本發(fā)明涉及傳感器，特別是一種傳感器的零點電壓輸出偏置控制電路及傳感器零點電壓校準方法。

背景技術(shù)：

1、電子設(shè)備上經(jīng)常要用到模擬信號傳感器，如氣壓傳感器，溫度傳感，電流傳感器，電壓傳感器等。

2、在呼吸檢測電路中，模擬式傳感器輸出的都是一個電壓信號，且零點電壓(指傳感器在無外部激勵(如溫度、壓力、流量等)條件下的輸出電壓。這個電壓值可以作為校準的基準，用于后續(xù)測量結(jié)果的補償和修正)往往很小，存在一定范圍的波動，如量程為1kpa的氣壓傳感，零點(標準大氣壓時)輸出±10mv。信號采集單元如mcu或者dsp等其他具備模擬信號采集(adc)功能的集成電路只能采集其工作電壓范圍內(nèi)的電壓，在mcu能采集的電壓范圍內(nèi)的下限值和上限值附近會采集不準確，并且為了提高采集的精度，還會對傳感器的輸出信號進行一定比例的放大再進行采集，常用的辦法是利用簡單的電阻分壓給傳感器的零點電壓增加一個偏置，如增加12mv，使傳感器的零點電壓變成了2mv～22mv，都是正電壓，如果mcu的電壓采集范圍是0～3.3v，采集分辨率是0.8mv，那么放大150倍后，傳感器的零點電壓就是0.55v～3.3v。當吸氣時，傳感器檢測到氣壓降低約10pa，傳感器的零點電壓會下降0.5mv，并被放大150倍，即降低75mv。傳感器零點電壓波動都會被放大150倍，被mcu采集到。

3、上述方法只能固定給偏置電壓，如果零點電壓太高，放大倍數(shù)就會被限制，信號采集的精度就不能提高，抗干擾能力也不能提高。如果零點電壓固定為1mv，就可以放大3300倍，傳感器的零點電壓就是3.3v，每次吸氣，降低3300mv，更大的變化量就能實現(xiàn)更高精度的吸氣檢測。

4、所有的傳感器零點輸出電壓都會存在溫度漂移和時間漂移。

5、溫度漂移(溫漂)：零點電壓的范圍會隨著溫度的變化而變化，如0.001％/℃。

6、時間漂移：零點電壓的范圍會隨著時間的變化而變化，每月都會有一定的漂移如0.001％/月，或者0.001％/年。

7、傳感器的零點輸出都是一個電壓范圍，如-10mv～+10mv范圍或大或小，信號采集系統(tǒng)往往只能采集正電壓信號，為了提高采集精度，還要對傳感器的輸出信號進行一定比例的放大，放大的倍數(shù)越大，傳感器輸出的信號變化反饋就越大，因此采集精度也就越高。

8、所有的mcu或者其他類型的控制器，采集的模擬信號都有一個電壓范圍和采集的分辨率，如stm32f103系列mcu電壓采集范圍0～3.3v，12位adc采集分辨率約0.8mv，即能采集的最小電壓值0.8mv。超出范圍數(shù)據(jù)溢出無效。如果傳感器零點輸出是-10mv，常用的辦法就是通過電阻分壓電路固定給一個正偏置電壓如12mv，使傳感器的零點變成2mv，但是傳感器的一致性問題存在，假設(shè)同一批次存在另一個傳感器零點輸出使10mv，由于硬件設(shè)計都是固定的電壓偏置，也被添加了12mv的正偏置電壓，此時傳感器的零點電壓為22mv，放大150倍后達到mcu電壓采集的上限值3.3v，傳感器輸出的電壓變化都會被放大150倍。如果能夠主動控制傳感器的零點輸出為2mv，當零點輸出低于2mv就加偏置電壓，當零點高于2mv就控制減電壓。這樣就可以固定放大1650倍達到mcu電壓采集的上限值3.3v，傳感器輸出的電壓變化都會被放大1650倍，相比前者放大倍數(shù)提高了11倍，如果能將傳感器零點電壓固定控制在0.2mv，就可以放大16500倍，精度再提高10倍，理論上只要adc模塊的分辨率足夠高，主動偏置電壓控制的方法可以無限提高小電壓信號的采集精度。

9、因此自適應(yīng)主動偏置電壓控制可以在設(shè)備每次上電時，把傳感器的零點電壓控制在一個設(shè)定的固定值，無需擔心溫度漂移和時間漂移。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種傳感器的零點電壓輸出偏置控制電路及傳感器零點電壓校準方法，主動升高或降低傳感器的零點電壓，能對傳感器的溫漂和時間漂移調(diào)零。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種傳感器的零點電壓輸出偏置控制電路，包括：

3、傳感器，用于輸出差分電壓信號；

4、差分放大電路，用于放大所述差分電壓信號；

5、處理器，包括adc模塊、dac模塊和控制器模塊，所述adc模塊用于將差分電壓信號轉(zhuǎn)換為控制器模塊可讀取的數(shù)字信號，所述dac模塊用于將控制器模塊輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；

6、偏置電壓調(diào)節(jié)模塊，用于對所述模擬信號和所述傳感器的輸出電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)傳感器的零點校準。

7、在一種實現(xiàn)方式中，所述傳感器與第一電壓跟隨器、第二電壓跟隨器連接；所述第一電壓跟隨器輸出端接所述差分放大電路反向輸入端，所述第二電壓跟隨器接所述差分放大電路同向輸入端。電壓跟隨器提高了傳感器輸出電壓的驅(qū)動能力和抗干擾能力。

8、在一種實現(xiàn)方式中，所述偏置電壓調(diào)節(jié)模塊包括第一電路和第二電路；所述第一電路包括第四電壓跟隨器，所述第四電壓跟隨器同向輸入端接所述dac模塊輸出，所述第四電壓跟隨器反向輸入端和輸出端接第一二極管陽極；所述第二電路包括第五電壓跟隨器，所述第五電壓跟隨器同向輸入端接所述dac模塊輸出，所述第五電壓跟隨器反向輸入端和輸出端接第二二極管陰極；所述第一二極管陰極、第二二極管陽極接入所述第二電壓跟隨器輸出端和差分放大電路同向輸入端之間。

9、在一種實現(xiàn)方式中，所述差分放大電路包括運算放大器，所述運算放大器反向輸入端通過第一電阻接所述運算放大器輸出端；所述運算放大器反向輸入端通過第二電阻接所述adc模塊，所述第一電壓跟隨器輸出端并接入所述第二電阻和adc模塊之間。

10、在一種實現(xiàn)方式中，所述運算放大器同向輸入端通過第三電阻接第三電壓跟隨器的反向輸入端和輸出端，所述第四電阻跨接在所述運算放大器同向輸入端和地之間；所述第三電阻和所述第三電壓跟隨器輸出端均接所述adc模塊；所述第一二極管陰極、第二二極管陽極接入所述第二電壓跟隨器輸出端和第三電壓跟隨器同向輸入端之間。

11、所述偏置電壓調(diào)節(jié)模塊對所述模擬信號和所述傳感器的輸出電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)傳感器的零點校準的具體實現(xiàn)過程包括：

12、當差分放大器輸入差模電壓小于目標差值時，控制dac模塊輸出滿量程dac1，第二二極管截止；開始調(diào)節(jié)，控制dac模塊輸出第一電壓dac2，該第一電壓經(jīng)第四電壓跟隨器和第一二極管后疊加到vc上，控制器模塊判斷此時的差分放大器輸入差模電壓是否小于目標差值，若是，則控制dac模塊輸出第二電壓dac2，該第二電壓經(jīng)第四電壓跟隨器和第一二極管后疊加到vc上，依此類推，直至差分放大器輸入差模電壓等于目標差值；其中，二極管d2正偏導通壓降為vf，第一電壓大于調(diào)節(jié)開始前的vc+vf，第二電壓大于第一電壓；

13、當差分放大器輸入差模電壓大于目標差值時，控制器模塊控制dac模塊輸出為0，第一二極管截止；開始調(diào)節(jié)，控制器模塊控制dac模塊輸出第一電壓值，該第一電壓值經(jīng)過第五電壓跟隨器，使第二二極管d2正偏導通，vc電壓值降低，控制器模塊判斷此時的差分放大器輸入差模電壓是否大于目標差值，若是，則控制dac模塊輸出第二電壓值，該第二電壓值經(jīng)過第五電壓跟隨器，使第二二極管d2正偏導通，vc電壓值再次降低，依此類推，直至差分放大器輸入差模電壓等于目標差值；其中，二極管d2正偏導通壓降為vf，第一電壓值小于調(diào)節(jié)開始前的vc-vf，第二電壓值小于第一電壓值；

14、vc為第一二極管陰極和第二二極管陽極與信號線的連接點電壓，所述信號線指所述第二電壓跟隨器輸出端與差分放大電路同向輸入端之間的信號線。

15、本發(fā)明可以主動控制傳感器輸出電壓的零點電壓，實現(xiàn)精確校準。

16、在一種實現(xiàn)方式中，所述adc模塊、dac模塊、控制器模塊集成于一體。

17、在一種實現(xiàn)方式中，所述dac模塊采用dac芯片或者dc/dc電源芯片。

18、作為一個發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種采用上述控制電路實現(xiàn)傳感器零點電壓校準的方法，該方法包括：

19、控制器模塊判斷傳感器的零點輸出差模電壓是否小于目標差值，若是，則控制dac模塊輸出滿量程dac1，使得偏置電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓穩(wěn)定在當前值；開始調(diào)節(jié)時，控制器模塊控制dac模塊輸出第一電壓dac2，所述第一電壓疊加到偏置電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓上，控制器模塊判斷差分放大器輸入差模電壓是否小于所述目標差值，若是，則控制dac模塊輸出第二電壓dac2，所述第二電壓疊加到偏置電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓上，控制器模塊判斷差分放大器輸入差模電壓是否小于所述目標差值，若是，則控制dac模塊輸出第三電壓dac3，依此類推，直至差分放大器輸入差模電壓等于目標差值；其中，第一電壓大于調(diào)節(jié)開始前偏置電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓，第二電壓大于第一電壓，第三電壓大于第二電壓；

20、控制器模塊判斷傳感器的輸出差模電壓是否大于目標差值，若是，則控制dac模塊輸出為0，使得偏置電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓穩(wěn)定在當前值；開始調(diào)節(jié)時，控制所述dac模塊輸出第一電壓值該第一電壓值經(jīng)過第五電壓跟隨器，使第二二極管d2正偏導通，偏置電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓降低，控制器模塊判斷差分放大器輸入差模電壓是否大于所述目標差值，若是，則控制dac模塊輸出第二電壓值，控制器模塊判斷差分放大器輸入差模電壓是否大于所述目標差值，若是，則控制器模塊控制dac模塊輸出第三電壓值，依此類推，直至差分放大器輸入差模電壓等于目標差值；其中，第一電壓值小于調(diào)節(jié)開始前偏置電壓調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓，第二電壓值小于第一電壓值，第三電壓值小于第二電壓值。

21、當差分放大器輸入差模電壓等于目標差值時，控制器模塊保存dac模塊的控制值。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明能主動控制傳感器輸出電壓的零點電壓，實現(xiàn)精確校準，對傳感器的溫漂和時間漂移調(diào)零。