CN116793515A - 基于振荡器的温度传感器及传感器组件 - Google Patents

基于振荡器的温度传感器及传感器组件 Download PDF

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布莱克梅尔·斯蒂芬
威特·弗雷克
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Abstract

本发明提供一种基于振荡器的温度传感器及传感器组件。所述温度传感器包括：第一振荡器，其产生第一频率的第一时钟信号，第一时钟信号的温度系数的绝对值大于等于第一预定值；第二振荡器，其产生第二频率的第二时钟信号，其中第二频率高于第一频率，第二时钟信号的温度系数的绝对值小于第二预定值；计数及控制单元，其基于第一时钟信号进行计时得到预定时长；计数器，在所述预定时长内对第二时钟信号进行计数得到并输出计数值；计算单元，其根据所述计数器在预定校准温度下输出的校准计数值、在当前温度下输出的测量计数值以及线性拟合温度系数计算得到当前数字温度值。

Description

基于振荡器的温度传感器及传感器组件
【技术领域】
本发明涉及温度传感领域，尤其涉及一种基于振荡器的温度传感器及传感器组件。
【背景技术】
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)传感器，比如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等，目前应用非常广泛。这些MEMS传感器中通常采用了温度传感器，其中的温度传感器可以采用温敏电阻、温敏电容等温敏器件，其会得到一个模拟温度量，因此需要利用模数转换器读取该模拟温度量。举例来说，现有的MEMS加速度计中的温度传感器使用加速度计的模数转换器(比如SigmaDelta-ADC)来获得温度数据。
这样，当模数转换器读取温度数据时，就不能利用所述模数转换器读取加速度计的数据。这将导致加速度数据样本数量的减少(可能的平均数据减少)、加速度噪声的增加和可能测量出非连续的加速数据。
因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种基于振荡器的温度传感器，其可以直接提供数字温度值，不需要利用模数转换器进行读取。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种基于振荡器的温度传感器，其包括：第一振荡器，其产生第一频率的第一时钟信号，第一时钟信号的温度系数的绝对值大于等于第一预定值；第二振荡器，其产生第二频率的第二时钟信号，其中第二频率高于第一频率，第二时钟信号的温度系数的绝对值小于第二预定值；计数及控制单元，其基于第一时钟信号进行计时得到预定时长；计数器，在所述预定时长内对第二时钟信号进行计数得到并输出计数值；计算单元，其根据所述计数器在预定校准温度下输出的校准计数值、在当前温度下输出的测量计数值以及线性拟合温度系数计算得到当前数字温度值。
在一个进一步的实施例中，第二预定值小于等于为0.1％/℃，第一预定值大于等于0.2％/℃。第一时钟信号的第一频率与温度成正比，第二时钟信号的第二频率与温度成正比。
在一个进一步的实施例中，第二频率高于第一频率的10倍。
在一个进一步的实施例中，在所述预定时长开始时，所述计数器开始计数，在所述预定时长结束时，所述计数器停止计数，得到此次检测最终的计数值。
在一个进一步的实施例中，所述计数及控制单元通过对第一时钟信号进行计数得到所述预定时长，所述计数及控制单元从初始值开始计数，此时所述预定时长开始，到预定计数值时结束计数，此时所述预定时长结束。
在一个进一步的实施例中，所述计算单元根据如下公式计算得到当前数字温度值T：
其中TC1为线性拟合温度系数，T0为预定校准温度，outputcode(T0)为所述计数器在预定校准温度下输出的校准计数值，outputcode(T)为所述计数器在当前温度下输出的测量计数值。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种传感器组件，其包括：惯性传感器，其输出模拟惯性感应信号；模数转换器，用于将模拟惯性感应信号进行模数转换得到数字惯性感应数据；上文所述的温度传感器，用于产生数字温度值；处理单元，其根据所述数字温度值对所述数字惯性感应数据进行温度补偿。
在一个进一步的实施例中，在需要时，激活所述温度传感器以提供数字温度值，在不需要时，使得所述温度传感器进入不工作状态。
在一个进一步的实施例中，通过控制第一振荡器、第二振荡器不工作，使得所述温度传感器进入不工作状态，通过控制第一振荡器、第二振荡器工作，使得所述温度传感器进入工作状态。
与现有技术相比，本发明提供基于振荡器的温度传感器，其可以直接提供数字温度值，不需要利用模数转换器(ADC)进行读取，减少了模数转换器，可以实现低功耗小面积的高效温度传感器。另外，已有的模数转换器可以持续采集惯性传感器的数字惯性感应数据，不会间断，减少了噪声的引入。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明中的基于振荡器的温度传感器在一个实施例中的结构图；
图2是本发明中的传感器组件在一个实施例中的结构图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种基于振荡器的温度传感器，其可以直接提供数字温度值，不需要利用模数转换器进行读取。
图1是本发明中的基于振荡器的温度传感器100在一个实施例中的电路结构图。如图1所示的，所述温度传感器包括第一振荡器110、第二振荡器120、计数及控制单元130、计数器140和计算单元150。
第一振荡器110产生第一频率的第一时钟信号Clock_LF，第一时钟信号Clock_LF的温度系数的绝对值大于等于第一预定值。第二振荡器120产生第二频率的第二时钟信号Clock_HF，其中第二频率高于第一频率，第二时钟信号Clock_HF的温度系数的绝对值小于第二预定值。
第一时钟信号Clock_LF的温度系数可以是正的，即随着温度的增高而频率变高，也可以是负的，即随着温度的增高而频率变低。在一个例子中，第一时钟信号Clock_LF的温度系数为正，即第一时钟信号的第一频率与温度成正比，第一预定值可以等于0.2％/℃，也可以大于0.2％/℃，比如第一时钟信号Clock_LF的温度系数为0.4％/℃，0.5％/℃等。第一时钟信号Clock_LF的温度系数的绝对值越大，则温度传感器的温度敏感性则会越高。
同样的，第二时钟信号Clock_HF的温度系数可以是正的，即随着温度的增高而频率变高，也可以是负的，即随着温度的增高而频率变低。最好选择随温度变化比较稳定的第二时钟信号Clock_HF，因此需要第二时钟信号Clock_HF具有较低的温度系数，最好可以采用与温度无关的第二时钟信号Clock_HF。在一个例子中，第二时钟信号Clock_HF的温度系数为正，即第二时钟信号的第二频率与温度成正比，第二预定值可以是小于等于为0.1％/℃，比如第二时钟信号Clock_HF的温度系数可以为0.04％/℃，0.03％/℃，0.05％/℃等。由于第二时钟信号Clock_HF的温度系数较小，通常可以被忽略不计。
为了更好的对第二时钟信号Clock_HF进行计数，第二时钟信号Clock_HF的第二频率可以远高于第一时钟信号Clock_LF的第一频率。比如，第二频率高于第一频率的10倍。
如图1所示的，所述计数及控制单元130基于第一时钟信号Clock_LF进行计时得到预定时长。所述计数器140在所述预定时长内对第二时钟信号Clock_HF进行计数得到并输出计数值outputcode。所述计算单元150根据所述计数器140在预定校准温度T0下输出的校准计数值outputcode(T0)、在当前温度下输出的测量计数值outputcode(T)以及线性拟合温度系数TC1计算得到当前数字温度值T。
在一个实施例中，在所述预定时长开始时，所述计数器140开始计数，在所述预定时长结束时，所述计数器140停止计数，得到此次检测最终的计数值outputcode。所述计数及控制单元130通过对第一时钟信号进行计数得到所述预定时长。所述计数值outputcode可以是十进制数据，也可以是二进制数据，比如可以为11位的二进制数。
具体的，所述计数及控制单元130从初始值开始计数，此时所述预定时长开始，产生控制信号start_count使得所述计数器140开始计数，到预定计数值时所述计数及控制单元130结束计数，此时所述预定时长结束，产生控制信号end_count使得所述计数器140停止计数，得到此次检测最终的计数值outputcode。举例来说，所述计数及控制单元130的初始值可以为0，所述预定时长可以是预定个数的第一时钟信号周期，比如31个第一时钟信号的周期。在所述计数及控制单元130计数值所述预定计数值后可以复位至初始值继续进行计数，以得到下一个预定时长。outputcode在图1中被显示为output_code<10:0>。
所述计数器140还输出数据更新信号data_update，每产生一个最终的计数值outputcode，可以使得所述数据更新信号data_update产生一个脉冲。所述计算单元150根据所述数据更新信号data_update采集所述计数器140输出的计数值outputcode。
在一个实施例中，所述计算单元150根据如下公式计算得到当前数字温度值T：
其中TC1为线性拟合温度系数，T0为预定校准温度，outputcode(T0)为所述计数器在预定校准温度下输出的校准计数值，outputcode(T)为所述计数器在当前温度下输出的测量计数值。经过仿真测试可以得到线性拟合温度系数的值，比如TC1的取值可以为4％/℃。
下面介绍一下公式1的推算过程，以预定时长为31个第一时钟信号的周期为例：
fsysosc为第二时钟信号的第二频率，ftemp(T)为当前温度下的第一时钟信号的第一频率，31表示31个第一时钟信号周期。
进行公式转换后有：
进行线性拟合有：
ftemp(t)＝ftemp(T0)+TC1·ftemp(T0)·(T-T0)
进行公式转换后有：
最终得到公式(1)：
本发明中的基于振荡器的温度传感器，其可以直接提供数字温度值，不需要利用模数转换器(ADC)进行读取，减少了模数转换器，可以实现低功耗小面积的高效温度传感器。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种传感器组件。图2是本发明中的传感器组件200在一个实施例中的结构图
所述传感器组件200包括惯性传感器210、模数转换器220、温度传感器100和处理单元230。所述惯性传感器210输出模拟惯性感应信号。所述惯性传感器可以是加速度计、陀螺仪等。所述模数转换器220用于将模拟惯性感应信号进行模数转换得到数字惯性感应数据。所述温度传感器100可以是上文提到的温度传感器，其可以不采用模数转换器就直接产生数字温度值。所述处理单元230根据所述数字温度值对所述数字惯性感应数据进行温度补偿。
优选的，在需要时，激活所述温度传感器以提供数字温度值，在不需要时，使得所述温度传感器进入不工作状态。具体的，通过控制第一振荡器110、第二振荡器120不工作，使得所述温度传感器进入不工作状态，通过控制第一振荡器110、第二振荡器120工作，使得所述温度传感器进入工作状态。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (10)

1.一种基于振荡器的温度传感器，其特征在于，其包括：
第一振荡器，其产生第一频率的第一时钟信号，第一时钟信号的温度系数的绝对值大于等于第一预定值；
第二振荡器，其产生第二频率的第二时钟信号，其中第二频率高于第一频率，第二时钟信号的温度系数的绝对值小于第二预定值；
计数及控制单元，其基于第一时钟信号进行计时得到预定时长；
计数器，在所述预定时长内对第二时钟信号进行计数得到并输出计数值；
计算单元，其根据所述计数器在预定校准温度下输出的校准计数值、在当前温度下输出的测量计数值以及线性拟合温度系数计算得到当前数字温度值。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，
第一预定值大于第二预定值，第一预定值大于等于0.2％/℃，第二预定值小于等于为0.1％/℃，
第一时钟信号的第一频率与温度成正比，第二时钟信号的第二频率与温度成正比，
所述线性拟合温度系数为预定参数值。
3.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，第二频率高于第一频率的10倍。
4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，在所述预定时长开始时，所述计数器开始计数，在所述预定时长结束时，所述计数器停止计数，得到此次检测最终的计数值。
5.根据权利要求4所述的温度传感器，其特征在于，所述计数及控制单元通过对第一时钟信号进行计数得到所述预定时长，
所述计数及控制单元从初始值开始计数，此时所述预定时长开始，到预定计数值时结束计数，此时所述预定时长结束。
6.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述计算单元根据如下公式计算得到当前数字温度值T：
其中TC1为线性拟合温度系数，T0为预定校准温度，outputcode(T0)为所述计数器在预定校准温度下输出的校准计数值，outputcode(T)为所述计数器在当前温度下输出的测量计数值。
7.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述计数器还输出数据更新信号，每产生一个最终的计数值，使得所述数据更新信号产生一个脉冲，所述计算单元根据所述数据更新信号采集所述计数器输出的计数值。
8.一种传感器组件，其特征在于，其包括：
惯性传感器，其输出模拟惯性感应信号；
模数转换器，用于将模拟惯性感应信号进行模数转换得到数字惯性感应数据；
如权利要求1-7任一所述的温度传感器，用于产生数字温度值；
处理单元，其根据所述数字温度值对所述数字惯性感应数据进行温度补偿。
9.根据权利要求8所述的传感器组件，其特征在于，在需要时，激活所述温度传感器以提供数字温度值，在不需要时，使得所述温度传感器进入不工作状态。
10.根据权利要求9所述的传感器组件，其特征在于，通过控制第一振荡器、第二振荡器不工作，使得所述温度传感器进入不工作状态，通过控制第一振荡器、第二振荡器工作，使得所述温度传感器进入工作状态。
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