TWI445935B - 用於校正固態溫度感應器之溫度測量誤差的方法及系統 - Google Patents

用於校正固態溫度感應器之溫度測量誤差的方法及系統 Download PDF

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Description

用於校正固態溫度感應器之溫度測量誤差的方法及系統
本申請案主張2007年1月8日申請，由Amado Abella Caliboso共同擁有的美國臨時專利申請案第60/883,853號，名為「溫度感測器的弓型補償(Temperature Sensors Bow Compensation)」的優先權，為了所有目的，其以引用之方式併入本文中。
本揭示內容係關於固態溫度感應器，且更特定言之，係關於一補償藉由固態溫度感應器二極體之非線性特性引起的固態溫度感應器中之誤差的方式。
單石數位溫度感應器使用二極體作為固態溫度感應器中的感應與參考元件。作為該感應與參考電路之部分而用於此等固態溫度感應器中之二極體具有一與溫度成反比的電壓。然而，引起此關係偏離理想直線曲線之一二階項向該感應器輸出引入一誤差。此對於溫度輸出係一顯著的誤差來源並限制該感應器之精確性。
用於解決藉由二極體電壓曲率引入之問題的大多數方法一直係在該溫度感應器之類比區段中實施補償。用於線性化之另一方法係具有一查找表，以使得可在轉移曲線中於不同點處進行不同的校正。但當僅實施數個校正點時，此導致一不平滑的校正。若加入更多查找點，則所需電路量(例如查找表大小)變大。
需要一在一溫度範圍(二極體電壓曲率)內補償二極體之非線性特性的方法以便減低一固態溫度感應器之測量誤差。
依據此揭示內容之一特定範例性具體實施例，一用於校正一固態溫度感應器之溫度測量誤差的方法包含以下步驟：(a)提供一能夠產生複數個溫度輸出值的固態溫度感應器，其中該複數個溫度輸出值之各溫度輸出值表示該固態溫度感應器可測量的個別溫度；(b)由該複數個溫度輸出值之一誤差曲線決定一頂點值；(c)從該複數個溫度輸出值之一當前測量的溫度輸出值減去該頂點值；(d)求平方步驟(c)之結果；(e)將步驟(d)之結果除以一定標器值，其中該定標器值係選擇以產生其一校正值；以及(f)將步驟(e)之結果加入該複數個溫度輸出值之當前測量的溫度輸出值以產生其一校正的溫度輸出值。
依據此揭示內容之另一特定範例性具體實施例，一用於校正一固態溫度感應器之溫度測量誤差的系統包含：一固態溫度感應器，其能夠產生複數個溫度輸出值，其中該複數個溫度輸出值之各溫度輸出值表示該固態溫度感應器可測量的個別溫度；一減法功能，其用於從該複數個溫度輸出值之一當前測量的溫度輸出值減去一頂點值；一平方功能，其用於平方來自該減法功能之一輸出；一除法功能，其用於將來自該平方功能之一輸出除以一定標器值；以及一加法功能，其用於將該複數個溫度輸出值之當前測量的溫度輸出值加入該除法功能輸出，其中該加法功能輸出包 含該複數個溫度輸出值之當前測量的溫度輸出值之一校正的溫度輸出值。
現參考圖式來示意性解說範例性具體實施例的細節。圖式中相同元件將由相同數字表示，而類似元件將由具有不同小寫字母下標的相同數字來表示。
參考圖1，描述與溫度成函數關係的以不同電流密度操作之兩個半導體二極體之間的電壓差(△Vbe)的曲線圖。一般而言，一溫度感應器具有以下形式之一轉移函數：溫度=m*Vsens/Vref+n*Vref (1)其中Vsens係一與溫度成正比的變數而Vref係一溫度不變常數。係數m與n係選擇以具有針對特定應用的所需敏感度(增益)與偏移。在一固態數位溫度感應器中，可將上文中等式(1)中之項實施為：Tempout=m*△Vbe/Vbandgap+n*Vbandgap (2)其中△Vbe係以不同電流密度操作的兩個二極體之間的電壓差，Tempout為溫度輸出且Vbandgap為溫度不變帶隙電壓。此變數隨溫度線性改變，如圖1之曲線所解說。
可將參考Vbandgap實施為：Vbandgap=Vbe+k*△Vbe (3)其中Vbe係隨溫度反向變化的二極體電壓，如圖2(a)所解說，而k係一比例常數。
因為在上文中之等式(3)中針對該等兩項(Vbe與△Vbe)該等溫度係數相反，故藉由適當選擇係數k，可使Vbandgap的一階性能實質上溫度不變。然而，雖然△Vbe係線性的， 但Vbe具有與溫度成函數關係之一曲率。圖2(b)解說與溫度成函數關係的二極體電壓(Vbe)之曲率的曲線圖，其顯示Vbe從一理想直線之偏差。此導致具有一類似曲率之一帶隙電壓並可稱為弓型。圖3解說與溫度成函數關係之一帶隙參考電壓的曲線圖。
當隨溫度繪製等式(2)之實施時，結果實質上類似於圖4(a)與4(b)所解說。圖4(a)解說一溫度感應器之溫度輸出的曲線圖，而圖4(b)解說由一理想直線之溫度輸出偏差的曲線圖。
此性能相當一致並可用於補償由一理想直線之溫度輸出偏差。可藉由以下等式來決定此誤差之實質校正：校正=(Tempout-Vertex)2 /定標器 (4)其中，Vertex(頂點)係發生於該誤差曲線之頂點(峰值)處的溫度。此校正之量值隨著Tempout偏離Vertex而增加。定標器可以係選擇以具有處於該曲線之端點處的正確量值。接著，可將此校正加入Tempout(由該溫度感應器類比至數位轉換器之輸出)以獲得一更線性的輸出。
因而，可藉由以下等式來決定校正後的溫度輸出CorrectedTempout：CorrectedTempout=m*△Vbe/Vbandgap+n*Vbandgap+Correction
(5)，其中Correction為校正量，依據此揭示內容之教導，等式(4)與(5)中涉及的算術運算可以係實施於數位域中，並可以係執行而不改變該固態溫度感應器之類比電路中的任何元件及/或加入任何元件。
圖5(a)係顯示該溫度輸出之誤差的曲線圖，圖5(b)係顯 示該溫度輸出之所計算校正的曲線圖，而圖5(c)係顯示在將圖5(b)之校正加入圖5(a)之溫度輸出之後的溫度誤差的曲線圖。依據此揭示內容之教導，還可執行一偏移校正以使最終誤差分佈居中。
參考圖6(a)，描述依據此揭示內容之一特定範例性具體實施例的用於校正溫度輸出誤差的示意性功能組塊圖。藉由該數字600一般地表示的溫度輸出誤差校正功能包含：一輸入，其用於接收來自一溫度感應器602的表示一溫度測量之輸出604。一符號反相器功能606，其具有一耦合至上文中更充分說明之一溫度Vertex值的輸入608。一加法器功能610，其具有一耦合至該溫度感應器602之輸出604的第一輸入612與一耦合至該符號反相器功能606之輸出的第二輸入。一平方功能616，其係耦合至該加法器功能610之輸出618並於其輸出產生其輸入之平方。一除法器功能620，其具有一耦合至該平方功能616之輸出的分子輸入622與一耦合至如上文中更充分定義之一定標器值的除數輸入624。以及一加法器功能626，其具有一耦合至該溫度感應器602之數位輸出604的第一輸入628與一耦合至該除法器功能620之輸出的第二輸入630。該加法器功能626之輸出632產生該CorrectedTempout，如上文等式(5)中所更充分定義。
參考圖6(b)，描述一用於執行如圖6(a)所解說的校正溫度輸出誤差之操作的系統的示意性方塊圖。該溫度感應器602之輸出係耦合至一類比至數位轉換器(ADC)640，其將 該溫度感應器602之溫度測量轉換成其數位值。來自該ADC 640之輸出的數位溫度測量值係耦合至一數位處理器642之數位輸入。該等數位溫度測量值可以係串列或並列數位資訊。該數位處理器642可以係一微處理器、一微控制器、一特定應用積體電路(ASIC)、一可程式化邏輯陣列(PLA)、一場可程式化閘極陣列(FPGA)、一數位信號處理器(DSP)等。該數位處理器642可藉由在一軟體程式(未顯示)之控制下操作來執行上述圖6(a)中解說的功能。該ADC640與該數位處理器642可以係一積體電路裝置，或者該ADC 640可以係該溫度感應器602之部分。
預期並在此揭示內容之範疇內，可在該數位域中作為運行於一數位處理器(例如微控制器)中之一溫度校正程式之軟體步驟；及/或使用數位邏輯(完全或部分)，及/或在類比域中使用類比功能，或其任一組合來執行上述功能。
雖然已參考本揭示內容的範例性具體實施例來描述、說明及定義此揭示內容的具體實施例，但此類參考並不暗示本揭示內容上之一限制，且不推斷此類限制。正如熟習此項技術者及受益於此揭示內容者所知，可在形式及功能上對所揭示之標的進行相當大的修改、變更及等效改變。此揭示內容所描述與說明的具體實施例僅係範例，並非詳盡說明本揭示內容之範疇。
參考上述說明，結合附圖，便可更完整地瞭解本揭示內容，其中： 圖1係與溫度成函數關係的以不同電流密度操作之兩個半導體二極體之間的電壓差(ΔVbe)的曲線圖；圖2(a)係顯示在二極體電壓(Vbe)隨溫度反向變化時該二極體電壓(Vbe)的曲線圖；圖2(b)係與溫度成函數關係的二極體電壓(Vbe)之曲率的曲線圖，其顯示Vbe從一理想直線之偏差；圖3係顯示與溫度成函數關係之一帶隙參考電壓的曲線圖；圖4(a)係顯示一溫度感應器之溫度輸出的曲線圖；圖4(b)係顯示由一理想直線之溫度輸出偏差的曲線圖；圖5(a)係顯示溫度輸出誤差的曲線圖；圖5(b)係顯示該溫度輸出之計算的校正的曲線圖；圖5(c)係顯示在將校正加回該溫度輸出之後的溫度誤差的曲線圖；圖6(a)係依據此揭示內容之一特定範例性具體實施例的用於校正溫度輸出誤差的示意性功能組塊圖；以及圖6(b)係一用於執行如圖6(a)所解說的校正溫度輸出誤差之操作的系統的示意性方塊圖。
雖然本揭示內容容許有各種修改與替代形式，但圖式中顯示其特定範例性具體實施例且於本文中作詳細說明。然而，應明白，本文中特定範例性具體實施例之說明的目的並非將本揭示內容限制在本文揭示的特定形式中，相反，此揭示內容涵蓋隨附申請專利範圍所定義之所有修改與等效物。
600‧‧‧溫度輸出誤差校正功能
602‧‧‧溫度感應器
604‧‧‧輸出
606‧‧‧符號反相器功能
608‧‧‧輸入
610‧‧‧加法器功能
612‧‧‧第一輸入
616‧‧‧平方功能
618‧‧‧輸出
620‧‧‧除法器功能
622‧‧‧分子輸入
624‧‧‧除數輸入
626‧‧‧加法器功能
628‧‧‧第一輸入
630‧‧‧第二輸入
632‧‧‧輸出

Claims (9)

  1. 一種用於校正一固態溫度感應器之溫度測量誤差的方法，該方法包含以下步驟：(a)提供一能夠產生複數個溫度輸出值的固態溫度感應器，其中該複數個溫度輸出值之各溫度輸出值表示該固態溫度感應器可測量之一個別溫度；(b)由該複數個溫度輸出值之一誤差曲線決定一頂點值；(c)從該複數個溫度輸出值之一當前測量的溫度輸出值減去該頂點值；(d)平方步驟(c)之結果；(e)將步驟(d)之結果除以一定標器值，其中該定標器值係選擇以產生其一校正值；以及(f)將步驟(e)之結果加入該複數個溫度輸出值之該當前測量的溫度輸出值以產生其一校正的溫度輸出值。
  2. 如請求項1之方法，其中該複數個溫度輸出值係該固態溫度感應器可測量的溫度之數位表示。
  3. 如請求項2之方法，其中步驟(b)至(f)係使用運行於一數位處理器中之一軟體程式來執行。
  4. 一種用於校正一固態溫度感應器之溫度測量誤差的系統，該系統包含：一固態溫度感應器，其能夠產生複數個溫度輸出值，其中該複數個溫度輸出值之各溫度輸出值表示該固態溫度感應器可測量之一個別溫度； 一減法構件，其用於從該複數個溫度輸出值之一當前測量的溫度輸出值減去一誤差曲線之一頂點值；一平方構件，其用於平方來自該減法構件之一輸出；一除法構件，其用於將來自該平方構件之一輸出除以一定標器值；以及一加法構件，其用於將該複數個溫度輸出值之該當前測量的溫度輸出值加入該除法構件輸出，其中該加法構件輸出包含該複數個溫度輸出值之該當前測量的溫度輸出值之一校正的溫度輸出值。
  5. 如請求項4之系統，其進一步包含一類比至數位轉換器(ADC)，其係耦合至該固態溫度感應器並產生該複數個溫度輸出值之該當前測量的溫度輸出值之一數位表示。
  6. 如請求項5之系統，其中該等減法、平方、除法及加法構件係使用耦合至該ADC之一數位處理器來執行。
  7. 如請求項6之系統，其中該數位處理器在一軟體程式之控制下執行該等減法、平方、除法及加法構件。
  8. 如請求項6之系統，其中該數位處理器使用硬體邏輯來執行該等減法、平方、除法及加法構件。
  9. 如請求項6之系統，其中該數位處理器選自由一微處理器、一微控制器、一特定應用積體電路(ASIC)、一可程式化邏輯陣列(PLA)、一場可程式化閘極陣列(FPGA)及一數位信號處理器(DSP)組成之群組。
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