CN107241099B - 角度传感器信号处理电路及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种角度传感器信号处理电路及处理方法，所述角度传感器信号处理电路包括：第一采样保持单元、第一数模转换器、第二采样保持单元、第二数模转换器、比较器、逐次逼近式CORDIC逻辑电路；所述第一采样保持单元、第二采样保持单元分别连接正余弦模拟信号；第一采样保持单元与第一数模转换器连接，第二采样保持单元与第二数模转换器连接；第一数模转换器、第二数模转换器连接比较器，比较器连接逐次逼近式CORDIC逻辑电路；逐次逼近式CORDIC逻辑电路分别连接第一数模转换器、第二数模转换器。本发明提出的角度传感器信号处理电路，可简化整个信号处理***，节省硬件资源、减少面积和功耗。

Description

角度传感器信号处理电路及处理方法
技术领域
本发明属于角度传感技术领域，涉及一种角度传感器，尤其涉及一种角度传感器信号处理电路；同时，本发明还涉及一种角度传感器信号处理电路的处理方法。
背景技术
磁性角度传感器广泛应用于工业、汽车、家电、机器人等领域，可以用来检测各种机械结构(如汽车的方向盘、电机中的转子等)转动的角度信息。典型的磁性角度传感器由X轴和Y轴的磁场角度感应元件、放大器、模数转换器和数字信号处理单元组成，如图1所示。其中，磁场角度感应元件在外界磁场旋转时产生两路正交的正余弦信号x和y。该信号经过放大器放大后由模数转换器转换为数字化的正余弦信号。数字处理单元通常使用CORDIC算法计算出角度值θ。
图2显示了一种常用的传统设计，即用两路逐次逼近式模数转换器(SAR-ADC)和实现CORDIC算法的数字电路组成的正余弦信号处理电路。其中，逐次逼近式模数转换器由一个比较器、一个数模转换器和逐次逼近逻辑单元组成。其中数模转换器一般采用开关电容电路实现。输入信号和反馈信号的减法运算一般嵌入在开关电容电路中实现。数模转换器需要提供固定的参考电压Vref。此参考电压Vref同时也是逐次逼近式模数转换器(SAR-ADC)的参考电压。CORDIC算法的核心思想其实也是通过多次迭代逐次逼近来得到准确的角度值。然而，现有的信号处理电路结构复杂，成本较高，且功耗较大。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的信号处理电路，以便克服现有信号处理电路存在的上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种角度传感器信号处理电路，可简化整个信号处理***，节省硬件资源、减少面积和功耗。
此外，本发明还提供一种角度传感器信号处理电路的处理方法，可简化整个信号处理***，节省硬件资源、减少面积和功耗。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种角度传感器信号处理电路，所述角度传感器信号处理电路包括：第一采样保持单元、第一数模转换器、第二采样保持单元、第二数模转换器、比较器、逐次逼近式CORDIC逻辑电路；
所述第一采样保持单元、第二采样保持单元分别连接正余弦模拟信号；第一采样保持单元与第一数模转换器连接，第二采样保持单元与第二数模转换器连接；第一数模转换器、第二数模转换器连接比较器，比较器连接逐次逼近式CORDIC逻辑电路；逐次逼近式CORDIC逻辑电路分别连接第一数模转换器、第二数模转换器；
所述第一采样保持单元、第二采样保持单元通过采样保持电路后分别作为两路数模转换器的参考电压；第一数模转换器的输入还包括逐次逼近式CORDIC逻辑电路的第一数字输出xn；第二数模转换器的输入还包括逐次逼近式CORDIC逻辑电路的第二数字输出yn；
所述第一数模转换器的参考电压和数字输出存在乘法关系，即第一数模转换器的数字输出为x*yn，第二数模转换器的数字输出为y*xn；x和y分别为第一采样保持单元、第二采样保持单元输入的正余弦模拟信号；
逐次逼近式CORDIC逻辑电路的具体实现方法如下：
步骤S1、设置初始角度值为θ0＝0°，其所对应的矢量坐标值(x0，y0)即为(1,0)；
步骤S2、根据下面的公式对θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，进行迭代；其中加减符号的选择根据比较器的输出结果来决定；当比较器输出0，即x*yn-1<y*xn-1时，xn减少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
Figure BDA0001302352110000021
步骤S3、迭代N次后，θ＝θN即为最终计算得到的角度值；其与实际的输入角度值之间的误差取决于迭代的次数N。
作为本发明的一种优选方案，当需要更高的精度时，取增加N的值。
一种上述的角度传感器信号处理电路的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括如下步骤：
步骤S1、设置初始角度值为θ0＝0°，其所对应的矢量坐标值(x0，y0)即为(1,0)；
步骤S2、根据下面的公式对θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，进行迭代；其中加减符号的选择根据比较器的输出结果来决定；当比较器输出0，即x*yn-1<y*xn-1时，xn减少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
Figure BDA0001302352110000031
步骤S3、迭代N次后，θ＝θN即为最终计算得到的角度值；其与实际的输入角度值之间的误差取决于迭代的次数N。
现有的模数转换器和CORDIC都用是通过逐次逼近来完成的，就可能存在一种改良的设计将两者结合起来，达到简化整个信号处理***，节省硬件资源、减少面积和功耗的目的。
本发明的有益效果在于：本发明提出的角度传感器信号处理电路，可简化整个信号处理***，节省硬件资源、减少面积和功耗。
与传统信号处理电路结构相比，本发明提出的逐次逼近式CORDIC处理电路减少了以下的电路模块：一个比较器，两个逐次逼近逻辑模块(SAR logic)，原CORDIC逻辑电路中的数字乘法器。上述电路模块的减少不仅可以减小整个设计的电路面积，还可以降低***功耗。新***中的两路采样保持电路一般有运算放大器电路实现，似乎在原***中没有，但实际上传统结构中的Vref参考电压一样需要由运放组成的驱动电路驱动。所以，最终并未增加新的电路模块。
本发明提出的逐次逼近式CORDIC处理电路的另一个优点是减少了整个***的延时。在如图2所示的原有***中，正余弦模拟信号x和y首先要通过SAR-ADC转换成数字信号，再通过CORDIC算法计算出角度值。而在新的***中(如图3所示)，正余弦模拟信号直接参与CORDIC运算。原来的两次迭代简化成了一次迭代，所以延时比原来减少了一半。
在运算精度方面，新***与原***相当。精度都主要取决于迭代的次数N和数模转换器的匹配精度。
附图说明
图1为一种典型的磁性角度传感器***框图。
图2为现有由两路逐次逼近式模数转换器和CORDIC处理单元组成的角度传感器电路。
图3为逐次逼近式CORDIC电路的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图3，本发明揭示了一种角度传感器信号处理电路，所述角度传感器信号处理电路包括：第一采样保持单元、第一数模转换器、第二采样保持单元、第二数模转换器、比较器、逐次逼近式CORDIC逻辑电路；
所述第一采样保持单元、第二采样保持单元分别连接正余弦模拟信号；第一采样保持单元与第一数模转换器连接，第二采样保持单元与第二数模转换器连接；第一数模转换器、第二数模转换器连接比较器，比较器连接逐次逼近式CORDIC逻辑电路；逐次逼近式CORDIC逻辑电路分别连接第一数模转换器、第二数模转换器；
所述第一采样保持单元、第二采样保持单元通过采样保持电路后分别作为两路数模转换器的参考电压；第一数模转换器的输入还包括逐次逼近式CORDIC逻辑电路的第一数字输出xn；第二数模转换器的输入还包括逐次逼近式CORDIC逻辑电路的第二数字输出yn；
所述第一数模转换器的参考电压和数字输出存在乘法关系，即第一数模转换器的数字输出为x*yn，第二数模转换器的数字输出为y*xn；x和y分别为第一采样保持单元、第二采样保持单元输入的正余弦模拟信号；
逐次逼近式CORDIC逻辑电路的具体实现方法如下：
步骤S1、设置初始角度值为θ0＝0°，其所对应的矢量坐标值(x0，y0)即为(1,0)；
步骤S2、根据下面的公式对θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，进行迭代；其中加减符号的选择根据比较器的输出结果来决定；当比较器输出0，即x*yn-1<y*xn-1时，xn减少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
Figure BDA0001302352110000041
步骤S3、迭代N次后，θ＝θN即为最终计算得到的角度值；其与实际的输入角度值之间的误差取决于迭代的次数N。当需要更高的精度时，取增加N的值。
本发明还揭示一种上述的角度传感器信号处理电路的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括如下步骤：
步骤S1、设置初始角度值为θ0＝0°，其所对应的矢量坐标值(x0，y0)即为(1,0)；
步骤S2、根据下面的公式对θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，进行迭代；其中加减符号的选择根据比较器的输出结果来决定；当比较器输出0，即x*yn-1<y*xn-1时，xn减少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
Figure BDA0001302352110000051
步骤S3、迭代N次后，θ＝θN即为最终计算得到的角度值；其与实际的输入角度值之间的误差取决于迭代的次数N。
综上所述，本发明提出的角度传感器信号处理电路，可简化整个信号处理***，节省硬件资源、减少面积和功耗。
与传统信号处理电路结构相比，本发明提出的逐次逼近式CORDIC处理电路减少了以下的电路模块：一个比较器，两个逐次逼近逻辑模块(SAR logic)，原CORDIC逻辑电路中的数字乘法器。上述电路模块的减少不仅可以减小整个设计的电路面积，还可以降低***功耗。新***中的两路采样保持电路一般有运算放大器电路实现，似乎在原***中没有，但实际上传统结构中的Vref参考电压一样需要由运放组成的驱动电路驱动。所以，最终并未增加新的电路模块。
本发明提出的逐次逼近式CORDIC处理电路的另一个优点是减少了整个***的延时。在如图2所示的原有***中，正余弦模拟信号x和y首先要通过SAR-ADC转换成数字信号，再通过CORDIC算法计算出角度值。而在新的***中(如图3所示)，正余弦模拟信号直接参与CORDIC运算。原来的两次迭代简化成了一次迭代，所以延时比原来减少了一半。
在运算精度方面，新***与原***相当。精度都主要取决于迭代的次数N和数模转换器的匹配精度。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (3)

1.一种角度传感器信号处理电路，其特征在于，所述角度传感器信号处理电路包括：第一采样保持单元、第一数模转换器、第二采样保持单元、第二数模转换器、比较器、逐次逼近式CORDIC逻辑电路；
所述第一采样保持单元连接正弦模拟信号，第二采样保持单元连接余弦模拟信号；第一采样保持单元与第一数模转换器连接，第二采样保持单元与第二数模转换器连接；第一数模转换器、第二数模转换器连接比较器，比较器连接逐次逼近式CORDIC逻辑电路；逐次逼近式CORDIC逻辑电路分别连接第一数模转换器、第二数模转换器；
所述第一采样保持单元、第二采样保持单元通过采样保持电路后分别作为两路数模转换器的参考电压；第一数模转换器的输入还包括逐次逼近式CORDIC逻辑电路的第一数字输出xn；第二数模转换器的输入还包括逐次逼近式CORDIC逻辑电路的第二数字输出yn；
所述第一数模转换器的参考电压和数字输出存在乘法关系，即第一数模转换器的数字输出为x*yn，第二数模转换器的数字输出为y*xn；x和y分别为第一采样保持单元、第二采样保持单元输入的正余弦模拟信号；
逐次逼近式CORDIC逻辑电路的具体实现方法如下：
步骤S1、设置初始角度值为θ0＝0°，其所对应的矢量坐标值(x0，y0)即为(1,0)；
步骤S2、根据下面的公式对θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，进行迭代；其中加减符号的选择根据比较器的输出结果来决定；当比较器输出0，即x*yn-1<y*xn-1时，xn减少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
Figure FDA0002638208500000011
步骤S3、迭代N次后，θ＝θN即为最终计算得到的角度值；最终计算得到的角度值与实际的输入角度值之间的误差取决于迭代的次数N。
2.根据权利要求1所述的角度传感器信号处理电路，其特征在于：
当需要更高的精度时，增加N的值。
3.一种权利要求1所述的角度传感器信号处理电路的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括如下步骤：
步骤S1、设置初始角度值为θ0＝0°，其所对应的矢量坐标值(x0，y0)即为(1,0)；
步骤S2、根据下面的公式对θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，进行迭代；其中加减符号的选择根据比较器的输出结果来决定；当比较器输出0，即x*yn-1<y*xn-1时，xn减少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
Figure FDA0002638208500000021
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