示例性说明，将其列入图1仅为后续比对方便，并非承认上述部件也为现有处理系统中必然包含的部件。

在具体的应用中，为获取高增益，低噪声低失调，一般采用斩波放大器(CHOPPER)实现前置放大，即采用斩波放大器作为前置放大器，然而，这种结构需要额外的时钟及滤波电路。

即使不考虑特殊前置放大器的需求，仅仅考虑一般信号放大器的需求，其往往也需要包含失调校准(offset calibration)和缓冲器(buffer)功能。这种需求产生的原因在于，为消除传感器本身的失调特性，前置放大器需要考虑相应的失调校准功能，同时为了满足后级模数转换器工作时的采样要求，前置放大器必须提供足够的缓冲器(buffer)驱动能力。

在具体的应用中，模数转换器一般采用固定的转换范围；在系统设计中，一般模数转换器会根据前置放大器的输出范围设定最优化的转换范围。

根据前文的描述，传统的传感器检测电路需要高性能的前置放大器对信号进行放大，因为传感器输出信号一般都是mv级别，远小于模数转换器的动态输入范围，对于高精度应用，一般采用高性能前置放大器对传感器原始信号进行放大后再送给ADC转换，然而前置放大器引入的噪声及失调会严重影响传感器信号质量，与此同时，前置放大器明显增加电路设计复杂度，正如前文所说，前置放大器为达到高增益，低噪声，低失调等要求，必须采用特殊的架构来实现，增加了设计的难度，不仅如此，由于前置放大器增加了面积和功耗，显著提升了芯片成本，一般情况下为获取高性能，前置放大器需要较大的面积和功耗，主流的斩波放大器还需要额外的时钟电路及低通滤波器等电路，显著提升了芯片成本，在引入前置放大器的传感器检测电路中，传感器信号放大主要由前置放大器决定，由于信号的前端已经得到为了放大，因此，模数转换器往往采用固定转换量程，而模数转换器具有固定量程将导致该传感器检测电路往往只能适用于某种特定应用，但在通用型设计中缺乏灵活性。

因此，基于上述问题，本发明提出一种传感器检测电路，所述传感器检测电路包括位于所述传感器检测电路的输入端和输出端之间的模数转换器和数字信号处理器，所述传感器检测电路在所述输入端处接收传感器信号，所述传感器信号依次经过所述模数转换器和所述数字信号处理器后从所述传感器检测电路的所述输出端输出，通过模数转换器直接对传感器的模拟小信号进行处理，从而显著降低设计难度，同时大幅减小芯片面积与功耗，而且适用于大部分传感器信号处理，提升通用性。

具体的，在传感器检测电路中采用高精度Δ-ΣADC，通过调节输入端电容比例以及调节基准电压两种方式，在数模转换的过程中即可同步实现对模拟小信号的放大，从而替代了前置放大器的放大作用。

通过这种方式ADC可以直接对传感器的模拟小信号进行处理，从而显著降低设计难度，同时大幅减小芯片面积与功耗，而且适用于大部分传感器信号处理，提升通用性。

下面将结合图2至图4对本发明的具体实施方式进行详细说明，其中，图2为本发明的一个实施例所示出的传感器检测电路的框图；图3为本发明的一个实施例所示出的Δ-Σ框图；图4为本发明的一个实施例所示出的失调校准原理示意图。

相较于图1所示出的方案，图2所示出的技术方案中去除了前置放大器，模拟小信号直接送到高精度模数转换器进行处理。经由高精度模数转换器进行模数转换，接下来经过数字校准信号处理器进行信号处理，经过处理的信号一部分作为数字输出，另一部分经过高精度模数转换器进行模拟输出。

其中，数字校准信号处理器又可成为数字信号处理器。

方形框内，还包括基准电路、振荡器和存储器，以配合实现传感器信号的处理。

由于去除了前置放大器，图2所示出的高精度模数转换器具有其独特的特性以配合没有前置放大器的传感器检测电路实现其功能。

考虑到大部分传感器的信号频率极低(近似DC)，所以可以通过高过采样率(oversampling ratio)的方式来获取高信噪比(SNR)，对应MHz级别的系统时钟，过采样率一般不低于1024。

正是由于大部分传感器的信号频率极低(近似DC)，本发明采用最简单的低阶级联积分器反馈(CIFB)单比特量化器结构来满足系统要求。

例如，可采用Δ-Σ调制器实现。

图3为本发明的一个实施例所示出的Δ-Σ框图

如图3所示，调制器的输入动态范围可以通过输入级C1及反馈级C2的比例决定，本发明正是通过调节C1与C2的比值来对传感器的输出小信号进行放大控制，示例性地，C1/C2越大，调制器的输入动态范围越小，换言之，对输入信号的放大作用越大，也就是说，通过调制器中C1/C2的比值对传感器的信号实现放大，因此，通过调制器内输入级和反馈级的比值调整可以实现图1所示系统中的前置放大器的放大作用，那么在本发明所示出的传感器检测电路中，通过高精度模数转换器内的Δ-Σ调制器，即可替代前置放大器对传感器的输出信号的放大作用，简化了传感器检测电路的设置。

在C1/C2较大时，即调制器输入级系数较大时，为了增强环路的稳定性，本发明引入低阶(一阶或两阶)积分器。所述低阶积分器连接于输入级和反馈级信号之后，对输入级和反馈级共同形成的信号进行积分。

继续参阅图3，信号经过低阶积分器后进入单比特量化器，其中，单比特量化器的输出高低电平由基准源提供，其基准电压水平决定了调制器的归一化电压范围，本发明中单比特量化器的输出基准电压也可调，其高低电平差值越大，调制器的输入范围越小，即调制器的放大作用越大，该调节可配合上文输入级和反馈级的比值，即C1/C2的比例共同进行。

所述单比特量化器的输出为PDM输出，且输出信号还提供给反馈级C2。

图4为本发明的一个实施例所示出的失调校准原理示意图。

示例性地，为消除传感器本身的失调特性，本发明在Δ-Σ调制器之前还需要增加相应的失调校准电路，在差分输入的正负两端接有多个校准电容，通过串联数字开关分别接到正负基准电平上，根据系统实际失调，可通过数字信号控制开关闭合，从而对输入信号的失调进行补偿，其中开关和电容的数量由系统需求决定，正基准VP及负基准VN的电平也可调。

具体地，所述失调校准电路包括校准电容和数字信号控制开关，其具有模拟正输入IP和模拟负输入IN，在模拟正输入IP端接有多个校准电容，示例性地，四个以上的电容，校准电容的一端连接于模拟正输入IP，另一端连接于正基准VP，在每个校准电容与正基准VP之间均设置有数字控制开关，数字开关的闭合状态将决定连接至正基准VP的电容的个数，在模拟负输入IN端接有多个校准电容，示例性地，四个以上的电容，校准电容的一端连接于模拟负输入IN，另一端连接于负基准VN，在每个校准电容与负基准VN之间均设置有数字控制开关，数字开关的闭合状态将决定连接至负基准VN的电容的个数。

因此，一旦输入信号的产生了失调，数字开关可以通过控制开关和电容的数量对输入信号的失调进行补偿，其中开关和电容的数量由系统需求决定，示例性地，正基准VP及负基准VN的电平也可调。

需要指出的是，在失调补偿过程中，连接至正基准VP的开关和电容的数量与连接至负基准VN的开关和电容的数量可以相同，也可以不同。

经过失调校准后的信号可以进入Δ-Σ调制器进行信号调制。

如前文所述，传感器信号的频率极低(近似DC)，基于低速传感器信号应用，所以高过采样率可以获取足够精度，也对Δ-Σ调制器之后的数字滤波器要求大幅降低，本发明引入一阶的高斯滤波器来对Δ-Σ调制器调制后的信号进行滤波处理。

该数字滤波器依据系统过采样率(oversampling ratio或OSR)设定，举例OSR＝1024，则每1024个PDM数据(Δ-Σ调制器输出)点乘高斯窗系数后进行一次平均运算即完成ADC转换。

所述数字滤波器示例性地位于图2中所示的数字校准信号处理器内部。

综上所述，本发明无须设置复杂前置放大器电路，显著降低了设计难度，同时也显著减小了芯片面积和电路功耗。而且在发明所示出的实施方案中，根据传感器信号幅度，通过模数转换器直接对传感器信号进行放大处理，其中采用Δ-Σ架构模数转换器，模数转换器的增益可调节，输入级电容与反馈级电容比例可调，模数转换器的参考基准电压范围也是可调的，通过调节电容比例和基准电压，可方便地调节模数转换器(ADC)的增益，且模数转换器(ADC)的量程可变，适用于不同信号幅度的多种传感器，增加了信号处理电路的通用性。

更进一步地，在高增益模式下，为保证系统环路的稳定性，在Δ-Σ调制器中采用低阶积分器。

更进一步地，通过设置输入校准电路，输入端信号失调无须复杂的修正电路，通过输入端微调电容可加以补偿修正。

更进一步地，通过引入一阶的高斯滤波器进行数字信号处理，简化了数字滤波器的设计。

本发明实施例提供一种电子装置，其使用了根据实施例一所述的传感器检测电路。由于使用的传感器检测电路相对于现有技术具有优点，因此该电子装置同样具有显著降低设计难度，同时大幅减小芯片面积与功耗，而且适用于大部分传感器信号处理，提升通用性等上述优点，该电子装置也具备上述优点。该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备。

尽管已经参考附图描述了上述示例实施例，但应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种传感器检测电路，其特征在于，所述传感器检测电路包括位于所述传感器检测电路的输入端和输出端之间的模数转换器和数字信号处理器，

所述传感器检测电路在所述输入端处接收传感器信号，所述传感器信号依次经过所述模数转换器和所述数字信号处理器后从所述传感器检测电路的所述输出端输出，

其中，所述模数转换器包括Δ-Σ调制器，所述Δ-Σ调制器还包括一阶积分器或二阶积分器，

所述Δ-Σ调制器包括输入级和反馈级，通过调节所述输入级与所述反馈级的比值实现对所述Δ-Σ调制器输入信号的放大控制，其中，所述输入级与反馈级的比值为输入级电容与反馈级电容的比值，当所述比值越大时，所述Δ-Σ调制器对输入信号的放大作用越大。

2.如权利要求1所述的传感器检测电路，其特征在于，所述Δ-Σ调制器还包括单比特量化器，所述单比特量化器的基准电压是可调的。

3.如权利要求2所述的传感器检测电路，其特征在于，所述基准电压的高低电平差越大，所述Δ-Σ调制器对输入信号的放大作用越大。

4.如权利要求1所述的传感器检测电路，其特征在于，所述传感器检测电路还包括与所述Δ-Σ调制器耦接的失调校准电路。

5.如权利要求4所述的传感器检测电路，其特征在于，所述失调校准电路包括校准电容和数字信号控制开关。

6.如权利要求5所述的传感器检测电路，其特征在于，所述失调校准电路在差分输入的正负两端接有多个校准电容，通过串联数字开关分别接到正负基准电平上通过控制数字信号开关闭合，对输入信号的失调进行补偿。

7.如权利要求1所述的传感器检测电路，其特征在于，所述数字信号处理器包括一阶的高斯滤波器。

8.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的传感器检测电路。

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