一種熱式流量傳感器電路及信號(hào)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱式流量傳感器電路及信號(hào)處理 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱流量傳感器指的是任何測(cè)量傳感器本體與傳感器位于其中的流體介質(zhì)之間的 熱交換的傳感器。這些熱流量傳感器例如是氣體傳感器或壓力傳感器。熱式氣體傳感器用 于使用氣體的熱傳導(dǎo)的變化進(jìn)行氣體分析，利用暴露在氣體中的發(fā)熱體的散熱量測(cè)量氣體 的熱傳導(dǎo)的變化。
[0003] 熱式氣體傳感器在各種技術(shù)領(lǐng)域中得到使用，在汽車用的內(nèi)燃機(jī)等中，為了實(shí)現(xiàn) 低油耗，需要高精度地測(cè)量吸入空氣的流量、溫度、壓力和濕度等環(huán)境狀態(tài)。另外，上述傳感 器還用于在以氫氣作為燃料的汽車用的內(nèi)燃機(jī)中通過(guò)檢測(cè)氫氣濃度使內(nèi)燃機(jī)以最佳方式 運(yùn)行。
[0004] 目前主要的傳感器參數(shù)都是通過(guò)對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過(guò)模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于運(yùn)算放大器的線性工作區(qū)域極其有限，往往需要添加線性校 準(zhǔn)電路來(lái)提高輸出信號(hào)的線性度。通常模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸 出，但模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于上述情況，有必要提供了一種熱式流量傳感器電路及信號(hào)處理方法。
[0006] -種熱式流量傳感器電路，所述熱式流量傳感器電路包括：熱電阻、與熱電阻連接 的時(shí)間延遲線、與時(shí)間延遲線連接的脈沖信號(hào)發(fā)生器、與脈沖信號(hào)發(fā)生器連接的環(huán)形振蕩 器、與環(huán)形振蕩器連接的計(jì)數(shù)器以及與計(jì)數(shù)器連接的寄存器；其中所述時(shí)間延遲線有兩條， 分別連接在熱電阻兩端；所述脈沖信號(hào)發(fā)生器與兩條時(shí)間延遲線分別連接。
[0007] 進(jìn)一步的，包括一條所述的時(shí)間延遲線，該條時(shí)間延遲線連接在所述熱電阻的一 端，所述熱電阻的另一端直接與所述脈沖信號(hào)發(fā)生器連接。
[0008] 進(jìn)一步的，所述時(shí)間延遲線由多個(gè)延遲單元耦接而成，所述延遲單元包括兩個(gè)反 相器和負(fù)載電容，所述反相器耦接負(fù)載電容。
[0009] 具體的，所述脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸入端還設(shè)置有一個(gè)異或門電路和與門電路。
[0010] 作為一種改進(jìn)，所述環(huán)形振蕩器還設(shè)有一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，所述開(kāi)關(guān)電路受脈沖信號(hào) 發(fā)生器輸出信號(hào)激發(fā)啟動(dòng)環(huán)形振蕩器，脈沖信號(hào)結(jié)束關(guān)閉環(huán)形振蕩器。
[0011] 具體的，所述開(kāi)關(guān)電路為與非門電路，所述與非門電路代替環(huán)形振蕩器中的一個(gè) 反相器，所述與非門電路一個(gè)輸入作為開(kāi)關(guān)電路，另一個(gè)輸入與代替的反相器一致。
[0012] 作為一種改進(jìn)，還包括溫度抵消偏置電路，所述溫度抵消偏置電路分別與所述環(huán) 形振蕩器與時(shí)間延遲線連接。
[0013] -種熱式流量傳感器信號(hào)處理方法，包括如下步驟：
[0014] A、采集溫度信號(hào)，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
[0015] B、將所述電壓信號(hào)引入時(shí)間延遲線，經(jīng)由時(shí)間延遲線產(chǎn)生并輸出時(shí)間信號(hào)；
[0016] C、將時(shí)間信號(hào)引入脈沖發(fā)生器，經(jīng)由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生并輸出脈沖信號(hào)；
[0017] D、將所述脈沖信號(hào)通過(guò)環(huán)形振蕩器轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)；
[0018] E、對(duì)所述頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并儲(chǔ)存，輸出數(shù)字信號(hào)。
[0019] 進(jìn)一步的，所述步驟A和步驟D還包括根據(jù)環(huán)境溫度對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0020] 作為一種改進(jìn)，所述步驟D中還包括：在沒(méi)有接收到脈沖信號(hào)時(shí)，所述環(huán)形振蕩器 不工作；在接收到脈沖信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)環(huán)形振蕩器工作。
[0021] 本發(fā)明一種熱式流量傳感器電路，通過(guò)將熱電阻的兩端與時(shí)間延遲線相連，將模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間信號(hào)，避免了利用放大器放大模擬信號(hào)的非線性區(qū)域，同時(shí)加入了溫度 抵消補(bǔ)償電路，減小傳感器工作時(shí)受到熱空氣影響。進(jìn)一步，本發(fā)明采用開(kāi)關(guān)式環(huán)形振蕩器 來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形振蕩器，在電路工作時(shí)環(huán)形振蕩器受到脈沖信號(hào)的控制，只在接收到脈沖 信號(hào)時(shí)工作，這樣的設(shè)計(jì)可以大幅度的減小額外的功耗，同時(shí)還能延長(zhǎng)使用壽命，降低了成 本。通過(guò)計(jì)數(shù)器直接計(jì)算脈沖信號(hào)時(shí)的環(huán)形振蕩器的上升沿個(gè)數(shù)，將該數(shù)據(jù)通過(guò)寄存器存 儲(chǔ)輸出，既可以獲得現(xiàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。無(wú)需通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 穩(wěn)定，利于集成和使用。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明一種熱式流量傳感器電路的整體電路示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明一種熱式流量傳感器電路的時(shí)間延遲線電路示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明一種熱式流量傳感器電路的環(huán)形振蕩器電路示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明一種熱式流量傳感器電路的溫度抵消偏置電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā) 明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用 于限定本發(fā)明。
[0027] 如圖1所示，一種熱式流量傳感器電路，所述熱式流量傳感器電路包括：
[0028] 熱電阻，該熱電阻用來(lái)探測(cè)流動(dòng)空氣的溫度，該熱電阻在沒(méi)有氣體流過(guò)的時(shí)候，熱 端與冷端的溫差相同，因此兩端的電壓亦相同。有氣體流過(guò)的時(shí)候，平衡的溫度場(chǎng)被破壞， 熱端與冷端的溫差不相同，兩者的電壓亦不相同，并在電阻兩端產(chǎn)生電壓差，熱端與冷端的 溫度差參數(shù)約為0. 012V/K，實(shí)際工作過(guò)程中溫差的范圍約為10~50°，因此熱端與冷端的 電壓差約為〇. 12~0. 6V。
[0029] 還包括時(shí)間延遲線，如圖2所示，時(shí)間延遲線與熱電阻相連，所述時(shí)間延遲線由多 個(gè)延遲單元耦接而成，所述延遲單元包括兩個(gè)反相器和負(fù)載MOS電容，所述反相器耦接負(fù) 載電容。延遲線控制部分采用負(fù)載MOS電容，是利用負(fù)載MOS電容的電容大小于控制電壓 的線性區(qū)域來(lái)提高延遲時(shí)間與溫度的線性關(guān)系。由于時(shí)間延遲線的延遲時(shí)間取決于電阻兩 端的輸出電壓，因此熱電阻兩端的輸出電壓會(huì)通過(guò)控制時(shí)間延遲線中的負(fù)載MOS電容大小 來(lái)改變延遲時(shí)間，時(shí)間延遲線的輸出與脈沖信號(hào)發(fā)生器相連。
[0030] 在本發(fā)明中有兩種實(shí)施方式，第一種方式為采用兩條時(shí)間延遲線，分別連接在熱 電阻的兩端，其輸入的脈沖時(shí)間寬度為Tdelay= T delayl-I^lay2 ;第二種方式為采用一條時(shí)間 延遲線，連接在熱電阻的一端，其輸出的脈沖寬度為TdelayU但由于1^_可以從很小的時(shí) 間到很大的時(shí)間延遲，而TdelayI因?yàn)榘嘶A(chǔ)延遲時(shí)間，這個(gè)通常只能取較大值。具體 的，在本發(fā)明的方案中，熱溫度假設(shè)為從-40度到120度，一條時(shí)間延遲線的溫度只能是 W(-40°C)到W(120° C);而采用兩條時(shí)間延遲線的設(shè)計(jì)，可以做到時(shí)間延遲從 Tdelay(-40°C ) = 0 5IJ Tdelay(12(TC )。因此采用兩條延遲線的話，輸出的信號(hào)的線性度會(huì)好 些，因?yàn)閮蓷l時(shí)間延遲線可以對(duì)干擾進(jìn)行互相抵消。而采用一條延遲線有占用電路面積小 的優(yōu)點(diǎn)，方便集成。在本實(shí)施例中，優(yōu)選采用兩條時(shí)間延遲線。
[0031] 在傳統(tǒng)的熱式流量傳感器中，通常會(huì)將該熱電阻兩端的電壓差值進(jìn)行放大，然后 通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。由于不確定熱端與冷端的具體電壓差指，電壓 放大器的放大倍數(shù)很難控制，放大倍數(shù)過(guò)大容易飽和，放大倍數(shù)過(guò)小，不利于提高模數(shù)轉(zhuǎn)換 的精度。本發(fā)明通過(guò)將熱端與冷端的輸出與時(shí)間延遲線相連，通過(guò)時(shí)間延遲線將該電壓差 信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間差信號(hào)。該過(guò)程避免使用了線性度差的電壓放大器，通過(guò)對(duì)負(fù)載MOS電容 的控制，無(wú)需考慮放大倍數(shù)，避免了使用電壓放大器過(guò)程中存在的放大倍數(shù)設(shè)置的估算，提 高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的線性度。
[0032] 在本實(shí)施例中具體的，兩條時(shí)間延遲線采用相同的結(jié)構(gòu)，只有負(fù)載MOS電容大小 不同，除了負(fù)載MOS電容外，其他部分無(wú)論是結(jié)構(gòu)，還是晶體管的大小都完全一樣，由于時(shí) 間延遲基于晶體管的大小，供電電壓，溫度，負(fù)載電容，內(nèi)部電容電阻等。因此兩條延遲線所 處的環(huán)境一致，所以供電電壓，溫度相等，延遲線除了 MOS電容不同外，其余結(jié)構(gòu)完全一致， 所以由于別的因素造成時(shí)間延遲可以相互抵消，時(shí)間差完全取決于負(fù)載MOS電容的大小。
[0033] 延遲線的時(shí)間延遲由以下式子表示，
[0035] Tdelay為延遲線的總時(shí)間延遲，N為延遲單元的個(gè)數(shù)，C Wd為延遲單位的負(fù)載電容， VDD為電源電壓，IsinA流入延遲單元的電流。由熱電阻的兩個(gè)輸出端的直接與延遲線中 的偏置電壓端相連，通過(guò)改變負(fù)載MOS電容的偏置電壓，進(jìn)而改變負(fù)載MOS電容的電容值的 大小，由于N、VDD為常數(shù)，Isink為溫度抵消補(bǔ)償偏置電流，根據(jù)上述的式子可知，延遲線的總 時(shí)間延遲與電容大小成正比例線性關(guān)系?？紤]到負(fù)載MOS電容的工作特性，在該設(shè)計(jì)中使 用P型MOS的耗盡區(qū)來(lái)作為偏置電壓的控制區(qū)域。
[0036] 脈沖信號(hào)發(fā)生器，包括輸入端和輸出端，如上所述的第一種方式中，所述輸入端分 別連接兩條