CN1141532A - 偏差消除电路和采用该电路的偏差消除系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明，偏差消除电路包括两个端子、一个输出端和两个中间节点。当偏差消除电路处于第一状态时，偏差消除电路在两个中间节点间产生对应于两个端子电压差值的压差，在输出端产生对应于两个中间节点间压差和第一个电压的电压。当偏差消除电路处于第二状态时，它在两个中间节点间产生对应于两个端子电压差值的压差，在输出端产生对应于两个中间节点间电压差和第二个电压的电压。

Description

偏差消除电路和采用该电路的 偏差消除系统

本发明涉及偏差消除电路和采用该电路的偏差消除系统，用于消除压力传感器或类似设备的偏差电压。

偏差消除电路包括一个前置放大器单元和一个电平移动单元。前置放大器单元以电气方式同输出小电压差的诸如压力传感器之类的器件相连。前置放大器单元用作接收这种小电压差、将它放大、并将放大的电压差输出的电路。电平移动单元用作产生对一个可设置的期望参考电压和放大的电压差的响应电压并输出到AD转换器的电路。这样，电平移动单元可以调节输出到AD转换器的电压，以使其落入AD转换器的标准输入范围。

下面描述偏差消除电路的运转和采用偏差消除电路的系统。

首先将从压力传感器输出的电压差记为X₁。然后，电压差X₁提供给前置放大器单元的一个输入端。这种情况下，电平移动单元输出端产生的输出电压Y₁满足关系式Y₁＝ax₁+bA+c(其中：a，b为系数，A为参考电压)。前置放大器单元和电平移动单元分别包含多个运算放大器。而每一个运算放大器都有一个偏差电压。符号c表示由这种偏差电压产生的项。AD转换器接收Y₁，将模拟量Y₁转换为数字量Y₃，并把Y₃输出到一个运算装置。

下一步，向前置放大器单元输入端提供“0”电压差。这时电平移动单元输出端上的电压Y₂满足关系式Y₂＝a·0+bA+c。AD转换器接收Y₂，将模拟量Y₂转换为数字量Y₄，接着输出到运算装置。

根据前面得到的Y₃和Y₄，运算装置实际上完成Y₃-Y₄的算术运算。为了简化说明，下面的描述中我们假定运算装置完成运算：Y₃-Y₄＝Y₁-Y₂。(因为Y₃-Y₄和Y₁-Y₂是相关联的)。

运算装置计算Y₁-Y₂以得出电压差Y₁-Y₂＝ax₁。结果，可以得出同各个运算放大器偏差电压无关的电压差。

但是，压力传感器之类的给前置放大器单元提供小电压差的器件也包含有偏差电压。因此，就产生一个输出误差“e”，称为偏差输出，当压力传感器处于给定的压力范围时，压力传感器的输出电压差X₁就由理想值“d”变成为“d+e”。结果Y₁＝a·(d+e)+bA+c而Y₂＝a·0+bA+c。由这两个式子，Y₁-Y₂变成a·(d+e)(＝ad+a·e)。相应地，基于压力传感器的偏差输出的项a·e出现在电平移动单元的输出节点上。偏差电压依产品不同而不同，相应的输出误差e也因产品不同而不同。因此有必要修正输出误差e。

从前述观点看，本发明的目的是修正连接到前置放大器单元上的诸如压力传感器等的因产品不同而变化的偏差电压造成的输出误差。

根据本发明的一个方面，为达到上述目的，提供了一个偏差消除电路，包括两个端子、一个输出端和两个中间节点。偏差消除电路这样运转、即当其处于第一种状态时，在两个中间节点间产生对应于两个端子电压差的压差，而输出端上产生对应于两个中间节点间电压差和第一个电压的电压；处于第二种状态时，两个中间节点间产生对应于两个端子电压之差的压差，而输出端上产生对应于两个中间节点间电压差和第二个电压的电压。

下面的介绍连同相关的附图将有助于更好地理解本发明的目的、特点和优点。

图1是相应于本发明的第一实施例，为包含偏差消除电路的偏差消除系统的电路图示；

图2是相应于本发明的第二实施例，为包含偏差消除电路的偏差消除系统的电路图示。

参考相应的附图，下面介绍本发明的优选实施例。

首先参考附图1介绍第一实施例。

符号N1到N16分别表示节点，A1到A4分别表示运算放大器(下文简称“运放”)。S1到S4分别表示模拟开关。R1到R8分别代表电阻，R9表示一个可变电阻。压力传感器的一个输出端以电气方式连接到输入端IN1，而另一端连接到输入端IN2。输入端IN1、运放A1的正输入端(下文称“正相输入”)和模拟开关S1的一个模拟输入/输出端相连到节点N1。模拟开关S1、S2、S3和S4的控制端相连到节点N2。模拟开关S2的一个模拟输入/输出和运放A2的正相输入相连到节点N3。节点N4同运放A1的负输入端(下文称“反相输入”)、电阻R1和R2的一端相连。节点N5同运放A2的反相输入端、R3的一端和R2的另一端相连。节点N6同输入IN2和模拟开关S2的另一个输入/输出相连。节点N7同运放A1的输出、电阻R1的另一端、电阻R4的一端相连。节点N8同运放A2的输出、电阻R3的另一端、R6的另一端相连。节点N9同电阻R4的另一端、R5的一端以及运放A4的反相输入相连。节点N10同电阻R6的另一端、R7的另一端以及运放A4的正相输入相连。节点N11同运放A4的输出、电阻R5的另一端以及模数转换器(下文称AD转换器)的输入相连。节点N12同电阻R7的另一端、运放A3的输出以及运放A3的反相输入相连。节点N13同运放A3的反相输入、模拟开关S3的一个输入/输出以及模拟开关S4的一个输入/输出相连。节点N16同模拟开关S3的另一个输入/输出、电阻R8的一端以及R9的一端相连。节点N14同电阻R9的另一端相连。在节点N14提供源电压VDD。节点N15同电阻R8的另一端以及模拟开关S4的另一个输入/输出相连。节点N15同地线GND相连。

前置放大器单元包括模拟开关S1和S2，运放A1和A2，以及电阻R1到R3。电平移动单元包括模拟开关S3和S4，运放A3和A4，以及电阻R4到R8以及可变电阻R9。

电阻R1、R2、R3和R4的阻值之比定为1∶1∶1∶1。

可变电阻R9用来调节节点N16的电平，当模拟开关S3闭合时调节节点N13的电平。

下面介绍相应于第一实施例的偏差消除电路和偏差消除系统的运转。

对于第一实施例，偏差消除电路有两种状态：输入电压差测量模式和偏差测量模式。

首先介绍偏差消除电路输入电压差测量模式的运转。

<输入电压差测量模式>

当偏差消除电路置于输入电压差测量模式时，节点N2置为低电平，因而开关S1和S4断开，而S2和S3闭合。

此时，在压力传感器上作用一个预定压力，从而输出电压差ΔV。压力传感器输出的小压差ΔV输入到节点N1和N3间。如果将节点N1和N3的电位分别定义为VN1和VN3。则其间的电压差值ΔV由下述表达式给出：

ΔV＝VN3-VN1                     (1)

前置放大器单元将压差ΔV放大(R1+R2+R3)/R2倍。电平移动单元基于放大的压差(R1+R2+R3)/R2·ΔV和节点N13的电压VN13，在节点N11产生电压VN11，满足下述关系：

VN11＝(R1+R2+R3)/R2·ΔV+VN13    (2)

这里，(2)式是在假设运放A1、A2、A3和A4的正、反相输入间没有偏压的情况下的理论计算。

实际上，运放A1、A2、A3和A4的正、反相输入端间分别存在偏压VOFF1、VOFF2、VOFF3以及VOFF4。

如果计及偏压，(2)式成为：VN11＝(R1+R2+R3)/R2·(ΔV+VOFF1

-VOFF2)+VN13+VOFF3+2·VOFF4      (3)

由于运放的偏压而在节点N11产生的误差VOP(相当于式(3)对式(2)的移位或代换)由下式给出：

VOP＝(R1+R2+R3)/R2·(VOFF1-VOFF2)

      +VOFF3+2VOFF4

误差V_OP根据产品不同而不同。现在，可以将VN13调节到一个期望值。从而，当输入每一产品的电压差保持相同时，对每一产品，通过预先调节VN13，不同产品的VN11可以调节到相等。

然而，偏压依温度，源电压等而变化。因此，即使相同的压力作用于压力传感器，在同一产品的情况下，输出电压VN11也会因使用状况的不同而改变。

此外，压力传感器也有偏压。因此，压力传感器产生的电压差ΔV中也有误差，电压差ΔV同理想值有一个偏移。即，假定当作用于压力传感器的压力为一给定值时，输入端IN1、IN2间产生的理想电压差为d，由压力传感器的偏压造成的输出电压差的误差为e，则有如下表达式：

ΔV＝d+e

压力传感器的偏压在节点N11产生的误差V_P由下式给出：

V_P＝(R1+R2+R3)/R2·e

由于每个运放的偏压和压力传感器的偏压而在节点N11产生输出电压误差，为了消除这种产品间的漂移或改变(对理想值的偏差)，偏差消除电路设置为偏差测量模式。

下面介绍偏差测量模式下，偏差消除电路和偏差消除系统的运转。

<偏差测量模式>

当偏差消除电路置为偏差测量模式时，节点N2提升为高电平。结果，模拟开关S1闭合，模拟开关S2断开，模拟开关S3断开，模拟开关S4闭合。因此，相等的电压分别输入到节点N1和N3。即，式(1)中ΔV＝0。节点N13接地GND。这样在节点N11产生的输出电压VN11′由下式给出：

VN11′＝( R1+R2+R3)/R2·(VOFF-VOFF2)

         +VOFF3+2VOFF4                (4)

VN11输出到AD转换器，进行AD转换。AD转换器基于VN11向运算装置输出一个值。此外，VN11′输出到AD转换器进行AD转换。AD转换器基于VN11′向运算装置输出一个值。运算装置计算AD转换器输出的这两个值之差。为简化说明，以下介绍中假设AD转换前后的值相等。

节点N11产生的电压VN11(式3)和VN11′(式4)之差由下式给出：

VN11-VN11′＝( R1+R2+R3)/R2·ΔV+VN13                   (5)这样，由于每个运放的偏压产生的误差就消除了。

将ΔV＝d+e代入式(5)，上述差值为：

VN11-VN11′＝(R1+R2+R3)/R2·(d+e)+VN13

由于压力传感器的偏压而在节点N11产生的输出电压误差V_P由下式给出：

V_P＝(R1+R2+R3)/R2·e

压力传感器的偏压受温度和源电压影响而改变。但是，因这种偏压而产生的输出电压差误差e的影响是预先已知的。因此，即使给定的温度和源电压改变，由这种改变而在输出电压VN11上产生的变化可以通过运算装置获得，这样，这种变化就可以被消除。

因此，当同样的压力作用到压力传感器时，通过将每一产品的VN13设为一个期望值，不同产品间VN11-VN11′的差可调节为同样的。即，每一个产品因压力传感器偏压而产生的误差偏移可以消除。

上述第一实施例中，节点N13的电压在输入电压差测量模式和偏压测量模式间转换。因此，式(5)中出现的VN13项表示在输入电压差测量模式下测得的值[式(3)]和偏压测量模式下测得的值(式(4))之间的差。因此，对每一产品通过调节，将VN13调节到一个理想值，差值VN11-VN11′可设置为一个给定值。结果，运放偏压的影响和各产品因压力传感器偏压而产生的偏移可以被消除。

图2所示为相应本发明的第二实施例的偏差消除系统电路图。

结构中同图1所示相同或相似的元件用同样的参考数字表示。因此，此处略去关于它们的描述。

图2的偏差消除系统省去了图1中的模拟开关S3。节点N13同运放A3的正相输入、电阻R8和R9的一端相连。节点N14同电阻R9的另一端和源电压VDD相连。节点N15同电阻R8的另一端、模拟开关S4的一个模拟输入/输出和地GND相连。节点N12同模拟开关S4的另一个模拟输入/输出、运放A3的输出以及电阻R7的一端相连。模拟开关S4的控制输入端同节点N2相连。运放A3的输出启动输入OE同节点N2相连。

下面介绍第二实施例的运转。

<输入电压差测量模式>

第二实施例输入电压差测量模式的运转同第一实施例中相同。因此，节点N11产生的输出电压差由(3)式给出。

<偏差测量模式>

第二实施例置于偏差测量模式时，节点N2提升为高电平。这样，模拟开关S4闭合，而运放A3的输出被禁止。作用于节点N15的电压VN15供给节点N12。相应地，式(4)成为：

VN11′＝(R1+R2+R3)/R2·(VOFF1-VOFF2)

         +VN15+2VOFF4               (6)

式(3)减去式(6)，可得下式：

VN11-VN11′＝(R1+R2+R3)/R2·ΔV+VOFF3

             +VN16-VN15             (7)这样，保留了因运放A3偏差电压而产生的误差项。

根据上述的第二实施例，由于运放A3偏压而造成的误差项留在上述表述式中。实际上，由于第二实施例中偏差测量模式下运放A3被禁止，会带来一个好处，即运放A3消耗的电流可置为0。

在关于本发明的介绍中参考了示例性的实施例。这种介绍并不想产生局限的感觉。参照说明书，对这一领域的专家而言，很显然示例的实施例可以有不同的变化。并且还有其它的实施例。因此，希望附加的权利要求可以覆盖在实际本发明范围内的这类变化以及实例。

Claims (3)

1.偏差消除电路包括：

两个端子；

一个输出端；

两个中间节点；

偏差消除电路处于第一种状态时，在两个中间节点间产生对应于两个端子间电压之差的电压差，对应于两个中间节点间的电压差产生一个电压，并在输出端提供第一个电压；处于第二种状态时，两个中间节点间产生对应于两个端子上电压差的差值，并在输出端产生对应于两个中间节点电压差和第二个电压的电压。

2.偏差消除电路包括：

两个端子，

一个输出端；

两个中间节点；

放大电路连接到两个端子和中间节点间，偏差消除电路处于第一状态时，放大电路通过放大两个端子间的第二个电压差，在两个中间节点间产生第一个电压差；当偏差消除电路处于第二状态时，放大电路通过放大两个端子间的第四个电压差，在两个中间节点间产生第三个电压差；

电平移动单元连接到两个中间节点和输出端，当偏差消除电路处于第一状态时，电平移动单元在输出端产生对应于第一个电压差和第一个电压的电压；当偏差消除电路处于第二状态时，电平移动单元在输出端产生对应于第三个电压差和第二个电压的电压。

3.偏差消除系统包括：

两个端子；

一个输出端；

两个中间节点；

放大电路连接到两个端子和两个中间节点间，当偏差消除系统处于第一状态时，放大电路通过放大两个端子间的第二个电压差在两个中间节点间产生第一个电压差；当偏差消除系统处于第二状态时，放大电路通过放大两个端子间的第四个电压差，在两个中间节点间产生第三个电压差；

电平移动单元连接到两个中间节点和输出端间，当偏差消除系统处于第一状态时，电平移动单元在输出端产生对应于第一个电压差和第一个电压的电压；当偏差消除系统处于第二状态时，电平移动单元在输出端产生对应于第三个电压差和第二个电压的电压；

当偏差消除系统处于第一状态时，AD转换器输出对输出端电压的转换值；当偏差消除系统处于第二状态时，AD转换器输出对输出端电压的第二个转换值；

运算装置完成对第一个值和第二个值的计算。

Images