-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung bezieht sich auf die
Erzeugung einer temperaturabhängigen
Bezugsspannung, die ebenfalls mit der Leistungsversorgungsspannung
in einer Signalverarbeitungsschaltung ratiometrisch ist. Sie kann
erweitert werden, um mit anderen abgetasteten Parametern des Systems
ratiometrisch zu sein.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Signalverarbeitungsschaltungen, die
beispielsweise bei einer Kraftfahrzeuganwendung verwendet werden,
erfordern typischerweise ein Temperaturabtastmerkmal, um ihre Genauigkeit
sicherzustellen. Typischerweise weisen Signalverarbeitungsschaltungen
temperaturabhängige
Variablen auf, die die Genauigkeit des Ausgangssignals der Schaltung beeinflussen.
Tatsächlich
kann die Genauigkeit des Ausgangssignals über den gesamten Temperaturbereich
beeinflusst werden, über
den die Verarbeitungsschaltung betrieben wird. Die Genauigkeit der Ausgangsspannung
ist besonders für
Kraftfahrzeuganwendungen bedeutsam, da das Signal für Verarbeitungsschaltungen
typischerweise bei einer erhöhten
Temperatur betrieben wird.
-
Ein gewöhnlich verwendetes Verfahren
zum Abtasten der Temperaturänderung
und Digitalisieren in einer Signalverarbeitungsschaltung besteht
darin, eine der absoluten Temperatur proportionale Spannung (Vptat) mit einer temperaturunempfindlichen
Bezugsspannung (Vref) unter Verwendung eines
Analog/Digital-Wandlers
(A/D) zu vergleichen. Das Teilen der Spannung Vptat mit
der Spannung Vref erzeugt ein Verhältnis, das
mit der Temperatur proportional ist. Dieses Verhältnis kann in der Form eines
digitalen Impulsstroms sein, wenn ein Sigma-Delta-Modulator als ein A/D verwendet
wird. Ein Digitalfilter kann dieses in ein digitales Wort umwandeln.
-
Eine Bandlückenschaltung wird herkömmlicherweise
verwendet, um die Bezugsspannung an die Verarbeitungsschaltung zu
liefern, da diese Bandlückenschaltung
gegen Temperaturänderungen unempfindlich
ist. Die Bandlücken-Bezugsspannung ist
jedoch ebenfalls gegen eine Leistungsversorgungsspannungsänderung
unempfindlich, da die Bandlückenspannung
eine physikalische Konstante ist. Somit wird die von den Spannungen
Vptat und Vref erzeugte
temperaturabhängige
Ausgabe von der Leistungsversorgungsspannung unabhängig sein.
-
Eine Signalaufbereitungsschaltung
erfordert gewöhnlicherweise
eine ratiometrische Ausgangsspannung über einen weiten Temperaturbereich. Wenn
die Leistungsversorgung innerhalb des spezifizierten Bereichs schwankt,
muss sich die Ausgangsspannung der Schaltung über die gesamte Temperaturänderung
verändern.
Die Ausgangsspannung der Schaltung muss sich in einem spezifizierten
Bereich verändern.
Während
der Kalibrierung ist eine Verfahrenskorrektur bei Zimmertemperatur
des Signals ziemlich problemlos. Das Ausgangssignal bleibt typischerweise
mit der Versorgungsspannung bei Zimmertemperatur ratiometrisch.
Der Temperaturkalibrierungsabschnitt, der ebenfalls mit der Versorgung ratiometrisch
ist, ist jedoch nicht so problemlos. Wenn die Spannungen Vptat und Vref direkt
verwendet werden, um die Signaltemperatur-bezogenen Parameter für eine feste
Versorgungsspannung zu korrigieren, ist die Ausgabe für diese
Spannung fein. Wenn sich die Leistungsversorgung verändert, wird jedoch
der Ausgabefehler über
den engen Bereich mit der Temperatur aufgrund der Unabhängigkeit
von Vptat und Vref der
Versorgungsspannung ansteigen. Was dem gemäß benötigt wird, ist ein System zum Bereitstellen
einer Ausgangsspannung, die sowohl temperaturabhängig als auch mit der Versorgungsspannung
ratiometrisch ist, um Vptat und Vref zu ersetzen. Die vorliegende Erfindung
widmet sich einem derartigen Bedarf.
-
Die
US
5 848 383 offenbart eine Signalverarbeitungsschaltung mit
einer digitalen Ausgleichsschaltung zum Kalibrieren eines Sensors.
Die Ausgleichsschaltung empfängt
Daten, die sich auf eine Mehrzahl von Temperaturparametern beziehen,
und liefert einen Polynomausgleich eines Temperaturkoeffizienten.
Der Polynomausgleich wird durch eine Näherung des Verhaltens höherer Ordnung
des Sensors durch eine Polynomfunktion bereitgestellt.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Eine Signalverarbeitungsschaltung
wird offenbart. Die Signalverarbeitungsschaltung offenbart einen
Sensor zum Empfangen einer Spannung und Liefern eines erstes Signal
basierend auf mindestens einem Parameter. Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst
ferner einen ersten D/A-Wandler (DAC) zum Liefern einer Versorgungsspannung
an den Summator und einen zweiten DAC zum Liefern einer Spannung
(Vtc), die von der Versorgungsspannung und
einer Änderung
in der Temperatur der Versorgungsspannung abhängig ist. Die Signalverarbeitungsschaltung
umfasst ebenfalls einen Summator, der mit den ersten und zweiten
DACs zum Empfang des ersten Signals und Liefern einer ersten Ausgabe
gekoppelt ist, und eine Verstärkungsschaltung
zum Empfangen der ersten Ausgabe und Liefern einer Ausgangsspannung.
-
Gemäß der Erfindung wird eine Signalverarbeitungsschaltung
bereitgestellt mit:
einem Sensor zum Empfangen einer Spannung
und Liefern eines ersten Signals basierend auf mindestens einem
Parameter, wobei das erste Signal proportional zu einer Versorgungsspannung
(Vdd) ist;
einem Summator zum Empfangen
des ersten Signals und zum Liefern einer ersten Ausgabe;
einem
ersten DAC, der mit dem Summator gekoppelt ist, zum Liefern an den
Summator einer ersten Korrekturspannung, die mit der Versorgungsspannung (Vdd) proportional ist; wobei der erste DAC
auf einen Anteil (Vos) der Versorgungsspannung
eingestellt ist;
einem zweiten DAC, der mit dem Summator gekoppelt
ist, zum Liefern an den Summator einer zweiten Korrekturspannung,
wobei der zweite DAC auf einen Anteil (Vos_ TC)
einer Spannung (Vtc) eingestellt ist, der
von der Versorgungs spannung (Vdd) und einer Änderung
der Versorgungsspannung mit der Temperatur abhängig ist;
einer Verstärkungsschaltung
zum Empfangen der ersten Ausgabe und Liefern einer Ausgangsspannung
(Vout);
einer Spannungserzeugungsschaltung
zum Liefern einer Bezugsspannung (Vref)
und einer Spannung basierend auf der absoluten Temperatur (Vptat); und
einem Modulator zum Empfangen
von Vref und Vptat und
zum Liefern eines die Temperatur darstellenden Digitalsignals;
wobei
die Schaltung ferner ein mit dem Modulator gekoppeltes analoges
Tiefpassfilter zum Liefern der Spannung Vtc von
dem Digitalsignal umfasst.
-
Vorzugsweise umfasst das Signalverarbeitungssystem
eine Spannungsquellenschaltung zum Liefern der Spannung an den Sensor.
Vorzugsweise empfängt
die Verstärkungsschaltung
ebenfalls einen Verstärkungswert
und das Digitalsignal von dem Modulator. Vorzugsweise umfasst das
Digitalsignal einen digitalen seriellen Bitstrom.
-
Mindestens ein geschalteter Kondensator kann
das Digitalsignal empfangen und mindestens eine zusätzliche
temperaturabhängige
Spannung liefern.
-
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird
eine Signalverarbeitungseinheit bereitgestellt mit:
einem Sensor
zum Empfangen einer Spannung und zum Liefern eines ersten Signals
basierend auf mindestens einem Parameter;
mindestens zwei D/A-Wandlern
(DAC), wobei mindestens einer der beiden DACs zum Liefern einer Versorgungsspannung
an den Summator und mindestens der andere der beiden DACs zum Liefern
einer Spannung (Vtc) ist, die von der Versorgungsspannung
und einer Änderung
in der Temperatur der Versorgungsspannung abhängig ist;
einen Summator,
der mit den mindestens zwei DACs zum Empfangen des ersten Signals
und zum Liefern der ersten Ausgabe und einer Verstärkungsschaltung zum
Empfangen der ersten Ausgabe und Liefern einer Ausgangsspannung
gekoppelt ist, wobei das erste Signal mit der Versorgungsspannung
ratiometrisch ist.
-
In Übereinstimmung mit dem System
der vorliegenden Erfindung kann eine Spannung Vtc,
die von der Versorgungsspannung und einer Änderung in der Temperatur der
Versorgungsspannung abhängig
ist, vorteilhaft verwendet werden, um die Anzahl von DACs in dem
Signalverarbeitungssystem zu minimieren. Diese Technik kann erweitert
werden, um eine Temperaturkorrektur erster oder höherer Ordnung
(beispielsweise eine Korrektur vom Polynomtyp) oder eine stückweise
lineare Temperaturkorrektur durchzuführen. Die Hauptvorteile dieser
Technik sind minimale Hardware-Verwendung und gefilterte digitalisierte
Temperaturschritte bei der Signalverarbeitung. Sie kann erweitert
werden, um Fehler aufgrund anderer abgetasteter Signale auszukalibrieren,
wenn das primär
abgetastete Signal durch diese anderen Signale beeinflusst wird.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 veranschaulicht
ein erstes herkömmliches
System, um die Temperaturabhängigkeit
aufgrund der Leistungsversorgungsspannung eines Ausgangssignals
mittels eines A/D-Wandlers (A/D), eines digitalen Signalprozessors
(DSP) und eines Digital/Analog-Wandlers (DAC) zu korrigieren.
-
2 veranschaulicht
ein zweites herkömmliches
System, um die Temperaturabhängigkeit
aufgrund der Leistungsversorgungsspannung eines Ausgangssignals
unter Verwendung eines durch digitalisierte Temperatur korrigierten
Signalpfads zu korrigieren.
-
3 ist
eine erste Ausführungsform
eines Systems in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
-
4 ist
eine zweite Ausführungsform
eines Systems in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
-
5 ist
eine dritte Ausführungsform
eines Systems in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Die vorliegende Erfindung ist auf
eine Verbesserung bei der Erzeugung einer temperaturabhängigen Bezugsspannung
gerichtet, die ebenfalls mit der Versorgungsspannung in einer Signalverarbeitungsschaltung
ratiometrisch ist. Die folgende Beschreibung wird dargestellt, um
es einem Fachmann zu ermöglichen,
die Erfindung auszuführen
und zu verwenden, und wird im Zusammenhang einer Patentanmeldung
und ihrer Anforderungen bereitgestellt.
-
Es gibt zwei herkömmliche Techniken zum Korrigieren
der Temperaturabhängigkeit
aufgrund der Leistungsversorgungsspannung der Ausgangsspannung. 1 veranschaulicht ein erstes
System 100, um Temperaturabhängigkeit aufgrund der Leistungsversorgungsspannung
eines Ausgangssignal zu korrigieren. Mit Bezug nun auf 1 ist ein Brückensensor 102 mit
VSS und ebenfalls mit einer Stromquellenschaltung 104 gekoppelt.
Seine Ausgaben werden an einen Summator 108 angelegt, der Eingaben
von zwei Digital/Analog-Wandlern (DACs) 110 und 112 empfängt. Der
DAC 110 empfängt
eine Eingabe von Vref, und der DAC 112 empfängt eine Eingabe
von Vptat. Die Ausgabe von dem Summator 108 wird
an einen Analog/Digital-Wandler 114 geliefert, der ebenfalls
einen Eingabe von Vref empfängt. Danach
empfängt
eine Digitalsignalverarbeitungseinheit 116 das Digitalsignal
und liefert dieses Signal an einen DAC 118. Der DAC 118 steht
in Bezug mit Vdd und liefert ein mit der
Versorgung ratiometrisches Ausgangssignal.
-
Betrieb des herkömmlichen
Systems
-
Das Signal von dem Brückensensor 102 wird mittels
der Stromquellenschaltung 104 erzeugt. Die Stromquellenschaltung 104 ist
von Vdd unabhängig. Der Temperaturausgleich
der Verstärkung
wird durch Hinzufügen
eines analogen temperaturabhängigen Ausdrucks
innerhalb der Stromquellenschaltung 104 durchgeführt. Der
Wert der Spannung oder der Stromquelle ist von Vdd unabhängig. Für einige
Anwendungen ist die Unabhängigkeit
der Spannung der Quellenschaltung 104 von Vdd ein
gutes Merkmal.
-
Signalverarbeitungsschaltungen bei
Kraftfahrzeuganwendungen verwenden jedoch im Allgemeinen Vdd als eine Bezugsspannung. Demgemäß ist die
Unabhängigkeit
der Spannung oder des Stroms von Vdd für Kraftfahrzeuganwendungen
nicht gut, da sich die Temperatur der Schaltung unter Kraftfahrzeugbedingungen
stark verändert.
Die Ausgangsspannung ist mit dem gemessenen Parameter (Druck, Giergeschwindigkeit
etc.) und mit Vdd proportional. Wenn der
Druck beispielsweise in der mittleren Skala (50%) und die Versorgungsspannung
5 V ist, dann ist die Ausgangsspannung gleich 2,5 V. Wenn sich Vdd in 5,5 V ändert, wird sich die Ausgangsspannung
in 2,75 V ändern.
Somit wird die Ausgangsspannung als ratiometrisch mit der Versorgung
angesehen.
-
Mit Rückbezug auf 1 wird die Verstärkung des Signals des Sensors 102 durch
Verwenden der Stromquellenschaltung 104 mit einem temperaturabhängigen Ausdruck
temperaturkorrigiert. Die Verschiebung des Sensors 102 oder
der Nulldruck oder irgendein anderer abgetasteter Parameter weist jedoch
noch eine Temperaturabhängigkeit
(tc) auf. Die Verschiebung und die Verschiebung tc wird mittels
Vref und Vptat korrigiert.
Das Signal wird dann mittels einer Analog/Digital-Korrektur über den
A/D 114 digitalisiert. Einige zusätzliche Korrekturen werden mittels
digitaler Signalverarbeitung durchgeführt. Die Ausgangsspannung (Vout) wird von dem DAC 116 mittels
Vdd als Bezug in analoge Form rückgewandelt. Somit
ist Vout mit dem abgetasteten Parameter
und der Versorgungsspannung Vdd proportional.
Die Vout weist jedoch Quantisierungsschritte
auf, die häufig wiederkehrende
Probleme bei rückgekoppelten
Regelkreisen erzeugen.
-
Außerdem erfordert das herkömmliche
System 100 von 1 genaue
DACs. Ein genauer DAC weist einen niedrigen differentiellen Linearitätsfehler (< 11 Bit) auf. Diese
genauen DACs fügen
dem System 100 Kosten und Komplexität hinzu. Schließlich wird
jede Verringerung in der Anzahl von DACs innerhalb des Systems die
Gesamtkosten des Systems verringern.
-
Um sich einigen der Probleme zu widmen, wurde
eine zweite herkömmliche
Technik benutzt, um die Temperaturabhängigkeit zu korrigieren. 2 veranschaulicht ein zweites
herkömmliches
System 200, um die Temperaturabhängigkeit aufgrund der Leistungsversorgungsspannung
eines Ausgangssignals zu korrigieren. In 2 sind viele der Komponenten die gleichen
wie in 1 und weisen ähnliche Bezugsziffern
auf. Der Brückensensor 102' empfängt jedoch
Eingaben von einer Spannungsschaltungsquelle 204, die mit
Vdd gekoppelt ist. Wie ersichtlich ist,
liefern drei DACs, 210, 212 und 214,
Eingaben in den Summator 108'.
Der Ausgabe des Summators 108' wird dann an eine Verstärkungsschaltung 216 geliefert,
die Eingaben von einem digitalen Tiefpassfilter 218 empfängt. Außerdem werden
Gain- und Gain_TC-Werte ebenfalls an die Verstärkungsschaltung 216 über analoge
Vorrichtungen (nicht gezeigt) geliefert. Die Verstärkungsschaltung 216 liefert
dann die Ausgangsspannung (Vout) basierend
auf diesen Eingaben. Die Schaltung 200 umfasst ferner eine
Bezugsspannung(Vptat)-Signalschaltung 220 Vref und Vptat. Die
Schaltung 220 liefert Vref und
Vptat an einen Modulator 204. Der
Modulator 204 liefert dann ein Signal an einen digitalen
Tiefpassfilter 218. Das digitale Tiefpassfilter 218 liefert
ein digitales Wort (D_Temp) an die Verstärkungsschaltung 210.
D_Temp zusammen mit Gain_TC- und Gain-Werte werden dann an die Verstärkungsschaltung 216 geliefert.
Die Verstärkungsschaltung 216 liefert
die Ausgangsspannung. Das System 200, obwohl es eine Verbesserung
gegenüber
dem System 100 von 1 ist,
verlangt immer noch mehrere DACs 210, 212 und 214.
Wie ersichtlich ist, wird, obwohl eine Verstärkungsschaltung 216 verwendet
wird, um den DAC für
die Ausgangsspannung zu eliminieren, ein zusätzlicher DAC 214 benötigt, um
die digitale Wortausgabe D_Temp von dem digitalen Tiefpassfilter 228 auszugleichen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann,
wenn der Temperaturimpulsstrom direkt von dem Modulator 204 erhalten
wird, die Anzahl von DACs minimiert werden. Indem dies getan wird,
können
die Gesamtkosten und die Komplexität des Systems minimiert werden.
Die Antwortzeit-Signalverarbeitungs-schaltung ist ebenfalls kleiner
als bei herkömmlichen
Systemen, da zwei Hauptsignalverarbeitungsschritte eliminiert werden.
Demgemäß minimiert
das System in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung die Anzahl von DACs, während die Gesamtleistung
der Signalverarbeitungsschaltung ebenfalls verbessert wird.
-
3 ist
eine erste Ausführungsform
eines Systems 300 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Viele der Elemente sind den Elementen
von 2 ähnlich.
Ein Hauptunterschied ist jedoch, dass weniger DACs erforderlich
sind. Weniger DACs sind erforderlich, da es einen analogen Tiefpassfilter 318 gibt,
um den digitalen Tiefpassfilter 218 von 2 zu ersetzen. Indem dies getan wird,
wird eine Spannung, die von Änderungen
der Temperatur und Vdd (Vtc)
abhängig
ist, direkt an den DAC 112 geliefert, anstatt zwei DACs
mit Vdd als Bezug zu verlangen, um die gleiche
Funktion auszuüben.
-
Betrieb der vorliegenden
Erfindung
-
Bei dieser Ausführungsform ist die Ausgabe des
Sensors 102'' mit Vdd ratiometrisch. Die Verschiebung wird mittels
Vdd als Bezugsspannung korrigiert. Die Verschiebungstemperatur-koeffizientenkorrektur wird
unter Verwendung einer Spannung durchgeführt, die proportional zu Vdd und der Temperatur ist, die Vtc ist.
Die Empfindlichkeitskorrektur wird mittels der Verstärkungsschaltung
durchgeführt.
Der Verstärkungstemperaturkoeffizient
wird unter Verwendung einer bitseriellen digitalen Temperatur (Dtemp_s)
korrigiert. Der digitale Impulsstrom unter Verwendung von Vref und Vptat wird
mittels des Modulators 204' erzeugt.
Die Impulsdichte (Anzahl von Einsen in dem Impulszug für eine feste
Anzahl von Zyklen) dieses Impulsstrom ist proportional mit dem Verhältnis der
Vptat mit Bezug auf Vref.
Somit ist die Impulsdichte ebenfalls mit der Temperatur proportional. Die
digitale Ausgangsspannung (Vout) schwingt
von Vdd zu VSS.
Somit ist der durchschnittliche Wert dieses Impulsstroms temperatur-
und ver sorgungsabhängig.
Das Analogfilter 318 wandelt diesen Impulsstrom in eine
analoge Spannung (Vtc) um. Wenn sich Vdd verändert,
dann verändert
sich Vtc zwischen Vdd und Vts proportional. Wenn die Temperatur ansteigt,
erhöht
sich ebenfalls die Anzahl von Einsen, womit der durchschnittliche
Wert der Dtemp_s ansteigt. Somit ist die gefilterte analoge Spannung
eine Funktion von Vdd und der Temperatur.
Demgemäß wird durch
die vorliegende Erfindung Vtc an den DAC 112'' geliefert, die von der Temperatur
und Vdd abhängig ist. Die digitale Temperatur
im Bitstromformat (Dtemp_s) kann von dem Modulator 204'' direkt an den Verstärker 216'' geliefert werden, um die Verstärkung gegen Temperaturänderungen
zu korrigieren.
-
Daher kann dann die erzeugte Spannung
Vtc für
den Temperaturausgleich durch den Sensor 102'' verwendet
werden. Demgemäß kann diese
Technik erweitert werden, um eine Temperaturkorrektur erster oder
höherer
Ordnung (beispielsweise eine Korrektur vom Polynomtyp) oder eine
stückweise
lineare Temperaturkorrektur durchzuführen, wie es in den 4 und 5 gezeigt ist.
-
4 ist
im Wesentlichen 3 ähnlich,
mit der Ausnahme eines Filters mit geschaltetem Kondensator 402,
der Dtemp_s und Vtc1 empfängt und eine
temperaturquadratabhängige
Spannung Vtc2 liefert. 5 ist im Wesentlichen die gleiche wie 4 mit der Ausnahme, dass
ein zusätzlicher
geschalteter Kondensator 502 verwendet wird, um eine temperaturabhängige Spannung
dritter Ordnung Vtc3 zu liefern.
-
Vorteile
-
Bei einem System in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl erforderlicher DACs
minimal und gefilterte digitalisierte Temperaturschritte bei der
Signalverarbeitung werden ebenfalls minimiert. Die temperaturabhängige Spannung
Vtc ist frei von Quantisierungsschritten.
Derartige Quantisierungsschritten bei niedriger Frequenz sind in
einem geschlossenen Regelkreis manchmal problematisch. Somit kann
ein Tiefpassfilter mit niedriger Bandbreite verwendet werden, um
digitalisierendes Rauschen auf einen sehr niedrigen Pegel zu verringern.
Ein weiterer Vorteil mit einem System in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass es keine Notwendigkeit für einen
genauen DAC gibt. Daher konnte eine temperaturbezogene Korrektur
unter Verwendung eines einfacheren CMOS-Verfahrens (ohne Kondensatoren)
erreicht werden, womit die Kosten der Signalaufbereitungsschaltung
verringert werden.