CN111596236A - 具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，包括：模拟信号通路模块、校正模块、温度检测模块、EEPROM存储模块以及分段处理器模块，以数字形式存储在磁场传感器中的增益校正系数和偏移校正系数，可用于生成模拟控制信号，以控制磁场传感器的模拟信号通路的灵敏度和偏移。本发明以数字形式存储在磁场传感器中的增益校正系数和偏移校正系数，可用于生成模拟控制信号，以控制磁场传感器的模拟信号通路的灵敏度和偏移。本发明既具有模拟通路的快速响应时间，又保证了室温下灵敏度和静态输出电压的精度，可在生产和使用过程中改变温度补偿特性，同时还可以补偿由机械应力和器件老化造成的灵敏度漂移和静态输出电压漂移。

Description

具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器及实现方法

技术领域：

本发明涉及磁场传感器技术领域，具体是涉及具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器及实现方法，适用于磁场传感器IC。

背景技术：

磁场传感器被广泛应用于消费电子领域(如洗衣机、空调、冰箱、落地扇等)和汽车领域(如变速箱、自动落锁、安全带搭扣、刹车灯开关、自动车窗等)。磁场传感器是安全系统、EPS系统和车身电子系统的组成部分。现代汽车具有80多种依靠磁性传感器的应用，每年用于汽车领域的磁场传感器超过20亿个。此外，磁场传感器的市场容量保持每年5％～10％的增长，发展前景非常好。

磁场传感器往往具有随温度变化的灵敏度和偏移。灵敏度温漂的原因主要有两种：一是温度变化造成磁场感测元件的制作材料本身固有特性发生变化；二是温度变化导致芯片封装和裸片自身发生热胀冷缩改变了机械应力，从而使得磁场感测元件产生不等位电势。偏移(静态输出电压)温漂往往和磁场传感器中使用的运算放大器的温度可变特性有关。因此，必须采取措施来补偿磁场传感器的灵敏度和静态输出电压的温度漂移，以提高其检测精度。

参照图1，传统的磁场传感器包括磁场感测元件、给磁场感测元件提供电流的供电电流源、增益可调放大器、滤波器和输出级放大器。磁场感测元件将外部磁场信号转换为小信号电压，再通过增益可调放大器将小信号电压进行放大处理，滤波器将信号通路中的噪声和失调电压滤除，最后通过输出级放大器得到和磁场大小成正比例的电压信号。

这种传统的磁场传感器通过控制供电电流的温度系数来调节磁场传感器的灵敏度温漂，其中参考电压VREF恒定不变，补偿电阻R的温度系数为γ，磁场感测元件的灵敏度SI的温度系数为α。流过磁场感测元件的供电电流I(T)为：

若电阻R的温度系数γ等于灵敏度SI的温度系数α，则磁场感测元件输出的电压VH为：

当γ等于α时，所产生的供电电流I的温度系数将抵消掉灵敏度的温度系数，使得磁场感测元件输出的电压VH不随温度的改变而变化。传统的磁场传感器基于一阶温度补偿，原理简单容易实现，但是无法补偿高阶温度系数，更无法补偿机械应力和器件老化产生的灵敏度漂移，且未对偏移(静态输出电压)的温漂进行补偿和校正。

磁场传感器的灵敏度和偏移(静态输出电压)的温漂可以采用模拟补偿技术来消除，该技术使用压敏电阻等来调节随温度变化的灵敏度和偏移。这样的技术可以产生随温度基本不变的灵敏度和偏移，但是常常以室温下灵敏度或偏移的精度为代价。此外，模拟补偿技术是固定的，不适用于在生产或使用过程中修改补偿特性。而采用数字通路的磁场传感器往往比采用模拟通路的磁场传感器要慢。换句话说，采用数字通路的霍尔传感器不能很好地响应快速变化的磁场(例如快速变化的电流)。因此急需提供一种具有模拟电路的速度优势但又使用针对灵敏度和偏移校正的不同技术的磁场传感器。

发明内容：

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种具有模拟信号路径的磁场传感器，该模拟信号路径通过数字电路对灵敏度和偏移进行了校正。该磁场传感器实现了模拟电路的快速响应时间，又能在生产或使用过程中修改补偿特性，实现了全温度范围内几乎不变的灵敏度和静态输出电压。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，包括

模拟信号通路模块、校正模块、温度检测模块、EEPROM存储模块以及分段处理器模块，

模拟信号通路模块用于检测外部磁场并输出相应大小的电压信号；该模块响应于外部磁场，并接收校正模块输出的增益控制信号和偏移控制信号，最终产生与磁场大小成正相关的电压信号，作为整个磁场传感器的输出；

校正模块用于灵敏度校正和偏移校正；该模块接收分段处理器模块输出的增益校正信号和偏移校正信号，并响应接收到的信号，生成增益控制信号和偏移控制信号，从而控制模拟信号通路模块的灵敏度值(增益)和偏移值(静态输出电压)；

温度检测模块用于检测温度信息并输出代表温度值的数字信号；该模块实时监测磁场传感器所处环境的温度信息，通过内部的模数转换器将温度信息转换为代表温度值的数字信号，并将该信号传送给分段处理器模块；

EEPROM存储模块用于存储用户和工厂编程的数据；该模块通过编程板和编程软件实现串行数据的写入和读出，在磁场传感器正常工作时，将存储好的用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号输送到分段处理器模块；

分段处理器模块根据分段线性插值算法处理各项数据；该模块接收代表温度值的数字信号、用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号，并结合这些数字信号产生增益校正信号和偏移校正信号。

作为本发明进一步的方案，模拟信号通路模块包括电流源、磁场感测元件、增益可调放大器、滤波器和输出级放大器，其中：电流源，用于产生恒定电流，作为磁场感测元件的供电电流源；磁场感测元件，用于接收外部磁场，并产生与外部磁场大小成正比例的磁场小信号；增益可调放大器，用于放大磁场小信号，同时接收增益控制信号，其增益大小受增益控制信号的调节，最终生成经灵敏度调整后的信号；滤波器，用于接收经灵敏度调整后的信号，滤除该信号中的噪声和失调电压，并生成经滤波后的信号；输出级放大器，用于接收经滤波后的信号，同时响应于偏移控制信号，最终生成经偏移调整后的信号，该信号是与磁场大小成正相关的电压信号，并且是整个磁场传感器的输出。

作为本发明进一步的方案，校正模块包括增益调节电路和偏移调节电路，其中：增益调节电路，用于接收增益校正信号，并产生增益控制信号来调节增益可调放大器的增益值；偏移调节电路，用于接收偏移校正信号，并产生偏移控制信号来调节输出级放大器的偏移(静态输出电压)值。

作为本发明进一步的方案，温度检测模块包括温度传感器、积分器和双斜坡ADC控制器，其中：温度传感器，用于检测实时的温度值，并输出代表温度值的模拟电压信号；积分器，用于对代表温度值的模拟电压信号进行积分，产生占空比与温度相关的PWM信号；双斜坡ADC控制器，用于将PWM信号转换为与温度相关的数字信号，其接收积分器的PWM信号，产生积分控制信号，并将其反馈回积分器，以控制积分器的积分情况。

作为本发明进一步的方案，EEPROM存储模块包含插值控制EEPROM、校正系数EEPROM、用户增益EEPROM和用户偏移EEPROM，其中：插值控制EEPROM，用于存储内插控制信号，并在传感器工作过程中，将内插控制信号传输到分段处理器；校正系数EEPROM，用于存储多个增益校正系数和多个偏移校正系数，并在传感器工作过程中，将校正系数传输到分段处理器；用户增益EEPROM，用于存储用户增益修正值，用户可以根据实际使用需求将代表灵敏度信息的用户增益修正值写入EEPROM内，在传感器工作过程中，用户增益修正值将传输到分段处理器中；用户偏移EEPROM，用于存储用户偏移修正值，用户可以根据实际使用需求将代表静态输出电压信息的用户偏移修正值写入EEPROM内，在传感器工作过程中，用户偏移修正值将传输到分段处理器中。

作为本发明进一步的方案，分段处理器模块包括插值处理器、组合处理器、增益调节寄存器和偏移调节寄存器，其中：插值处理器，接收代表温度信息的数字信号，并识别由数字信号表示的温度所在的温度分段；接收内插控制信号，并根据内插控制信号从多个预定插值类型中选择相应的插值类型；接收与所识别的温度分段相关联的一对增益校正系数，并根据温度信号在一对增益校正系数之间进行插值以产生插值增益校正值；接收与所识别的温度分段相关联的一对偏移校正系数，并根据温度信号在一对偏移校正系数之间进行插值以产生插值偏移校正值；组合处理器，被耦合以接收用户增益校正值与插值增益校正值，并将用户增益校正值与插值增益校正值组合以生成组合增益校正值，其中，增益控制信号是与组合增益校正值有关的模拟信号；组合处理器还被耦合以接收用户偏移校正值和插值偏移校正值，并将用户偏移校正值与插值偏移校正值进行组合，以产生组合偏移校正值，其中，偏移控制信号是与组合偏移校正值相关的模拟信号。增益调节寄存器，用于接收和存储组合增益校正值，并输出增益控制信号来控制增益调节电路；偏移调节寄存器，用于接收和存储组合偏移校正值，并输出偏移控制信号来控制偏移调节电路。

本发明具有灵敏度校正和偏移校正的磁场传感器的实现方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立增益校正系数和偏移校正系数；

步骤S2：根据测得的温度并结合增益校正系数进行插值以建立插值增益校正值；

步骤S3：结合插值增益校正值和用户增益修正值以建立组合增益校正值；

步骤S4：将增益校正信号应用于增益调节电路，以调节磁场传感器的灵敏度值；

步骤S5：根据测得的温度并结合偏移校正系数进行插值以建立插值偏移校正值；

步骤S6：结合插值偏移校正值和用户偏移修正值以建立组合偏移校正值；

步骤S7：将偏移校正信号应用于偏移调节电路，以调节磁场传感器的偏移电压。

作为本发明进一步的方案，增益校正系数的建立过程包括：在生产磁场传感器的过程中，在所选择的多个校准温度的子集中测量磁场传感器的增益；以及根据测量在多个校准温度的子集中建立增益校正系数；并将增益校正系数预先存储在磁场传感器中。

作为本发明进一步的方案，偏移校正系数的建立过程包括：在生产磁场传感器的过程中，在所选择的多个校准温度的子集中测量磁场传感器的偏移；以及根据测量在多个校准温度的子集中建立偏移校正系数；并将偏移校正系数预先存储在磁场传感器中。

本发明的工作原理为:以数字形式存储在磁场传感器中的增益校正系数和偏移校正系数，可用于生成模拟控制信号，以控制磁场传感器的模拟信号通路的灵敏度和偏移。本发明既具有模拟通路的快速响应时间，又保证了室温下灵敏度和静态输出电压的精度，可在生产和使用过程中改变温度补偿特性，同时还可以补偿由机械应力和器件老化造成的灵敏度漂移和静态输出电压漂移。

综上，经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.在模拟信号路径上通过数字电路对灵敏度和静态输出电压进行校正。这样既具有模拟通路的快速响应时间，又保证了室温下灵敏度和静态输出电压的精度，并且可在生产和使用过程中改变温度补偿特性。

2.采用分段线性插值温度补偿技术，能同时对灵敏度和静态输出电压进行高阶温度补偿，相比于一阶温度补偿，其补偿效果更好。

3.不仅能补偿温度变化对灵敏度和静态输出电压的影响，还可以补偿机械应力和器件老化产生的灵敏度漂移和静态输出电压漂移。

4.可以通过增加代表温度值的数字信号的位数来提高补偿精度，也可以通过增加增益补偿系数和偏移补偿系数的位数来扩大灵敏度和静态输出电压的校正范围。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明：

图1是传统的磁场传感器原理图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明具体实施例的结构框图。

图4是本发明的灵敏度-温度特性曲线图，并且示出增益校正系数。

图5是本发明的偏移-温度特性曲线图，并且示出偏移校正系数。

图6是本发明进行灵敏度校正和偏移校正的工作过程流程图。

具体实施方式：

下面将结合附图和有关知识对本发明作出进一步的说明，进行清楚、完整地描述，显然，所描述的电路图应用仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在描述本发明之前，先解释一些介绍性的概念和术语。术语“磁场感测元件”用于描述可以感测磁场的多种电子元件。磁场感测元件可以是但不限于霍尔效应元件，磁阻元件或磁晶体管。术语“磁场传感器”用于描述包括磁场感测元件的电路。磁场传感器可用于多种应用，包括但不限于感测由载流导体所携带的电流产生的磁场的电流传感器，感测铁磁物体的接近性的磁性开关，检测铁磁物品旋转速度和角度的旋转检测器，以及检测磁场的磁场密度的磁场传感器。

尽管在以下示例中示出并描述了具有霍尔效应元件的磁场传感器，但是相同的技术可以应用于具有任何类型的磁场感测元件的磁场传感器。

参见图2所示，一种具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，解决了磁场传感器的灵敏度温度漂移和偏移(静态输出电压)温度漂移的问题。具体包括：模拟信号通路模块1、校正模块2、温度检测模块3、EEPROM存储模块4以及分段处理器模块5，以数字形式存储在磁场传感器中的增益校正系数和偏移校正系数，可用于生成模拟控制信号，以控制磁场传感器的模拟信号通路的灵敏度和偏移。本发明既具有模拟通路的快速响应时间，又保证了室温下灵敏度和静态输出电压的精度，可在生产和使用过程中改变温度补偿特性，同时还可以补偿由机械应力和器件老化造成的灵敏度漂移和静态输出电压漂移；

其中，模拟信号通路模块1用于检测外部磁场，并输出与磁场大小成正比例的电压信号，该模块的增益和偏移分别受增益控制信号和偏移控制信号的控制；校正模块2用于接收增益校正信号和偏移校正信号，并相应的产生增益控制信号和偏移控制信号；温度检测模块3用于实时检测环境温度，并输出代表温度值的数字信号；EEPROM存储模块4用于接收外部写入的串行数据，并存储用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号；分段处理器模块5用于接收代表温度值的数字信号、用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号，并结合接收到的数据，通过分段线性插值算法，产生增益校正信号和偏移校正信号。

参照图3，模拟信号通路模块1包括电流源301、磁场感测元件302、增益可调放大器303、滤波器304和输出级放大器305，其中电流源，用于产生恒定电流，作为磁场感测元件的供电电流源；磁场感测元件，用于接收外部磁场，并产生与外部磁场大小成正比例的磁场小信号；增益可调放大器，用于放大磁场小信号，同时接收增益控制信号，生成经灵敏度调整后的信号；滤波器，用于接收经灵敏度调整后的信号，滤除该信号中的噪声和失调电压，并生成经滤波后的信号；输出级放大器，用于接收经滤波后的信号，同时响应于偏移控制信号，生成经偏移调整后的信号，该信号是与磁场大小成正比例的电压信号，是整个磁场传感器的输出；具体为：电流源301产生恒定电流并提供给霍尔效应元件302。霍尔效应元件302响应于外部磁场319产生磁场小信号302a。外部磁场319是待测磁场，对于电流传感器，外部磁场319由电流通过一个载流导体产生，载流导体可以是磁场传感器的一部分，也可以在磁场传感器的外部；增益可调放大器303接收磁场小信号302a和增益控制信号306a，并产生经灵敏度调整后的信号303a。滤波器304被耦合以接收经灵敏度调整后的信号303a，并被配置为生成经滤波后的信号304a。该输出级放大器305接收经滤波后的信号304a和偏移控制信号307a，并生成经偏移调整后的信号305a，该信号是整个磁场传感器300的输出信号，且具有增益校正和偏移校正。

参照图3，校正模块包括增益调节电路306和偏移调节电路307，增益调节电路，用于接收增益校正信号，并产生增益控制信号来调节增益可调放大器的增益值；偏移调节电路，用于接收偏移校正信号，并产生偏移控制信号来调节输出级放大器的偏移值；进一步，增益调节电路306被耦合以接收增益校正信号317a，并被配置为生成增益控制信号306a。偏移调节电路307被耦合以接收偏移校正信号318a，并被配置为生成偏移控制信号307a；

参照图3，温度检测模块3包括温度传感器308、积分器309和双斜坡ADC控制器310，温度传感器，用于检测实时的温度值，并输出代表温度值的模拟电压信号；积分器，用于对代表温度值的模拟电压信号进行积分，产生占空比与温度相关的PWM信号；双斜坡ADC控制器，用于将PWM信号转换为代表温度值的数字信号，其接收积分器的PWM信号，产生积分控制信号，并将其反馈回积分器，以控制积分器的积分情况；具体为：温度传感器308检测实时的温度值320，并生成代表温度值的模拟电压信号308a。积分器(双斜坡ADC)309被耦合以接收代表温度值的模拟电压信号308a，通过积分生成占空比与温度相关的PWM信号309a，同时其积分情况受积分控制信号310a的控制。双斜坡ADC控制器310被耦合以接收占空比与温度相关的PWM信号309a，并被配置为生成代表温度值的数字信号310b和积分控制信号310a。

参照图3，EEPROM存储模块4包含插值控制EEPROM311、校正系数EEPROM312、用户增益EEPROM313和用户偏移EEPROM314，插值控制EEPROM，用于将内插控制信号传输到分段处理器；校正系数EEPROM，用于存储多个增益校正系数和多个偏移校正系数，将校正系数传输到分段处理器；用户增益EEPROM，用于存储用户增益修正值，并传输到分段处理器模块5；用户偏移EEPROM，用于存储用户偏移修正值，并传输到分段处理器模块5；进一步，插值控制EEPROM311，以提供一个插值控制信号311a到组合处理器316。其中插值控制信号311a通过通信链路321a传输到插值控制EEPROM 311；

其中，校正系数EEPROM 312包括多个增益校正系数312a和多个偏移校正系数312b。每个增益校正系数312a和每个偏移校正系数312b分别与多个所选温度中的一个相关联。在一些实施例中，存在五个选择的温度，每个温度与各自的增益校正系数312a(Sense_n)和各自的偏移校正系数312b(VQ_n)相关。增益校正系数312a和偏移校正系数312b通过通信链路321b传输到校正系数EEPROM 312；户增益EEPROM 313，以提供一个用户增益修正值313a到组合处理器316，其中用户增益修正值313a通过通信链路321c传输到用户增益EEPROM 313。用户偏移EEPROM 314，以提供一个用户偏移修正值314a到组合处理器316，其中用户偏移修正值314a通过通信链路321d传输到用户偏移EEPROM 314。

参照图3，分段处理器模块5，包括用于接收接收代表温度值的数字信号310b；具体为；分段处理器模块5执行以下几种功能：分段处理器模块5可以识别代表温度值的数字信号310b所在的温度分段；分段处理器模块5也可以接收与确定温度分段相关的一对增益校正系数312a和一对偏移校正系数312b，该对增益校正系数312a和该对偏移校正系数312b与该温度下所识别的温度段相关联；分段处理器模块可以根据代表温度值的数字信号310b在一对增益校正系数312a之间进行插值计算，产生增益校正信号317a，增益控制信号306a是由增益校正信号317a所确定的模拟信号；分段处理器模块可以根据代表温度值的数字信号310b在一对偏移校正系数312b之间进行插值计算，产生偏移校正信号318a，偏移控制信号307a是由偏移校正信号318a所确定的模拟信号。可以理解为，分段处理器模块是处理数字信号或值的数字电路，分段处理器模块控制上述模拟信号通路模块的增益(灵敏度)和偏移(静态输出电压)。

其中，分段处理器模块包括一个插值处理器315，耦合以接收代表温度值的数字信号310b，耦合以接收一对增益校正系数312a和一对偏移校正系数312b。在一些实施例中，插值处理器315还可以接收插值控制信号311a，该插值控制信号311a可确定增益插值和偏移插值的插值算法类型。插值的类型在下面进一步描述。插值处理器315被配置成生成插值增益校正值315a和插值偏移校正值315b。为此，插值处理器315识别代表温度值的数字信号310b所在的温度分段，以接收相应温度分段的一对增益校正系数312a和一对偏移校正系数312b。

分段处理器模块还包括组合处理器316，耦合以接收插值增益校正值315a和插值偏移校正值315b，耦合以接收用户增益修正值313a和用户偏移修正值314a。组合处理器被配置成生成组合增益校正值316a和组合偏移校正值316b。

分段处理器模块还包括增益调节寄存器317，用于存储组合增益校正值316a，并输出增益校正信号317a到增益调节电路306。分段处理器模块还包括偏移调节寄存器318，用于存储组合偏移校正值316b，并输出偏移校正信号318a到偏移调节电路307。

在本发明一实施例中，增益的插值由插值处理器315执行。插值处理器315通过以下的线性插值公式来生成插值增益校正值315a：

此处，DO[6:0]是7比特的代表温度值的数字信号310b，CoeffB、CoeffA为DO[6:5]所确定的温度段两端的一对增益校正系数312a。插值处理器315具体多种插值方式，并且根据插值控制信号311a来选择相应的增益插值类型(即以公式(3))。

在本发明一实施例中，组合处理器联合插值增益校正值315a和一个用户增益修正值313a，根据下面的等式来产生组合增益校正值316a：

此处，SENS_user是用户增益修正值313a；K_DEV是磁场传感器特定的常数，代表特定类型的磁场传感器的灵敏度(例如十进制306)。

若在某个温度T处，灵敏度偏离理想值变为了理想值的(1+ΔSENS％)倍，那么通过公式(4)的增益校正后，将偏离后的灵敏度值乘以(1-ΔSENS％)，使得实际得到的灵敏度值等于理想灵敏度值。在一个特定的实施例中，灵敏度校正范围为：-6.25％～6.054％。若需要提高灵敏度校正范围，可以将增益校正系数312a的位数增加，每增加一位，则校正范围扩大一倍。

在本发明一实施例中，偏移的插值由插值处理器315执行。插值处理器315通过以下的线性插值公式来生成插值偏移校正值315b：

此处，DO[6:0]是7比特的代表温度值的数字信号310b，CoeffB、CoeffA为DO[6:5]所确定的温度段两端的一对偏移校正系数312b。

在一些实施例中，插值处理器315具体多种插值方式，并且根据插值控制信号311a来选择相应的偏移插值类型。还可以在以下线性插值类型中进行选择，每种线性插值类型相差两倍(一位移位)。

在一个特定的实施例中，组合处理器联合插值偏移校正值315b和一个用户偏移修正值314a，根据下面的等式来产生组合偏移校正值316b：

此处，VQ_user是用户偏移修正值314a。

若在某个温度T处，偏移电压偏离理想值并增大了n*lsb(其中n为整数，lsb为偏移电压校正步长)，那么通过公式(8)的温度补偿后，将偏离后的偏移电压值减去n*lsb，使得实际得到的偏移电压值等于理想偏移电压值。在一个特定的实施例中，偏移电压校正范围为：-32*lsb～31*lsb。若需要提高偏移校正范围，可以将偏移校正系数312b的位数增加，每增加一位，则校正范围扩大一倍。

从上述公式中可以知道，插值增益校正值315a和用户增益修正值313a是以乘法的形式进行运算的，因此组合处理器316包含一个乘法器；插值偏移校正值315b和用户偏移修正值314a是以加法的形式进行运算的，因此组合处理器316包含一个加法器，正如所预期的。

参照图4，垂直轴402是具有以百分比为单位的灵敏度变化的比例，第一水平轴403是以摄氏度为单位的温度标度，第二水平轴404是7比特的代表温度值的数字信号DO<6:0>，以十进制0到127表示。

特性曲线401代表没有进行灵敏度校正的磁场传感器的相对灵敏度。可以看出，特性曲线401表示的相对灵敏度在低温下趋于降低并且在高温下趋于更高。

在第一个温度点下(-40℃时)，增益校正系数405(Sens_1)将灵敏度向上增加到与室温下的灵敏度相同。即由于增益校正系数405(Sens_1)的应用，使得-40℃时的灵敏度值与室温下的灵敏度值相同。类似的，其它增益校正系数406、407、408、409(Sens_2、Sens_3、Sens_4、Sens_5)可以分别在与之相关的其它温度下(分别为10℃、60℃、110℃、160℃)应用，以使磁场传感器的灵敏度在这些温度下保持不变。

曲线图400共有4个温度分段，分别为-40℃～10℃、10℃～60℃、60℃～110℃、110℃～160℃。在任意一个温度段，例如温度段10℃～60℃，插值处理器可以通过数字信号DO[6:0]的前两位DO[6:5]识别出所在的温度段，并利用与所识别的温度段的边界相关联的增益校正系数(406、407)进行插值运算，得到插值增益修正值，以使磁场传感器的灵敏度与室温下的灵敏度基本保持不变。

如上，增益插值可以是线性插值。然而，在其他实施例中，增益插值可以是另一种形式，例如二次插值。

在一个特定的实施例中，共有5个增益校正系数(405～409)和4个相关的温度分段，而在其它实施例中，可以有多于5个或者少于5个增益校正系数和相关的温度分段。通常，存储在校正系数EEPROM中的增益校正系数的数量越多，插值增益校正值越准确，磁场传感器的校正相对灵敏度越准确。

尽管在本实施例中，温度段的度数一致，但是在其它实施例中，温度段可以具有不相等的度数。例如，在一些实施例中，与远离室温410的温度段相比，接近室温410的温度段可以具有更大(或更小)的温度跨度。

参考图5，垂直轴502是具有以9位数字值表示的偏移电压相对变化，第一水平轴503是以摄氏度为单位的温度标度，第二水平轴504是7比特的代表温度值的数字信号DO<6:0>，以十进制0到127表示。

特性曲线501代表没有进行偏移校正的磁场传感器的相对偏移电压。可以看出，特性曲线501表示的相对偏移电压在低温下趋于降低并且在高温下趋于更高。

在第一个温度点下(-40℃时)，偏移校正系数505(VQ_1)将偏移电压向上增加到与室温下的偏移电压值相同。即由于偏移校正系数505(VQ_1)的应用，使得-40℃时的偏移电压与室温下的偏移电压相同。类似的，其它偏移校正系数506、507、508、509(VQ_2、VQ_3、VQ_4、VQ_5)可以分别在与之相关的其它温度下(分别为10℃、60℃、110℃、160℃)应用，以使磁场传感器的偏移电压(静态输出电压)在这些温度下保持不变。

曲线图500共有4个温度分段，分别为-40℃～10℃、10℃～60℃、60℃～110℃、110℃～160℃。在任意一个温度段，例如温度段10℃～60℃，插值处理器可以通过数字信号DO[6:0]的前两位DO[6:5]识别出所在的温度段，并利用与所识别的温度段的边界相关联的偏移校正系数(506、507)进行插值运算，得到插值偏移修正值，以使磁场传感器的偏移电压与室温下的偏移电压基本保持不变。

如以上所述，偏移插值可以是线性插值。然而，在其他实施例中，偏移插值可以是另一种形式，例如二次插值。

在一个特定的实施例中，共有5个偏移校正系数(505～509)和4个相关的温度分段，而在其它实施例中，可以有多于5个或者少于5个偏移校正系数和相关的温度分段。通常，存储在校正系数EEPROM中的偏移校正系数的数量越多，插值偏移校正值越准确，磁场传感器的校正相对偏移越准确。

尽管在本实施例中，温度段的度数一致，但是在其它实施例中，温度段可以具有不相等的度数。例如，在一些实施例中，与远离室温510的温度段相比，接近室温510的温度段可以具有更大(或更小)的温度跨度。

参照图6，在磁场传感器的生成过程中，由工厂预先根据实际需求确定好温度点以及和温度点相当于的温度分段；然后在选定的校准温度子集处测量增益和偏移得到图4所示的灵敏度-温度特性曲线图和图5所示的偏移-温度特性曲线图；根据测量的温度特性曲线建立增益校正系数和偏移校正系数；最后再由工厂将多个增益校正系数、多个偏移校正系数保存至校正系数EEPROM中。在芯片实际工作之前，插值控制信号已由工厂保存至插值控制EEPROM内，用户增益修正值和用户偏移修正值也由用户通过通行链路写入了用户增益EEPROM和用户偏移EEPROM。

在芯片工作过程中，磁场传感器的温度检测模块测量环境温度，生成代表温度值的数字信号；接着由插值处理器确定温度分段，并根据测得的温度进行插值以建立插值增益校正值；然后组合处理器接收用户增益修正值，并结合插值增益校正值和用户增益修正值以建立组合增益修正值；生成的组合增益修正值被保存在增益调节寄存器中；最后增益调节寄存器将增益调节信号应用于增益调节电路，以调节磁场传感器的灵敏度值，从而完成灵敏度校正。灵敏度校正完成后，插值处理器根据测得的温度进行插值以建立插值偏移校正值；然后组合处理器接收用户偏移修正值，并结合插值偏移校正值和用户偏移修正值以建立组合偏移修正值；生成的组合偏移修正值被保存在偏移调节寄存器中；最后偏移调节寄存器将偏移调节信号应用于偏移调节电路，以调节磁场传感器的偏移电压(静态输出电压)，从而完成偏移校正。

综上，本发明提供一种具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器。这种磁场传感器在模拟信号路径上通过数字电路对灵敏度和静态输出电压进行校正，既具有模拟通路的快速响应时间，又保证了室温下灵敏度和静态输出电压的精度，并且可在生产和使用过程中改变温度补偿特性；采用分段线性插值温度补偿技术，能同时对灵敏度和静态输出电压进行高阶温度补偿；不仅能补偿温度变化对灵敏度和静态输出电压的影响，还可以补偿机械应力和器件老化产生的灵敏度漂移和静态输出电压漂移；可以通过增加代表温度值的数字信号的位数来提高补偿精度，也可以通过增加增益补偿系数和偏移补偿系数的位数来扩大灵敏度和静态输出电压的校正范围。

在本发明中，该磁场传感器实现了模拟电路的快速响应时间，又能在生产或使用过程中修改补偿特性，实现了全温度范围内几乎不变的灵敏度和静态输出电压，但是不排除通过对磁场传感器的重新设计实现单一的灵敏度校正或偏移校正。如下本发明提供单一情况下的实施例。

以下提供本发明具体的实施例

实施例1

一种具有灵敏度校正的磁场传感器，包括：模拟信号通路模块1、校正模块2、温度检测模块3、EEPROM存储模块4以及分段处理器模块5，其中：

模拟信号通路模块1用于检测外部磁场并输出相应大小的电压信号；该模块响应于外部磁场，并接收校正模块2输出的增益控制信号，最终产生与磁场大小成正比例的电压信号，作为整个磁场传感器的输出；

校正模块2用于灵敏度校正；该模块接收分段处理器模块5输出的增益校正信号，并响应接收到的信号，生成增益控制信号，从而控制模拟信号通路模块1的灵敏度值(增益)。

温度检测模块3用于检测温度信息并输出代表温度值的数字信号；该模块实时监测磁场传感器所处环境的温度信息，通过内部的模数转换器将温度信息转换为代表温度值的数字信号，并将该信号传送给分段处理器模块5；

EEPROM存储模块4用于存储用户和工厂编程的数据；该模块通过编程板和编程软件实现串行数据的写入和读出，在磁场传感器正常工作时，将存储好的用户增益修正值、增益校正系数和插值控制信号输送到分段处理器模块5；

分段处理器模块5根据分段插值算法处理各项数据；该模块接收代表温度值的数字信号、用户增益修正值、增益校正系数和插值控制信号，并结合这些数字信号产生增益校正信号。

实施例2

一种具有偏移校正功能的磁场传感器，包括：模拟信号通路模块1、校正模块2、温度检测模块3、EEPROM存储模块4以及分段处理器模块5，其中：

模拟信号通路模块1用于检测外部磁场并输出相应大小的电压信号；该模块响应于外部磁场，并接收校正模块2输出的偏移控制信号，最终产生与磁场大小成正比例的电压信号，作为整个磁场传感器的输出；

校正模块2用于偏移校正；该模块接收分段处理器模块5输出的偏移校正信号，并响应接收到的信号，生成偏移控制信号，从而控制模拟信号通路模块1的偏移值(静态输出电压)。

温度检测模块3用于检测温度信息并输出代表温度值的数字信号；该模块实时监测磁场传感器所处环境的温度信息，通过内部的模数转换器将温度信息转换为代表温度值的数字信号，并将该信号传送给分段处理器模块5；

EEPROM存储模块4用于存储用户和工厂编程的数据；该模块通过编程板和编程软件实现串行数据的写入和读出，在磁场传感器正常工作时，将存储好的用用户偏移修正值、偏移校正系数和插值控制信号输送到分段处理器模块5；

分段处理器模块5根据分段插值算法处理各项数据；该模块接收代表温度值的数字信号、用户偏移修正值、偏移校正系数和插值控制信号，并结合这些数字信号产生增益校正信号和偏移校正信号。

实施例3

一种具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，包括：模拟信号通路模块1、校正模块2、温度检测模块3、EEPROM存储模块4以及分段处理器模块5，其中：

模拟信号通路模块1用于检测外部磁场并输出相应大小的电压信号；该模块响应于外部磁场，并接收校正模块2输出的增益控制信号和偏移控制信号，最终产生与磁场大小成正比例的电压信号，作为整个磁场传感器的输出；

校正模块2用于灵敏度校正和偏移校正；该模块接收分段处理器模块5输出的增益校正信号和偏移校正信号，并响应接收到的信号，生成增益控制信号和偏移控制信号，从而控制模拟信号通路模块1的灵敏度值(增益)和偏移值(静态输出电压)。

温度检测模块3用于检测温度信息并输出代表温度值的数字信号；该模块实时监测磁场传感器所处环境的温度信息，通过内部的模数转换器将温度信息转换为代表温度值的数字信号，并将该信号传送给分段处理器模块5；

EEPROM存储模块4用于存储用户和工厂编程的数据；该模块通过编程板和编程软件实现串行数据的写入和读出，在磁场传感器正常工作时，将存储好的用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号输送到分段处理器模块5；

分段处理器模块5根据分段插值算法处理各项数据；该模块接收代表温度值的数字信号、用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号，并结合这些数字信号产生增益校正信号和偏移校正信号。

在本实施例中，模拟信号通路模块1包括电流源、磁场感测元件、增益可调放大器、滤波器和输出级放大器，其中：电流源，用于产生恒定电流，作为磁场感测元件的供电电流源；磁场感测元件，用于接收外部磁场，并产生与外部磁场大小成正比例的磁场小信号；增益可调放大器，用于放大磁场小信号，同时接收增益控制信号，其增益大小受增益控制信号的调节，最终生成经灵敏度调整后的信号；滤波器，用于接收经灵敏度调整后的信号，滤除该信号中的噪声和失调电压，并生成经滤波后的信号；输出级放大器，用于接收经滤波后的信号，同时响应于偏移控制信号，最终生成经偏移调整后的信号，该信号是与磁场大小成正比例的电压信号，并且是整个磁场传感器的输出。

在本实施例中，校正模块2包括增益调节电路和偏移调节电路，其中：增益调节电路，用于接收增益校正信号，并产生增益控制信号来调节增益可调放大器的增益值；偏移调节电路，用于接收偏移校正信号，并产生偏移控制信号来调节输出级放大器的偏移(静态输出电压)值。

在本实施例中，温度检测模块3包括温度传感器、积分器和双斜坡ADC控制器，其中：温度传感器，用于检测实时的温度值，并输出代表温度值的模拟电压信号；积分器，用于对代表温度值的模拟电压信号进行积分，产生占空比与温度相关的PWM信号；双斜坡ADC控制器，用于将PWM信号转换为代表温度值的数字信号，其接收积分器的PWM信号，产生积分控制信号，并将其反馈回积分器，以控制积分器的积分情况。

在本实施例中，EEPROM存储模块4包含插值控制EEPROM、校正系数EEPROM、用户增益EEPROM和用户偏移EEPROM，其中：插值控制EEPROM，用于存储内插控制信号，并在传感器工作过程中，将内插控制信号传输到分段处理器；校正系数EEPROM，用于存储多个增益校正系数和多个偏移校正系数，并在传感器工作过程中，将校正系数传输到分段处理器；用户增益EEPROM，用于存储用户增益修正值，用户可以根据实际使用需求将代表灵敏度信息的用户增益修正值写入EEPROM内，在传感器工作过程中，用户增益修正值将传输到分段处理器中；用户偏移EEPROM，用于存储用户偏移修正值，用户可以根据实际使用需求将代表静态输出电压信息的用户偏移修正值写入EEPROM内，在传感器工作过程中，用户偏移修正值将传输到分段处理器中。

在本实施例中，分段处理器模块5包括插值处理器、组合处理器、增益调节寄存器和偏移调节寄存器，其中：插值处理器，接收代表温度信息的数字信号，并识别由数字信号表示的温度所在的温度分段；接收内插控制信号，并根据内插控制信号从多个预定插值类型中选择相应的插值类型；接收与所识别的温度分段相关联的一对增益校正系数，并根据温度信号在一对增益校正系数之间进行插值以产生插值增益校正值；接收与所识别的温度分段相关联的一对偏移校正系数，并根据温度信号在一对偏移校正系数之间进行插值以产生插值偏移校正值；组合处理器，被耦合以接收用户增益校正值与插值增益校正值，并将用户增益校正值与插值增益校正值组合以生成组合增益校正值，其中，增益控制信号是与组合增益校正值有关的模拟信号；组合处理器还被耦合以接收用户偏移校正值和插值偏移校正值，并将用户偏移校正值与插值偏移校正值进行组合，以产生组合偏移校正值，其中，偏移控制信号是与组合偏移校正值相关的模拟信号。增益调节寄存器，用于接收和存储组合增益校正值，并输出增益控制信号来控制增益调节电路；偏移调节寄存器，用于接收和存储组合偏移校正值，并输出偏移控制信号来控制偏移调节电路。

在本实施例中，在生产磁场传感器的过程中，在所选择的多个校准温度的子集中测量磁场传感器的增益；以及根据所述测量在所述多个校准温度的子集中建立增益校正系数；并将所述增益校正系数预先存储在磁场传感器中；以及在所选择的多个校准温度的子集中测量磁场传感器的偏移；以及根据所述测量在所述多个校准温度的子集中建立偏移校正系数；并将所述偏移校正系数预先存储在磁场传感器中。本发明在模拟信号路径上通过数字电路对灵敏度和静态输出电压进行校正。这样既具有模拟通路的快速响应时间，又保证了室温下灵敏度和静态输出电压的精度，并且可在生产和使用过程中改变温度补偿特性。采用分段线性插值温度补偿技术，能同时对灵敏度和静态输出电压进行高阶温度补偿，相比于一阶温度补偿，其补偿效果更好。不仅能补偿温度变化对灵敏度和静态输出电压的影响，还可以补偿机械应力和器件老化产生的灵敏度漂移和静态输出电压漂移。可以通过增加代表温度值的数字信号的位数来提高补偿精度，也可以通过增加增益补偿系数和偏移补偿系数的位数来扩大灵敏度和静态输出电压的校正范围。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，其特征在于，包括

模拟信号通路模块(1)、校正模块(2)、温度检测模块(3)、EEPROM存储模块(4)以及分段处理器模块(5)，所述模拟信号通路模块(1)用于检测外部磁场并输出相应大小的电压信号，以及用于接收校正模块(2)输出的增益控制信号和偏移控制信号；所述校正模块(2)用于接收分段处理器模块(5)输出的增益校正信号和偏移校正信号；所述温度检测模块(3)用于检测温度信息并输出代表温度值的数字信号；所述EEPROM存储模块(4)用于存储用户和工厂编程的数据；所述分段处理器模块(5)用于接收代表温度值的数字信号、存储用户和工厂编程的数据，产生增益校正信号和偏移校正信号。

2.如权利要求1的具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，其特征在于，

所述温度检测模块(3)通过内部的模数转换器将温度信息转换为代表温度值的数字信号，并将该信号传送给分段处理器模块(5)；所述EEPROM存储模块(4)将存储好的用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号输送到分段处理器模块(5)；所述分段处理器模块(5)接收代表温度值的数字信号、用户增益修正值、用户偏移修正值、增益校正系数、偏移校正系数和插值控制信号，并产生增益校正信号和偏移校正信号。

3.如权利要求2的具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，其特征在于，所述模拟信号通路模块(1)包括电流源、磁场感测元件、增益可调放大器、滤波器和输出级放大器，所述电流源，用于产生恒定电流，作为磁场感测元件的供电电流源；所述磁场感测元件，用于接收外部磁场，并产生与外部磁场大小成正比例的磁场小信号；所述增益可调放大器，用于放大磁场小信号，同时接收增益控制信号，生成经灵敏度调整后的信号；所述滤波器，用于接收经灵敏度调整后的信号，滤除该信号中的噪声和失调电压，并生成经滤波后的信号；所述输出级放大器，用于接收经滤波后的信号，同时响应于偏移控制信号，生成经偏移调整后的信号，该信号是与磁场大小成正比例的电压信号，是整个磁场传感器的输出。

4.如权利要求3的具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，其特征在于，所述校正模块(2)包括增益调节电路和偏移调节电路，所述增益调节电路，用于接收增益校正信号，并产生增益控制信号来调节增益可调放大器的增益值；所述偏移调节电路，用于接收偏移校正信号，并产生偏移控制信号来调节输出级放大器的偏移值。

5.如权利要求4的具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，其特征在于，所述温度检测模块(3)包括温度传感器、积分器和双斜坡ADC控制器，所述温度传感器，用于检测实时的温度值，并输出代表温度值的模拟电压信号；所述积分器，用于对代表温度值的模拟电压信号进行积分，产生占空比与温度相关的PWM信号；所述双斜坡ADC控制器，用于将PWM信号转换为代表温度值的数字信号，其接收积分器的PWM信号，产生积分控制信号，并将其反馈回积分器，以控制积分器的积分情况。

6.如权利要求5的具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，其特征在于，所述EEPROM存储模块(4)包含插值控制EEPROM、校正系数EEPROM、用户增益EEPROM和用户偏移EEPROM，所述插值控制EEPROM，用于将内插控制信号传输到分段处理器；所述校正系数EEPROM，用于存储多个增益校正系数和多个偏移校正系数，将校正系数传输到分段处理器；所述用户增益EEPROM，用于存储用户增益修正值，并传输到分段处理器模块(5)；所述用户偏移EEPROM，用于存储用户偏移修正值，并传输到分段处理器模块(5)。

7.如权利要求6的具有灵敏度校正和偏移校正功能的磁场传感器，其特征在于，所述分段处理器模块(5)包括插值处理器、组合处理器、增益调节寄存器和偏移调节寄存器，所述插值处理器，接收代表温度信息的数字信号，并识别由数字信号表示的温度所在的温度分段；接收内插控制信号，并根据内插控制信号从多个预定插值类型中选择相应的插值类型；接收与所识别的温度分段相关联的一对增益校正系数，并根据温度信号在一对增益校正系数之间进行插值以产生插值增益校正值；接收与所识别的温度分段相关联的一对偏移校正系数，并根据温度信号在一对偏移校正系数之间进行插值以产生插值偏移校正值；

所述组合处理器，被耦合以接收用户增益校正值与插值增益校正值，并将用户增益校正值与插值增益校正值组合以生成组合增益校正值，其中，增益控制信号是与组合增益校正值有关的模拟信号；组合处理器还被耦合以接收用户偏移校正值和插值偏移校正值，并将用户偏移校正值与插值偏移校正值进行组合，以产生组合偏移校正值，其中，偏移控制信号是与组合偏移校正值相关的模拟信号；

所述增益调节寄存器，用于接收和存储组合增益校正值，并输出增益控制信号来控制增益调节电路；

所述偏移调节寄存器，用于接收和存储组合偏移校正值，并输出偏移控制信号来控制偏移调节电路。

8.具有灵敏度校正和偏移校正的磁场传感器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：建立增益校正系数和偏移校正系数；

步骤S2：根据测得的温度并结合增益校正系数进行插值以建立插值增益校正值；

步骤S3：结合插值增益校正值和用户增益修正值以建立组合增益校正值；

步骤S4：将增益校正信号应用于增益调节电路，以调节磁场传感器的灵敏度值；

步骤S5：根据测得的温度并结合偏移校正系数进行插值以建立插值偏移校正值；

步骤S6：结合插值偏移校正值和用户偏移修正值以建立组合偏移校正值；

步骤S7：将偏移校正信号应用于偏移调节电路，以调节磁场传感器的偏移电压。

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