KR930003499B1 - 센서 장치 및 센서 신호 처리 방법 - Google Patents

센서 장치 및 센서 신호 처리 방법 Download PDF

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KR930003499B1 KR1019890015412A KR890015412A KR930003499B1 KR 930003499 B1 KR930003499 B1 KR 930003499B1 KR 1019890015412 A KR1019890015412 A KR 1019890015412A KR 890015412 A KR890015412 A KR 890015412A KR 930003499 B1 KR930003499 B1 KR 930003499B1
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Abstract

내용 없음.

Description

센서 장치 및 센서 신호 처리 방법
제 1 도는 본 발명에 따른 센서 장치의 회로도.
제 2 도는 내지 제 3 도는 제 1 도에 대한 그래프도시도.
제 4 도는 본 발명의 센서 장치의 일부분의 대안의 실시예도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 압력센서 22, 23 : 스위치
30, 40 : 증폭기 35, 36, 45 : 저항
50 : MCU
본 발명은 차동 출력을 가진 센서용 장치에 관한 것이다. 특히 상기 장치는 압력 센서에만 유용한 것은 아니다. 압력 센서 소자는 디바이스 대 디바이스 변화 및 온도 영향과 같은 2개의 주요 변화를 견디는 것으로 공지되었다. 디바이스 변화가 인가된 제로 압력에 대한 센서의 출력 전압인 오프셋과 장치의 최대 크기 출력의 변화의 형태를 취하는데, 상기 오프셋은 장치마다 다르다. 온도 변화는 오프셋과 압력 센서의 최대 크기 모두에 영향을 미친다. 오프셋에 대해서는 최대 크기의 온도 변화의 영향이 상기 특성의 슬로프(slope)를 변화시키는 동안 전체출력 전압대 압력 특성이 시프트된다. 압력 센서 신호의 진폭을 증가시키기 위해 연산 증폭기를 사용하는 것이 유용하다. 이러한 증폭기 자체는 입력 전압과 전류 오프셋 및 출력 전압 오프셋을 발달시키는 입력 바이어스 전류와 같은 에러를 초래한다. 이들 종폭기의 오프셋 전압을 절대값으로 보상하고 온도 변화를 보상하기 위해서는, 각각의 센서-증폭기 유니트에 대해 실행되어야 하는 값비싼 교정 절차를 가진 정밀 연산 증폭기를 사용하는 것이 필요하다. 상기 절차는 제조 공정의 가장 값비싼 부분일 수 있다.
본 발명은 앞서 언급된 문제가 경감되는 개선된 센서 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따라, 제1 및 제 2 출력과 ; 제1 및 제 2 증폭기 수단과 ; 2쌍의 증폭기 출력 신호를 제공하기 위해 상기 제1 및 제 2 증폭기 수단간의 제1 및 제 2 센서 출력을 스위칭 결합시키는 스위칭 수단과 ; 상기 스위칭 수단의 스위칭을 제어하는 제어 수단과 ; 상기 2쌍의 증폭기 출력 신호를 표시하는 신호를 기억시키는 기억수단 및 ; 증폭기 오프셋 전압을 실제로 제거하기 위해 상기 기억된 신호를 결합시키는 결합 수단을 가진 센서를 포함하는 센서 장치가 제공된다. 양호한 실시예에서 상기 센서가 압력 센서이다.
상기 제1 및 제 2 증폭기 수단은 통상 연산 증폭기이다.
상기 장치가 상기 표시 신호를 제공하기 위해, 2쌍의 증폭기 출력 신호를 디지탈 신호로 변환하는 아날로그 대 디지탈 변환 수단을 또한 포함할 수도 있다.
상기 저장 수단이 편리하게 디지탈 기억 레지스터 수단을 포함할 수도 있다. 양호한 실시예에서, 상기 기억 수단과 결합 수단이 상기 2쌍의 증폭기 출력 신호로부터 유도된 디지탈 신호를 기억 및 결합에 유효한 마이크로컴퓨터에 의해 형성된다.
상기 마이크로컴퓨터가 상기 제어 수단을 또한 포함할 수도 있고 스위칭 수단의 스위칭을 제어하도록 결합된 제어 출력을 갖는다.
본 발명의 제 2 특징에 다라, 2쌍의 증폭기 출력신호를 제공하기 위해 제1 및 제 2 증폭기 수단간의 센서에 의해 제공된 제1 및 제 2 신호를 스위칭하는 단계와, 상기 2쌍의 증폭기 출력 신호를 표시하는 신호를 기억시키는 단계 및, 증폭기 오프셋 전압을 실제로 제거하기 위해 상기 기억된 신호를 결합시키는 단계를 포함하는 센서 신호를 처리하는 방법이 제공된다. 양호한 실시예에서 각쌍의 상기 기억된 신호가 이들 쌍내의 또 다른 쌍으로부터 공제되고 상기 공제의 결과가 결합된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예가 더욱 상세히 설명되어질 것이다. 제 1 도를 참조하면, 통상 모토로라 MPX 2100 AP 유니트인 입력센서(10)가 공급라인(5 및 6)에 각기 결합된 입력(1 및 3)과 차동 출력(2 및 4)을 갖는다.
상기 센서(10)의 출력(2 및 4)이 2개의 스위치(21 및 22)에 결합된다. 상기 스위치(21)가 센서 출력(2 및 4)에 각기 결합된 입력(23 및 25)을 갖는 반면 스위치(22)는 센서 출력(2 및 4)에 유사하게 결합된 입력(24 및 26)을 갖는다. 스위치(21)는 연산 증폭기(30)의 일 입력(31)에 결합된 출력(27)을 갖는다. 스위치(22)는 연산 증폭기(40)의 일 입력(41)에 결합된 출력(28)을 갖는다. 연산 증폭기(30 및 40)는 공급라인(5 및 6)에 각기 결합된 공급 입력(32 및 34)을 가진 모토로라 MC 33078과 같은 단일 직접 회로로서 편리하게 형성된다. 연산 증폭기(30 및 40)가 마이크로컴퓨터 유니트(30)의 각각의 입력채널(51 및 52)에 결합되는 출력(33 및 43)을 갖는다. 상기 증폭기(30 및 40)는 각각의 피이드백 저항(35 및 45)을 통해 각각의 출력(33 및 43)에 결합되는 제 2 입력(34 및 44)를 각기 갖는다. 이득 제어 저항(36)은 상기 증폭기(30 및 40)의 제 2 입력(34 및 44)간에 연결된다.
최종적으로 마이크로컴퓨터(MCU ; 50)는 스위치(21 및 22)의 제어입력(20 및 29)에 결합되는 제어출려(53)을 갖는다. 작동시, MCU(50)의 제어출력(53)이 제어입력(20 및 29)을 통해 스위치(21 및 22)를 제어하므로 센서 출력(2)은 스위치(22)를 통해 연산 증폭기(30)에 결합되고 센서출력은(4)은 연산증폭기(40)에 결합된다.
상기 증폭기(30)는 MCU(50)의 입력(51)에 결합되는 출력전압(V1)을 제공하고 증폭기(40)는 MCU(50)의 입력(52)에 공급되는 출력전압(V2)을 제공한다. 전압(V1 및 V2)은 MCU(50)의 아날로그 대 디지탈 변환기 수단에 의해 디지탈 값으로 변환되고 상기 디지탈 값은 레지스터(R1 및 R2)에 기억된다. 제어출력(53)을 통해 MCU(50)가 스위치(21 및 22)를 변화시켜 그 입력이 반전되고 센서출력(2)이 스위치(22)를 통해 증폭기(40)에 결합되는 반면 출력(4)은 스위치(21)를 통해 증폭기(30)에 연결된다. 증폭기(30)가 MCU(50)의 레지스터(R1C)에 디지탈 형태로 기억되는 출력전압(V1C)을 제공한다. 반면, 증폭기(40)는 레지스터(R2C)에 디지탈 형태로 기억되는 출력 전압(V2C)을 제공한다.
상기 장치의 제 1 전달 함수는 이하 방법으로 4개의 레지스터의 내용을 결합시키므로 얻어진다.
(R1-R2)+(R2C-R1C)
MCU에 기억된 실제값은 다음과 같은 카운트 또는 비트로 주어지는데 :
카운트=(V1-V2)+(V2C-V1C)×
Figure kpo00001
여기서 n은 아날로그 대 디지탈 변환의 비트수이고 VRH 및 VRL은 라인(5 및 6)에 각기 결합된 공급 전압의 값이다. V1-V2=VPS×AV라고 가정하는데 여기서 VPS는 압력센서 출력전압이고 AV는 연산 증폭기의 이득이며, 따라서 8비트 아날로그 대 디지탈 변환과 5볼트 공급전압에 대해 카운트는 다음과 같이된다.
Figure kpo00002
MPX 2100AP 압력 센서가 5V의 공급전압 VS에서 20mV의 VPS와 100kPa의 최대 압력을 갖는데 여기서 kPa는 "킬로 파스칼(Kilo Pascals)"의 압력 단위로, 1파스칼(Pascal)은 1N/㎡이다. 최대로 선택된 113의 이득 AV에 대해 증폭기의 출력 전압의 행정과 MCU 레지스터에 사용가능한 카운트의 수는 다음과 같다.
카운트=0.020×113×102=230
따라서 해답은 카운트 또는 비트당 0.43kPa이다. 초래된 신호에 대한 보다 자세한 상기 계산을 고려하면, 출력신호(S2 및 S4)가 센서출력(2 및 4)에 의해 제공되고 출력(2 및 4)과 함께 증폭기(30 및 40)에 각기 결합되는데, 여기서 S2 및 S4는 다음과 같다.
S2=a(p)+of2
S4=b(p)+of4
여기서 a(p) 및 b(p)는 압력의 함수이고 of2 및 of4는 압력센서 오프셋이다. 따라서
V1=G1(S2+OF1)
V2=G2(S4+OF2)
여기서 G1 및 G2는 증폭기(30 및 40)의 이득이고 OF1 및 OF2는 이들 증폭기의 오프셋 전압이다. 스위치(21 및 22)를 반대로하면 다음과 같이된다.
V1C=G1(S4+OF1)
V2C=G2(S2+OF2)
V1-V2=G1(S2+OF1)-G2(S4+OF2)
V2C-V1C=G2(S2+OF2)-G1(S4+OF1)
(V1-V2)+(V2C-V1C)=G1.S2+G2.S2-G1.S4
-G2.S4+G1.OF1-G2.OF2
-G1.OF1+G2.OF2
=S2(G1+G2)-S4(G1+G2)
=(G1+G2).(S2-S4)
따라서 온도 변화와 함께 증폭기(30 및 40)의 오프셋 전압 OF1 및 OF2가 완전히 제거된다. 최종 결과는 다음과 같다.
VOUT=G.2.(S2-S4)=GT[(a(p)+of2)-(b(p)+of4)]
=GT[V(P)+Voffset]
여기서 GT는 장치의 전달 함수의 정체 이득이다.
본 발명의 센서 장치의 장점은 제2 및 제 3 도에 도시된다. 제 2 도는 압력 센서의 직류 출력을 도시한다. 도시된 바와같이 최대 크기 및 오프셋은 포지티브 TC(positive temperature coefficient ; 포지티브 온도계수)를 갖는다. 온도에 따른 최대 크기 출력의 변화가 저항들 즉, 증폭기의 이득을 고정시키기 위해 사용된 저항(35, 36 및 45)의 사용에 의해 보상될 수도 있다.
본 발명의 센서 장치의 전체 전달 특성은 제 3 도에 도시되고 우수한 공통 성분 제거비(common moderejection ratio)을 가지며 증폭기의 이득을 세트하기 위해 요구된 외부수동 소자를 최소화한다. 디지탈적으로 변환된 신호의 해독 및 감도가 개선되고 값비싼 고정 단계를 피할 수 있다. 제 4 도를 참조하면, 본 발명에 따른 센서 장치의 일부분의 대안의 실시예가 도시된다. 제 1 도에 도시된 것과 같은 부분은 동일한 참조 부호 숫자를 갖는다. 증폭기(30 및 40)의 출력(33 및 34)이 스위치(60)의 제어입력(61)에 결합된 제어출력(55)으로 인하여 MCU(50)에 의해 제어되는 스위치(60)를 통해 마이크로컴퓨터유니트(50)의 단일 입력포트(54)에 차례로 제공된다는 것만을 제외하곤 상기 실시예가 제 1 도의 실시예와 동일하다. MCU는 증폭기(40)의 출력 따른 증폭기(30)의 출력을 그 입력 포트(54)에 우선적으로 결합되도록 스위치(60)를 제어하다. 앞에서와 같이, 아날로그 대 디지탈 변환후 2개의 증폭기(30 및 40)의 전압 출력은 레지스터(R1 및 R2)에 기억된다. 스위치(21 및 22)의 교환시, 상기 과정이 레지스터(R1C 및 R2C)에 디지탈값으로 기억되어지도록 차례로 제공되어진 증폭기(30 및 40)의 전압 출력에 따라 되풀이 된다. 그래서 MCU(50)는 제 1 도를 참조로하여 전술한 바와같이 계산을 수행한다.
본 발명은 예로서 기술되었고 변경이 본 발명의 사상에 영향을 미치지 않고 만들어질 수도 있다. 특히 비록 본 발명이 압력 센서 응용에 대해 유용할지라도 차동 출력을 가진 어떤 센서에 대해서도 사용될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 센서 장치에 있어서, 제1 및 제 2 출력(2,4)과 ; 제1 및 제 2 증폭기수단(30, 40)과 ; 2쌍의 증폭기 출력 신호를 제공하기 위해 상기 제1 및 제 2 증폭기 수단(30,40)간의 제1 및 제 2 센서출력(2,4)을 스위칭 결합시키는 스위칭 수단(21,22)과 ; 상기 스위칭 수단의 스위칭을 제어하는 제어 수단(50)과 ; 상기 2쌍의 증폭기 출력 신호를 표시하는 신호를 기억시키는 기억수단(50) 및 ; 증폭기 오프셋 전압을 실제로 제거하기 위해 상기 기억된 신호를 결합시키는 결합 수단(50)을 가진 센서(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서(10)가 압력 센서인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 및 제 2 증폭기(30, 40)가 연산 증폭기인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 표시 신호를 제공하기 위해 2쌍의 증폭기 출력 신호를 디지탈 신호로 변환하는 아날로그 대 디지탈 변환 수단(50)과 상기 디지탈 신호를 기억하는 디지탈 기억수단을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기억 수단과 결합 수단이 상기 2쌍의 증폭기 출력 신호로부터 유도된 디지탈 신호를 기억 및 결합하도록 작동하는 마이크로컴퓨터(50)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 마이크로컴퓨터(50)가 상기 제어 수단을 포함하고 스위칭 수단(21,22)의 스위칭을 제어하도록 결합된 제어 출력(53)을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로컴퓨터(50)가 상기 제1 제 2 증폭기 수단(30, 40)의 각각의 출력(33,43)에 연결된 제1 및 제 2 입력(51, 52)을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로컴퓨터(30)가 제 2 스위칭 수단(61)에 의해 상기 제1 및 제 2 증폭기 수단(30, 40)에 결합된 입력(54)과 제 2 스위칭 수단(61)의 스위칭을 제어하도록 결합된 제어 출력(55)을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  9. 센서 신호를 처리하는 방법에 있어서, 2쌍의 증폭기 출력 신호를 제공하기 위해 제1 및 제 2 증폭기 수단간의 센서에 의해 제공된 제1 및 제 2 신호를 스위칭하는 단계와, 상기 2쌍의 증폭기 출력 신호를 표시하는 신호를 기억시키는 단계 및 ; 증폭기 오프셋 전압을 실제로 제거하기 위해 상기 기억된 신호를 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 신호 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 각쌍의 상기 기억된 신호가 이들 쌍내의 또다른 쌍으로부터 공제되고 상기 공제의 결과가 결합되는 것을 특징으로 하는 센서 신호 처리 방법.
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