專利名稱：利用帕德逼近式函數(shù)仿真器為傳感設(shè)備提供非線性溫度補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及響應(yīng)于溫度改變表現(xiàn)非線性行為的傳感器和/或轉(zhuǎn)換器
(transducer )。本發(fā)明更具體地涉及在具有變化的溫度的環(huán)境下補償傳感設(shè)備 的這種非線性行為的有效和準(zhǔn)確的方法。
2a.對同時擁有的申請的交叉引用
下列待審批的美國專利申請由本申請的所有者擁有，并且這里通過引用 合并他們的公開
(A )序歹'J號10/845,681 ，由Jose Marcos Lamia, Jose G Taveira, Robert R Moehrke在2004年5月13曰4是交，其4刀士合題目為"Pade'Approximant Based Compensation for Integrated Sensor Modules and the like"; 以及
(B )序歹:)號10/870,314，由Jose Marcos Laraia， Masahisa Niwa, Robert P. Moehrke和Jose G. Taveira在2004年6月16日提交，其初始題目為"Reactive Sensor Modules Using Pade' Approximant Based Compensation and Providing Module-Sourced Excitation"。
背景技術(shù)：
技術(shù)的進步已經(jīng)使得很多用于多種用途、可批量生產(chǎn)的新的電子和Z或電 磁傳感器或轉(zhuǎn)換器成為可能。溫度、壓強、發(fā)光度、位置、加速度、流動速 率只是能夠用這樣的設(shè)備傳感、測量和/或傳達的許多物理變量中的一些。被 傳感或測量的各參數(shù)能夠被電磁地或用別的方式傳輸?shù)接嬎銠C或其它用于顯 示、控制和/或其它處理的智能設(shè)備。因為在許多領(lǐng)域如汽車工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航 天和工廠自動化中物理參數(shù)的準(zhǔn)確傳感和測量的重要性，所以大量的努力已 經(jīng)致力于發(fā)展小型、準(zhǔn)確、可靠并且能夠在惡劣環(huán)境中運行的低成本傳感設(shè) 備。
當(dāng)物理量正在被傳感或測量以用于隨后處理或報告其值的目的時，總是 出現(xiàn)從被傳感/被測量的物理量(其是壓強、或磁通量、或高壓工業(yè)應(yīng)用中的
電動機電流、或一些其它這樣的參數(shù))的域到代表性的信號(例如，低壓、
數(shù)字CMOS信號，例如在0-5伏特范圍)的域的轉(zhuǎn)換，其中該代表性的信號 將用于隨后的處理和/或報告所傳感/測量的物理量。在域到域 (domain-to-domain )的轉(zhuǎn)換路徑中的某處，可能存在一個或更多元件(例如， 傳感器或轉(zhuǎn)換器)其行為嚴(yán)重地受溫度改變的影響。由于缺乏更好的術(shù)語，
分。不管用于轉(zhuǎn)換處理的基本的物理原理如何，本質(zhì)上所有的傳感裝置(即， 傳感或轉(zhuǎn)換元件)都表現(xiàn)出需要被克服的一些限制和非理想性。例如，大部 分傳感器典型地表現(xiàn)出由于制造工藝變化允許的正態(tài)公差(normal tolerance ) 的偏差和靈敏度變化。這樣的偏差和/或靈敏度變化通常必須通過傳感器接口 電路的個別校準(zhǔn)來補償。另外某種程度上，本質(zhì)上所有傳感裝置呈現(xiàn)響應(yīng)于 溫度的變化。這也可能需要通過個別校正來補償。通常被稱為信號調(diào)節(jié)電路 的合適的電子電路經(jīng)常被連接(電子地，邏輯地和/或物理地)到每個單獨的 傳感裝置，以照顧這些要求。在很多情況下，信號調(diào)節(jié)電路是包含傳感裝置 的部分或全部的封裝或機殼(housing)的整體必需部分(integralpart)。通常， 傳感元件和它對應(yīng)的信號調(diào)節(jié)電路一般被封裝到單個物理單元以構(gòu)成傳感器 模塊。關(guān)于傳感器信號調(diào)節(jié)的更具體的解釋以及可用的解決辦法的示例能夠 在以下三篇文獻中發(fā)現(xiàn)(這里通過引用而合并)(a) Mnif, K., "Compensation is critical in fitting analog pressure sensors to the application", ISD Magazine, July 2001; (b) Travis, B., "Smart conditioners rub out sensor errors", EDN Magazine, February 2001;和(c) McGonigal， J., "Signal conditioning，，, Sensor Magazine, September 2003 。
溫度補償(TC)是大多數(shù)傳感器信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本要求，由于它使得 更高精確度和/或擴展的運行溫度范圍稱為可能，而不要求使用更加復(fù)雜和昂 貴的傳感元件。雖然用于TC的方法不同，但是大多數(shù)通常包括在首先減去 溫度依賴偏移值后，用溫度依賴的增益值乘以傳感器輸出信號。例如參見 (a)美國專利5,848,383, 12/1998授予Yu薦(provides polynomial compensation of temperature coefficient,提供對溫度系數(shù)的多項式補償)；(b)美國專利 5,902,925, 5/1999授予Crispie等(provides piece-wise linear compensation of temperature coefficient,提供對溫度系數(shù)的分段線性補償)；(c)美國專利 5,995,033, 11/〗999授予Roeckner等(uses DAC for setting offset,使用DAC
設(shè)置偏移)；(d)美國專利5,939,693， 8/1999授予Roeckner等(uses a signal conditioning circuit with DACs, and a combo ADC/DAC for signal conversion and polynomial calculation for temperature and nonlinearity compensation, 使用
多項式計算，以及非線性補償)；以及(e)美國專利6,032,109, 2/2000授予 Ritmiller，III (use coarse and fine DAC，s driven by DSP (Digital Signal Processor),使用DSP驅(qū)動的粗糙和精細(xì)DAC)，通過引用全部合并于此。如 從之前Yunus，383等的簡要描述所指出的，溫度依賴的偏移和增益控制可以 用分段線性函數(shù)生成、用多項式函數(shù)生成和/或用復(fù)合數(shù)字信號處理技術(shù)來獲 得。然而，由于市場對更高精度和更便宜的解決辦法的需求壓力，有時更傳 統(tǒng)的線性或分段線性的TC技術(shù)不能提供在給定的溫度范圍所要求的性能。 一般使用的基于多項式的非線性溫度補償技術(shù)通常不能為不以多項式方式 (例如，y二ao+a乂+a乂+…)運轉(zhuǎn)的傳感元件提供非常好的擬合。因此在給定 的溫度范圍精度可能仍然不足，除非在每個多項式表達式中使用許多項，并 且可能不同的多項式以分段方式縫合到一起。這極大地增加了電路復(fù)雜性和 成本。需要更簡單和更好的解決辦法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前公開，可以提供用于改進現(xiàn)有溫度補償技術(shù)的上述缺 點的結(jié)構(gòu)和方法。
更具體地，提供了一種非線性溫度補償方法，其能夠容易地成為精確的、 可編程的、以及足夠靈活的以用于廣泛范圍的應(yīng)用，包括提供用于使個別校 準(zhǔn)的傳感裝置的低成本大規(guī)模生產(chǎn)成為可能的溫度補償。根據(jù)本發(fā)明的電路 能夠被做得足夠簡單以容易地實現(xiàn)為單片傳感器接口集成電路(IC)中的小 的功能塊，該集成電路通常伴隨傳感器。
本發(fā)明的當(dāng)前公開提供了不使用蠻力(brute force )數(shù)值技術(shù)實現(xiàn)數(shù)值分 解(division)的方式。本發(fā)明可以用所謂的帕德逼近式(Pad6 Approximant) 來實踐，帕德逼近式可以通過這樣的方式推導(dǎo)至少分段地將要仿真的函數(shù) 展開為兩個冪級數(shù)的比值(兩個多項式的除法)，并且確定冪級數(shù)分子和分母 的系數(shù)。帕德逼近式適用于模擬包含極點的非線性物理變量和數(shù)學(xué)函數(shù)。而 且，有理逼近能夠模仿本質(zhì)上不是多項式的曲線。特別，通過帕德逼近式方
法生成的有理函數(shù)通常是比具有相比地更大量項的泰勒展開式、對物理傳感 器行為更好的擬合。直到此時，在實踐實現(xiàn)中使用帕德逼近式呈現(xiàn)的一個障 礙是需要形成兩個冪函數(shù)的比值。蠻力分解通常比機器實現(xiàn)的只依賴于加法、 減法或乘法的計算代價更大。根據(jù)本發(fā)明，反饋技術(shù)被用于提供仿真由帕德
逼近式方法需要的分解(di vision)操作的轉(zhuǎn)換函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的 一 個方面， 一 個或更多反帕德逼近式轉(zhuǎn)換函數(shù)被施加到由 受溫度影響的傳感裝置生成的信號，以消除其相對給定溫度范圍中溫度變化 的非線性，并且從而提供在給定溫度范圍上更精確的傳感(或域轉(zhuǎn)換)。精確 的逼近能夠用低階帕德逼近式函數(shù)(其只具有一些系數(shù))實現(xiàn)。這導(dǎo)致高性 能同時允許相對筒單和便宜的非線性補償電路。更具體地，在一個實施例中， 傳感器偏移至少部分地由以溫度作為其輸入變量的第一帕德逼近式生成電路
模擬，并且傳感器增益倒數(shù)(inverse)至少部分地由也以溫度作為其輸入變 量的第二帕德逼近式生成電路模擬。用于在大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中校準(zhǔn)這樣電路 的方法將^皮詳述。
從下面詳細(xì)的描述中，本公開的其它方法將變得明顯。


下面的詳細(xì)描述部分參照附圖，其中
圖1是能夠被一階帕德逼近式電路仿真的三個函數(shù)的第一曲線圖； 圖2是能夠被稍微不同的一階帕德逼近式電路仿真的三個另外函數(shù)的第 二曲線圖3是能夠被還不同的一階帕德逼近式電路仿真的另外的三個函數(shù)的第 三曲線圖4圖解希望的傳感器反偏移(counter-offset)函數(shù)；
圖5圖解希望的傳感器反增益(counter-gain)函數(shù)；
圖6是顯示用于生成反偏移的第一電路的示意圖，該反偏移要從傳感器 輸出信號中減去從而消除溫度依賴的偏移；
圖7是用于反抗傳感器偏移和傳感器靈敏度的溫度依賴的各方面的電路 的主要^^莫擬實施例的示意圖8A是用于反抗傳感器偏移和傳感器靈敏度的溫度依賴的各方面的電 路的更數(shù)字實施例的方塊圖8B是圖8A的具體實現(xiàn)的示意圖，包括顯示在大規(guī)模生產(chǎn)校準(zhǔn)期間校 準(zhǔn)計算機如何與溫度補償IC相互連接；
圖9是用于反抗傳感器偏移和傳感器靈敏度的溫度依賴的各方面的電路 的又一個更數(shù)字實施例的方塊圖；以及
圖10是傳感器偏移相對于溫度關(guān)系的示例性曲線圖，用來解釋用于不同 的溫度子范圍的分段溫度補償和校準(zhǔn)。
具體實施例方式
帕德逼近式可以通過將函數(shù)展開為兩個冪級數(shù)的比值，并且確定分子和 分母的各系數(shù)來形成。當(dāng)模擬(model)的函數(shù)含有極點時，帕德逼近式通常勝 過泰勒展開式，因為有理函數(shù)的使用允許這樣的極點行為被很好地表現(xiàn)。(例 如參見Wolfram研究數(shù)學(xué)世界網(wǎng)站，
在其一般形式中，帕德逼近式可以按照方程式1表示為兩個冪級數(shù)之間 的比值
尸lO) =P。+P, + PJ2 + ''. + P/x￡ (式"
2M (x) i++q^x2+—i"( ^y
其中x是輸入變量，pL和qM是相關(guān)常數(shù)系數(shù)并且在示例中QM(X)被歸一化 以提供Qm(0)二1。如果系數(shù)q!到qM被設(shè)為零，那么方程式l簡化為只具 有分子系數(shù)Po到Pl的泰勒表達式。
在其分子和分母中都具有一階多項式的帕德逼近式y(tǒng)"x)能夠根據(jù)以下 的方程式2表示
少|(zhì)("=魁=^ (式2)
通過調(diào)整輸入信號x (包括其極性和有效原點)并且通過調(diào)整系數(shù)a、 b 和c各自的大小，能夠得到不同類型的非線性函數(shù)。圖1、 2和3顯示了一些 可能的轉(zhuǎn)換函數(shù)形式，其中y,(x)被以更容易與圖示曲線相關(guān)聯(lián)的形式重寫。 如應(yīng)該從圖1-3明顯可見，每個函數(shù)曲線的位置、取向、以及斜率能夠通過 調(diào)整三個系數(shù)a、 b和c以及通過調(diào)整輸入變量x的極性和有效原點來調(diào)整。 在a/c=b的特殊情況下，那么y,(x)取等于b的恒定值。另一方面，如果a/c>b 或a/c<b,那么獲得對應(yīng)的非線性函數(shù)并且下列表達式3-5的恒等容易被驗證
對于圖1:
對于圖2:
對于圖3:
<formula>formula see original document page 13</formula>
(式3)
(式4)
(式5)
更具體地，在圖1中，在a/c>b的情況下非線性曲線101在x=0處具有 值b和由方程式3給出的漸近線。在a/c<b的情況下非線性曲線103在x=0 處具有值b和由方程式4給出的漸近線。當(dāng)a/c二b是獲得恒定的響應(yīng)102。類 似的結(jié)果可以在圖2中看到，除了三條曲線201-203在x=x0A (在204處) 相交。類似的結(jié)杲可以在圖3中看到，除了三條曲線301-303向相反的橫向 方向延伸，因為輸入變量x給定為負(fù)極性。注意當(dāng)cx+l-0時y,(x)是未定義 的，因此cx二 1的情況應(yīng)該被避免。
如上所示，傳感元件典型地生成包括偏移成分和包括增益或靈敏度參數(shù) 的電磁輸出信號，該偏移成分隨溫度以非線性方式變化，該增益或靈敏度參 數(shù)進一步隨溫度以非線性方式變化。通過使用與被提供作為輸入變量的環(huán)境 溫度(T,換句話說，傳感裝置正遭遇的有效溫度)結(jié)合的一階帕德逼近式， 傳感裝置的溫度依賴性一般能夠由下列方程式6概括地表示到好的精確程 度。<formula>formula see original document page 13</formula>(式6)
其中左側(cè)的Vs(T)是傳感元件實際輸出電壓(盡管在替代類型的傳感裝置中，
它能夠是某些傳感器中的電流或電荷或某些其它電磁參數(shù))；并且其中在逼近
的右側(cè)，vq^o是當(dāng)被傳感的物理參數(shù)(例如，壓強)處于參考或零值(例如， 在壓強的情況，1個大氣壓)時出現(xiàn)在傳感器輸出的傳感元件偏移，并且其 中該vc^o輸出在確定的參考溫度T。處測量。系數(shù)a、 b和c是非線性偏移溫 度系數(shù)，它們的值在校準(zhǔn)期間建立。S。是處于使用的參考溫度To的傳感元件 靈敏度(或增益)。大寫的A、 B、 C項是非線性靈敏度溫度系數(shù)，它們的值 也在校準(zhǔn)期間建立。最后，①是正被模擬的傳感裝置傳感的物理參數(shù)，以便 產(chǎn)生傳感器實際輸出信號Vs(T)。①的示例可以包括壓強水平、機械應(yīng)變、 機械位移、截取的輻射或其它能量場等等。
根據(jù)本發(fā)明，通過生成按照方程式7的反偏移信號V。"T),為傳感器偏 移成分的溫度依賴性提供反S卜償
<formula>formula see original document page 14</formula>+
(式7)
進一步根據(jù)本發(fā)明，通過求得方程式8的逆，為傳感器增益的溫度依賴 性提供反補償
(式8)<formula>formula see original document page 14</formula>
盡管本公開致力于結(jié)合"傳感的"溫度(T)使用帕德逼近式，用于調(diào)整傳感
器的輸出信號，但是應(yīng)該注意的是另外地結(jié)合溫度校正的結(jié)果使用帕德逼
近式，用于進一步對完整的信號路徑或各路徑中的非線性進行補償，即，對
用來傳感該"傳感的"溫度(T)的次級傳感器裝置的非線性響應(yīng)進行補償，
和/或?qū)鬏敶磉@些量的信號的模擬信號路徑(如果有的話)的非線性響應(yīng)
進行補償，這是在本發(fā)明的意圖中的。通過在使用出現(xiàn)在補償IC的實際輸出
針(pin)處的信號電平時進行校準(zhǔn)，信號處理IC自身中的一些內(nèi)部非線性被固
有地補償。另外地結(jié)合上述內(nèi)容使用帕德逼近式，以補償初級傳感器對正被
模擬的傳感裝置傳感的物理參數(shù)(①)的大小或大小范圍的非線性響應(yīng)，這
也是在本發(fā)明的意圖中的。
首先聚焦于反偏移信號，方程式7的V。ff(T),通過進行對應(yīng)的一組至少
3個相對于參考點即vc^。的、在各自的溫度點T,、 T2和丁3的偏移測量，以及
按照如下的方程組式9， 3個未知系數(shù)值a、 b和c能夠被求解(作為一種但
不是唯一的方法)
<formula>formula see original document page 14</formula> (式9)
<formula>formula see original document page 14</formula> (式IO)
從方程組式9, 3個系數(shù)a、 b、 c能夠被容易地計算，例如通過使用按照 方程組式ll、 12、 13a-13c的行列式(克萊姆法則)
(<formula>formula see original document page 14</formula>(式11)<formula>formula see original document page 14</formula>(式12) <formula>formula see original document page 15</formula>(式13a)
<formula>formula see original document page 15</formula>(式13b)
<formula>formula see original document page 15</formula>(式13c)
如果生成多于三個測量方程式，那么統(tǒng)計曲線擬合算法可以被用來求解 三個偏移系數(shù)a、 b和c的值。在確定三個偏移系數(shù)a、 b和c之后，偏移補 償電路只需合成溫度依賴的、非線性函數(shù)的負(fù)數(shù)，并且按照方程式14將該負(fù) 校正信號加到傳感器輸出信號，以便只留下溫度非依賴的偏差成分其
在由TV 丁2和T3定義的有關(guān)溫度范圍上基本保持恒定。
<formula>formula see original document page 15</formula>(式14)
參照圖4,用圖示的方式顯示該過程，其中當(dāng)對于傳感器的物理輸入?yún)?數(shù)存在對應(yīng)的零點時(例如，壓強，其中該零點將比如說是1個大氣壓)，T,、
丁2和丁3是產(chǎn)生各自的傳感器輸出電壓V。ffl、 V。ffi和V。ffi的各自的三個測量點
的溫度。T。是傳感器自然地輸出恒定成分v。ffo的溫度。在減去隨溫度變化的 響應(yīng)之后，所有剩下的是溫度不變量，如圖4的右側(cè)中所示的偏移響應(yīng)v。加。 參照圖5，可以對在包含測量點T,、 T2和T3的相關(guān)溫度范圍上的傳感器 的增益或靈敏度采用類似的方法。更具體地，溫度變化對傳感器靈敏度的影 響可以由如上面的方程式8中所示非線性乘法因子來描述，而不是用于偏移 的加法因子。給定傳感器的溫度靈敏度S(T)的非線性反補償能夠用與對偏移
值。根據(jù)本公開，對至少三個不同溫度T,、 T2和丁3測量靈敏度，并且相應(yīng)的 值分別記為S,、 S2和S3。對于更加一致的結(jié)果，激勵(excitation)應(yīng)該在每 個情況下是相同的，典型地是所測量的物理屬性(例如，壓強)的全刻度(full scale )或半刻度。
這里方程式8被重新表示為函數(shù)S (T):
(式15)<formula>formula see original document page 16</formula>
用已知的溫度取代T，并且用測量的相對靈敏度取代S(T),能夠得到如 下的至少三個具有三個未知數(shù)A、 B、 C的方程(式16a-16c)的系統(tǒng)
(式16a-16c)
其中
<formula>formula see original document page 16</formula>
(式17)
并且S0 (參見圖5 )是在溫度T。的靈敏度。
通過卡萊姆法則，系數(shù)A、 B、 C也能夠從方程組式16a-16c計.
其中
<formula>formula see original document page 16</formula>(式19B)
(式19C)
如關(guān)于偏移的情況，如果進行超過三次測量，那么統(tǒng)計曲線擬合技術(shù)(例 如，最小二乘法)可以被用來求解三個靈敏度系數(shù)A、 B和C。在確定系數(shù)A、 B、 C之后，構(gòu)造靈敏度反補償電路以合成逆非線性函數(shù)，根據(jù)下面的方程式 20,該逆非線性函數(shù)在被乘以原始靈敏度函數(shù)時，保持作為結(jié)果的靈敏度基 本上是恒定的，并且在由T,、 丁2和丁3定義的溫度范圍上等于S0:
<formula>formula see original document page 16</formula>
(式20)
校正函數(shù)
可以被稱為關(guān)于傳感器自然靈敏度
德逼近式"，因為它們的乘積等于整數(shù)(1 )。 通過按照方程組式21設(shè)置系數(shù)x、 y和z:<formula>formula see original document page 17</formula>
(式21)
靈敏度方程(式20)能夠被重寫，使得被修改的結(jié)果S' (T)變成恒定的并 且等于So:<formula>formula see original document page 17</formula>
(式22)
這表明了具有方程組式21的系數(shù)設(shè)置的靈敏度補償如何導(dǎo)致不隨溫度變化 的靈敏度。
參照圖6,顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一溫度補償電路600。如上面的理論術(shù) 語所解釋的，為了產(chǎn)生溫度依賴的電壓信號Avoff(T),將通過圖示的補償電 路600模擬第一帕德逼近式函數(shù)，該電壓信號Avoff(T)將被從傳感元件輸出 信號偏移中減去，以便減小或消除傳感器輸出信號的溫度依賴的成分。希望 的輸出電壓Avoff(T)在線619產(chǎn)生。方程式23顯示在線619的希望的輸出電
壓信號表現(xiàn)為輸入電壓VTin的一階帕德逼近式，該輸入電壓隨環(huán)境溫度基本
線性地增加。VTin由次級(secondary)傳感裝置605生成。因此，V丁in是代表傳 感的溫度的模擬信號。次級溫度傳感器裝置605不要和初級參數(shù)傳感器(未 示出，但可以是壓力傳感器)混淆，該初級參數(shù)傳感器的輸出是被調(diào)節(jié)以抵 消溫度影響。溫度傳感器裝置605能夠被整體地包括在實現(xiàn)電路600的其余 部分的單片IC中。<formula>formula see original document page 17</formula>
在圖6的電路600中，VTm電壓信號被施加到可變的增益放大器621的 輸入端口 611,該增益放大器621的有效增益部分地通過DAC 637和增益設(shè) 置寄存器647可編程地建立為以G表示的部分增益值。更恰當(dāng)?shù)?，放大?21 的有效增益通過由DAC 635 (數(shù)模轉(zhuǎn)換器635 )生成的另一個因子kvf V。ul (=kvf 'AV。ff(T))減少，使得放大器621的總有效增益表示為G ( l-kvf -Voul), 其中V。ul=AV。ff(T)。 VTin乘以該總有效增益，然后在^f莫擬加法器622中被加
到可編程定義的偏壓vx。。該偏壓Vxo通過DAC 632和偏壓設(shè)置寄存器642建
立。加法器622的輸出定義產(chǎn)生在線619上的希望的電壓AV。ff(T)。反饋回
路615用來促使生成的輸出電壓AV。ff滿足上面的方程式23。更具體地，反
饋AV。ff信號615在DAC635中被乘以第三編程參數(shù)kvf (設(shè)置在寄存器645
中)，使得電路600實現(xiàn)下列方程式24的包括反饋的轉(zhuǎn)換功能
A ,=G.(卜、.△ ,)'+ 、。 (式24)
通過分離輸出AV。ff，表達式(式24)能夠被重寫為如下的方程式25:
Av,,= G《+v、'° (式25) "《G.V4+1
因此根據(jù)上面的方程式23看到生成的AV。ff信號(619)仿真一階帕德逼近式，
其中使用方程組式26的替代
o = G
"、 (式26) c = G 、
不同地表述，方程式24重寫為如下的方程式27:
-".(l一 + )《" (式27)
因此，圖6的電路參數(shù)G、 Vxo和l"f能夠直接從系數(shù)a、 b、 c確定，其中后者 從根據(jù)圖4進行的溫度校準(zhǔn)測量計算。電路參數(shù)G、 Vx。和K,f可以被編程到 非易失性(NV)存儲器裝置(例如，EEPROM或閃存)，該非易失性存儲器 裝置包括在或耦合到實現(xiàn)電路600的IC。如圖6中所示，然后NV存儲的各 電路參數(shù)可以從NV存儲裝置(或從別處)下載到各自的寄存器647、 642和 645，寄存器647、 642和645通過專用的D/A轉(zhuǎn)換器637、 632和635控制 增益、偏壓和反饋。形成電路600的各可編程建造部件(building block)分 別在現(xiàn)有技術(shù)中已知。(例如參見:Harrold, S., "Programmable analog ICs", Sensor Magazine, April 2003;以及Dunbar和Allen, "Performance grows with integration", EE Times, October 7, 2003;這里通過引用合并發(fā)表的參考資料。) 參照圖7,顯示根據(jù)本發(fā)明的第二溫度補償電路700。其中在"700"百 系列(century series )實用的相同參考標(biāo)號被用來指以"600"百系列編號的 圖6的相同元件。如此，不需要重復(fù)對電路700的塊701的解釋，因為塊701 本質(zhì)上于電路600相同，除了芯片上的溫度傳感裝置705 (其能夠替代為不 在芯片上)顯示在塊701外部，并且顯示為被進一步耦合到第二塊702的溫
度輸入線702。從圖7應(yīng)該明顯的是第二塊702從架構(gòu)上來說是第一塊的 鏡像。第二塊702在線750生成對抗溫度的靈敏度校正信號，而不是生成對 抗溫度的偏移校正信號(719)，其中靈敏度校正信號表示為AS。
實現(xiàn)溫度補償電路700的集成電路的輸入終端(例如，封裝針)706從 溫度依賴的傳感器接收傳感器輸出信號Vs，該傳感器未示出，但是能夠是電 阻壓力傳感器，或電抗位置傳感器，或當(dāng)在預(yù)定的溫度范圍(即，Tr丁3)運 行時測量相應(yīng)的物理參數(shù)的一些其它傳感器。接收的傳感器輸出信號Vj皮施 加到模擬求和單元707,使得溫度依賴的偏移電壓AV。ff(T)(在線719上)能 夠被減掉。然后求和單元707的輸出電壓被耦合到可變增益放大器(或衰減 器)708,使得無偏移的傳感器輸出信號V's能夠被乘以靈敏度校正信號AS 的值。然后二次校正的傳感器輸出信號V"s能夠從集成電路的輸出終端(例 如，封裝針)709輸出用于進一步處理。可替代地或另外地，校正的傳感器 輸出信號V"s能夠被耦合到用于進一步使用和處理的芯片上電路，其在包含 電i 各700的IC內(nèi)。為了簡化的目的，圖7沒有顯示從接收的傳感器輸出信號 V,移除不隨溫度變化的偏移。從上面的理論解釋應(yīng)該明顯的是這種不隨溫 度變化的偏移也應(yīng)該在求和單元707處纟t減去。
裝置類似的裝置來實現(xiàn)，除了輸出信號750是增益調(diào)節(jié)AS的而不是偏移電 壓的代表。信號AS能夠被用作增益控制電壓施加到電壓控制的放大器(VCA) 的相應(yīng)的增益控制節(jié)點，從而將該電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的增益校正。在方程 式28中提供了希望的增益校正的表達式
<formula>formula see original document page 19</formula>(式28)
大寫字母A、 B和C用在方程式28中以代表可編程建立的各系數(shù)，其對應(yīng)于 在方程式26和27中表達的小寫情況的各系數(shù)。當(dāng)然，大寫的系數(shù)A、B和C 的值被建立以提供合適的靈敏度校正AS而不是偏移校正。再次參見圖5。
盡管圖7顯示了主要模擬解決方案(其中由六個圖示的DAC: 742、 745、 747、 772、 775和777提供從數(shù)字信號域到模擬域的轉(zhuǎn)換)，但是存在許多其 它可能的方式來實施用于實現(xiàn)希望的溫度補償?shù)碾娐贰D8A提供了一種替 代的實現(xiàn)800的方塊圖，其中對偏移和靈敏度的溫度補償在數(shù)字域中由可編 程的算術(shù)邏輯單元(ALU) 803計算，并且數(shù)字結(jié)果信號819 ( Av。ft(T))和 849 ( AS )然后通過寄存器820、 850和DAC 825、 855被分別地施加到模擬
信號路徑806-809。 DAC 855形成模擬放大器808的增益設(shè)置回路(反饋或前 饋)的部分，因此修改該放大器電路的增益(例如，通過修改反饋阻抗)。比 模擬的更加數(shù)字的實現(xiàn)的優(yōu)點在于它能夠用低功耗的CMOS電路實現(xiàn)，并 且數(shù)字部分更加不受噪聲干擾，以及更容易被編程。
參照圖8B,實施例800上的變化在880顯示。在860處顯示了電阻橋式 壓力傳感器，并且在861處顯示了差動輸入緩沖器。施加到傳感器860的壓 強由儀表859表示，該儀表具有至少三個設(shè)置全刻度Pfs、中刻度Pm、以 及參考零壓強P。(即一個大氣壓)。模擬輸入放大器865具有偏移輸入終端 864，其能夠被用來將粗偏移施加到由緩沖器861提供的輸出。寄存器862存 儲代表粗的、不隨溫度變化的偏移值的數(shù)字信號，并且DAC 863將存儲的值 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號值，該模擬信號值被提供到偏移輸入終端864。求和 單元867將不隨溫度變化的、精細(xì)偏移和溫度依賴的成分加到該模擬信號值。 DAC 825'的模擬輸出電壓可以由以下方程式29a表示
<formula>formula see original document page 20</formula>
其中k是DAC轉(zhuǎn)換系數(shù)，其描述保存在精細(xì)偏移寄存器824'的數(shù)字代碼(/o ) 和保存在溫度補償寄存器820'的數(shù)字代碼與由加法器870響應(yīng)于由DAC 825 產(chǎn)生的DAC輸出電壓△ v()ff而輸出的實際電壓V。ut3之間的比例關(guān)系。由于制 造差異，對于DAC 825的每個單獨實施例以及對于放大器868和869的每個 單獨實施例，通常出現(xiàn)不同的k因子。如果沒有為每個大規(guī)模生產(chǎn)的電路精 確地確定k，那么在該數(shù)模轉(zhuǎn)換因子k中的大規(guī)模生產(chǎn)差異能夠減低后補償 (post-compensation)的精度。當(dāng)/o是變化的時，通過測量電路880輸出處的電 壓V。u。能夠為給定電路精確地確定k的值。在校準(zhǔn)期間，當(dāng)參考壓強P。被施 加到處于參考溫度(即T2 )的初級傳感器時，通常希望調(diào)節(jié)/o以便促使V(nn3 等于基本參考值(其可以被稱為相對零點)。如在827'顯示的，不在芯片上且 可拆卸—可連接的校準(zhǔn)計算才幾可以;波用來自動^丸行校準(zhǔn)處理。在一個實施例
中，計算機827'有效地(operatively)耦合到外部溫度控制器858和外部物理參 數(shù)(例如，壓強)控制器859，用于控制這些環(huán)境屬性。計算機827'被暫時有 效地耦合到校準(zhǔn)下的傳感器芯片880的存儲器單元801'和802',以便設(shè)置存 儲在其中的溫度補償系數(shù)。為了避免使圖雜亂，沒有顯示計算機827'和校準(zhǔn) 下的傳感器芯片880的各種內(nèi)部部分(例如，824'、 862、 866、 801'、 802，) 之間所有的操作耦合?？梢允褂酶鞣N信號耦合技術(shù)，包括在計算機827'和傳 感器芯片880之間控制和數(shù)據(jù)信號的串行傳輸，計算機827'以有效的方式(有 線或無線地)暫時耦合到傳感器芯片880。
為了在校準(zhǔn)(自動的或手動的)期間確定k，用于偏移的帕德逼近式系 數(shù)a、 b和c首先復(fù)位為O,并且用于靈敏度的系數(shù)A、 B和C也復(fù)位為零， 使得輸出電壓V。必能夠被粗糙地調(diào)節(jié)，然后精細(xì)地調(diào)節(jié)用于消除偏移。精細(xì) 偏移寄存器824也初始地復(fù)位到/0=0。在粗糙偏移寄存器862已經(jīng)經(jīng)由反復(fù) 試驗(trial and error)實驗地加載代碼值，當(dāng)壓力保持為P0并且溫度保持為 參考值(即，T2)時，該代碼值將V。ut3減小到偏離真實零點的可接受的、粗 糙誤差范圍內(nèi)(在一個實施例中，發(fā)現(xiàn)該范圍為在離零點大約300 y V內(nèi))， 新的非零值/o'被載入精細(xì)偏移寄存器824，使得差別厶V。ut3能夠被測量。該 過程可以在存儲在校準(zhǔn)計算機827內(nèi)的軟件代碼的控制下執(zhí)行。在該過程中 不關(guān)心放大器865、 868和869各自的增益，只要它們對于△ V。ut3的測量保持 恒定。在一個實施例中，在該過程期間，865的增益大約設(shè)為8， 868的增益 大約保持為1而869的增益大約保持為3。然后ALU 803'被促使來計算作為 簡單比值厶V。ut3/A/0的k值。該k值被存儲在校準(zhǔn)計算機的DAC系數(shù)寄存器 826a中，用以之后當(dāng)計算機將使用方程式29a來校準(zhǔn)溫度補償寄存器801'的 系數(shù)a、 b和c時使用。保存的k值也被校準(zhǔn)計算機827用來計算要存儲在寄 存器824中的精細(xì)偏移代碼。在用于計算k的步驟的末尾測量的V。ut3值將通 常不為零。要被加到/Q以使V。ut3更接近零的校正將簡單地為A/^AV'。uo/k， 其中A V'。必是對V。ut3進行的改變以使其接近零。在一個具體實施例中已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)當(dāng)初級傳感器處的壓強保持為P0并且溫度相應(yīng)地保持為參考值(即，T2) 時，偏移寄存器的精細(xì)調(diào)節(jié)能夠?qū)е耉。ut3從粗糙調(diào)節(jié)范圍的外部達到范圍(大 約離真實零點300 n V)收斂到大約零點的2m V內(nèi)。 一旦/o和k被設(shè)置，當(dāng) 傳感器參數(shù)(例如，在860的情況下為壓強)保持恒定為參考值(PQ),并且 溫度例如被外部溫度控制器858設(shè)置為在至少三個測試點T,、 丁2和T3間切換 時，自動校準(zhǔn)處理可以著手為a、 b和c確定合適值。上面的式9-13的方法 可以被校準(zhǔn)軟件826b使用。
在圖8B的一個實施例中，使用下面方程式29b的代碼歸一化<formula>formula see original document page 22</formula>大方括號中圓括號的值由發(fā)送到精細(xì)調(diào)節(jié)DAC 825'的數(shù)字代碼代表。k代表 DAC代碼到最終輸出電壓V。ut3的轉(zhuǎn)換。用在方程式2%中的常數(shù)，即4、 256、 64、 2和512被選取以對特定的定點DSP最優(yōu)化方程，以便為在該DSP內(nèi)提 供的IO位DAC保持?jǐn)?shù)字代碼值在O到1023的范圍內(nèi)。更具體地，對于特定 的DSP, T代碼的范圍被保持在-127到+127的范圍內(nèi)，以代表具有255個分 立(discrete)級的數(shù)字溫度。在一個實施例中，T=0的代碼值被用來代表室 溫。精細(xì)調(diào)節(jié)寄存器824'具有8位，而精細(xì)調(diào)節(jié)范圍被允許具有1024個分立 級。》=0的設(shè)置將表達式2>+512置于10位范圍的中間。類似地，用于系 數(shù)b和c的定標(biāo)因子以及在方程式29b中別處使用的常數(shù)被選取以對特定的 定點DSP最優(yōu)化方程，以便為在該特定DSP中提供的10位DAC保持結(jié)果 代碼值在0到1023的范圍內(nèi)。當(dāng)然，對使用具有不同數(shù)字分辨率的DAC和/ 或代碼保持寄存器的實施例使用其它合適的常數(shù)是在本發(fā)明的意圖中。
注意，對于更數(shù)字化的實施例800、圖8A-8B的880，如可以由方程式 29a-29b建議的，代替使用蠻力分解，其可能替代地使用帕德逼近式表示式的 迭代反饋形式，因此避免需要執(zhí)行蠻力分解。更具體地，對偏移和靈敏度數(shù) 字代碼的計算能夠按照以下計算機程序表達式30a和30b纟皮迭代地計算
△《e = 。. (1 - c 、 )' rc。A +6 (式3 0a)
△^".(1-C'DUS (式30b) 其中c、c/a，以及C'二C"。
因此ALU 803'可以使用表達式30a和30b的迭代過程，以便當(dāng)傳感的溫度(T ) 改變時有規(guī)律地更新寄存器820'和850'(或圖8A的820和850 )的偏移和靈 敏度代碼而不必須執(zhí)行蠻力分解。系數(shù)a、 b、 c'和A、 B、 C'被存儲在NV或 其它合適的存儲器801'和802'中。如果算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行表達式30a 和30b的加法/減法和乘法，從而當(dāng)溫度變化時迭代地更新寄存器820(或820') 和850 (或850')中的溫度補償代碼，那么ALU的大小可以被保持為相對地 小，并且溫度補償芯片880的功耗可以被保持為相對地小。寄存器820'和850' 的迭代計算的代碼控制DAC ( 825'和855'),然后DAC將模擬偏移和模擬增 益控制信號提供到模擬信號路徑806-809 (或圖8B情況下的860-870 )。
參照圖9,另一個可能實施例是在930顯示的更數(shù)字的方法。偏移減法 器917被實現(xiàn)在數(shù)字塊930，靈敏度乘法器918也同樣。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 907數(shù)字化來自傳感裝置的傳感信號Vs。因為很經(jīng)常將是乘法器918的數(shù)字 輸出被串行地或以其它方式(例如，通過使用基于脈沖寬度調(diào)制的通信)運 送到系統(tǒng)計算機(例如，到汽車的控制和顯示計算機)用于進一步處理，所 以在908顯示的反轉(zhuǎn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換是可選的。在IC終端909處希望是模擬V。ut 的情況下，可選的DAC 908能夠被包括在輸出處。
圖8A-8B和圖9中描繪為組成數(shù)字塊(830或930 )的區(qū)域基本只使用 數(shù)字操作。這些數(shù)字操作能夠被微控制器、微型計算機、數(shù)字信號處理器 (DSP)或其它這樣的裝置執(zhí)行。然而，由于在塊830/930中執(zhí)行的操作相對 地少和非?；?加法、乘法、寄存器存儲)，因此簡單的專用DSP電路可 能是用于大規(guī)模生成應(yīng)用更劃算的解決辦法。盡管圖9可能看起來建議只有 一組系數(shù)，即a、 b和c被存儲在存儲器901中，并且只有另一組系數(shù)，即A、 B和C被存儲在存儲器902中，但是將數(shù)字化的溫度指示信號T ( g )處理為 識別或代表一系列溫度子范圍或在存儲器901和902中存儲相應(yīng)的帕德逼近 式系數(shù)組是在本公開的意圖中的。溫度指示信號T(g)的更多有效位可以被 直接用作用于多范圍存儲器單元901和902的地址輸入?？商娲兀瑪?shù)字化 的溫度指示信號T(g)可以首先被ALU903處理，從而產(chǎn)生存儲器尋址信號， 然后該尋址信號被施加到多范圍存儲器單元901和902,用于提取要被用于 每個溫度子范圍的近似的帕德逼近式系數(shù)。下面描述的圖10顯示了一個示 例。
盡管上面說明了連續(xù)的解決辦法，但是特定種類的傳感器可以受益于本 發(fā)明的替代變體，其中分段帕德逼近式解決辦法與其它帕德逼近式解決辦法、 或者甚至與多項式和/或線性和/或其它分段解決辦法結(jié)合到一起。存在這樣的
例子，其中通過將使用的傳感裝置的指定的運行溫度范圍Tr丁4分成多個子范 圍，并且通過在每個子范圍的內(nèi)部執(zhí)行非線性或線性的局部溫度補償，能夠 獲得更高的精度。圖IO顯示了示例，其中假定的傳感元件在其具有三個不同 的子范圍的運行溫度范圍上具有偏移變化，即
T,到TV.具有線性偏移變化的第一子范圍；
丁2到T3:包括中間點丁2.5的非線性第二子范圍；
丁3到T4:包括中間點T3.5的非線性第三子范圍。
這三個示例性傳感器偏移子范圍的每一個能夠被各自的定制的一組線性 或非線性溫度補償系數(shù)，而不是被單個共同的一組系數(shù)更好地表述。上述的 任何偏移溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)能夠被選為適于處理該示例性傳感器。 一些次要附 加物可以被提供在上述電路中，用于檢測從一個溫度子范圍到下一個的轉(zhuǎn)換。 例如，兩個模擬或數(shù)字比較器可以被增加，其各自的檢測閾值設(shè)置為檢測在
圖10的丁2和丁3處的溫度跨越(crossing)。這些比較器的輸出被定期檢查， 以確定是否已經(jīng)存在溫度子范圍的改變?？商娲兀鐖D9的903的ALU可 以被編程，以便確定何時要執(zhí)行轉(zhuǎn)換以及要使用什么合適的系數(shù)組。在由圖 IO給出的一個特定的示例1000中，存在三種可能性
1 )如果T^丁2 (并且可選地，1>丁,)，那么傳感器偏移處于線性第一子范 圍。為實現(xiàn)線性溫度補償，反饋路徑可以被簡單地排除。例如，方程式24或 式30中的反饋系數(shù)kvf可以被筒單地取零，結(jié)果用于各自的模擬和數(shù)字實現(xiàn) 的新轉(zhuǎn)換函數(shù)分別變成
<formula>formula see original document page 24</formula>2) 如果丁2^^丁3,那么傳感器偏移處于非線性第二子范圍，非線性溫度 補償系數(shù)組a" b" c,能夠如前面討論(校準(zhǔn)點為T2， 丁2.5和丁3)被計算，并 且當(dāng)溫度處于該第二子范圍時，第一非線性溫度補償特性能夠被使用。在一 個實施例中，丁2被作用共同校準(zhǔn)點，其用于用在第一子范圍1^丁2的第一補償 裝置，并且也用于用在第二子范圍T2^I^T3的第二補償裝置，因此確保兩種 解決辦法將滿足相同的精確值(V。ffi)。因此至少在第一和第二子范圍上提供 連續(xù)補償函數(shù)。
3) 如杲T>T3 (并且可選地，或者T^T4)，那么傳感器偏移處于非線性 第三子范圍，并且另一組非線性TC系數(shù)32、 b2、 C2也能夠如前面討論(校準(zhǔn) 點為T3， T3.s和T4)被計算，并且當(dāng)溫度處于該第三子范圍時，第二非線性 溫度補償特性能夠被使用。在一個實施例中，T3被作用共同校準(zhǔn)點，其用于 用在第二子范圍T《T^T3的第二補償裝置，并且也用于用在第三子范圍T>T3
的第三補償裝置，因此確保第二和第三解決辦法將滿足相同的精確值(V。ff3 )。
因此至少在第二和第三子范圍上提供連續(xù)補償函數(shù)。
類似的過程能夠被用于管理靈敏度反補償。在通常情況下，為每個非線 性和線性子范圍存儲用于偏移和靈敏度的不同的溫度補償系數(shù)組。這個概念 能夠被擴展用于多個非線性和線性偏移和靈敏度子范圍，其中每一個通過另 外的校準(zhǔn)步驟組、通過額外的窗口比較器、以及通過另一個系數(shù)組來管理。
當(dāng)給定的傳感裝置被首次表征時，有時不知道是否給定的子范圍，比如 TrT2，是線性或非線性。因此不是立即知道是否對該溫度子范圍使用分段線 性補償或非線性補償(例如，由帕德逼近式仿真模擬的一個)。根據(jù)本發(fā)明的 一個方面，為每個子范圍取至少三個校準(zhǔn)點，其中在這些子范圍的邊界(例
如，T2、 丁3)處的校準(zhǔn)結(jié)果共享。例如，對于T,-丁2子范圍，在邊界點T,和
丁2處并且也在中間點Tu處進行測量。然后確定中間點T).5測量的特性是否
與在邊界點T,和T2取得的測量結(jié)果(V。ffl、 V。ffi)足夠地接近為線性。如果
是，那么使用線性校正算法。如果否，那么使用非線性校正算法(例如，基 于帕德逼近式的算法)。在中間特性被視為非線性而不是接近線性之前允許的 誤差的量可能隨應(yīng)用變化，并且在給定應(yīng)用的上下文中預(yù)定義。在圖示的示
例中，當(dāng)在中間點T25測量的特性(例如，V。ff)與T2和T3的端點結(jié)果比較 時，發(fā)現(xiàn)該中間結(jié)果是非線性的。從而，T2、 丁2.5和丁3的3個數(shù)據(jù)點被用來
生成用于丁2-丁3子范圍的合適的帕德逼近式系數(shù)。類似地，當(dāng)在中間點T3.5測
量的特性(例如，V。ff)與丁3和T4的端點結(jié)果比較時，發(fā)現(xiàn)該中間結(jié)果是非
線性的。從而，T3、 丁3.5和丁4的3個數(shù)據(jù)點被用來生成用于T3-丁4子范圍的合
適的帕德逼近式系^:。
盡管這里討論的實施例實現(xiàn)一階帕德逼近式作為用于提供非線性溫度補 償?shù)姆椒?，但是使用更高階帕德逼近式一 一 包括那些其中分子和分母具有不 同階的一一是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的。同樣，分子和分母可以被乘以任何常數(shù) 而不影響想要的結(jié)果。因此這里在示例性分母中使用的常數(shù)1系數(shù)(例如參
見式23 )可以被任何實數(shù)常數(shù)取代(參見是29a和29b )。此外，通過限制分 子和分母的更高階多項式中的可變形，仍只使用幾個系數(shù)(例如，4個系數(shù))
實現(xiàn)第二或更高階帕德逼近式為用于提供非線性溫度補償?shù)姆椒ㄊ强赡?。?如考慮以下方程式33a:
<formula>formula see original document page 25</formula>(式33a)
在這樣的情況下，存在四個未知數(shù)a、 b、 c和d要通過使用四個或更多校準(zhǔn) 測量來求解。如式33a中所示的二階帕德逼近式能夠使用圖6的概念獲得， 但是被實現(xiàn)為更大級別的復(fù)雜性。圖6顯示了可變的增益級，其中可變的增
益是只是輸出電壓的函數(shù)(k V。ut)和常數(shù)的和。然而，如果可變的增益也 成為輸入電壓Vin二V"nn的函數(shù)，那么類似于式33a中所示，高階帕德逼近式
可以被獲得而不使用蠻力分解。考慮式33b的一般的、可變增益結(jié)果以及然 后式33c中顯示的替換
^,=Gv"/e.^+6 (式33b) ^L,-c化"評J《+ 6 (式33c) 通過從方程式33c中合并同類項，方程式33d的預(yù)分解(pre-division)表 達式被容易地得到
+ (式33d) 對V喊求解得到式33a所示的形式。四次校準(zhǔn)測量可以被用來求解方程式 33a-33d的四個系凄丈a、 b、 c和d。
除了使用用于提供用于一階或高階帕德逼近式仿真的具有N個未知數(shù)的 N個方程的N次測量(例如，N=3， N=4),各種基于凄t學(xué)的曲線擬合方法可 以被用來確定最優(yōu)化的帕德逼近式系數(shù)，如最小二乘法或任何其它線性或非 線性回歸方法。數(shù)值計算的方法也能夠被用來確定子范圍的數(shù)目以及在給定 限制條件內(nèi)它們的閾值。
根據(jù)上述可見本發(fā)明能夠提供用于控制溫度補償參數(shù)的非常靈活和強 大的解決辦法，而不需要復(fù)雜的電路來實現(xiàn)控制功能。通過傳感器溫度范圍 或子范圍的合適選擇，以及通過確定在任何單獨的子范圍內(nèi)的溫度非線性不 太劇烈并且優(yōu)選地為單調(diào)的，能夠優(yōu)化性能。同樣，可用使用具有相對大數(shù) 量的輸入位的DAC，'以允許更精細(xì)的控制粒度(granularity)和更高的總體 精度。高階帕德逼近式和更大數(shù)量的校準(zhǔn)點也可以提高精度。相應(yīng)地，在更 高要求的應(yīng)用中精度和復(fù)雜性之間的折衷可能是希望的。本發(fā)明在傳感器接 口 IC和/或其它包括校正溫度依賴的功能的非線性的系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。 舉例來說，單個自動傳感器ASIC典型地需要在每年2到3百萬單元范圍內(nèi) 的大規(guī)模生成量和低的每單元價格。根據(jù)本發(fā)明的電路的簡易性允許低成本 和高產(chǎn)量(由于減小的硅片大小(diesize))。
本發(fā)明要被理解為說明性的而不是為限制下面要求權(quán)利的主題的范圍、 特性、或精神。在研究了本公開之后，對于領(lǐng)域的技術(shù)人員許多修改和變化 將變得明顯，包括用于這里描述的元件的等價的功能和/或結(jié)構(gòu)替代的使用， 對這里描述的耦合的等價功能的耦合的使用，和/或?qū)@里描述步驟的等價功
能步驟的使用。這樣的非實質(zhì)變化被認(rèn)為這里意圖的范圍內(nèi)。此外，如果為 特定的方法或步驟給出多個示例，并且由于本公開這樣給定示例之間和/或之 外的推斷是明顯的，那么本公開被視為有效地公開并且因此至少包括這樣的推斷。
通過進一步的示例，懂得根據(jù)本公開的可編程的帕德逼近式仿真裝置(例
如，圖8A的800)的配置能夠包括計算機(例如，圖8B的827 )的使用， 以控制校準(zhǔn)過程和將得到的系數(shù)編程到合適的芯片上的存儲器。相應(yīng)地，根 據(jù)本發(fā)明計算機可讀的指令媒介或另一個形式的軟件產(chǎn)品或機器指令裝置 (包括但不限于硬盤、致密盤、閃存存儲器棒、或制造的指令信號通過網(wǎng)絡(luò) 到計算機827的下載)可以被用來指令可指令的機器(例如，計算機827 ) 以執(zhí)行這樣的校準(zhǔn)活動。如此，讓可指令的機器執(zhí)行，和/或提供適于促使可 指令的機器根據(jù)上述程序，執(zhí)行一個或更多機器實現(xiàn)的校準(zhǔn)大規(guī)模生產(chǎn)的傳 感器調(diào)節(jié)電路的方法的軟件產(chǎn)品是在本公開的范圍內(nèi)的。 額外專利權(quán)利的保留、沖突的解決、以及術(shù)語的解釋 在本公開依法公布后，本專利申請的所有者不反對其他人對其中包含的 文本和圖形材料的復(fù)制，只要這種復(fù)制是限于理解本發(fā)明的公開并因此推進
其它權(quán)利，包括但不限于任何計算機程序列表或各原圖或其它提供于此的 成果的版權(quán)，以及可能與提供于此的創(chuàng)新術(shù)語或原圖相關(guān)的商標(biāo)或企業(yè)外部
開沖突，那么本公開控制沖突、和/或更寬的公開、和/或更寬的術(shù)語定義的程 度。如果這樣合并的公開部分或全部互相沖突，那么日期靠后的公開控制沖 突的程度。
除非明確地在此另外聲明，普通的術(shù)語在它們各自出現(xiàn)的上下文中具有 它們相應(yīng)的普通含義，并且技術(shù)的普通術(shù)語具有在相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域和它們各 自在此出現(xiàn)的上下文中相應(yīng)的普通含義。
給定上面公開的一般概念和特定實施例、尋求保護的范圍由權(quán)利要求定 義。提出的權(quán)利要求不應(yīng)被作為將申請人的權(quán)利限制到已公開、但還沒有通 過一個或更多包括這些依據(jù)35U.S.C § 120和/或35U.S.C §251提交的進一 步申請逐字對主題要求權(quán)利的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種用于為由傳感裝置產(chǎn)生的傳感信號提供反溫度補償?shù)姆椒?，其中該傳感裝置顯示溫度依賴的偏移和溫度依賴的靈敏度的至少一個，該方法包括(a)獲取指示傳感裝置經(jīng)受的有效溫度的信號；以及(b)從所獲取的溫度指示信號，生成一個或更多補償信號，該一個或更多補償信號代表溫度指示信號的對應(yīng)一個或更多帕德逼近式函數(shù)，其中至少一個帕德逼近式函數(shù)具有非常數(shù)分母。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法還包括(c) 用所述一個或更多補償信號偏移和/或乘以由該傳感裝置生成的傳 感信號。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中(a. 1 )所述溫度指示信號從溫度傳感電路獲取，該溫度傳感電路與生 成所述一個或更多補償信號的對應(yīng)那些的一個或更多電路單塊地集成。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中(b. 1)所述帕德逼近式函數(shù)包括至少一個具有正好三個可編程定義的 系數(shù)的一階帕德逼近式函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法還包括(d) 在三個或更多不同的溫度進行對由傳感裝置產(chǎn)生的傳感信號的測 量，用于確定所述三個可編程定義的系數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法還包括(e) 求解三個聯(lián)立方程，以確定所迷三個可編程定義的系數(shù)。
7. —種用于校準(zhǔn)溫度補償電路的方法，所述溫度補償電路分別用于為從 各個傳感裝置獲得的各個屬性傳感信號提供反溫度補償，該各個傳感裝置邏 輯地和/或物理地與要被校準(zhǔn)的補償電路相關(guān)聯(lián)，其中該各個傳感裝置每一個 顯示溫度依賴的偏移和溫度依賴的靈敏度的至少一個，該校準(zhǔn)方法包括(a) 對于由各個傳感裝置傳感的相應(yīng)的物理屬性的給定參考大小，確定 該各個傳感裝置的偏移行為作為至少三個不同的溫度點的取樣函數(shù)；(b) 為一階或高階帕德逼近式函數(shù)確定三個或更多系數(shù)，該帕德逼近式 函數(shù)模擬所確定的偏移行為到預(yù)定義水平的偏移精度；以及 (C)存儲所確定的系數(shù)以供在相應(yīng)的溫度補償電路中使用，該溫度補償 電路將使用所確定的系數(shù)來為該各個傳感裝置生成反偏移信號。
8. 如權(quán)利要求7所述的校準(zhǔn)方法，其中所述溫度補償電路使用所確定的系數(shù)通過下列步驟生成該反偏移信號(c. 1)獲取指示該各個傳感裝置的溫度的信號；以及(c. 2)從所獲取的溫度指示信號，通過使用該溫度指示信號的帕德逼近式函數(shù)來生成溫度依賴的反偏移信號，其中所使用的帕德逼近式函數(shù)通過 所確定的系數(shù)來定義。
9. 如權(quán)利要求7所述的校準(zhǔn)方法還包括(d)對于由所述各個傳感裝置傳感的該相應(yīng)物理屬性的給定的第二大 小，確定該各個傳感裝置的靈敏度行為作為至少三個不同的溫度點的第二取 樣函數(shù)；(e )為另外的一階或高階帕德逼近式函數(shù)確定三個或更多另外的系數(shù)， 該帕德逼近式函數(shù)模擬所確定的靈敏度行為到預(yù)定義水平的靈敏度精度；以 及(f)存儲所確定的另外的系數(shù)供在相應(yīng)的另外的溫度S卜償電路中使用， 該溫度補償電路將使用所確定的另外的系數(shù)來為各個傳感裝置生成反靈敏度信號。
10. 如權(quán)利要求9所述的校準(zhǔn)方法，其中所述另外的溫度補償電路使用 所確定的另外的系數(shù)通過下列步驟生成該反靈敏度信號(c. 1 )獲取所述指示各個傳感裝置的溫度的信號；以及(c. 2)從所獲取的溫度指示信號，通過使用該溫度指示信號的另外的帕德逼近式函數(shù)，生成該反靈敏度信號，其中所使用的另外的帕德逼近式函數(shù)通過所述確定的另外的系數(shù)來定義。
11. 如權(quán)利要求7所述的校準(zhǔn)方法還包括(d)為要與所述溫度依賴的反偏移信號結(jié)合使用的、不隨溫度變化的反偏移信號確定一個或更多大小；以及(e )確定由所述相應(yīng)的溫度補償電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC )提供的代 碼到輸出的轉(zhuǎn)換因子，其中所述DAC用于產(chǎn)生針對數(shù)字代碼的結(jié)合的模擬相 對物信號，該代碼中的一個代表所述不隨溫度變化的反偏移信號的精細(xì)調(diào)節(jié) 成分，并且另一個代表至少部分的所述溫度依賴的反偏移信號；以及(f )使用所確定的代碼到輸出轉(zhuǎn)換因子來定義代表該精細(xì)調(diào)節(jié)成分的、 該代碼中的所述一個。
12. —種用于為由傳感裝置產(chǎn)生的傳感信號提供反溫度補償?shù)脑O(shè)備，該傳感裝置顯示溫度依賴的偏移和溫度依賴的靈敏度的至少一個，該設(shè)備包括(a) 溫度確定裝置，用于確定給定的傳感裝置的溫度；以及(b) 補償生成裝置，有效地耦合到該溫度確定裝置，用于生成一個或更 多補償信號，該一個或更多補償信號代表由所述溫度確定裝置確定的溫度的 對應(yīng)的一個或更多的帕德逼近式函數(shù)，其中至少一個帕德逼近式函數(shù)具有非 常數(shù)分母。
13，如權(quán)利要求12所述的設(shè)備還包括(c) 偏移裝置，有效地耦合到該補償生成裝置，用于把由該補償生成裝 置產(chǎn)生的反偏移信號與由該給定的傳感裝置產(chǎn)生的傳感信號結(jié)合。
14. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備還包括(c)靈敏度補償裝置，有效地耦合到該補償生成裝置，用于用由該補償 生成裝置產(chǎn)生的溫度依賴的反靈敏度信號修改由該給定的傳感裝置產(chǎn)生的傳 感信號，以便減小該經(jīng)修改的傳感信號隨溫度改變的變化。
15. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中(a. 1 )所述溫度確定裝置包括溫度傳感電路，該溫度傳感電路與所述 補償生成裝置的一個或更多部分單塊地集成。
16. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中(b. 1)所述帕德逼近式函數(shù)包括至少一個具有正好三個可編程定義的 系數(shù)的一階帕德逼近式函數(shù)。
17. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中(b. 2)所述補償生成裝置，包括用于存儲所述正好三個可編程定義的 系數(shù)的存儲器裝置。
18. 如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中(b. 1 )所述補償生成裝置包括迭代裝置，用于迭代地生成該一個或更 多補償信號。
19. 一種用于校準(zhǔn)溫度補償電路的設(shè)備，所述溫度補償電路分別用于為 從各個屬性傳感裝置獲得的各個屬性傳感信號提供反溫度補償，該各個傳感裝置邏輯地和/或物理地與要被校準(zhǔn)的補償電路相關(guān)聯(lián)，其中該各個傳感裝置每一個顯示溫度依賴的偏移和溫度依賴的靈敏度的至少 一個，該校準(zhǔn)設(shè)備包括(a) 偏移行為確定裝置，用于對于由各個屬性傳感裝置傳感的相應(yīng)的物 理屬性的給定參考大小，確定該各個傳感裝置的偏移行為作為至少三個不同 的溫度點的取樣函數(shù)；(b) 第一系數(shù)確定裝置，用于為相應(yīng)的一階或高階帕德逼近式函數(shù)確定 三個或更多第一系數(shù)，該帕德逼近式函數(shù)模擬所確定的偏移行為到預(yù)定義水 平的偏移精度；以及(c )存儲裝置，用于將所確定的第 一系數(shù)存儲到相應(yīng)的第 一溫度補償電路中，該第一溫度補償電路將使用所確定的第一系數(shù)來為該各個屬性傳感裝 置生成反偏移信號。
20. 如權(quán)利要求19所述的校準(zhǔn)設(shè)備，其中該校準(zhǔn)設(shè)備可拆卸地可耦合到 該溫度補償電路，并且在該校準(zhǔn)設(shè)備分離后，該溫度補償電路使用所確定的 且存儲的第一系數(shù)來通過下列步驟生成該反偏移信號(c. 1 )獲取指示該各個傳感裝置的溫度的信號；以及(c. 2)從所獲取的溫度指示信號，通過使用該溫度指示信號的帕德逼近式函數(shù)來生成溫度依賴的反偏移信號，其中所用的帕德逼近式函數(shù)通過所述存儲的第一系數(shù)來定義。
21. 如權(quán)利要求19所述的校準(zhǔn)設(shè)備還包括(d )靈敏度確定裝置，用于對于由所述各個屬性傳感裝置傳感的該相應(yīng) 物理屬性的給定的第二大小，確定該各個傳感裝置的靈敏度行為作為至少三 個不同的溫度點的第二取樣函數(shù)；(e )第二系數(shù)確定裝置，用于為另外的相應(yīng)的 一 階或高階帕德逼近式函 數(shù)確定三個或更多第二系數(shù)，該帕德逼近式函數(shù)模擬所確定的靈敏度行為到 預(yù)定義水平的靈敏度精度；以及其中(c. 1)所述存儲裝置進一步用于將所確定的第二系數(shù)存儲在相應(yīng)的第 二溫度補償電路中，該第二溫度補償電路將使用所確定的第二系數(shù)來為該各 個屬性傳感裝置生成反靈敏度信號。
22. 如權(quán)利要求21所述的校準(zhǔn)設(shè)備，其中所述第二溫度補償電路使用所 確定的第二系數(shù)來通過下列步驟生成該反靈敏度信號(c. la)獲取所述指示各個傳感裝置的溫度的信號；以及 (C. lb)從所獲取的溫度指示信號，通過使用該溫度指示信號的第二帕 德逼近式函數(shù)來生成該反靈敏度信號，其中所使用的第二帕德逼近式函數(shù)通 過所述確定的第二系數(shù)來定義。
23. 如權(quán)利要求19所述的校準(zhǔn)設(shè)備還包括 (d)不變的偏移確定裝置，用于為要與所述溫度依賴的反偏移信號結(jié)合使用的、不隨溫度變化的反偏移信號確定一個或更多大?。灰约?e )轉(zhuǎn)換因子確定裝置，用于確定由所述相應(yīng)的溫度補償電路中的數(shù)模 轉(zhuǎn)換器(DAC)提供的代碼到輸出的轉(zhuǎn)換因子，其中所述DAC被用來產(chǎn)生 針對數(shù)字代碼的結(jié)合的模擬相對物信號，該代碼中的一個代表所述不隨溫度 變化的反偏移信號的精細(xì)調(diào)節(jié)成分，并且另一個代表至少部分的所述溫度依 賴的反偏移信號。
24. 制造的指令信號，用于指令可指令的機器執(zhí)行校準(zhǔn)方法，所述機器 實現(xiàn)的校準(zhǔn)方法包括(a) 對于由各個屬性傳感裝置傳感的相應(yīng)的物理屬性的給定參考大小， 確定各個傳感裝置的偏移行為作為至少三個不同的溫度點的取樣函數(shù)；(b) 為一階或高階帕德逼近式函數(shù)確定三個或更多系數(shù)，該帕德逼近式 函數(shù)模擬所確定的偏移行為到預(yù)定義水平的偏移精度；以及(c )存儲所確定的系數(shù)以供在相應(yīng)的溫度補償電路中使用，該溫度補償 電路將使用所確定的系數(shù)來為該各個屬性傳感裝置生成反偏移信號。
25. —種用于校準(zhǔn)溫度補償電路的方法，所述溫度補償電路分別用于為 從各個傳感裝置獲得的各個屬性傳感信號提供反溫度補償，該各個傳感裝置 邏輯地和/或物理地與要被校準(zhǔn)的補償電路相關(guān)聯(lián)，其中該各個傳感裝置每一個顯示從由溫度依賴的偏移和溫度依賴的靈敏度構(gòu)成的組中選擇的至少 一 個 溫度依賴的特性，以及其中該至少一種溫度依賴的特性在給定的溫度范圍可被分解為多個溫度 依賴的子特性，其每一個對應(yīng)于所述給定溫度范圍的各自的且不同的子范圍， 該才吏準(zhǔn)方法包4會(a)對于由給定的傳感裝置傳感的相應(yīng)的物理特性的給定參考大小，并 且對于所述多個子范圍的第一個，確定該給定的傳感裝置的相應(yīng)的第一溫度 依賴的子特性行為作為在該第 一子范圍內(nèi)的至少兩個不同溫度點的取樣函 數(shù)，該第一溫度依賴的子特性行為是所述至少一種溫度依賴的特性的部分； (b)對于由該給定的傳感裝置傳感的該相應(yīng)的物理屬性的該給定參考大 小，并且對于所述多個子范圍的第二個，確定該給定的傳感裝置的相應(yīng)的第 二溫度依賴的子特性行為作為在該第二子范圍內(nèi)的至少三個不同溫度點的取 樣函數(shù)，其中所述至少三個不同溫度點中的一個與該第一子范圍的所述至少 兩個不同溫度點中的 一個相同，該第二溫度依賴的子特性行為是所述至少一種溫度依賴的特性的部分；(C)為一階或高階帕德逼近式函數(shù)確定三個或更多系數(shù)，該帕德逼近式 函數(shù)在該第二子范圍內(nèi)的所述至少三個不同的溫度點上，模擬該第二溫度依賴的子特性行為到預(yù)定義水平的偏移精度；以及(d)存儲所確定的三個或更多系數(shù)，以供在相應(yīng)的溫度補償電路中使用， 該溫度補償電路將使用所確定的系數(shù)來為該給定的傳感裝置生成反偏移信
全文摘要
傳感器和/或轉(zhuǎn)換器能夠在偏移方面并且也在靈敏度方面顯示對溫度改變的非線性響應(yīng)，在被傳感的物理屬性(壓強、應(yīng)變、位移等)中出現(xiàn)變化。帕德逼近式函數(shù)仿真器被用來對于給定的傳感裝置模擬一個或更多溫度子范圍的非線性偏移和/或非線性靈敏度行為，以及如可能被希望的那樣生成用于偏移和靈敏度的溫度補償校正。為了避免使用蠻力分解來生成帕德逼近式函數(shù)信號，在一組實施例中，使用反饋以提供相應(yīng)的效果。為了最小化要求解和存儲的系數(shù)的數(shù)目，在一組實施例中，使用具有歸一化分母的一階或高階帕德逼近式，使得每個函數(shù)能夠只用三個系數(shù)定義。公開了本性更模擬或本性更數(shù)字的實施例。還公開了用于求解帕德逼近式系數(shù)以及校準(zhǔn)以大規(guī)模生產(chǎn)為基礎(chǔ)的每個傳感器單元的方法。
文檔編號G01D3/02GK101171496SQ200680015434
公開日2008年4月30日 申請日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月4日
發(fā)明者喬斯·M·拉雷亞, 戴維·J·威利斯 申請人:Ami半導(dǎo)體股份有限公司