從信號(hào)中去除偏移的設(shè)備及其方法,磁性傳感器單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及偏移補(bǔ)償領(lǐng)域，特別是從磁性傳感器信號(hào)去除偏移用于過(guò)零檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁性傳感器與永磁體或磁化的部件相結(jié)合可用于感測(cè)機(jī)械部件的速率。例如，如 果磁性傳感器被放置在離磁化的車輪近距離的位置，該磁化的車輪的圓周被分成多個(gè)區(qū) 間，這些區(qū)間被交替地磁化為磁南和磁北，那么磁性傳感器隨著車輪的旋轉(zhuǎn)將感測(cè)周期性 的磁場(chǎng)。通過(guò)分析傳感器的輸出和知道車輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可能確定，例如，在傳感器位置的 時(shí)變磁場(chǎng)的頻率，并因此確定車輪的角速度。
[0003] 在一些應(yīng)用中，只需要檢測(cè)機(jī)械部分的特定位置。這解釋了當(dāng)磁性傳感器的輸出 具有特定值時(shí)的檢測(cè)。例如，在許多實(shí)際案例中，識(shí)別磁場(chǎng)的過(guò)零時(shí)刻。
[0004] 在另一些應(yīng)用中，永久磁體附著在機(jī)械部分上和為了測(cè)量該部分的轉(zhuǎn)動(dòng)角，由角 磁性傳感器感測(cè)磁場(chǎng)的方向。
[0005] 在傳感器或它的讀出中的誤差，例如任何添加到信號(hào)上的偏移，將引起過(guò)零的確 定的誤差。在許多磁性傳感器中，例如各向異性磁電阻（AMR)傳感器，偏移甚至可能比信號(hào) 振幅更大，導(dǎo)致不能接受的誤差或者甚至不能檢測(cè)。此外，如果在磁疇中存在任何偏移，例 如與所要感測(cè)的場(chǎng)平行的任何DC雜散場(chǎng)，許多用于偏移消除的常規(guī)方法不能正常工作。
[0006] 可以通過(guò)在有限的時(shí)間內(nèi)觀察傳感器輸出信號(hào)和使它與所期望的信號(hào)相適應(yīng)來(lái) 推測(cè)偏移。然而，如果在小于一個(gè)周期內(nèi)觀察信號(hào)并需要知道信號(hào)的一些并不總是能獲知 的特征（如，形狀，振幅，頻率）時(shí)，這是不實(shí)用的?；蛘?，可以通過(guò)一個(gè)周期的傳感器輸出 信號(hào)的平均化和沒(méi)有預(yù)先知道任何該信號(hào)特性來(lái)獲得偏移。然而，在一些應(yīng)用中，例如在啟 動(dòng)時(shí)車輪速率的檢測(cè)中，不允許在產(chǎn)生第一個(gè)精確的過(guò)零信號(hào)前等待輸出信號(hào)的一整個(gè)周 期。這種嚴(yán)格的時(shí)間限制歸因于以下事實(shí)：在這種情況下，觀察sub-Hz磁場(chǎng)并且等待信號(hào) 的完整周期將導(dǎo)致延遲太久。
[0007] 解決上述問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是在測(cè)試階段校準(zhǔn)偏移。這可以通過(guò)在測(cè)試階段傳感器 的激光微調(diào)或測(cè)量偏移和在正常工作階段使用前饋補(bǔ)償來(lái)完成。然而，這些技術(shù)增加測(cè)試 成本和可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，該錯(cuò)誤的結(jié)果是由于溫度變化或老化引起的偏移變化而導(dǎo)致 的。
[0008] 因此，需要一種簡(jiǎn)單且成本節(jié)約的獲得精確的過(guò)零檢測(cè)的方法，特別是不需要額 外的校準(zhǔn)和只需要少量的關(guān)于信號(hào)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 上述需求可能通過(guò)根據(jù)本發(fā)明獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的從屬權(quán)利要求 提出了優(yōu)選的實(shí)施例。根據(jù)第一方面，提供一種用于從信號(hào)中除去偏移的設(shè)備，該設(shè)備包括 (a)頻率估計(jì)單元，用于估計(jì)信號(hào)的頻率，（b)偏移估計(jì)單元，用于通過(guò)將自適應(yīng)低通濾波 器應(yīng)用到信號(hào)上估計(jì)信號(hào)中的偏移，其中自適應(yīng)濾波器的截止頻率基于由頻率估計(jì)單元估 計(jì)的信號(hào)的頻率決定，和（C)減法單元，適于從信號(hào)中減去由偏移估計(jì)單元估計(jì)的偏移。 [0010] 這個(gè)方面基于的思想是用于估計(jì)信號(hào)中的偏移的自適應(yīng)低通濾波器的截止頻率 是取決于信號(hào)的估計(jì)的頻率。因此，可能保證截止頻率是足夠低的從而有效減少信號(hào)的時(shí) 變部分（即低到實(shí)質(zhì)上只有偏移通過(guò)濾波器）同時(shí)防止截止頻率被設(shè)置為低到濾波器的建 立時(shí)間（通常與l/f； utif成比例）變?yōu)椴槐匾拈L(zhǎng)。換句話說(shuō)，截止頻率可以設(shè)置為實(shí)現(xiàn) 偏移的精確估計(jì)和短的濾波器建立時(shí)間之間的最佳平衡。
[0011] 信號(hào)可能特別是來(lái)自磁性傳感器的時(shí)變輸出信號(hào)。磁性傳感器可能例如被布置為 測(cè)量車輛中的輪或軸的轉(zhuǎn)速。
[0012] 在上下文中，術(shù)語(yǔ)"偏移"可能特別表示信號(hào)的基本恒定的分量。
[0013] 在上下文中，術(shù)語(yǔ)"截止頻率"可能特別地表示自適應(yīng)濾波器用預(yù)定量，例如3dB 來(lái)減少信號(hào)振幅。
[0014] 在上下文中，術(shù)語(yǔ)"自適應(yīng)濾波器"可能特別地表示具有可調(diào)節(jié)的截止頻率的低通 濾波器。
[0015] 基于估計(jì)的信號(hào)頻率調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，可以獲得對(duì)于任何信號(hào)頻率在 傳感器信號(hào)的時(shí)變部分上疊加的偏移的精確和快速的估計(jì)。因此，通過(guò)從信號(hào)中減去估計(jì) 的偏移，促進(jìn)時(shí)變信號(hào)部分的過(guò)零的精確檢測(cè)。
[0016] 本發(fā)明可以應(yīng)用到角度傳感器，以消除傳感器偏移和獲得更精確的讀數(shù)。
[0017] 根據(jù)一種實(shí)施例，偏移估計(jì)單元適于將自適應(yīng)低通濾波器的截止頻率設(shè)置到由頻 率估計(jì)單元估計(jì)的信號(hào)頻率除以常數(shù)k。
[0018] 換句話說(shuō)，截止頻率設(shè)置到所估計(jì)的信號(hào)頻率的一部分。
[0019] 常數(shù)k大于1并且通常選擇為使自適應(yīng)濾波器有效減小在所估計(jì)的頻率處的信號(hào) 內(nèi)容。特別地，常數(shù)k可能選擇為使在所估計(jì)的頻率處的信號(hào)分量的振幅被減小到實(shí)際振 幅的約1%。優(yōu)選地，常數(shù)k在10和25之間的范圍中，例如在12和23之間的范圍中，例如 在15和20之間的范圍中，例如大約17。
[0020] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，設(shè)備還包括比較器單元。比較器單元被耦合到減法單元的輸 出端和適于根據(jù)從減法單元接收的信號(hào)的符號(hào)產(chǎn)生在正值和負(fù)值之間交替的矩形波。
[0021] 換句話說(shuō)，比較器單元適于檢測(cè)從減法單元接收的信號(hào)是正的或負(fù)的并當(dāng)從減法 單元接收的信號(hào)是正的時(shí)產(chǎn)生具有正值的信號(hào)和當(dāng)從減法單元接收的信號(hào)是負(fù)的時(shí)產(chǎn)生 具有負(fù)值的信號(hào)，即具有矩形波形的信號(hào)。
[0022] 當(dāng)所估計(jì)的偏移等于或接近于實(shí)際的偏移時(shí)，矩形波形可能實(shí)質(zhì)上是一種方波。 換句話說(shuō)，當(dāng)所估計(jì)的偏移接近實(shí)際偏移時(shí)矩形波形的占空比接近50%。
[0023] 矩形波形優(yōu)選地是對(duì)稱的，在某種意義上它在+a和a之間交替（例如+1和1之 間）。
[0024] 因此，比較器單元可以促進(jìn)信號(hào)的過(guò)零檢測(cè)，這發(fā)生在矩形波形從它的正值變?yōu)?負(fù)值的時(shí)刻，反之亦然。
[0025] 根據(jù)另一實(shí)施例，頻率估計(jì)單元適于通過(guò)測(cè)量由比較器單元產(chǎn)生的矩形波的脈沖 寬度估計(jì)信號(hào)的頻率。
[0026] 通過(guò)測(cè)量矩形波的脈沖寬度，即在理想情況下的信號(hào)的半個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間，頻 率估計(jì)可以計(jì)算為f est = 1Λ2ΧΤ)，其中T表示與所測(cè)量的脈沖寬度相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。
[0027] 根據(jù)另一實(shí)施例，頻率估計(jì)單元包括內(nèi)部時(shí)鐘，適于產(chǎn)生具有預(yù)定的時(shí)鐘頻率fdk 的時(shí)鐘信號(hào)，和頻率估計(jì)單元適于通過(guò)計(jì)算由比較器單元產(chǎn)生的矩形波的脈沖期間的內(nèi)部 時(shí)鐘的時(shí)鐘脈沖的數(shù)目M測(cè)量由比較器單元產(chǎn)生的矩形波的脈沖寬度。
[0028] 預(yù)定的時(shí)鐘頻率優(yōu)選地遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的期望的最高頻率，例如期望最高頻率的大 約100倍以上。在一個(gè)實(shí)施例中，期望的最高頻率可能大約是IOkHz和預(yù)定的時(shí)鐘頻率可 能大約IMHz。
[0029] 根據(jù)另一實(shí)施例，頻率估計(jì)單元適于估計(jì)信號(hào)的頻率為fdl/(2XM)。
[0030] 該估計(jì)的計(jì)算是基于假設(shè)具有與M個(gè)的時(shí)鐘脈沖相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間的脈沖是半個(gè) 信號(hào)周期，從而該半個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間（在很短時(shí)間內(nèi)）等于M/f dk。
[0031] 根據(jù)另一實(shí)施例，頻率估計(jì)單元適于設(shè)置估計(jì)的頻率的初始值等于信號(hào)的預(yù)定的 最高頻率。
[0032] 初始值可以特別地是在設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)使用的估計(jì)的頻率的值，即還沒(méi)有發(fā)生任何 信號(hào)頻率的估計(jì)時(shí)。
[0033] 通過(guò)將所估計(jì)的頻率的初始值設(shè)置到與信號(hào)的預(yù)定的最高頻率相等，例如10kHz， 可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器的短的建立時(shí)間從而可以迅速計(jì)算第一偏移估計(jì)和接著改善。
[0034] 根據(jù)第二方面，提供一種磁性傳感器單兀，包括（a)磁性傳感器