技术摘要：
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 全部
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 4 CN 111596236 A 说 明 书 2/13 页 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。
技术实现要素：
： 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 5 CN 111596236 A 说 明 书 3/13 页 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 6 CN 111596236 A 说 明 书 4/13 页 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。
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 全部
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 4 CN 111596236 A 说 明 书 2/13 页 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。
技术实现要素：
： 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 5 CN 111596236 A 说 明 书 3/13 页 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 6 CN 111596236 A 说 明 书 4/13 页 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。
