磁强计

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磁强计
申请号	CN201780082844.7	申请日	2017-12-15	公开(公告)号	CN110168938B	公开(公告)日	2023-08-08
申请人	罗伯特·博世有限公司;			发明人	G·德桑德雷;
摘要	本发明涉及一种磁强计(100)，该磁强计具有：‑测量值传感器(10)，其向第一放大器装置(20)输送信号(VB)；‑求和元件(22)，其中，在求和元件(22)的输出端处第一放大器装置(20)的输出信号(I)的输出信号范围定义地减小；‑其中，求和元件(22)的输出信号能够借助第二放大器装置(21)定义地放大；‑其中，第二放大器装置(21)的输出信号输送给低通滤波器(30)；‑其中，低通滤波器(30)的输出信号输送给模拟/数字转换器(40)；‑其中，模拟/数字转换器(40)的输出信号输送给校正环节(50)；其中，‑为了形成结果信号(V)，将模拟/数字转换器(40)的输出信号除以校正因子(A)，校正因子相应于第二放大器装置(21)的定义的放大因子(A)，其中，将数字校正信号(Vmsb)相加至由此所得到的商，数字校正信号在其范围内相应于第一放大器装置(20)的输出信号(I)的定义的衰减。
权利要求	1.一种磁强计(100)，该磁强计具有： ‑测量值传感器(10)，所述测量值传感器向第一放大器装置(20)输送信号(VB)； ‑求和元件(22)，其中，在所述求和元件(22)的输出端处，所述第一放大器装置(20)的输出信号范围定义地移位； ‑其中，所述求和元件(22)的输出信号能够借助第二放大器装置(21)定义地放大；其中‑除了放大因子(A)1外，借助所述第二放大器装置(21)可以提供另外的可参数化的放n大因子(A)，优选为2； ‑其中，所述第二放大器装置(21)的输出信号输送给低通滤波器(30)； ‑其中，所述低通滤波器(30)的输出信号输送给模拟/数字转换器(40)； ‑其中，所述模拟/数字转换器(40)的输出信号输送给校正环节(50)；其中， ‑为了形成结果信号(V)，将所述模拟/数字转换器(40)的输出信号除以校正因子(A)，所述校正因子等于所述第二放大器装置(21)的定义的放大因子(A)，其中，将数字校正信号(Vmsb)相加至由此所得到的商，所述数字校正信号在所述数字校正信号的范围内相应于所述第一放大器装置(20)的输出信号(I)的输出信号范围的移位。 2.根据权利要求1所述的磁强计(100)，其特征在于，所述求和元件(22)布置在所述第一放大器装置(20)的第一级(20a)与所述第一放大器装置(20)的第二级(20b)之间。 3.根据权利要求1所述的磁强计(100)，其特征在于，所述求和元件(22)布置在所述第一放大器装置(20)的后面。 4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁强计(100)，其特征在于，所述第一放大器装置(21)在功能上至少部分地集成到所述低通滤波器(30)中。 5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁强计(100)，其特征在于，所述第一放大器装置(20)的输出信号(I)的输出信号范围借助校正电流(Imsb)定义地减小。 6.根据权利要求5所述的磁强计(100)，其特征在于，所述校正电流(Imsb)能够与所述第一放大器装置(20)的输出信号(I)的电平相关地根据所述放大因子(A)的数值来划分。 7.一种用于读取根据权利要求1至6中任一项所述的磁强计(100)的方法，所述方法具有以下步骤：‑将测量值传感器(10)的输出信号(VB)输送给第一放大器装置(20)； ‑定义地移位所述第一放大器装置(20)的输出信号(I)的范围； ‑借助第二放大器装置(21)定义地放大所述输出信号(I)的经减小的范围； ‑其中，除了放大因子(A)1外，借助所述第二放大器装置(21)可以提供另外的可参数化n的放大因子(A)，优选2； ‑借助低通滤波器(30)去除经放大的衰减的残余信号的高频分量； ‑借助模拟/数字转换器(40)来转换经滤波的所述信号；并且‑借助连接在所述模拟/数字转换器(40)下游的校正环节(50)来形成结果信号(V)，其中，将所述经放大的残余信号除以校正因子(A)，所述校正因子等于所述第二放大器装置(21)的定义的放大因子(A)，其中，将数字校正值(Vmsb)相加至由此所得到的商，所述数字校正值在所述数字校正值的范围内相应于所述第一放大器装置(20)的输出范围的定义的移位。
说明书全文	磁强计技术领域 [0001] 本发明涉及一种磁强计。本发明还涉及一种用于读取磁强计的方法。背景技术 [0002] 在磁转换器实现为惠斯通电桥的磁强计中，典型的读取级包括用于信号处理的前端放大器、抗混叠滤波器、模拟/数字转换器和数字滤波器。 [0003] R.Schreier、G.Temes的《Understanding Delta‑Sigma Data Converters》(Wiley电子期刊，2005年)公开Delta‑Sigma转换器的基本原理。发明内容 [0004] 本发明的任务是提供一种在噪声功率方面改善的磁强计。 [0005] 根据第一方面，借助如下的磁强计来解决该任务，该磁强计具有： [0006] ‑测量值传感器(Messwertaufnehmer)，该测量值传感器向第一放大器装置输送信号； [0007] ‑求和元件，其中，在求和元件的输出端处，第一放大器装置的输出信号的输出信号范围定义地减小； [0008] ‑其中，求和元件的输出信号能够借助第二放大器装置定义地放大； [0009] ‑其中，第二放大器装置的输出信号输送给低通滤波器； [0010] ‑其中，低通滤波器的输出信号输送给模拟/数字转换器； [0011] ‑其中，模拟/数字转换器的输出信号输送给校正环节；其中 [0012] ‑为了形成结果信号，将模拟/数字转换器的输出信号除以校正因子，该校正因子相应于第二放大器装置的定义的放大因子，其中，将数字校正信号相加至由此所得到的商，该数字校正信号在该数字校正信号的范围内相应于第一放大器装置的输出信号的定义的衰减。 [0013] 通过输入信号的定义的衰减来减小输入信号的动态范围，由此有利地能够更大程度地放大残余信号。以这种方式可以有利地降低模拟/数字转换器的噪声功率对输出信号的影响。 [0014] 根据第二方面，借助一种用于读取磁强计的方法来解决该任务，该方法具有以下步骤： [0015] ‑将测量值传感器的输出信号输送给第一放大器装置； [0016] ‑定义地减小第一放大器装置的输出信号的范围； [0017] ‑借助第二放大器装置定义地放大输出信号的经减小的范围； [0018] ‑借助低通滤波器去除经放大的衰减的残余信号的高频分量； [0019] ‑借助模拟/数字转换器来转换经滤波的信号；并且 [0020] ‑借助连接在模拟/数字转换器下游的校正环节来形成结果信号，其中，将经放大的残余信号除以相应于第二放大器装置的定义的放大因子的校正因子，其中，将数字校正值相加至由此所得到的商，该数字校正值在该数字校正值的范围内相应于第一放大器装置的输出信号的定义的衰减。 [0021] 磁强计的优选的实施方式是从属权利要求的主题。 [0022] 磁强计的一种有利的扩展方案的特征在于，求和元件布置在第一放大器装置的第一级与第一放大器装置的第二级之间。以这种方式有利地实现第一放大器装置的放大作用的划分。 [0023] 磁强计的另一有利的扩展方案的特征在于，求和元件布置在第一放大器装置的后面。当借助从外部施加的“人工偏移”定义地减弱信号时，以这种方式已经完全地放大信号。 [0024] 磁强计的另一有利的扩展方案的特征在于，第一放大器装置除了放大值1外还提n供其他的可参数化的放大值，优选为2 。由此，提供两个放大值，借助所述两个放大值来执行磁强计的两种类型的读取步骤，其中，借助匹配特定的读取步骤的结果来执行最终结果。 [0025] 磁强计的另一有利的实施方式设置如下：第一放大器装置在功能上至少部分地集成到低通滤波器中。以这种方式可以有利地实现硬件开销的优化。 [0026] 磁强计的另一有利的实施方式设置如下：第一放大器装置的输出信号的输出信号范围借助校正电流定义地减小。由此，提供一种简单的方法，使得输入信号在该输入信号的动态范围内衰减，因此随后可以以提高的程度来放大该输入信号。 [0027] 磁强计的另一有利的扩展方案设置如下：校正电流能够与第一放大器装置的输出信号的电平相关地根据放大因子的数值来划分。由此能够实现用于输入信号的定义的衰减的具体设计措施。 [0028] 以下以其他的特征和优点根据多个附图详细地描述本发明。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。为了更清楚起见，可以设置如下：并非在所有的示图中标记出所有的附图标记。 [0029] 所公开的方法特征类似地由相应的公开的设备特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于磁强计的特征、技术优点和实施方式以类似的方式从关于用于读取磁强计的方法的相应的实施方式、特征和优点得出，反之亦然。附图说明 [0030] 附图示出： [0031] 图1示出传统的磁强计的方框图； [0032] 图2示出所提出的磁强计的第一实施方式的方框图； [0033] 图3示出所提出的磁强计的第二实施方式的方框图； [0034] 图4示出用于阐述磁强计的输入信号的动态衰减的示图；并且 [0035] 图5示出用于读取磁强计的方法的基本流程。具体实施方式 [0036] 图1示出传统的磁强计100的经强烈简化的方框图。可以识别出优选地以用于地磁信号B的磁转换器的形式的测量值传感器10(英语：transducer)，其将地磁信号B转换成电压VB。测量值传感器10以惠斯通电桥来连接，该惠斯通电桥的输出信号VB输送给优选地以前端放大器的形式的第一放大器装置20。第一放大器装置20的输出端与低通滤波器30(例如抗混叠滤波器)的输入端连接，该低通滤波器从输入信号中滤除高频分量。低通滤波器30的输出端与模拟/数字转换器40的输入端连接，该模拟/数字转换器执行转换成数字结果信号V。在此，在模拟/数字转换器40的输出端处以可以由磁强计100的用户进行调节的输出数据速率ODR(英语：output data rate)来输出数字数据。 [0037] 根据关于噪声和功率的要求，可能出现如下情况：模拟/数字转换器40提供在整个信号上最大的噪声功率分量，其中，然而值得期望的是：最大的噪声功率分量来自于测量值传感器10。也就是说，磁强计100的电子器件不会显著地降低测量值传感器10的相应于固有技术限制可达到的功率能力。 [0038] 模拟/数字转换器40的噪声功率可以通过提高所输送的电功率来降低。然而为此目的需要将电功率加倍，以便在噪声功率的有效值中实现的减小因子。在Sigma‑Delta转换器的特定情况中，也可以考虑关于单比特量化器架构的结构变型，但是这些结构变型通常需要较大的实现开销。 [0039] 对于测量值传感器10，可以使用任何的惠斯通电桥技术。一个版本例如是TMR技术(英语tunneling magnetoresistance technology：隧穿磁阻技术)，由此额外地显著降低1/f噪声电平。 [0040] 本发明的核心思想是改善磁强计100的读取级的效率，这在下面更详细地阐述。 [0041] 在此，在充分利用地磁输入信号的特定特性的情况下相对较少地使用芯片面积和功率来有利地实现显著降低来自于模拟/数字转换器40的噪声功率。地球磁场的地磁输入信号的特征在于，该地磁输入信号具有相对高的、仅可缓慢变化的恒定分量和相对小的可变分量。 [0042] 图2示出所提出的磁强计100的第一实施方式。可以看出，第一放大器装置20划分成两个级20a、20b，其中，第一级20a构造为跨导放大器而第二级20b构造为跨阻放大器。 [0043] 在两个级20a、20b之间，向求和元件22以减法输送信号源60的校正电流Imsb，其中，校正电流Imsb表示完整的(voll)输入信号IFS的定义的分量(例如0、±1/4、±2/4、±3/4)，该完整的输入信号相应于BFS的磁场的完整的电平。BFS是磁输入信号B的特定的电平值。在求和元件22后，剩下的残余信号借助第二放大器装置21以定义的、可改变的(例如可编程的)放大因子A(英语：gain factor)来放大。除了标称值1外，放大因子A可以采用其他的定义n值，例如4、8、16，优选为2 ，由此使所需的硬件的设计变得简单。放大因子A表示模拟域中的物理值并且由此包含限定程度的统计学上的波动。 [0044] 由信号源60提供的校正电流Imsb如此定大小，使得可以借助第二放大器装置21有利地程度高地放大所得到的残余信号(I‑Imsb)，由此有利地显著降低在磁强计100的总噪声功率上模拟/数字转换器40的噪声功率的分量。在模拟/数字转换器40的输出端处，借助校正环节50在数字域中再次相加在求和元件22处减去的分量并且因此获得磁强计100的结果信号V。 [0045] 结果，以这种方式实现磁强计100的读取级，该读取级在模拟域中进行校正电流Imsb的减法，随后在数字域中在功能上考虑再次添加该校正电流。 [0046] 以下更详细地阐述为此目的在磁强计100的读取循环期间所需的步骤。 [0047] 在两个功能上不同的读取步骤中读取磁强计100。在类型1的读取步骤中执行以下运算： [0048] 类型1的读取步骤：A＝1，Imsb＝0 [0049] A…第一放大器装置21的模拟放大因子 [0050] Imsb…校正电流 [0051] 在类型1的读取步骤的情况下，借助校正电流Imsb处理没有衰减的信号。在此，根据以下数学公式求取第一输出信号V1： [0052] I＝VB/R1 (1) [0053] V1＝R2×I (2) [0054] 具有如下参数： [0055] I…求和元件22的电输入电流 [0056] VB…测量值传感器10的电输出电压 [0057] R1…跨导放大器20a的电阻 [0058] R2…跨阻放大器20b的电阻。 [0059] 类型2的读取步骤：Imsb＝k×IFs/A (3) [0060] (例如对于A＝4：Imsb＝k×IFS/4) [0061] IFS…电流，该电流相应于满的磁输入信号 [0062] k…在{0,±1,±2,±3,…±A‑1}的范围内的因子。 [0063] 作为类型2的读取步骤的结果，第二输出信号V2通过以下数学公式来求取： [0064] I＝VB/R1 (4) [0065] V2＝A×R2×(I‑Imsb) (5) [0066] 可以看出，在类型2的读取步骤中，通过校正电流Imsb衰减的信号以放大因子A的第二定义值进行放大。 [0067] 借助最终的读取步骤，借助两个参数A、Vmsb进行类型2的读取步骤的结果的特定校正，由此以下列方式求取结果信号V： [0068] V＝V2/A+Vmsb (6) [0069] 具有如下参数： [0070] A…在类型2的读取步骤期间的数字校正因子 [0071] Vmsb…数字校正值。 [0072] 借助校正环节50在数字域中执行根据等式(6)的运算，其中，A表示如下的固定数值：该固定数值尽可能好地相应于模拟域的放大因子A的物理值。优选地，A具有4、8、16等、n优选2的数值。 [0073] 有利地，可以以这种方式以因子A2(即在A＝4的情况下16倍)降低由模拟/数字转换器40所产生的噪声功率的平方平均值。然而，为此需要以足够的精度提供根据等式(6)的数字校正值Vmsb。 [0074] 为了求取数字校正值Vmsb需要两个读取步骤，所述两个读取步骤以循环的方式尽可能短地彼此相继地来实施，其中，分别实施类型1的读取步骤和类型2的读取步骤。在此实施求和，随后对所述求和进行算术求平均。所提及的算术求平均根据具有尖括号的以下等式(7)来表示。 [0075] 数字校正值Vmsb的所提及的求平均计算可以在数学上以如下方式来表示： [0076] [0077] 具有如下参数： [0078] N…样本的数量，在数量上形成Vmsb的平均值 [0079] Vtm2…在时刻tm类型2的读取步骤的结果 [0080] Vtm1…在时刻tm类型1的读取步骤的结果 [0081] tm…时刻 [0082] m…索引 [0083] Vmsb…对应于Imsb的模拟电压校正值。 [0084] 时刻tm均匀地分布，优选地相应于模拟/数字转换器40的输出数据速率ODR均匀地分布，其中，但这不是绝对必要的。 [0085] 在时间平均中，以这种方式得出根据以下公式的数字校正值Vmsb的经过滤的参量： [0086] Vmsb＝R2×Imsb (8) [0087] 这样差分地求取数字校正值Vmsb具有以下优点： [0088] a)磁信号在相应的读取时在信号V2和V1中按比例地存在，并且借助减去V2和V1来减小到模拟校正值Vmsb。因此消除输入信号的磁分量，这同样能够通过磁分量的低带宽来实现。 [0089] b)将温度相关性从输出信号Vmsb中完全去除，因为温度带宽比磁带宽低得多。 [0090] c)将1/f噪声的输入从输出信号Vmsb中部分地去除，类型1和类型2的读取步骤越短地彼此相继，就越好。 [0091] d)相应于Vmsb的平均值形成的持续时间或低通滤波器30的带宽将白噪声从输出信号Vmsb中部分地去除。 [0092] 尽管通过模拟校正电流Imsb会引入一定程度的噪声，其中，但是通过合适的定大小能够使该噪声比来自磁强计100的读取级的先前级的噪声足够小。 [0093] 以下根据图3阐述所提出的用于磁强计100的读取级的一种替代的实施方式，但是其运行方式原则上相应于图2的装置的运行方式。 [0094] 图3在磁强计100的基本方框图中示出：将模拟校正电流Imsb施加在第二放大器装置21的输入端处，该第二放大器装置具有与在实施以上提及的类型1的读取步骤的情况下相等的放大因子A。在放大器元件21内可以看出求和元件22，三个欧姆电阻R2连接到该求和元件。但是也可以设想连接具有值0.5×R2或2×R2的电阻，因为这由于比例因子不改变第二放大器装置21的放大作用。在这种情况下，借助信号源60提供电压Vmsb，该电压将电流Imsb驱动到求和元件22中，其中适用： [0095] Vmsb＝R2×Imsb (9) [0096] 磁强计100的这种替代的变型的优点是：在引入噪声前已经与施加校正电流Imsb结合地实施完全的放大A，并且由此有利地降低校正电流Imsb的噪声功率的影响。 [0097] 优选地在模拟/数字转换器40的输出数据速率ODR的周期的约10％期间执行所提及的类型1的读取步骤，优选地在模拟/数字转换器40的输出数据速率ODR的周期的约50％至约60％期间执行类型2的读取步骤。在10ms的输出数据速率ODR的示例性周期持续时间的情况下，这相应于在约1ms期间执行类型1的读取步骤而在约5ms至约6ms期间执行类型2的读取步骤。 [0098] 以下更详细地阐述确定用于使求和元件22的输入信号I定义地衰减的模拟校正电流Imsb： [0099] 在初始阶段中，借助类型1的读取步骤来求取第一输出信号V1。 [0100] 在此，如此确定因子k，使得满足以下的条件： [0101] \|V1‑R2×k×IFS/4\|或\|V1‑Vmsb\|＝min (10) [0102] Vmsb＝k×IFS/4…在A＝4的情况下的模拟校正值。 [0103] 在磁强计100正常运行期间，在类型1的读取步骤中求取第一输出信号V1的值，其中适用： [0104] 如果\|V1‑R2×k×IFS/4\|<Δ [0105] 那么适用k＝k (11) [0106] 具有： [0107] k＝k±1…k的相邻值 [0108] Δ…磁输入信号的定义的阈值。 [0109] 结果，由此执行动态地求取因子k，其中，以下根据图4更详细地阐述这种动态的求取原理。 [0110] 在图4的x轴上电输入电流I缩放到求和元件22中，所述电输入电流映射到磁强计100的磁输入信号上。这在图4的示图中通过电输入电流I与磁通密度B在x轴上所示的相关性来说明。 [0111] 可以看出，输入电流I(在图4中称为IFS)的最大可能的电平——相应于因子k的数值1、2、3——划分成三个彼此均等地间隔开的部分值IFS/4、2IFS/4、3IFS/4。 [0112] 可以看出，围绕所提及的部分值示出具有半径Δ的圆。在输入电流I转变到圆内部的情况下，因子k的数值变到经改变的数值并且以这种方式根据上述的等式(3)来改变校正电流Imsb的大小。 [0113] 在图4的下半部分中说明在时间上增大的输入电流I，在该输入电流的情况下因子k在时间上彼此相继地从值0变到值1(在对于磁输入信号超过值2000μΤ时)，从值1变到值2(在对于磁输入信号超过值4500μΤ时)和从值2变到值3(在对于磁输入信号超过值7000μΤ时)。值IFS＝10000μT相应于磁输入信号的满电平，定义的阈值Δ在该示例中是500μT。 [0114] 在图4的上半部分中说明在时间上降低输入电流I，由此因子k的数值逐步地从3然后变到2并且然后变到1。 [0115] 结果，校正电流Imsb相应于分别适用的因子k来定大小，由此在最后的读取步骤中根据上述的等式(7)循环地求取数字校正值Vmsb。 [0116] 在此问题可能是：在因子k发生变化的时刻，数字校正值Vmsb根据等式(7)的平均值形成来传递错误值。这可以通过如下来解释：在该时刻尚未通过所需的多个读取步骤完成对数字校正值Vmsb进行求平均，而是仅执行了单个读取步骤。结果，由此在输出信号V的比特流中可能发生不期望的跳跃。 [0117] 为了消除该缺陷可以设置如下：在输出数据速率ODR的周期内提高类型1的读取步骤的数量，在所述周期内发生因子k的切换。 [0118] 作为消除该缺陷的另一可能性，可以定义第二阈值Δ'。在此，在从因子k的一个值转变到定义的第二阈值Δ'内的下一个值时，虽然在外部仍输出该输出信号V的值(所述值已经以因子k求取)，然而在内部已经以经改变的因子k实现数字校正值Vmsb的计算。结果，这意味着根据用于求取数字校正参量Vmsb的上述等式(7)的平均值形成的重新开始。 [0119] 在图4中示例性地示出围绕输入电流的值2IFS/4的具有所提及的提高的阈值的半径Δ'的圆。只要输入电流I的数值例如从右侧开始减小，由此就引起因子k从3变到2。 [0120] 但是，在此在输入电流I的数值在阈值Δ'内且在阈值Δ外时仍以因子k＝3来求取输出信号V，反之对于内部的目的已经以因子k＝2实施类型2的读取步骤，用以能够以这种方式实现对于数字校正值Vmsb的足够数量的平均值形成。这种方式有利地支持磁强计100的输出信号V的数字数据的改善。 [0121] 在数学上，对于A＝4的情况，第二提及的方案可以表示如下： [0122] \|V1‑R2×k×IFS/4\|<Δ' (12) [0123] 在满足等式(12)的条件的情况下，进行以上提及地重新开始数字校正值Vmsb的平均值形成。 [0124] 由于在典型的应用环境(例如偏移远大于50μΤ)中地磁信号或地球磁场的信号的特定特性，该地磁信号或地球磁场的信号由在幅度方面小(约50μΤ)的低频分量(频率约小于50Hz)、在时间上几乎恒定的大的偏移分量(频率约小于1Hz)叠加而成，所以在求取因子k时所阐述的动态转变在实践中很少发生。 [0125] 由于地球磁场的所提及的特定特性，所提出的磁强计100例如可以用在用于罗盘应用的移动终端设备(例如移动电话)中。 [0126] 但是所提出的磁强计100也可以用于测量具有相似特性的任何其他的输入信号，例如用于读取用于检测气体浓度、气体成分等的气体传感器信号。 [0127] 图5示出用于读取磁强计100的方法的基本过程。 [0128] 在步骤200中，将测量值传感器10的输出信号VB输送给第一放大器装置20。 [0129] 在步骤210中，执行定义地减小第一放大器装置20的输出信号I的范围。 [0130] 在步骤220中，借助第二放大器装置21执行定义地放大输出信号I的经减小的范围。 [0131] 在步骤230中，借助低通滤波器30去除经放大的衰减的残余信号的高频分量。 [0132] 在步骤240中，借助模拟/数字转换器40执行转换经滤波的信号。 [0133] 在步骤250中，借助连接在模拟/数字转换器40下游的校正环节50来形成结果信号V，其中，将经放大的残余信号除以校正因子A，该校正因子相应于第二放大器装置21的定义的放大因子A，其中，将数字校正值Vmsb*相加至由此所得到的商，该数字校正值在该数字校正值的范围内相应于第一放大器装置20的输出信号的定义的衰减。 [0134] 尽管先前根据具体的应用示例已经描述本发明，但是本领域技术人员也可以在不偏离本发明的本质的情况下实现先前未公开或仅部分公开的实施方式。