CN103196466A - 传感器输出修正电路和修正装置及传感器输出修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器输出修正电路和修正装置及传感器输出修正方法。本发明提供的传感器输出修正电路能够高精度地修正传感器输出。对从传感器（21）供给的传感器输出进行修正的传感器输出修正电路具备：AD变换器（3），其有选择地输入对应于所述传感器输出的输入电压和预定的基准电压；以及运算电路（9），其使用输入所述基准电压时的AD变换器（3）的输出结果，对输入所述输入电压时的AD变换器（3）的输出数据进行修正。运算电路（9）具有：在所述输出数据的修正中使用的乘法加法器（7）、以及使用了非写回算法的除法器（8）。

Description

传感器输出修正电路和修正装置及传感器输出修正方法

技术领域

本发明涉及对从传感器供给的传感器输出进行修正的传感器输出修正电路和传感器输出修正装置以及传感器输出修正方法。

背景技术

作为对从传感器供给的传感器输出进行修正的装置，已知有例如专利文献1所公开的输出修正装置。该输出修正装置中，针对每个像素以表形式设定有用于对从图像传感器输出的各像素的输出进行修正的值。

专利文献1：JP特开2005-20681号公报

然而，如上述现有技术那样，当使用表来修正传感器输出时不得不准备修正的要求精度越高就越大的表。因此，若由于存储器的容量等限制而限制了表的大小，则无法高精度地修正传感器输出。发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够高精度地修正传感器输出的传感器输出修正电路和传感器输出修正装置以及传感器输出修正方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种传感器输出修正电路，其对从传感器供给的传感器输出进行修正，其具备：

AD变换部，其有选择地输入对应于所述传感器输出的输入电压和预定的基准电压；以及

运算部，其使用输入所述基准电压时的所述AD变换部的输出结果，对输入所述输入电压时的所述AD变换部的输出数据进行修正，

所述运算部具有：在所述输出数据的修正中使用的乘法加法器和使用了非写回算法（non-restoring）的除法器。

通过本发明能够高精度地修正传感器输出。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的传感器输出修正装置的结构图。

图2是ΔΣ调制器的输入电压范围的说明图。

图3是展示了使用了非写回算法的除法器的一个构成例的框图。

图4是ΔΣ调制器的输入与数字滤波器的输出的关系图。

图5是算出校正值的时序图。

1ΔΣ调制器

2数字滤波器

3AD变换器

4多路复用器

5定序器

6工作存储器

7乘法加法器

8除法器

9运算电路

10输入电路

11带隙电路

12传感器输出修正电路

13非易失性存储器

21、22、23传感器

30传感器输出修正装置

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明一个实施方式的传感器输出修正装置30的结构图。传感器输出修正装置30是具备了传感器21~23和传感器输出修正电路12的传感器修正***。传感器21~23检测预定的物理量，将对应于该检测值的检测信号作为传感器输出来进行输出。作为传感器21~23的具体例子例如有压力传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器、应变传感器、磁传感器、流速传感器等用于检测物理量的传感器。图1中示例了将多个传感器21~23与传感器输出修正电路12连接的结构，但通过传感器输出修正电路12修正传感器输出的传感器可以是一个也可以是多个。

以下，以通过传感器输出修正电路12来修正从传感器21供给的传感器输出即检测信号Sa的情况为例进行说明。

传感器输出修正电路12是没有内置微型计算机的半导体集成电路。传感器输出修正电路12具备带隙电路11、输入电路10、数字滤波器2、运算电路9、定序器5。用模拟电路构成带隙电路11和输入电路10，用数字电路构成数字滤波器2、运算电路9、定序器5。

带隙电路11是生成并输出恒定的基准电压VREF的基准电压生成电路。基准电压VREF是从带隙电路11的高电位部的电位VREFP中减去带隙电路11的低电位部的电位VREFN而得的电位差（即，VREF=VREFP-VREFN）。

输入电路10是输入检测电压Va的输入接口部，该检测电压Va是对应于检测信号Sa的输入电压。输入电路10具备多路复用器4、ΔΣ调制器1。

多路复用器4是有选择地切换分别输入到多路复用器4的多个输入信道的电压并进行输出的切换电路。在图1的情况下，多路复用器4具有六个输入信道。用具有非反相输入端子和反相输入端子的差动输入电路构成各输入信道。在图1中，A*P表示非反相输入端子，A*M表示反相输入端子（*表示整数）。例如，用具有非反相输入端子A0P和反相输入端子A0M的差动输入电路构成输入传感器21的检测信号Sa所对应的检测电压Va的输入信道ch0。其它输入信道ch1~ch5也同样用差动输入电路来构成。

在图1的情况下，将传感器21的检测信号Sa所对应的检测电压Va输入到输入信道ch0，将VSS电位（接地电位）间的电位差即±0作为恒定的第一基准电压输入到输入信道ch3，将+VREF（=VREFP-VREFN）作为恒定的第二基准电压输入到输入信道ch4，将-VREF（=VREFN-VREFP）作为恒定的第三基准电压输入到输入信道ch5。

多路复用器4按照从定序器5输出的选择指令信号从输入到各输入信道ch0~ch5的电压中，选择对AD变换器3的ΔΣ调制器1输出的电压（即，输入到ΔΣ调制器1的电压）。多路复用器4对ΔΣ调制器1输出如下电压：输入到输入信道ch0~ch5中的由定序器5指定的输入信道的电压。在本实施例中，多路复用器4对AD变换器3的ΔΣ调制器1有选择地输出检测电压Va和多个恒定的基准电压（例如±0、+VREF、-VREF）。

AD变换器3是当定序器5允许采样动作时（定序器5使AD变换器3启动时）对从多路复用器4输入到ΔΣ调制器1的模拟电压进行采样测定的ΔΣ型模拟-数字变换电路。AD变换器3是具备ΔΣ调制器1和数字滤波器2的AD变换部。

在定序器5使ΔΣ调制器1启动（enable）时，ΔΣ调制器1输出与从多路复用器4供给的模拟输入电压对应变化的1比特（bit）的数字数据列。数字滤波器2是在定序器5使数字滤波器2启动时对从ΔΣ调制器1输出的数字数据进行信号处理的滤波器。数字滤波器2是例如CIC滤波器（cascade integral combfilter：级联积分梳状滤波器）等抽取滤波器（decimation filter）。

图2是ΔΣ调制器1的输入电压范围的说明图。将ΔΣ调制器1本来的满标值（full scale）（能够输入到ΔΣ调制器1的最大输入电压范围）设定成基准电压VREF的预定倍的电压范围（例如从-2VREF到+2VREF的4VREF）。此时，在做法上也可以将输入到ΔΣ调制器1的电压限制成比本来的满标值窄的输入电压范围（例如从-VREF到+VREF的2VREF）。

通过这样的限制，能够防止能校正图1的AD变换器3的数字滤波器2的输出数据Vraw的输出数据范围受限制。即，即使AD变换器3的ΔΣ调制器1的增益和偏移（offset）有较大波动，也不会在数字区域的运算电路9中产生饱和，从而能够校正输出数据Vraw。

图1中，运算电路9是按照从定序器5输出的控制信号来对从AD变换器3的数字滤波器2输出的数字输出数据Vraw进行修正运算的运算部。运算电路9针对由于AD变换器3的增益和偏移的波动而导致输出数据Vraw相对于预定基准值产生偏离的情况进行修正。运算电路9具有用于输出数据Vraw的修正运算的乘法加法器7、除法器8、RAM等工作存储器6。

乘法加法器7是当设乘法加法器7的输入为x、y、z时进行xy+z的运算并输出其运算结果的电路。乘法加法器7是除了进行xy+z的运算以外还可以进行例如xy-z、-xy+z、-xy-z的运算并输出其运算结果的电路。

除法器8是设除法器8的输入为x、y时使用非写回算法（non-restoring）进行x/y的运算并输出其运算结果的电路。通过使用非写回算法，能够减小除法器8的电路规模。

图3是表示使用了非写回算法的除法器8的一个构成例的框图。输入用2的补数（complement）表示的被除数x、除数y，当通过定序器5使除法器8启动时，按照以下的次序P1~P10来进行除法动作。

（次序P1）

在多路复用器41选择x作为仅最初一次的被除数qn。

（次序P2）

如果被除数qn和除数y最上位位（bit）即符号位不同，则在多路复用器42选择qn+y，如果符号相同则在多路复用器42选择qn-y。

（次序P3）

使其余数2倍（移动1位），并将其输入触发器（flip-flop）43。

（次序P4）

如果被除数qn和除数y最上位位即符号位不同，则在多路复用器44选择1作为除法器8的除法结果即除法输出值DIVout的符号位，如果符号相同则在多路复用器44选择0。

（次序P5）

将次序P4中选择出的信号经由移位寄存器（shift register）45输入到触发器46。

（次序P5）

在多路复用器41选择来自触发器43的输出作为被除数qn。

（次序P6）

如果被除数qn和除数y最上位位即符号位不同，则在多路复用器42选择qn+y，如果符号相同则在多路复用器42选择qn-y。

（次序P7）

使其余数2倍（移动1位），并将其输入触发器43。

（次序P8）

如果被除数qn和除数y最上位位即符号位不同，则在多路复用器44选择0，如果符号相同则在多路复用器44选择1。

（次序P9）

在移位寄存器45将触发器46的输出向左移动1位，将在次序P8中选择出的值输入到最下位位，输入到触发器46。

（次序P10）

通过将从次序P5到次序P9的动作重复“DIVout位数-1”次，能够得到除法运算结果。

通过使用了这样的非写回算法的除法器8，由于不需要乘法器（图3中的乘法器可用位移动来实现）所以能够以较小面积来实现。此外，作为非写回算法的特征还能够进行将符号也包含在内的除法运算。

接下来，针对计算用于校正AD变换器3的数字滤波器2的输出数据Vraw的校正值的方法进行说明。

此时，若设向ΔΣ调制器1的某输入电压为V、设此时的数字滤波器2的输出为Vraw，则Vraw可以使用ΔΣ调制器1的增益a和偏移b，表示为公式1的形式。

公式1

V_raw＝aV+b…(1)

这里，若设增益修正系数为α、偏移修正系数为β，则校正后的AD变换结果Vcomp可以表示为公式2的形式。增益修正系数α和偏移修正系数β相当于用于校正输出数据Vraw的校正值。

公式2

V_comp＝αV_raw+β…(2)

通过修正ΔΣ调制器1的增益a和偏移b，校正后的Vcomp表示了除去在增益a和偏移b中包含的误差而得的AD变换结果。另一方面，ΔΣ调制器1的满标值输入电压为4Vref，在该范围内从数字滤波器2输出-1~+1。因此，Vcomp与V之间的关系可以表示为公式3的形式。

公式3

$V_{\mathrm{comp}}=\frac{1}{2\mathrm{Vref}}V$ $...\left(3\right)$

$=\frac{1}{2\mathrm{Vref}}(\frac{1}{a}{V}_{\mathrm{raw}}-\frac{b}{a})$

通过以上内容，增益修正系数α和偏移修正系数β可以表示为公式4的形式。

公式4

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2\mathrm{aVref}},$ $\mathrm{\β}=-\frac{b}{2\mathrm{aVref}}...\left(4\right)$

从图4可知，ΔΣ调制器1的增益a和偏移b可以表示为公式5的形式。

公式5

$a=\frac{V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}5}}{+\mathrm{Vref}-(-\mathrm{Vref})},$ $b=\frac{V_{\mathrm{ch}4}+V_{\mathrm{ch}5}}{2}...\left(5\right)$

图4是表示AD变换器3的输入电压V与输出数据Vraw之间的关系例子的图。实现51表示校正前的关系，虚线52表示校正后的关系。

通过将公式5带入到公式4可以得到公式6。

公式6

$\mathrm{\α}=\frac{1}{V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}5}},$ $\mathrm{\β}=-\frac{V_{\mathrm{ch}4}+V_{\mathrm{ch}5}}{2}\mathrm{\α}...\left(6\right)$

接下来，定序器5当收到计算校正值（增益修正系数α和偏移修正系数β）的命令时，按照该命令执行以下的步骤S1~S31的顺序。图5是算出校正值的时序图。

（步骤S1）

定序器5将多路复用器4切换到信道ch4，使ΔΣ调制器1和数字滤波器2启动。

（步骤S2）

定序器5将步骤S1时的数字滤波器2的输出Vch4（参照图4）保存在工作存储器6中。

（步骤S3）

定序器5使ΔΣ调制器1和数字滤波器2停止（disable）。

（步骤S4）

定序器5将多路复用器4切换到信道ch3，使ΔΣ调制器1和数字滤波器2启动。

（步骤S5）

定序器5将步骤S4时的数字滤波器2的输出Vch3（参照图4）保存在工作存储器6中。

（步骤S6）

定序器5使ΔΣ调制器1和数字滤波器2停止。

（步骤S7）

定序器5将多路复用器4切换到信道ch5，使ΔΣ调制器1和数字滤波器2启动。

（步骤S8）

定序器5将步骤S7时的数字滤波器2的输出Vch5（参照图4）保存在工作存储器6中。

（步骤S9）

定序器5使ΔΣ调制器1和数字滤波器2停止。

（步骤S10）

定序器5读出保存于工作存储器6中的Vch4和Vch5，使乘法加法器7的x为1、使y为Vch4、使z为Vch5，进行xy-z的运算。

（步骤S11）

定序器5使使用了非写回算法的除法器8的x为1、使y为步骤S10中得到的运算结果，通过进行x/y的运算算出用上述公式6表示的增益修正系数α，并将其计算结果保存在工作存储器6中。

（步骤S12）

定序器5读出保存于工作存储器6中的Vch4和Vch5，使乘法加法器7的x为1、使y为Vch4、使z为Vch5，并且向右移动1位，进行（xy+z）/2的运算。

（步骤S13）

定序器5读出保存于工作存储器6中的α，使乘法加法器7的x为α、使y为步骤S12得到的运算结果，使z为0，进行-xy+z的运算，由此算出用上述公式6表示的偏移修正系数β，并将其计算结果保存在工作存储器6中。

可以将按如上顺序算出的α和β保存在EEPROM等非易失性存储器13中。由此，就不需要例如每当切断传感器输出修正电路12的电源时重复计算α、β。

接下来，定序器5在将数字滤波器2的任意输出数据Vraw保存于工作存储器6中时，若收到进行校正的命令则按照该命令执行以下的步骤S21、S22的顺序，其中，所述校正是指使用校正值α、β来算出对输出数据Vraw进行了修正而得的值。

（步骤S21）

定序器5读出保存于工作存储器6中的数字滤波器2的输出数据Vraw、在算出校正值的步骤S11中求出的α、同样在步骤S13中求出的β。

（步骤S22）

定序器5使乘法加法器7的x为数字滤波器2的输出数据Vraw、使y为α、使z为β，通过进行xy+z的运算，算出用上述公式2表示的Vcomp，将其计算结果作为输出数据Vraw的校正结果保存在工作存储器6中。

通过使定序器5进行如上动作，能够任意地设定算出校正值的定时和进行校正的定时，因此能够使算出校正值α、β的次数为最小限度。

因此，根据上述的实施方式，即使由于传感器输出修正电路12的电压依存或个体波动使得AD变换器3的增益或偏移相对于预定基准值存在波动，也能够用数字区域的运算电路9来算出用于校正输出数据Vraw的校正值。通过该校正值来校正输出数据Vraw，由此能够精简化、高精度、高速地校正传感器修正***。

例如，当在检查工序中预先进行校正时，限定于检查工序时的电压。因此，当对传感器输出修正电路12的电源电压使用了干电池等时，存在电源电压变动的可能性，因此有校正精度变低的可能。对此，本实施方式中，根据实际取得的输出数据Vraw用运算电路9算出用于对该输出数据Vraw进行校正的校正值，使用该校正值来校正输出数据Vraw，因此，即使电源电压发生变动，也能够防止校正精度降低。

此外，由于能够任意地设定算出校正值的定时和校正的定时，所以还能够最小限度地抑制算出校正值次数。另外，由于使ΔΣ调制器1的输入范围为4VREF中±VREF的2VREF，所以即使在AD变换器3中存在较大的偏移或增益波动，也不会在数字区域的运算电路9中发生饱和，能够进行校正。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施方式，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对上述的实施方式进行各种变形、组合、改良、置换等。

例如，如果预先已知向ΔΣ调制器1的输入电压范围，则对于校正值算出方法可以使用如图4所示的+VREF、±0、-VREF中任意两个点来算出校正值，由此能够提高校正精度。

公式7、8

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2(V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}3})}...\left(7\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2(V_{\mathrm{ch}3}-V_{\mathrm{ch}5})}...\left(8\right)$

例如，如果向ΔΣ调制器1的输入电压范围是0V~+VREF，则通过使用+VREF、±0两个点能够用公式7来表示增益修正系数α。此外，如果向ΔΣ调制器1的输入电压范围是-VREF~0V，则通过使用±0、-VREF两个点能够用公式8来表示增益修正系数α。

公式9、10

$\mathrm{\β}=-\frac{(V_{\mathrm{ch}4}+V_{\mathrm{ch}3}+V_{\mathrm{ch}5})}{2}\mathrm{\α}...\left(9\right)$

β＝-V_ch3α                        …(10)

此外，通过得到三个点的输出数据Vraw的平均值能够用公式9来表示偏移修正系数β。此外，通过使用一个点的输出数据Vraw能够用公式10来表示偏移修正系数β。由于偏移修正系数β伴随增益修正系数α的变化而变化，所以通过组合α和β能够变更校正值。

此外，还可以通过二次修正来进行校正。例如若设校正值为α、β、γ则校正后的AD变换结果Vcomp可以表示为公式11所示的形式。

公式11

V_comp＝(γV_raw+α)V_raw+β    …(11)

然后，将根据图4而得的公式12带入到公式11，解方程组，

公式12

$\left.\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{raw}}=V_{\mathrm{ch}3},V_{\mathrm{comp}}=0\\ V_{\mathrm{raw}}=V_{\mathrm{ch}4},V_{\mathrm{comp}}=1/2\\ V_{\mathrm{raw}}=V_{\mathrm{ch}5},V_{\mathrm{comp}}=1/2\end{array}\right\}...\left(12\right)$

则α、β、γ可以用公式13来表示。可以使用乘法加法器7和除法器8来计算公式13。

公式13

$\left.\begin{array}{c}\mathrm{\γ}=\frac{1}{2}\frac{(V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}3})-(V_{\mathrm{ch}3}-V_{\mathrm{ch}5})}{(V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}3})(V_{\mathrm{ch}3}-V_{\mathrm{ch}5})(V_{\mathrm{ch}5}-V_{\mathrm{ch}4})}\\ \mathrm{\α}=\frac{1}{2}\frac{-(V_{\mathrm{ch}4}+V_{\mathrm{ch}3})(V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}3})+(V_{\mathrm{ch}3}+V_{\mathrm{ch}5})(V_{\mathrm{ch}3}-V_{\mathrm{ch}5})}{(V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}3})(V_{\mathrm{ch}3}-V_{\mathrm{ch}5})(V_{\mathrm{ch}5}-V_{\mathrm{ch}4})}\\ \mathrm{\β}=\frac{1}{2}\frac{V_{\mathrm{ch}4}{V}_{\mathrm{ch}3}(V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}3})-V_{\mathrm{ch}3}{V}_{\mathrm{ch}5}(V_{\mathrm{ch}3}-V_{\mathrm{ch}5})}{(V_{\mathrm{ch}4}-V_{\mathrm{ch}3})(V_{\mathrm{ch}3}-V_{\mathrm{ch}5})(V_{\mathrm{ch}5}-V_{\mathrm{ch}4})}\end{array}\right\}...\left(13\right)$

定序器5使用如上求出的α、β、γ用乘法加法器7进行两次xy+z的运算，由此算出用上述公式11表示的二次修正值Vcomp，将该计算结果作为输出数据Vraw的校正结果保存在工作存储器6中。

此外，不仅可以修正一个传感器的传感器输出，还可以分别对多个传感器的传感器输出进行修正。例如，将传感器22的检测信号所对应的检测电压输入到输入信道ch1、将传感器23的检测信号所对应的检测电压输入到输入信道ch2时，通过多路复用器4来切换输入到ΔΣ调制器1的电压，由此能够对传感器22、23各自的传感器输出进行修正。

此外，作为控制多路复用器4、AD变换器3、运算电路9的控制部，示例了定序器5的情况，但也可以由微型计算机来对这些部分进行控制。

Claims (7)

1.一种传感器输出修正电路，其对从传感器供给的传感器输出进行修正，其特征在于，该传感器输出修正电路具备：

AD变换部，其有选择地输入对应于所述传感器输出的输入电压和预定的基准电压；以及

运算部，其使用输入所述基准电压时的所述AD变换部的输出结果，对输入所述输入电压时的所述AD变换部的输出数据进行修正，

所述运算部具有：在所述输出数据的修正中使用的乘法加法器和使用了非写回算法的除法器。

2.根据权利要求1所述的传感器输出修正电路，其特征在于，

所述运算部针对由于所述AD变换部的增益和偏移的波动而导致所述输出数据产生偏离的情况进行修正。

3.根据权利要求1或2所述的传感器输出修正电路，其特征在于，

所述运算部在所述输出数据的修正中使用输入多个基准电压时的所述AD变换部的输出结果，其中，所述多个基准电压的电压值彼此不同。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的传感器输出修正电路，其特征在于，

所述运算部使用所述输出结果来运算用于修正所述输出数据的修正数据。

5.根据权利要求4所述的传感器输出修正电路，其特征在于，

所述修正数据是系数。

6.一种传感器输出修正装置，其特征在于，具备：

权利要求1~5中任一项所述的传感器输出修正电路；以及

所述传感器。

7.一种传感器输出修正方法，其特征在于，具有以下步骤：

第一步骤，通过AD变换部测定第一基准电压；

第二步骤，通过所述AD变换部测定第二基准电压；

第三步骤，设x为1、设y为在所述第一步骤中测得的第一基准电压、设z为在所述第二步骤中测得的第二基准电压，通过乘法加法器进行xy-z的运算；

第四步骤，设x为1、设y为在所述第三步骤中运算得到的结果，通过使用了非写回算法的除法器来进行x/y的运算；

第五步骤，设x为1、设y为在所述第一步骤中测得的第一基准电压、设z为在所述第二步骤中测得的第二基准电压，通过乘法加法器来进行（xy+z）/2的运算；

第六步骤，设x为在所述第四步骤中运算得到的结果、设y为在所述第五步骤中运算得到的结果、设z为0，通过乘法加法器来进行-xy+z的运算；

第七步骤，通过所述AD变换部测定从传感器供给的传感器输出；以及

第八步骤，设x为在所述第七步骤中测得的结果、设y为在所述第四步骤中运算得到的结果、设z为在所述第六步骤中运算得到的结果，通过乘法加法器来进行xy+z的运算，由此，对在所述第七步骤中测得的传感器输出进行修正。

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