專利名稱：提高傳感器有效分辨率的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及傳感器，并且更具體地，涉及用于提高這樣的傳感器的分辨率的方法和設備。
背景技術：
在各種不同的應用(包括，例如，醫(yī)學應用，飛行控制應用，工業(yè)過程應用，燃燒控制應用，氣候監(jiān)測應用，以及許多其他應用)中，傳感器通常用于感測各種的參數(shù)。一些應用中，用戶通常期望提高的傳感器分辨率，從而分辨更小的傳感器信號和/或控制這樣的傳感器的動態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通常涉及傳感器，并且更具體地，涉及用于提高所述傳感器在使用期間的 分辨率的方法和設備。在一實例中，可以使用兩個測量過程。第一測量可以用于在手邊跨傳感器大或滿量程(例如，0-5VDC)進行有效測量，并且可以用于識別傳感器當前工作點(例如，3.5VDC輸出)。第二測量可以用于跨傳感器的子量程進行測量，其中所述子量程包含在第一測量期間確定的傳感器當前工作點(例如，對于當前工作點3. 5VDC，跨子量程
3.0-4. 0VDC)。在第二測量期間放大器的增益可以更高，這可以產(chǎn)生更高分辨率的測量信號。為了有助于防止放大器超出量程，第一測量可用于確定適當?shù)钠?，所述偏移可以應用于放大器，從而使得放大器的輸入偏移以對應于包含傳感器當前工作點的期望的子量程。在某些情況下，第一測量和第二測量的結果可以合并在一起從而提供來自傳感器的實際上更高分辨率的測量信號。某些情況下，這可以允許在仍能獲得較好結果的情況下，使用更小以及/或者更廉價的傳感器。某些情況下，模擬傳感器輸出信號可以從傳感器接收。在第一測量期間，模擬傳感器輸出信號可由使用第一增益的放大器放大，從而產(chǎn)生較低分辨率的放大模擬傳感器輸出信號。為了有助于防止在第二測量期間放大器超出量程，可以使用與較低分辨率的放大器模擬傳感器輸出信號相關的量度，從而確定偏移值，并且在第二測量期間將所述偏移值應用于模擬傳感器輸出信號，結果得到偏移的模擬傳感器輸出信號。在第二測量期間，可以使用比第一增益高的第二增益將偏移的模擬傳感器輸出信號進行放大，從而產(chǎn)生更高分辨率的模擬傳感器輸出信號。某些情況下，所述較低分辨率放大模擬傳感器輸出信號可轉換為較低分辨率數(shù)字傳感器輸出信號，并且被存儲在存儲器中。同樣地，所述更高分辨率模擬傳感器輸出信號可轉換成更高分辨率數(shù)字傳感器輸出信號，并且被存儲在該存儲器中。復合數(shù)字傳感器輸出信號可使用所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號以及所述更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號進行計算。示例性的裝置可以包括可變增益的放大器塊，其具有兩個或更多個增益設定。所述放大器塊可以接收來自傳感器的模擬傳感器輸出信號。偏移塊當被指令來如此做時可選擇地將偏移應用于模擬傳感器輸出信號。控制器可以與放大塊以及偏移塊耦合?？刂破骺梢砸鸱糯笃鲏K使用第一增益設定對模擬傳感器輸出信號進行放大，從而產(chǎn)生較低分辨率的模擬傳感器輸出信號?？刂破骺墒褂门c較低分辨率的模擬傳感器輸出信號相關的量度來確定偏移值，并且可以指令偏移塊將所述確定的偏移值應用于模擬傳感器輸出信號，從而產(chǎn)生偏移的模擬傳感器輸出信號。此后控制器可以使得放大器塊使用比第一增益設定高的第二增益設定對偏移的模擬傳感器輸出信號進行放大，從而產(chǎn)生更高分辨率的模擬傳感器輸出信號。提供前述發(fā)明內(nèi)容以有助于對本公開的一些特征的理解，但是并不意圖于作為全面的說明。通過將整個說明書，權利要求，附圖和摘要作為一個整體可以獲得對本公開的全
面理解。


考慮本公開的各種實施例的下述說明以及附圖，能夠更完整的理解本公開，其 中圖I為示例性裝置的原理框圖，所述裝置用于處理來自傳感器的模擬傳感器輸出信號;圖2為示例性可變增益放大器塊的原理框圖；圖3示出根據(jù)用于處理模擬傳感器輸出信號的示例性方法的第一測量和第二測量;圖4是示出用于處理模擬傳感器輸出信號的示例性方法的流程圖；圖5是示出用于處理模擬傳感器輸出信號的另外的示例性方法的流程圖；以及圖6是示出用于處理模擬傳感器輸出信號的示例性方法的流程圖。盡管本公開可修改為各種變型和替換形式，但其細節(jié)已經(jīng)采用附圖中實例的方式來示出，并且將進行詳細的描述。然而應當理解，意圖并不是將本公開限于此處描述的特定示例性實施例。相反，意圖是覆蓋落入本公開的精神和范圍之內(nèi)的所有的變型、等價形式以及替換形式。
具體實施例方式以下具體實施方式
應當參考附圖進行閱讀，自始至終的幾個附圖內(nèi)，類似的參考標記指示類似的元件。
具體實施方式
和附圖示出若干實例，其意思是對所要求權利的公開的示例性說明。圖I為示例性裝置10的原理框圖，所述裝置用于處理傳感器14的模擬傳感器輸出信號12。在示例性實施例中，傳感器14可為任意適當?shù)膫鞲衅?，例如壓力傳感器，流量傳感器，磁接近傳感器，加速度計，陀螺儀或任何其他適合的傳感器。圖I中所示的示例性傳感器14包括四個以全惠斯通電橋配置連接的感測電阻器R1-R4，其提供差動模擬傳感器輸出信號12。然而，這僅僅是一個實例傳感器配置，可以構想的是可以按照期望使用任意適當?shù)膫鞲衅黝愋秃?或傳感器配置。并且，可以構想的是，按照期望，傳感器14可以產(chǎn)生差動或者單端模擬傳感器輸出信號。在圖I的示例性實施例中，模擬傳感器輸出信號12被提供到多路器(MUX) 16的“A”通道。MUX 16的“B”通道示出為連接到溫度傳感器18的輸出。操作期間，MUX 16可以在“A”通道和“B”通道之間選擇，并且可以將所選擇的信號傳送到預放大器20的輸入。也就是說，在圖I的示例性實施例中，當選擇“B”通道時，MUX 16可以將模擬傳感器輸出信號12傳送到預放大器20，并且當選擇“A”通道時，可以將溫度傳感器18的輸出傳送到預放大器20。MUX 16可由控制器24進行控制。在圖I的示例性實施例中，預放大器20可以放大通常具有相對較低增益(例如，增益為I)的模擬傳感器輸出信號12。這有助于將傳感器14與下游電路進行隔離。應當理解的是，MUX 16，預放大器20和溫度傳感器18均為可選的，并不是要求的。并且，在一些實例中，可以包括其他電路，例如調(diào)整電路(未示出)，其能夠在將信號提供到可變增益放大器30之前至少在一定程度上對模擬傳感器輸出信號12進行調(diào)整。例如，可以包括調(diào)整電路，這有助于補償模擬傳感器輸出信號12的非線性或者其他非期望特性。模擬傳感器輸出信號12 (有時在傳送通過MUX 16和/或預放大器20后)可以提供給偏移塊22。在示例性實施例中，偏移塊22可以由控制器24的偏移控制塊40控制。當偏移塊22受到偏移控制塊40的指令時，其能夠將被控電壓偏移添加到模擬傳感器輸出信 號上，從而產(chǎn)生偏移模擬傳感器輸出信號28。在一個實例中，偏移塊22可以通過求和兀件26添加(或減少)電壓而將提供給偏移塊22的模擬傳感器輸出信號的電壓移位,產(chǎn)生偏移模擬傳感器輸出信號28。在一些情況下,偏移控制塊40可將模擬傳感器輸出信號移位O伏或者一些其他期望的電壓。在圖I的示例性實施例中，偏移模擬傳感器輸出信號28被提供到可變增益放大器30?？勺冊鲆娣糯笃?0的增益可以由控制器24的增益控制塊42進行控制。可以預期可變增益放大器30可以允許控制器24沿著一系列增益值變動增益，或者可以僅允許離散增益設定?？勺冊鲆娣糯笃?0僅允許離散增益設定的示例性實施例如圖2所示。在示例性實施例中，多個放大器50a-50C中每一個都將其輸入連接到可變增益放大器30的輸入端子(Vin) 0每個放大器50a-50C均具有不同的增益。例如，放大器50a具有增益“X”，放大器50b具有增益“2X”，并且放大器50c具有增益“nX”，其中“η”為大于2的整數(shù)。每個放大器50a-50C的輸出都連接到多路器52的單獨通道。增益選擇端子54，其可以連接到控制器24的增益控制塊42 (參見圖I)，可以選擇放大器50a-50C的哪個輸出被傳送到可變增益放大器30的輸出端子(Vout)。這僅僅是可變增益放大器的一個實例實施方式，且可以構想的是按照期望可以使用任何適當?shù)目勺冊鲆娣糯笃?。參考回圖1，某些情況下，可變增益放大器30的輸出可以傳送到模數(shù)(A/D)轉換器60。A/D轉換器60可以將可變增益放大器30產(chǎn)生的模擬傳感器輸出信號轉換為數(shù)字傳感器輸出信號。某些情況下，A/D轉換器具有偏移控制，其可由控制器24的偏移控制塊40來控制，但是這并不是必需的。由A/D轉換器產(chǎn)生的數(shù)字傳感器輸出信號可存儲在存儲器中，例如存儲器62。某些情況下，可提供調(diào)整塊64從而在將數(shù)字傳感器輸出信號存儲到存儲器之前對數(shù)字傳感器輸出信號進行調(diào)整。調(diào)整塊64例如可以有助于補償數(shù)字傳感器輸出信號的非線性或者其他非期望特性。某些情況下，調(diào)整塊64可以接收一個或者多個來自存儲器，例如控制器24的存儲器62的調(diào)整系數(shù)，但這并不是要求的。在所示的實施例中，控制器可以接收來自調(diào)整塊64的經(jīng)過補償?shù)臄?shù)字傳感器輸出信號，并且將結果存儲在儲存器62內(nèi)。此后控制器24可以在輸出端子70上產(chǎn)生輸出信號。某些情況下,控制器24的控制塊38能夠讀取來自存儲器例如存儲器62的程序指令，并且可以按照期望執(zhí)行所述程序指令從而控制增益控制塊42，偏移控制塊40和/或調(diào)整塊64。在操作期間，控制器24可以使用兩個測量過程從而獲得對于傳感器14的提高的分辨率的信號。第一測量期間，控制器24的偏移控制塊40將指令偏移塊22將O (或者更低的)偏移添加到模擬傳感器輸出信號。控制器24的增益控制塊24可以指令可變增益放大器30，從而使用第一增益設定(例如，增益1-2)放大得到的信號來產(chǎn)生較低分辨率的模擬傳感器輸出信號。圖3中示出表示這樣的第一測量的圖表80。如圖3所示，并且由于可變增益放大器30相對較低的增益(例如，增益=I)，第一測量可以用于跨傳感器14的寬或者全量程(例如，0-5VDC)有效地進行測量，并且這樣可以在識別傳感器14的當前工作點82 (例如，3. 5VDC輸出)上是有效的。此后控制器24可以識別并且存儲傳感器14的當 前工作點82。某些情況下，A/D轉換器60可以將較低分辨率的模擬傳感器輸出信號轉換成較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號，并且控制器24可以將較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號存儲在存儲器62內(nèi)。所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號本身可以代表傳感器14的當前工作點82。第二測量然后可用于跨傳感器14的子量程進行測量，其中所述子量程包含如由第一測量所確定的傳感器14的當前工作點82(例如，對于當前工作點為3. 5VDC，跨子量程為3. 0-4. 0VDC)。第二測量期間放大器的增益可以更高，這從而可以產(chǎn)生更高分辨率的測量信號。為了有助于防止可變增益放大器30超出量程之外，第一測量可以用于確定適當?shù)钠?，所述偏移可以應用于將可變增益放大器的輸入集中到傳感?4的子量程上，所述子量程包括傳感器14的當前工作點82。更具體的說，第二測量期間，控制器24可以使用與較低分辨率的模擬傳感器輸出信號相關的量度來確定偏移值，并且可以指令控制器24的偏移塊22將確定的偏移值添加到模擬傳感器輸出信號上，從而產(chǎn)生偏移模擬傳感器輸出信號。控制器24的增益控制塊42此后可以指令可變增益放大器30使用比第一增益設定高的第二增益設定(例如，增益為2-200)，將新的偏移模擬傳感器輸出信號進行放大，從而產(chǎn)生更高分辨率的模擬傳感器輸出信號。表示示例性第二測量的圖表86在圖3中示出。如圖3所示，控制器24將可變增益放大器的輸入集中到傳感器14的子量程88上，所述子量程包括傳感器14的當前工作點82。示例性子量程88跨越輸入電壓量程3. 0v-4.0V，其包括3. 5V的當前工作點82。圖3中，控制器24的增益控制塊42指令可變增益放大器30在第二測量86期間使用增益五(5)來放大新偏移模擬傳感器輸出信號，所述增益比第一測量80期間所使用的增益一(I)要高。所述提高的增益可以產(chǎn)生更高分辨率的模擬傳感器輸出信號。如圖3的實例中所示，所述更高的分辨率可以表示當前工作點82大約為3. 55V而不是如可能由第一測量80所示的3.5V。雖然增益五(5)作為第二測量的一個實例時，可以構想的是任意適當?shù)奶岣叩脑鲆嬷稻梢允褂?例如2-200)。高增益值通常會產(chǎn)生較窄的子量程88。某些情況下，A/D轉換器60可以將更高分辨率的模擬傳感器輸出信號轉換為更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號，并且控制器24可以將更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號存儲到存儲器62中?？梢允褂幂^低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號和更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號計算出復合數(shù)字傳感器輸出信號。所述復合信號可以被提供到輸出端子70上。圖4是示出用于處理模擬傳感器輸出信號的示例性方法100的流程圖。所述示例性方法從101開始，并且可以包括兩個測量過程，包括第一測量102和第二測量104。在第一測量102期間，可以從傳感器接收模擬傳感器輸出信號，如106處所示。接著，可以使用第一增益放大模擬傳感器輸出信號，從而產(chǎn)生較低分辨率的經(jīng)過放大的模擬傳感器輸出信號，如108處所示。在第二測量104期間，與較低分辨率的經(jīng)過放大的模擬傳感器輸出信號相關的量度用于確定偏移值，如110處所示。接著，所述偏移值可以應用于模擬傳感器輸出信號，產(chǎn)生偏移模擬傳感器輸出信號，如112處所示。然后，使用比第一增益高的第二增益對偏移模擬傳感器輸出信號進行放大，從而產(chǎn)生更高分辨率的模擬傳感器輸出信號，如114處所示。然后可以退出所述示例性方法100，如116處所示。圖5是示出另一個用于處理模擬傳感器輸出信號的示例性方法200的流程圖。所 述示例性方法從201開始，并且可以包括兩個測量過程，包括第一測量202和第二測量204。 在第一測量202期間，可以從傳感器處接收模擬傳感器輸出信號，如206處所示。然后，可以使用第一增益對模擬傳感器輸出信號進行放大從而產(chǎn)生較低分辨率的經(jīng)過放大的模擬傳感器輸出信號，如208處所不。接下來，所述較低分辨率的放大模擬傳感器輸出信號可以轉換為較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號，如210處所示，并且將所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號存儲在存儲器中，如212處所示。在第二測量204期間，較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號可以用于確定偏移值，如214處所不。所述偏移值可應用于模擬傳感器輸出信號,產(chǎn)生偏移模擬傳感器輸出信號，如216處所示。此后可以使用第二增益對所述偏移模擬傳感器輸出信號進行放大，所述第二增益比第一增益要高，從而產(chǎn)生更高分辨率的放大模擬傳感器輸出信號，如218處所示。更高分辨率的放大模擬傳感器輸出信號可以轉換為更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號，如220處所示。接著更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號可以存儲在存儲器中，如222處所示。在某些情況下，可以使用第一測量202的較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號和第二測量204的更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號計算復合數(shù)字傳感器輸出信號。此后可以退出所述示例性方法200,如在226處所示。圖6是示出用于處理模擬傳感器輸出信號的示例性方法300的流程圖。示例性方法在301處開始，并且可以包括兩個測量過程，包括第一測量302和第二測量304。在第一測量302期間，放大器的增益可針對滿標度傳感器測量而設定，如306處所示。偏移也可針對滿標度傳感器測量而設定，如308處所示。接下來，可以使用上述增益和偏移值測量傳感器輸出，并且結果可以轉換為數(shù)字數(shù)值，如310處所示。在第二測量304期間，放大器的增益可以轉變?yōu)楦叩闹祻亩梢垣@得更高的分辨率，如312處所示。第一測量302期間所測得的滿標度數(shù)字數(shù)值可用于計算對于更高分辨率測量所需的偏移，如314處所示。此后可以相應的設定偏移，如316處所示。此后，可以使用更高的增益和經(jīng)過計算的偏移值測量傳感器輸出，如318處所示。結果可以轉換為數(shù)字數(shù)值。第一測量302的數(shù)字數(shù)值和第二測量304的數(shù)字數(shù)值可以合并在一起從而獲得傳感器的提高分辨率的信號，如320處所示。此后可以退出所述示例性200，如在322處所
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雖然已經(jīng)如此描述了本公開的各種示例性實施例，但是本領域的技術人員應當容易理解在此處所附權利要求的范圍內(nèi)還可以做出 和使用其他的實施例。在不超出公開范圍的情況下，可以在細節(jié)方面做出修改，尤其是形狀，尺寸，部件的布置方面。當然本公開的范圍以其中所附權利要求表述的語言進行限定。
權利要求
1.一種用于處理來自傳感器(14)的模擬傳感器輸出信號(12)的裝置，包括 放大器塊(30)，所述放大器塊(30)具有兩個或更多的增益設定，所述放大器塊(30)接收來自傳感器(14)的模擬傳感器輸出信號(12)； 偏移塊(22)，用于當被指令如此做時，選擇性地將偏移應用于模擬傳感器輸出信號(12);以及 控制器(24)，與放大器塊(30)和偏移塊(22)耦合，控制器(24)使得放大器塊(30)使用第一增益設定對模擬傳感器輸出信號(12)進行放大，從而產(chǎn)生較低分辨率的模擬傳感器輸出信號，控制器(24)使用與該較低分辨率的模擬傳感器輸出信號相關的量度來確定偏移值，控制器(24)指令偏移塊(22)以將確定的偏移值應用于模擬傳感器輸出信號,產(chǎn)生偏移模擬傳感器輸出信號，此后控制器(24)使得放大器塊(30)使用比第一增益設定高的第二增益設定對偏移模擬傳感器輸出信號進行放大，從而產(chǎn)生更高分辨率的模擬傳感器輸出信號。
2.根據(jù)權利要求I所述的裝置，進一步包括 模數(shù)轉換器(60)； 存儲器(62);以及 其中所述模數(shù)轉換器￠0)將較低分辨率的模擬傳感器輸出信號轉換為較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號，并且所述控制器(24)將所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號存儲到存儲器￠2)中，所述控制器(24)進一步使用存儲在所述存儲器￠2)中的所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號來確定偏移值。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中所述模數(shù)轉換器￠0)將所述更高分辨率的模擬傳感器輸出信號轉換為更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號，并且所述控制器(24)將所述更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號存儲在所述存儲器出2)中。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中所述控制器(24)使用所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號以及所述更高分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號確定復合數(shù)字傳感器輸出信號，并且輸出所述復合數(shù)字傳感器輸出信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中所述控制器(24)將所述復合數(shù)字傳感器輸出信號存儲到所述存儲器￠2)中。
6.根據(jù)權利要求I所述的裝置，其中所述模擬傳感器輸出信號與惠斯通電橋的輸出相對應。
7.根據(jù)權利要求I所述的裝置，其中所述模擬傳感器輸出信號與壓力傳感器，流量傳感器，磁接近傳感器，加速度計或者陀螺儀的輸出相對應。
8.根據(jù)權利要求I所述的裝置，進一步包括預放大器(20)，其在模擬傳感器輸出信號(12)到達放大器塊(30)之前對模擬傳感器輸出信號(12)進行預放大。
9.一種用于處理模擬傳感器輸出信號(12)的方法,包括 接收來自傳感器(14)的模擬傳感器輸出信號(12)； 使用第一增益放大所述模擬傳感器輸出信號(12)從而產(chǎn)生較低分辨率的放大模擬傳感器輸出信號； 使用與所述較低分辨率的放大模擬傳感器輸出信號相關的量度來確定偏移值； 將所述偏移值應用于所述模擬傳感器輸出信號(12)，產(chǎn)生偏移模擬傳感器輸出信號(28);并且 使用高于第一增益的第二增益對所述偏移模擬傳感器輸出信號(28)進行放大，從而生成更高分辨率的模擬傳感器輸出信號(12)。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述偏移值由以下確定 將所述較低分辨率的放大模擬傳感器輸出信號轉換為較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號; 將所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號存儲到存儲器￠2)中； 使用所述較低分辨率的數(shù)字傳感器輸出信號確定偏移值。
全文摘要
公開了一種用于提高傳感器分辨率的方法及裝置。在一實例中，使用了兩個測量過程。第一測量用于跨傳感器的滿量程進行有效測量。所述第一測量可識別傳感器當前工作點。之后可以做出第二測量以跨所述傳感器的子量程進行有效測量，所述子量程包含傳感器當前工作點。在第二測量期間可以提高所述放大器的增益，從而產(chǎn)生更高分辨率的測量。某些情況下，所述第一測量可以用于確定適當?shù)钠?，所述偏移可以被應用以便將所述放大器標定至包含傳感器當前工作點的期望子量程內(nèi)。某些情況下，兩個測量可共同使用從而計算出實際上更高分辨率的測量信號。某些情況下，這使得在仍能獲得較好結果的情況下，允許使用更小以及/或者更廉價的傳感器。
文檔編號H03F3/54GK102820862SQ20121020327
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權日2011年5月9日
發(fā)明者P·羅茲戈, R·瓊斯, L·F·里克斯 申請人:霍尼韋爾國際公司