CN1492990A - 转换检测信号 - Google Patents

Abstract

本文提供了一种将检测信号转换成所需形式的电信号的方法，它包括将输入信号提供给检测块的公共输入端。该方法包括从检测块接收检测信号以响应施加输入信号。

Description

转换检测信号

背景

本发明一般总体上涉及将诸如加速度和压力等检测信号转换成所需形式的电信号。

诸如冲击传感器(impact sensor)之类的传感器可在各种应用中使用，如在碰撞期间保护乘客的汽车气袋系统。例如，冲击传感器可采用各种传感元件，如双电容传感元件或单电容传感元件。与双电容传感元件接口的检测电路可能较不易受诸如电磁干扰噪声或电源噪声等噪声的影响，这在一定程度上是因为检测电路的差分特性。虽然这种差分检测电路可能较不易受噪声的干扰，但它们往往很贵。

一种更经济有效的方案可使用单端电路，该电路一般与单电容传感元件连接。然而，单端电路通常更易受噪声的影响。

因此，需要这样一种经济有效的方式：较不易受噪声影响，又可将检测信号转换成所需形式的电信号。

附图简述

结合附图，参照以下说明可理解本发明，图中相同的标号标识相同的单元，其中：

图1是根据本发明一个实施例的乘员保护系统(restraint system)程式化方框图；

图2是一个实施例中可在图1的乘员保护系统中实现的检测电路的示意图；

图3是根据本发明一个实施例，显示图2所示检测电路中使用的时钟信号的时序图；以及

图4是根据本发明一个实施例，图2所示的检测电路中选定节点电压和转换的图示。

详细说明

现在参照图1，它显示了根据本发明一个实施例的乘员保护系统10的程式化方框图。例如，乘员保护系统10可在汽车中加以利用，以便在碰撞期间保护乘客。在一个实施例中，乘员保护系统10在出现值得起动的冲击事件时会自动使用气袋。

乘员保护系统10可包括控制单元15、检测电路20和适配(deployment)块25。在一个实施例中，控制单元15可以是处理器。在一个实施例中，检测块20可提供脉冲密度信号，例如，该信号可表示突然加速或减速。在一个实施例中，基于检测电路20的输出，适配块25可确定是否发生了可能需要采取行动(例如使用气袋)的值得起动的冲击事件。在一个实施例中，如果发生了值得起动的冲击事件，则适配块25可通过线条30提供起动信号。

现在参照图2，它显示了图1检测电路20的一个实施例的示意图。检测电路20的使用可并不限于乘员保护系统10；更确切地讲，检测电路20可用于以下这些应用中的任何一种：即将检测信号转换成其它形式电信号(例如，数字信号)的可能有用或合乎需要的各种应用。

在一个实施例中，检测电路20包括输入块217、检测块220和转换块225。如下面更详细所述，根据本发明一个实施例，当预选定电压施加到检测块220和检测电路20的其它节点时，检测电路20将检测块220的输出信号转换成数字信号。

在一个实施例中，图3所示两个非重叠时钟：UN(单位-unity)和INT(积分)时钟用于为检测电路20定时。在一个实施例中，如图3所示，在UN时钟周期期间，将检测电路20的选定节点设为预定电平，如V_CM电压电平。在一个实施例中，检测电路20随UN时钟开始定时。图3显示输出信号OUT，该信号是检测电路20的输出，下面将对此作更详细的描述。

再次参照图2，虽然并不受所示实施例局限，但检测块220包括在公共节点相连的两个电容器C_A和C_B。通过电容器C_A的向上箭头表示C_A电容可随输入(在一个实施例中表示加速度)增加。在一个实施例中，术语“加速”，正如这里所用的一样，可包括减速。通过电容器C_B的向下箭头表示C_B电容可随输入信号减少。在一个实施例中，检测块220在检测加速度时，将输出信号提供给转换块225。在一个实施例中，检测块220具有输入端222和两个输出端224、226。在一个实施例中，输入端222是C_A和C_B电容器的公共节点。

在一个实施例中，转换块225包括连接到比较器231的积分器228，而比较器231又连接到锁存器234。在所示实施例中，差分运算放大器(opamp)237连同反馈电容器C_FN和C_FP共同构成积分器228。在一个实施例中，施加到opamp 237的直流(DC)电压V_CM设置积分器228的共模电平。在一个实施例中，V_CM电压可以是电源电压的四分之一或三分之一，而电源电压可以是例如5伏。

在一个实施例中，配置积分器228，使得积分器228的输入端238、241基本上保持在V_CM电压电平。在一个实施例中，积分器228的输出端246、248在UN时钟周期期间基本上保持在V_CM电压电平。在一个实施例中，积分器228的输入端238、241连接到检测块220的相应输出端224、226。在一个实施例中，一条或多条连线可用于将检测块220连接到转换块225的积分器228。

反馈电容器C_FN可连接在积分器228的输出端246和输入端238之间。反馈电容器C_FP可连接在积分器输出端248和输入端241之间。

在一个实施例中，积分器228包括两个开关252、253。在一个实施例中，在INT时钟相位或周期(见图3)期间，开关252在“INT”(即，上方)位置，而在UN相位期间，开关252在“UN”(即，下方)位置。同样地，在一个实施例中，在INT相位期间，开关253在“INT”位置，而在UN相位期间，开关253在“UN”位置。

积分器228的输出端246、248连接到比较器231的相应输入端。在一个实施例中，如果积分器228的输出端246、248之间的电压差为正值，则比较器231提供数字“1”输出信号，而如果该电压差为负值，则提供数字“0”输出信号。积分器228的差分输出电压(即，输出端246的电压减去输出端248的电压)在这里表示为V_OD。

在一个实施例中，比较器231的输出提供给锁存器234。在一个实施例中，在每个INT时钟相位的下降缘上(见图3)，锁存器234将其输入端的“0”或“1”转移到其输出端。锁存器234的输出信号(0UT)可以是反馈到输入块217的开关(下面论述)的数字比特流。在一个实施例中，锁存器234的输出是检测电路20的输出。OUT信号中1的密度可指示到检测块220的输入信号的振幅量级。也就是说，例如，如果OUT信号不包含1，则到达检测块220的输入信号(例如，加速度)可能位于其范围的低端。另一方面，如果OUT信号全都包含1，则检测块220的输入信号可能位于其范围的高端。例如，在约50％的时钟周期中包含1的OUT信号可表示到检测块220的输入信号可能位于其范围中间。

在一个实施例中，三个参考电压V_REF1、V_REF2和地电位通过输入块217施加到不同节点的检测电路20。在一个实施例中，V_PEF2可几乎等于检测电路20的电源电压(未显示)。例如，在某种情况下电源电压可以是5伏。在一个实施例中，V_REF1可近似为V_REF2的20％，因此，例如，如果V_REF2是5伏，则V_REF1是1伏。

在一个实施例中，检测电路20可以用校准电压V_CAL1和V_CAL2校准。在一些情况下，难以制造容差较小的检测块220。因此，在组装检测电路20后，可在校准操作期间通过调整V_CAL1和V_CAL2电压校准检测电路20。校准期间，V_CAL1和V_CAL2电压可设为使检测电路20的灵敏度和偏移校准参数在所需规格范围内的值。经校准后，V_CAL1和V_CAL2电压可在检测电路20使用期限内保持恒定。

在一个实施例中，检测电路20可以数字形式在存储单元235中存储电压V_CAL1和V_CAL2。存储单元235可以是非易失性可编程存储器，如电擦除可编程只读存储器(EEPROM)、熔断型(fuse-blowing)存储器或齐纳击穿型(zener-zapping)存储器。

如图2所示，所示实施例中的输入块217包括由UN、INT和OUT数字信号控制的7个开关270-276。在一个实施列中，当UN信号为高电平时，开关270-274连接到标记为“UN”的节点(见图3)，而当INT信号为高电平时，则连接到标记为“INT”的节点。在一个实施例中，当检测电路20的输出为低电平时，开关275-276连接到顶部节点(标记为“OUT＝0”)，而当检测电路20的输出为高电平时，则连接到更低的节点(标记为“OUT＝1”)。

在UN和INT时钟相位期间，开关270可分别接收V_CAL1和V_REF1电压。在一个实施例中，开关270的输出端连接到开关275的第一输入端。在UN和INT时钟相位期间，开关271可分别接收V_PEF1和V_CAL2电压。在一个实施例中，开关271的输出端连接到开关275的第二输入端。在一个实施例中，开关275的输出端连接到检测电路20的节点240。

在UN和INT时钟相位期间，开关273可分别接收V_REF1和V_CAL1电压。在一个实施例中，开关273的输出端连接到开关276的第一输入端。在UN和INT时钟相位期间，开关274可分别接收V_CAL2和V_REF1电压。在一个实施例中，开关274的输出端连接到开关276的第二输入端。开关276的输出端可连接到检测电路20的节点242。

在UN和INT时钟相位期间，开关272可分别连接到地和VPEF2。因此，在一个实施例中，在UN时钟相位期间，检测块220的输入端222连接到地。在一个实施例中，在INT时钟相位期间将V_REF2电压施加到检测块220的输入端222。在一个实施例中，正如图2可见，可将同样的输入信号(例如，V_REF2或地电压电平)施加到检测块220的C_A和C_B电容器的公共输入端222。

在一个实施例中，输入电容器C_A连接于节点240和积分器228的输入端238之间，并且输入电容器C_P连接于节点242和积分器228的输入端241之间。在一个实施例中，检测块220的输入电容器CN和C_P及电容器C_A和C_B在INT时钟相位期间将电荷传送给积分器228的反馈电容器C_FN和C_FP(或从中提取电荷)，以响应例如当开关270-274从UN位置切换到INT位置时检测块220的节点240、242和输入222处的电压变化。

下面将描述检测电路20的工作机制。在一个实施例中，在UN时钟相位期间，opamp 237切换为电位增益反馈配置，它表示opamp237的输入端238、242和输出端246、248上的电压位于共模电压电平V_CM。同样，在一个实施例中，在UN相位期间，检测块220的节点240、242和输入端222上电压被驱动到由OUT信号值确定的电平值。在一个实施例中，OUT信号的值取决于前面INT相位结束时V_OD(积分器的差分输出电压)的极性。在一个实施例中，UN相位应具有足够的持续时间以便检测电路20中的电压电平稳定到某个静态电平。在一个实施例中，所述持续时间可能是1微秒。

在一个实施例中，当UN时钟相位结束时，开关270-274和252-253会断开，然后对INT相位连接闭合。在一个实施例中，在INT时钟相位期间，反馈电容器C_FN和C_FP连接在opamp 237的周围。在一个实施例中，C_FN和C_FP反馈电容器可能因前面INT相位期间累积的积分电荷而仍具有存储电压。

如上所述，输入电容器(C_N和C_P)与传感元件电容器(C_A和C_B)两者均可将电荷传送给反馈电容器(C_FN和C_FP)(或从中提取电荷)以响应开关270-274位置的改变。在INT相位结束时，如果某些或所有电压稳定到几乎静态的值，则V_OD的值可能已改变为新值。如果此新值为正数，则OUT信号在下一时钟周期可能为“1”。如果新值为负数，则OUT信号在下一时钟周期可能为“0”。

在一个实施例中，向开关275-276提供OUT信号会导致积分器228的输出电压(V_OD)沿趋于使OUT信号改变状态(例如，从零变为一，或反之变然)的方向变化(在INT相位期间)。换言之，如果在给定时钟周期V_OD为正数，则在下一时钟周期，它可能为较小的正数或负数。并且如果在给定时钟周期V_OD为负，则在下一时钟周期，它可能不太负或为正数。

在一个实施例中，值(CA-CB)(它是检测块差分电容对输入激励的响应)可影响每个时钟周期中传送给积分器228的电荷包的大小，并最终影响传送1的OUT信号时钟周期的一小部分。在一个实施例中，此部分脉冲密度(FPD-fractional pulse density)是检测电路20的输出信号值。在一个实施例中，FPD定义为每秒内输出值为高电平的时钟周期个数除以时钟频率。

在一个实施例中，在非触发事件(例如，无加速度、压力等的突然改变)期间，检测电路20的输出可以是一连串交替的一和零。在一个实施例中，在发生触发事件(例如，存在突然加速)的情况下，检测块20中电容器C_A的电容可能会增加，而电容器CB的电容可能会降低。在一个实施例中，这种差分电容(C_A-C_B)可导致检测电路20在选定的时间间隔输出的一比零多。

现在参照图4，它显示了在一个实施例中可施加到检测电路20不同节点以产生两个OUT信号值的电压电平和转换图示。在一个实施例中，OUT信号为“0”时，它表示积分器228在前面INT相位(例如，V_OD[n-1])结束时差分输出电压的值小于零。在一个实施例中，对于检测电路20的节点222、240和242，箭头尾部表示UN相位期间的电压电平，而箭头头部表示INT相位期间的电压电平。在一个实施例中，实际电压转换可在INT时钟相位期间发生；在一个实施例中，UN相位期间施加的电压可看作电压转换的起点。

如图4所示，如果OUT信号为“0”，则在当前时钟周期，节点242上的电压可被驱动到单位(UN)时钟相位期间V_PEF1的电平，然后可能被驱动到积分(INT)时钟相位期间的V_CAL1的电平(线条410)。同样地，节点240上的电压可从V_CAL1转换到在INT相位期间的V_REF1(线条420)。例如，可参照图2和图3验证这些电压转换。OUT信号为“1”时，节点242上的电压可从V_CAL2转换到V_REF1(线条435)，而节点240上的电压可从V_REF1转换到V_CAL2(线条440)。

如参照图4可见，在一个实施例中，检测元件220的输入端222处的电压不依赖于OUT信号的值，在每个时钟周期从地电位转换到V_REF2(线条442、445)

在一个实施例中，将上述选定电压施加到检测电路20可获得所需的FPD转移功能，下面将对此作更详细的描述。检测电路20的FPD可按如下所述导出：

在OUT＝0的时钟周期期间，通过节点242和222处的电压转换在INT相位(或时钟)期间传送给节点241(并最终传送给CFP反馈电容器)的电荷可由以下等式(1)定义：

$Q_{\mathrm{LP}}=C_P(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DG}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DIF}})+C_A\left(V_{\mathrm{REF}2}\right)$ 等式(1)

其中，V_DIF表示两个校准电压之间的差(即，V_CAL2-V_CAL1)，并且V_DG/2表示两个校准电压的平均值与V_REF1之间的差(即，

$\frac{V_{\mathrm{DG}}}{2}=\frac{V_{\mathrm{CAL}1}+V_{\mathrm{CAL}2}}{2}-V_{\mathrm{REF}1}).$

在OUT＝0的时钟周期期间，通过节点240和222处电压转换在INT相位期间从节点238(和C_FN反馈电容器)提取的电荷可由下面的等式(2)定义：

$Q_{\mathrm{LN}}=C_N(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DG}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DIF}})-C_B\left(V_{\mathrm{REF}2}\right)----\left(2\right)$

上述电荷的传送和提取可导致积分器228的输出在INT时钟相位期间改变，如下面的等式(3)定义：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ODL}}=\frac{C_P(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DG}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DIF}})+C_A\left(V_{\mathrm{REF}2}\right)}{C_{\mathrm{FP}}}+\frac{C_N(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DG}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DIF}})-C_B\left(V_{\mathrm{REF}2}\right)}{C_{\mathrm{FN}}}----\left(3\right)$

其中，ΔV_ODL是当OUT信号为低电平时积分器输出电压中的变化值。

在一个实施例中，假定C_P＝C_N＝C_IN以及C_FP＝C_FN＝C_F，则等式(3)变为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ODL}}=\frac{\left(2C_{\mathrm{IN}}\right)(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DG}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DIF}})+(C_A-C_B)(C_A-C_B)\left(V_{\mathrm{REF}2}\right)}{C_F}----\left(4\right)$

在OUT＝1的时钟周期期间，积分器228的输出可以类似方式确定，如下面的等式(5)所示：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ODH}}=\frac{-\left(2C_{\mathrm{IN}}\right)(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DG}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DIF}})+(C_A-C_B)\left(V_{\mathrm{REF}2}\right)}{C_F}--\left(5\right)$

在一个实施例中，部分脉冲密度可通过等式(6)与上述输出电压改变相关：

$\mathrm{FPD}=\frac{1}{1-\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ODH}}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ODL}}}}-------\left(6\right)$

将等式(4)和(5)代入等式(6)，然后化简，便得到如下等式(7)：

$\mathrm{FPD}=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\frac{V_{\mathrm{DIF}}}{V_{\mathrm{DG}}}+\frac{V_{\mathrm{REF}2}}{2V_{\mathrm{DG}}{C}_{\mathrm{IN}}}(C_A-C_B)----\left(7\right)$

基于等式(7)的FPD可用以下等式(8)加以概括：

FPD＝B+G[C_A-C_B]                          (8)

其中， $B=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\frac{V_{\mathrm{DIF}}}{V_{\mathrm{DG}}}$ 以及 $G=\frac{V_{\mathrm{REF}2}}{2V_{\mathrm{DG}}{C}_{\mathrm{IN}}}.$

在一个实施例中，等式(7)和(8)说明可以如何校准检测电路20。在一个实施例中，可通过改变V_DG调整灵敏度校准值，这可能要求使两个校准电压一起升高或降低。调整V_DG可使等式(8)中的“G”增大或减少。在一个实施例中，在设置灵敏度值后，可通过改变V_DIF来调整偏移校准值，这可能要求沿相反方向使校准电压升高或降低。改变V_DIF可使等式(8)中的“B”增大或减少。

本发明的一个或多个实施例可以经济有效的方式实施，并且还较不易受噪声的影响。由于在一个或多个实施例中，检测电路20可采用较双传感元件便宜的单传感元件，因而可节省成本。此外，本发明的一个或多个实施例在制造期间要求较少的焊接点和/或焊接线。在一个实施例中，可使用金属掩模调整输入电容器C_P和C_N，从而可对检测电路20上执行粗校准。

上面公开的特殊实施例只是为了说明，因为可以不同但等效的方式修改和实现本发明，这些方式对从本文论述获益的本领域的技术人员而言是显而易见的。此外，除下面权利要求书中所述之外，无意对本文所示的结构或设计细节进行限制。因此，上面公开的具体实施例显然可进行改变或修改，并且所有这种变型均视为在本发明的范围和精神范围之内。因此，本文要求的保护如以下的权利要求书所述。

Claims (30)

1.一种装置，它包括：

输入块，用于将输入信号施加到检测块的公共输入端；以及

转换块，用于从所述检测块接收检测信号以响应施加所述输入信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述转换块依据所述检测信号提供输出信号。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述转换块提供含表示加速度的部分脉冲密度的信号。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述输入块在第一时钟相位期间将第一信号施加到所述公共输入端，以及在第二时钟相位期间将第二信号施加到所述公共输入端。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述转换块对所述检测信号积分并提供第一输出信号和第二输出信号。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述转换块还将所述第一输出信号与所述第二输出信号作比较并提供输出信号。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述转换块将所述输出信号提供给所述输入块。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述输入块包括第一输入电容器和第二输入电容器，其中，所述输入块通过所述第一输入电容器将第一输入信号提供给所述转换块以及通过所述第二输入电容器将第二输入信号提供给所述转换块。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述输入块通过第一电容器提供所述第一输入信号以及通过第二电容器提供所述第二输入信号。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括存储单元以存储要施加到所述装置的一个或多个电压值。

11.一种方法，它包括：

将输入信号提供给检测块的公共输入端；

在提供所述输入信号的基础上，从所述检测块接收检测信号；以及

依据所述检测信号提供信号。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于包括依据所述检测信号提供数字信号。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于包括提供含表示加速度的部分脉冲密度的信号。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于包括在第一时钟相位期间将第一信号提供给所述公共输入端以及在第二时钟相位期间将第二信号提供给所述公共输入端。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于包括在非重叠时钟周期期间，将所述第一信号和所述第二信号提供给所述公共输入端。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于包括对所述检测信号积分并提供第一输出信号和第二输出信号。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于包括将所述第一输出信号与所述第二输出信号作比较并提供输出信号。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于包括至少部分依据所述输出信号提供所述第一信号和第二信号。

19.一种装置，它包括：

输入块，用于将输入信号提供给检测块的第一电容器和第二电容器的公共端；以及

转换块，用于从所述检测块接收检测信号以响应施加所述输入信号。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于所述转换块依据所述检测信号提供数字信号。

21.如权利要求19所述的装置，其特征在于所述输入块在第一时钟相位期间将第一信号施加到所述公共输入端以及在第二时钟相位期间将第二信号施加到所述公共输入端。

22.如权利要求19所述的装置，其特征在于所述输入块包括第一输入电容器和第二输入电容器，其中所述输入块通过所述第一输入电容器将第一输入信号提供给所述转换块，以及通过所述第二输入电容器将第二输入信号提供给所述转换块。

23.如权利要求19所述的装置，其特征在于所述转换块包括：

积分器，用于从所述检测块接收所述检测信号并产生积分信号；

比较器，用于接收所述积分信号并提供输出信号；以及

锁存器，用于接收所述输出信号并提供锁存的输出信号。

24.如权利要求19所述的装置，其特征在于还包括存储单元以存储要施加到所述检测电路的一个或多个电压值。

25.一种乘员保护系统，它包括：

检测电路，用于：

将输入信号施加到检测块的公共输入端；

从所述检测块接收检测信号以响应施加所述输入信号；以及

至少部分依据所述检测信号提供输出信号；以及

适配块，用于至少部分依据所述检测电路的所述输出信号提供起动信号。

26.如权利要求25所述的乘员保护系统，其特征在于所述适配块提供所述起动信号以起动气袋。

27.如权利要求25所述的乘员保护系统，其特征在于所述检测电路使用多个非重叠时钟定时。

28.如权利要求25所述的乘员保护系统，其特征在于所述检测电路提供数字信号。

29.如权利要求25所述的乘员保护系统，其特征在于所述检测电路提供含表示加速度的部分脉冲密度的信号。

30.如权利要求25所述的乘员保护系统，其特征在于还包括存储单元以存储要施加到所述检测电路的一个或多个电压值。

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