CN102099662B - 用于线性化非线性传感器的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于线性化来自非线性传感器的信号的装置，所述装置包括：非线性传感器，其能够提供具有的特性响应于现象中的线性变化遵循指数曲线的信号；模拟转换单元，其对数地转换来自非线性传感器的信号，以获得转换后的信号。所述转换单元包括pn结，并且所述转换单元被安排为测量通过所述非线性传感器的电流并将所述电流交换到通过所述pn结的电流，通过所述pn结的电流与通过所述非线性传感器的电流具有线性关系，并且所述转换后的信号是跨越所述pn结的电压。以这种方式，能够在宽温度范围上用低成本的线性AD转换器以低成本高分辨率数字化非线性传感器的特性如NTC热敏电阻的电阻值，以实现宽温度范围上准确的温度测量。

Description

用于线性化非线性传感器的装置

技术领域

本发明涉及用于线性化非线性传感器的装置。更确切地说，用于将输出遵循非线性响应曲线的传感器的输出转换为线性化读数输出的装置。更加确切地说，本发明涉及用于对跨越很宽温度范围，即-40℃-200℃的NTC热敏电阻进行线性化的装置。

背景技术

为了显示物理参数，比如温度、压力等的数值，必须采用通过改变可电气检测特性而响应该参数的换能器。这样的特性包括温敏电阻变化和热电偶电压。大多数传感器在其输出中都显示出显著的非线性，也就是传感器输出电压或电流明显地偏离与被监视输入现象的线性关系。众所周知，热敏电阻和热电偶响应于线性温度上升展示出非线性输出增大。

用于线性化非线性传感器输出的***得知自US5274577。所介绍的处理器用于监视其输出信号响应于受监视现象中的线性变化遵循非线性曲线的传感器。所述处理器将所述输出信号转换为与受监视现象成正比的线性输出值。非线性传感器信号在数字化后被线性化。

不仅如此，为了校正输入范围内的非线性，也存在着各种种类的模拟线性化设备。模拟线性化设备对有限数量的传感器类型在限定的输入范围内提供足够的准确度。公知的模拟线性化设备以电阻器的数值和响应曲线的每段所特有的斜率/偏移存储所需要的校正信息，所述电阻器在响应曲线的各段之间设置断点。典型情况下，模拟线性化电路具有八个或更少的段，并且能够在普通经历的输入范围内，将大多数温感元件线性化到几度之内。US 6099163公开了一种用于校正电子温度传感器的非线性输出的电路。

Jain L.C.的“Thermistor-Based Linear temperature-to-voltageconverter”，Measurement，Institute of measurement and control.London，GB，vol.7，no.3，1July 1989，page 132/133和US-A-5116136公开了一种用于通过使用对数放大器线性化非线性传感器的装置。对数放大器执行放大，其中输出电压是输入电压的自然对数的K倍。

WO2006/135977公开了一种用于将传感器输出拟合到预定关系的方法。微处理器经由AD转换器读取跨越热敏电阻的电压。许多偏置电阻在微处理器控制下与热敏电阻串联。有效的偏置电阻每刻都在变化。微处理器每次读取一个跨越与偏置电阻之一相关联的热敏电阻的电压。微处理器形成读出电压的加权和。当使用任何一个偏置电阻时，向AD转换器提供的跨越该热敏电阻的电压具有的特征响应于所公开温度范围内温度线性变化遵循曲线，其中该曲线是非线性的。

CO₂空气调节(A/C)***对“制冷”和“热泵”功能都能够支持。热泵功能允许A/C***加热而不是仅仅制冷例如轿车的内部。在“制冷”模式下，散热器制冷A/C***中的CO₂。当“制冷”模式下的CO₂温度接近150℃时，A/C***将是最高效的。在“热泵”模式下，散热器不得不加热A/C***中的CO₂。散热器的温度越低，该***的效率将越高。不过，只有当散热器入口处的CO₂温度在0℃以上时散热器才将正常工作。温度一到0℃以下，散热器上将会结冰，导致散热器加热功能的退化。所以，在CO₂A/C***中需要温度传感器，0℃和150℃左右的温度它都能够准确地测量。不仅如此，还期望在两个温度区域中传感器输出的温度敏感性都是线性的并在相同的范围。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于线性化非线性传感器输出的改进装置。

本发明的另一个目标是提供一种用于非线性传感器输出的高准确度、宽范围线性化装置，所述装置允许使一个温度传感器准确测量允许CO₂A/C***既包括制冷功能又包括热泵功能的高低温度。

本发明的又一个目标是提供一种线性化装置，所述装置提供的数字输出信号具有的响应曲线在跨越所述现象的整个范围内的斜率基本上是常数并且没有不连续点。

所介绍的装置用于线性化非线性传感器，所述非线性传感器的输出信号响应于预定义范围内被监视现象中的线性变化遵循非线性曲线。所述非线性曲线可以由指数或对数函数近似。所述装置包括模拟转换单元以转换来自所述非线性传感器的信号而得到转换后的信号，其中所述转换具有基本上对数或指数的传输特性，并且所述转换后信号具有的特性响应于所述预定范围内所述现象中的所述线性变化遵循线性化曲线，其中所述线性化曲线可以由线性函数近似。不仅如此，所述转换单元还包括pn结，并且所述转换电路被安排为测量通过所述非线性传感器的电流并将所述电流交换到通过所述pn结的电流。通过所述pn结的电流与通过所述非线性传感器的电流具有线性关系，并且所述转换后的信号是跨越所述pn结的电压。在以上叙述的现有技术模拟线性化电路中，对数放大器用于线性化表示温度的非线性电压信号。对数放大器包括至少运算放大器、电阻器和晶体管。晶体管包括至少两个pn结。根据本发明，在所述转换单元中需要最少一个pn结以执行所述非线性传感器信号的线性化。pn结的电流/电压特性用于将通过所述非线性传感器遵循指数曲线的电流转换为跨越所述pn结的电压。这种转换是对数函数。以这种方式，通过所述非线性传感器的所述电流的指数传输曲线被变换为具有或多或少线性的传输曲线的电压信号。

根据实施例，所述装置进一步包括AD转换器，所述AD转换器具有传感器信号输入以接收所述转换后的信号并将所述转换后的信号数字化以获得数字信号值；被安排为产生第一参考信号的第一参考信号产生器，其中所述第一参考信号对应于所述跨越pn结的电压。所述pn结匹配所述转换单元的pn结。第一预定义电流通过所述pn结馈入。所述装置进一步包括被安排为产生第二参考信号的第二参考信号产生器，其中所述第二参考信号对应于所述跨越pn结的电压。所述第二参考信号产生器的pn结匹配所述转换单元的pn结。第二预定义电流通过所述pn结馈入。所述AD转换器包括耦接到所述第一参考信号产生器的第一参考信号输入，以及耦接到所述第二参考信号产生器的第二参考信号输入。所述AD转换器被安排为产生数字信号值，所述数字信号值对应于所述传感器信号输入V_{pn_ntc}与所述第一参考信号输入V_pn1之间的电压差，以及所述第二参考信号输入V_pn2与所述第一参考信号输入V_pn1之间的电压差。通常公知，跨越结的电压依赖于所述结的饱和电流和温度。不仅如此，通常也公知，所述饱和电流是温度相关的。正常情况下，周围温度可以波动。这些波动将导致所述结的温度波动，使得所述转换后的信号依赖于所述周围温度。这些特点提供了两个信号。一个依赖于由所述传感器所测量的现象和所述第一参考信号产生器的所述pn结的结温度，而另一个信号仅仅依赖于第一和第二参考信号产生器二者的所述pn结的结温度。在两个信号中，所述饱和电流的影响都被显著降低，使得所述信号对所述转换单元内的温度波动不太敏感。在进一步的实施例中，所述转换器的所述pn结以及所述第一和第二参考信号产生器的pn结都在同一芯片上。采用这些特征降低了所述数字信号值中所述转换单元的所述pn结的所述饱和电流的温度敏感性。同一芯片上的结基本上将具有相同的温度。作为这个现象的结果，实质上消除了对所述饱和电流的依赖性及其对应的温度的依赖性。

根据实施例，所述AD转换器进一步被安排为产生数字信号值，所述数字信号值对应于所述第一参考信号输入V_pn1与所述传感器信号输入V_{pn_ntc}之间的电压差，以及所述第一参考信号输入V_pn1与所述第二参考信号输入V_pn2之间的电压差。这些特征使我们能够消除差分AD转换器中的漂移。

根据实施例，所述装置进一步包括处理单元，被安排为处理所述数字信号值以获得所述现象的值。在实施例中，所述处理单元被安排执行以下公式：

$\mathrm{ratio}=\frac{(V_{\mathrm{pn}\_\mathrm{ntc}}-V_{\mathrm{pn}1})}{(V_{\mathrm{pn}2}-V_{\mathrm{pn}1})}$

其中

ratio＝指示所述现象的值

V_{pn_ntc}-V_pn1＝对应于所述传感器信号输入V_{pn_ntc}与所述第一参考信号输入V_pn1之间的差的数字信号值，以及

V_pn2-V_pn1＝对应于所述第二参考信号输入V_pn2与所述第一参考信号输入V_pn1之间的差的数字信号值。采用这些特征消除了对所述pn结的温度依赖性，并且提供了对所述pn结的温度变化不敏感的数字值。

根据实施例，所述处理单元被安排为对表示所感测到的现象的数字输出信号计算数值，方式为将ratio的值应用到所述数字域中的多项式，以响应于所述预定义范围中所述现象中的线性变化进一步线性化所述数字输出信号的曲率。这些特征有助于进一步降低所述数字信号中由于所述非线性传感器的指数曲线与所述pn结的对数I-V函数之间的不匹配而造成的非线性。

根据实施例，所述非线性传感器包括由电导率随所述现象的值增加而上升的材料制成的传感元件。

在进一步的实施例中，所述非线性传感器是NTC热敏电阻。本发明提供的线性化非线性响应的解决方案使得我们能够以可以利用标准化的工艺用标准的部件制成的廉价电子电路在-40℃至200℃的宽范围内以每摄氏度至少3到5位准确地测量温度。

附图说明

以下将参考附图，使用示范实施例，更详细地讨论本发明，其中：

图1显示了根据本发明用于线性化非线性传感器的装置的电路图；

图2显示了NTC的非线性特性和线性化的信号V_pn_NTC；以及

图3显示了线性化的信号V_pn_NTC与PN结的温度之间的关系。

具体实施方式

图1显示了用于线性化非线性传感器R_NTC的装置的电路图。根据本发明的非线性传感器是其提供的信号响应于现象中的线性变化遵循非线性曲线的传感器。该非线性传感器可以是通过改变可电气检测的特性而响应诸如温度、压力、气流等现象的任何换能器。这样的特性包括热电偶电压和温敏电阻变化。具有负现象系数的非线性传感器包括由电导率随所述现象的值增加而上升的材料制成的传感元件。非线性电阻传感器可用在温度传感器、气体传感器和湿度传感器中。在以下的描述中，非线性传感器是具有负温度系数(NTC)的电阻器R_NTC。

在图1所示的实施例中，利用运算放大器OPA使跨越R_NTC的电压保持稳定。向运算放大器OPA的非反相输入提供参考电压Vref。运算放大器的输出信号将控制FET 112，方式为使得运算放大器在反相输入处的电压将类似于运算放大器OPA在非反相输入处的参考电压Vref。以这种方式，跨越NTC的电压将保持恒定。

通过R_NTC的电流通过二极管D_NTC馈入。图2显示了通过R_NTC的电流与温度以及当通过R_NTC的电流通过二极管D_NTC馈入时跨越二极管D_NTC的电压的关系。X轴表示温度，左边的Y轴表示电流值，而右边的Y轴表示跨越二极管D_NTC的电压。可见，电流在低温处不敏感而在高温处却非常敏感。

跨越二极管的电压可以利用以下pn结公式近似：

$V_{\mathrm{pn}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I}{I_s}\right)---\left[1\right]$

其中：

V_pn＝跨越pn结的电压

k＝Boltzmann常数

q＝基元电荷

T＝以开尔文温标计的pn结绝对温度

I＝pn结的电流

I_s＝饱和电流

运算放大器OPA、FET 112和二极管D_NTC形成了模拟转换单元101。转换单元101被安排为利用由到NTC的连接所形成的输入测量通过非线性传感器的电流，并且将在所述输入处接收到的所述电流交换到通过二极管D_NTC的pn结的电流中。在图1所示的实施例中，通过pn结的电流类似于通过非线性传感器R_NTC的电流。利用未显示但是本领域熟知的电流镜，通过传感器的电流可以容易地乘以预定义因子，以获得与通过该传感器的电流具有线性关系的另一个电流。以这种方式，要通过二极管D_NTC馈入的电流可以改变为适合的电流值。

二极管D_NTC将在模拟信号域中把通过R_NTC的电流的温度特性转换为与跨越该二极管的pn结的电压V_{pn_ntc}对应的转换后的信号。利用公式[1]，对数转换被应用到通过NTC的电流上。图2显示了利用公式[1]把通过非线性传感器的电流对数地转换为跨越该pn结的电压的结果。相对于通过R_NTC的电流的非线性特性，线性化跨越D_NTC的电压的温度特性。

跨越D_NTC的电压有可能利用AD转换器转换，以获得表示温度的数字信号值。这个电压能够由简单的11位或12位AD转换器容易地数字化，同时仍然满足沿着整个温度范围所要求的每摄氏度3位到5位的分辨率。这些数字样点可以进一步被处理以改进线性化。

利用转换单元101，在模拟域中NTC电流相对其自身的非线性曲线被对数地放大。这样产生的模拟信号接近线性并能够被线性AD转换器数字化，其中每摄氏度的分辨率大大高于与NTC电流具有线性关系的原始非线性信号。如果pn结的温度可以保持恒定，从电压V_{pn_ntc}获得的数字化信号可用于在大范围温度中以足够的准确度测量温度。

然而，利用公式[1]的对数转换包括两个温度相关的参数，也就是以开尔文温标T计的pn结绝对温度T和饱和电流I_s。这两个参数的值都依赖于二极管所在的芯片的温度。在运行条件下，芯片的温度与环境温度有关系。在轿车中，启动发动机时传感器的环境温度可能在-20℃到30℃的范围内，而该发动机预热后可能上升到100℃到160℃的范围。图3显示了图2中所示V_{pn_ntc}曲线相对于芯片温度的关系。X轴表示温度，Y轴表示跨越二极管D_NTC的电压。当芯片即二极管的pn结的温度T_die保持在已定义的温度时就能够获得所示的曲线。依赖于芯片温度T_die，曲线的幅度在整个温度范围内移动。

为了消除由于饱和电流I_s造成的温度依赖性，提供了第一参考信号产生器105。在图1中，第一参考信号产生器105包括串联的提供预定义电流I_Ref1的电流源和二极管D1。由电流源提供的预定义电流I_Ref1与温度变化无关，在例如-40℃到200℃的预定义范围内的每个温度都提供基本上相同的电流。预定义电流I_ref1通过二极管D1馈入。

二极管D1的正极耦接到差分AD转换器104的输入，以测量正极处的电位。图1中，二极管D_NTC的正极耦接到差分AD转换器104的另一个输入。不仅如此，二极管D_NTC和D1的负极都耦接到地。差分AD转换器104测量跨越二极管D_NTC的电压(为传感器信号输入V_{pn_ntc})与跨越二极管D1的电压(为第一参考信号输入V_pn1)之间的电压差。

二极管D1具有的pn结与二极管D_NTC的pn结相匹配，使得两个pn结的饱和电流都具有相同的温度依赖性。

通过减去跨越相匹配的二极管D_NTC和D1的V_pn电压，就除去了由于饱和电流造成的温度依赖性。以下公式能够证明这一点：

$(V_{\mathrm{pn}\_\mathrm{ntc}}-V_{\mathrm{pn}1})=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ntc}}}{I_s}\right)-\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ref}1}}{I_s}\right)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ntc}}}{I_{\mathrm{ref}1}}\right)---\left[2\right]$

其中：

V_{pn_ntc}＝跨越pn结D_ntc的电压，

V_pn1＝跨越pn结D1的电压，

I_ntc＝通过pn结D_ntc的电流，和

I_ref1＝通过pn结D1的电流。

从公式[2]可见，消除了由于饱和温度I_s造成的温度依赖性，而温度相关参数T仍然存在。通过准确地测量芯片的温度，可以补偿由于参数T造成的跨越二极管电压的变化。根据本发明，通过提供第二参考信号产生器103，可以消除温度相关参数T。在图1中，第二参考信号产生器103包括串联的提供第二预定义电流I_Ref2的电流源和二极管D2。由电流源提供的第二预定义电流I_Ref2应当与温度变化无关，在例如-40℃到200℃的预定义范围内的每个温度都提供基本上相同的电流。预定义电流I_ref2通过二极管D2馈入。

二极管D2的正极耦接到差分AD转换器104的输入，以测量正极处的电位。不仅如此，二极管D2的负极耦接到地。差分AD转换器104的另一个输入耦接到二极管D1的正极。差分AD转换器104测量跨越二极管D2的电压(为第二参考信号输入V_pn2)与跨越二极管D1的电压(为第一参考信号输入V_pn1)之间的电压差。

二极管D2具有的pn结与二极管D_NTC和D1的pn结相匹配，使得pn结的饱和电流具有相同的温度依赖性。优选情况下，转换器101的pn结，即二极管D_NTC的pn结以及第一参考信号产生器105和第二参考信号产生器103的pn结在同一芯片上。在这种情况下，pn结的温度基本上将是相似的。

通过减去跨越相匹配的二极管D2和D1的V_pn电压，就从差分信号中消除了由于饱和电流造成的温度依赖性，正如公式[3]所证明的：

$(V_{\mathrm{pn}2}-V_{\mathrm{pn}1})=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ref}2}}{I_s}\right)-\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ref}1}}{I_s}\right)=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ref}2}}{I_{\mathrm{ref}1}}\right)---\left[3\right]$

其中：

V_pn2＝跨越pn结D2的电压，

V_pn1＝跨越pn结D1的电压，

I_ref2＝通过pn结D2的电流，和

I_ref1＝通过pn结D1的电流。

根据电压差(V_pn2-V_pn1)可以容易地确定芯片温度T_die，如公式[4]所示：

$T_{\mathrm{die}}=(V_{\mathrm{pn}2}-V_{\mathrm{pn}1})/\frac{k}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ref}2}}{I_{\mathrm{ref}1}}\right)---\left[4\right]$

其中：

V_pn2＝跨越pn结D2的电压，

V_pn1＝跨越pn结D1的电压，

I_ref2＝通过pn结D2的电流，和

I_ref1＝通过pn结D1的电流。

因此通过将所测出的电压差除以常数能够确定芯片温度。

(V_{pn_ntc}-V_pn1)和(V_pn2-V_pn1)两个电压差都由AD转换器104进行数字化并提供给处理单元110做进一步处理。AD转换器104可以是具有14个有效位的16位AD转换器。16位AD转换器104足以数字化沿着整个温度的电压差，并且相对于温度提供足够的分辨率。处理单元110被安排为处理从AD转换器104提供的数字信号值，并且对表示由非线性传感器R_NTC测量的温度的数字输出信号计算数值。处理单元110执行以下公式：

$\mathrm{ratio}=\frac{(V_{\mathrm{pn}\_\mathrm{ntc}}-V_{\mathrm{pn}1})}{(V_{\mathrm{pn}2}-V_{\mathrm{pn}1})}---\left[5\right]$

其中

ratio＝指示所述温度的值

V_{pn_ntc}-V_pn1＝对应于传感器信号输入V_{pn_ntc}与第一参考信号输入V_pn1之间的差的数字信号值，以及

V_pn2-V_pn1＝对应于第二参考信号输入V_pn2与第一参考信号输入V_pn1之间的差的数字信号值。

通过将公式[2]和公式[3]代入公式[5]中我们得到公式[6]：

$\mathrm{ratio}=\frac{(V_{\mathrm{pn}\_\mathrm{ntc}}-V_{\mathrm{pn}1})}{(V_{\mathrm{pn}2}-V_{\mathrm{pn}1})}=\frac{\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ntc}}}{I_{\mathrm{ref}1}}\right)}{\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ref}2}}{I_{\mathrm{ref}1}}\right)}=\frac{\ln \left(I_{\mathrm{ntc}}\right)-\ln \left(I_{\mathrm{ref}1}\right)}{\ln \left(I_{\mathrm{ref}2}\right)-\ln \left(I_{\mathrm{ref}1}\right)}---\left[6\right]$

从公式[6]可见，ratio的值仅仅依赖于通过传感器的温度相关的可变电流I_NTC，以及另外的温度无关的固定电流I_ref1和I_ref2。ratio的值是无量纲的数字，仅仅受NTC电流控制，其中完全消除了芯片温度相关的参数。ratio的值表示了所测出的温度并遵循类似于图2所示的V_{pn_NTC}曲线的曲线。然而，与V_{pn_NTC}曲线相反，ratio的曲线与该电路pn结的温度无关。正如图2所示，ratio的曲线具有10％至15％的非线性度，这对于某些应用可能是足够的。

ratio的曲线可以通过对算出的ratio值应用多项式公式而进一步被线性化。通过应用多项式公式，能够使算出的数字输出信号对于沿着测量范围整个范围的线性温度变化的敏感性基本上恒定。利用四阶多项式temp＝ax⁴+bx³+cx²+dx¹+e，其中temp是表示温度的值，a、b、c、d和e都是预定常数，而x对应ratio的值，就能够在从-40℃直到200℃的整个温度范围上以小于1℃的准确度计算temp的值。优选情况下，算出的temp值为数字格式，对应于所测出的温度。假若如此，根据本发明的用于线性化非线性传感器的装置就能够容易地连接到显示单元，以显示实际温度或其他现象而不需要进一步处理所输出的数据。

跨越二极管D_NTC、D1和D2的电压可以由三个不同的AD转换器数字化。图1中提供了仅仅一个差分AD转换器104以数字化电压差(V_{pn_ntc}-V_pn1)和(V_pn2-V_pn1)。为了做到这一点，提供了选择器106，它在控制信号产生单元108所产生的控制信号的控制下，在跨越二极管D_NTC和二极管D2的电压之间切换。不仅如此，在AD转换器104的输入处提供了斩波器102。斩波器在控制信号产生单元所产生的控制信号的控制下，交换向AD转换器104提供的输入信号。以这种方式使得(V_{pn_ntc}-V_pn1)和(V_pn1-V_{pn_ntc})的数字值在AD转换器104的输出处可用。通过在处理单元110中确定(V_{pn_ntc}-V_pn1)和-(V_pn1-V_{pn_ntc})的平均值，就能够在处理单元110中消除所述AD转换器输出处数字信号值中的偏置漂移。确定(V_pn2-V_pn1)的数字值时将应用相同的方法。控制信号产生单元108被安排为产生对选择器106、斩波器102、AD转换器104以及处理单元110的适当控制信号，以使相应的部件同步。

应当注意，当电压差(V_{pn_ntc}-V_pn1)和(V_pn2-V_pn1)的模拟值能够以足够的准确度采样，并且(V_pn2-V_pn1)的数字化值所对应的值允许处理单元110执行准确的除法时，就能够以足够的准确度执行公式[5]。已经发现，当跨越标准热敏电阻施加1V的电压时，通过标准热敏电阻R_NTC的电流范围从500nA直到3.2mA。第一预定义电流I_ref1优选地在所述范围的下部，而第二预定义电流I_ref2优选地在所述范围的上部。在实施例中，第一参考电流I_ref1是50μA，而第二参考电流I_ref2是0.5mA。

不仅如此，转换单元101以及第一和第二参考信号产生器105、103中存在的pn结可以由标准的CMOS混合模式工艺制成。

根据本发明的装置能够应用在用于测量一种现象的传感器中。该装置也可以应用在用于测量两种或更多现象的传感器中。这样的传感器的实例是组合的温度压力传感器。

不仅如此，在以上介绍的本发明实施例中，在-40℃至200℃温度范围上的NTC的指数函数由pn结提供的对数转换进行线性化，它由公式[1]所描述。本领域的技术人员将知道如何把所述装置的转换具有响应于预定义范围内现象中的线性变化遵循能够由对数函数近似的曲线的特性的信号的转换单元改造为指数地转换来自非线性传感器的对数信号的转换单元，以获得能够被线性AD转换器以足够的分辨率数字化的线性化转换后的信号。

以上已经以示范实施例方式介绍了本发明的几个实施例。技术人员可以关于这些实施例所介绍的要素进行各种修改和变化而不脱离本发明的范围，所述范围由附带的权利要求书所定义。

Claims (10)

1.一种用于线性化非线性传感器的装置，所述装置包括：

-非线性传感器，其能够提供具有响应于预定义范围内现象中的线性变化遵循曲线的特性的信号，其中所述曲线能够由指数或对数函数近似；以及

-模拟转换单元，其转换来自所述非线性传感器的所述信号，以获得转换后的信号，其中转换具有基本上对数或指数的传输特性，并且所述转换后的信号具有响应于所述预定义范围内所述现象中的所述线性变化遵循线性化曲线的特性，其中所述线性化曲线能够由线性函数近似；

所述转换单元包括第一pn结，并且所述转换单元被安排为测量通过所述非线性传感器的电流并将所述电流交换成通过所述第一pn结的电流，通过所述第一pn结的电流与通过所述非线性传感器的电流具有线性关系，并且所述转换后的信号是跨越所述第一pn结的电压，

其特征在于：

所述装置进一步包括：

-AD转换器，其具有输入，以接收所述转换后的信号并数字化所述转换后的信号以获得数字信号值；

-被安排为产生第一参考信号的第一参考信号产生器，其中所述第一参考信号对应于跨越第二pn结的电压，其中所述第二pn结和所述转换单元的第一pn结的饱和电流具有相同的温度依赖性，并且第一预定义电流通过所述第二pn结馈入；

-被安排为产生第二参考信号的第二参考信号产生器，其中所述第二参考信号对应于跨越第三pn结的电压，其中所述第三pn结和所述转换单元的第一pn结的饱和电流具有相同的温度依赖性，并且第二预定义电流通过所述第三pn结馈入；以及其中所述AD转换器包括耦接到所述第一参考信号产生器的第一参考信号输入，以及耦接到所述第二参考信号产生器的第二参考信号输入，所述AD转换器被安排为产生对应于所述传感器信号输入V_{pn_ntc}与所述第一参考信号输入V_pn1之间的电压差(V_{pn_ntc}-V_pn1)的第一数字信号值以及对应于所述第二参考信号输入V_pn2与所述第一参考信号输入V_pn1之间的电压差(V_pn2-V_pn1)的第二数字信号值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述转换单元的第一pn结以及第一和第二参考信号产生器的第二和第三pn结在同一芯片上。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述AD转换器进一步被安排为产生对应于所述第一参考信号输入V_pn1与所述传感器信号输入V_{pn_ntc}之间的电压差(V_pn1-V_{pn_ntc})的第三数字信号值以及对应于所述第一参考信号输入V_pn1与所述第二参考信号输入V_pn2之间的电压差(V_pn1-V_pn2)的第四数字信号值。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的装置，其中，所述装置进一步包括处理单元，所述处理单元被安排为用于处理所述第一和第二数字信号值，以获得表示所述现象的数字值。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述处理单元被安排为执行以下公式：

$\mathrm{ratio}=\frac{(V_{\mathrm{pn}\_\mathrm{ntc}}-V_{\mathrm{pn}1})}{(V_{\mathrm{pn}2}-V_{\mathrm{pn}1})},$

其中

ratio＝指示所述现象的值，

V_{pn_ntc}-V_pn1＝对应于所述传感器信号输入V_{pn_ntc}与所述第一参考信号输入V_pn1之间的差的数字信号值，以及

V_pn2-V_pn1＝对应于所述第二参考信号输入V_pn2与所述第一参考信号输入V_pn1之间的差的数字信号值。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述处理单元被安排为对表示所感测到的现象的数字输出信号计算数值，方式为将所述ratio的值应用到数字域中的多项式，以响应于所述预定义范围中所述现象中的线性变化进一步线性化所述数字输出信号的曲率。

7.根据权利要求1至3中任何一项所述的装置，其中，所述非线性传感器包括传感元件，所述传感元件由电导率随所述现象的值增加而上升的材料制成。

8.根据权利要求1至3中任何一项所述的装置，其中，所述非线性传感器是NTC热敏电阻。

9.根据权利要求1至3中任何一项所述的装置，其中，所述现象是温度。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置被安排为产生响应于-40℃至200℃的范围内温度中的线性变化遵循线性曲线的数字输出信号。

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