对测量装置的低电压高精度差动信号的处理系统及方法制造方法及图纸

一种低电压低功率信号处理系统和方法适用于低功率和／或便携式测量装置，比如、线性的或角度的编码器、电子卡尺等等。在一个实施例中，模／数转换器通过一个并行、单斜波、在两个差动输入脚每个上有一相匹配的比较器的转换器来实现，它可以通过相对较简单的电路来实现，因此体积小。本系统可以选用具有三相配置的传感器，对于三相配置，优化的信号处理技术能够消除系统中大部分的三次畸变，并且，对于三相配置，本发明专利技术的完全差动电路是非常有利的。本发明专利技术还可以应用于可以由一只１．５Ｖ的手表电池或太阳能电池供电的便携式测量装置，并且该测量装置电流消耗为５ｍＡ。通过在斜波发生器和时钟发生器中使用相同类型的电容，并使用比例偏置电流对它们进行充电，以及在时钟和模／数转换器中使用相同类型的电阻和电容，使得系统的比例因子与工艺参数无关。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种低功率电子测量装置，尤其涉及一种低电压低功率信号处理系统和对于由传感器输入的差动信号的高精度处理方法。这些传感器包含于便携式和/或低功率测量装置中，例如电子卡尺、线性的或角度的检位规、坡度规或水准仪、压力计等。
技术介绍
当前使用的有各种各样的便携式电子测量装置。这些装置的一个例子就是位移测量装置，一种手持式电子卡尺可以用来对机械部件进行精确的测量，以保证这些部件满足公差要求。很明显，这些装置的功率越小，它们需要的电池(或其它电源)就越少，并且在更换电池(或其它电源)或再充电以前，它的工作时间就越长。但是，减小这些装置的功率是一个很复杂的任务。而且，这些装置要求有很高的测量精度，并且为这些装置而开发的复杂的信号处理技术趋向于使既能满足预期的精度要求也能在低电压和低功率下工作的电路的设计过程复杂化。使用高精度测量技术的电子卡尺的一个例子在美国专利NO.5,901,458进行了说明，其中公开的全部内容在这里引作参考。正如其中的描述，电子卡尺有一个减少偏移的位置传感器，该传感器有一个可沿标尺移动的读取头。电子装置对读取头在标尺上的位置提供精确的测量。传感器用标尺上的两套耦合回路将滑动装置上的读取头的发送器线圈与读取头上的一个或多个接收器线圈相感应耦合。发送器线圈产生原边磁场。发送器线圈通过磁场被感应耦合到第一和第二两套耦合回路的第一回路部分，第一和第二两套耦合回路的第二回路部分是交错的，并且产生第二磁场。接收器线圈形成在周期性地交变极性的回路中，并且通过第二磁场感应耦合到第一和第二套耦合回路的第二回路部分。根据读取头和标尺之间的相对位置，接收器线圈的每一个极性回路被感应耦合到第一或者第二套耦合回路的第二回路部分。第一和第二套耦合回路的第一和第二回路部分的相对位置是周期性的，并且取决于标尺上耦合回路的相对位置。另一个例子是在美国专利NO.5,886,519中进行说明的，其中公开的全部内容在这里引作参考。专利｀519公布了一个应用于高精度测量中的绝对位置感应传感器，例如线性或旋转编码器、电子卡尺等。绝对位置感应传感器具有两个可相对移动的部件。第一部件有至少一个用以产生磁场的有源发送器和至少一个用于接收所产生磁场的接收器。无源的第二部件包含一个无源的磁力线调制元件，该元件根据它们与至少一个的接收器的相对位置来调制所接收到的磁场。一个与至少一个发送器和至少一个接收器相连的电子线路包括该至少一个接收器的输出，计算两个部件之间的相对位置，并且在显示器上显示该位置。绝对位置感应传感器确定两个部件之间的绝对位置。专利｀458和｀519中所说明的系统都应用了先进的信号处理技术以得出高精度的位移测量结果。本专利技术主要针对便携式电子测量装置，特别是便携式电子位移测量装置，当其应用于低电压低功率系统中时能够取得高精度的测量结果。专利技术概述本专利技术为提供了一种适用于便携式测量装置的低电压低功率信号处理系统和方法，比如电子卡尺、线性的或角度的测量计、水准仪、压力计等等。转换过程作为低电压低功率系统和方法的一部分，例如模/数转换，利用了随时间变化的参考信号，如斜波信号，进行定时测量，用以确定转换的数字输出。用于便携式测量装置的先进的传感器和信号处理方法的精度，例如在电子卡尺等装置中，常常取决于将测量的输入量精确地线性转化为可用的输出，因此，就有必要避免这些系统产生二次畸变。如果差动信号转换为单端信号将产生二次畸变，这经常发生在随时间变化的参考信号的常规转化方法中。然而，本专利技术将一种随时间变化的参考信号应用于转换处理，通过不再将信号转换为单端形式，避免了二次畸变的产生，并替代地提供了能够处理差动信号的电路。本专利技术的系统可以使用并行输出多路信号的传感器，例如，使用三相配置的传感器。经过优化的三相配置的信号处理技术能够消除系统中大部分的三次畸变。因此，本专利技术的完全差动电路在这种系统中是非常有利的，因为完全差动电路对二次谐波误差的抑制充分补充了三相技术中固有的对三次谐波误差的消除。如果通过本专利技术的系统和方法来确定测量值，即使是在低电压低功率要求的限制下，这些技术也减少了根据本专利技术的系统和方法测定的最后测量值中出现与畸变相关的误差的机会。这些技术中还提供了用以减少与畸变相关的误差的简单电路。与专利技术的一方面相对应，模/数转换器通过一个并行、单斜波、有两个比较器分别与每个差动信号输入腿相匹配的转换器来实现。因此，在一个具有三相传感器的实施例中，就会有来自三相的接至比较器的6个输入。每个比较器的一个输入接收该差动信号，而每个比较器的另一个输入接收斜波信号。本专利技术的斜波模/数转换器可以通过相对简单的电路来实现，其体积也因此而减小并且可以在低电压下工作。系统的工作速度极限是由斜波本身的特性造成的，因为斜波传输需要固有的时间。但是，由于不同的便携式和手持式测量装置(例如电子卡尺)在信号处理中，高速工作并不是一个关键的要素，因此这种实现为工作于低电压下、体积小的低功率的低速系统提供了一个有效的折衷方式。对于很多便携式系统的采样速度，主要应考虑采样频率足够高以避免人眼察觉到显示闪烁。在一个实施例中，每秒超过10个采样(因此每个采样大约有100ms的处理时间)的采样率足以打消这种顾虑。与专利技术的另外一方面相对应，本专利技术的模/数转换器可以应用于工作在低于1.75V电源下的便携式测量装置(例如一只1.5V的手表电池或太阳能电池)，并且具有与便携式装置相一致的电流消耗，其整个测量装置电流消耗低至5mA。因此，该实施例满足额定电压低至1.5V的系统要求(最低1.35V)。通过应用完全差分电路，1.5V电源供电，以及进一步使用带电压调压器的NMOS开关，本专利技术中的系统将电流消耗最小化，并且将模拟电路的动态范围最大化。本专利技术对于电压高于1.5V的系统也具有优势，例如，由电压低于3.5V(例如，两个手表电池或太阳能电池相串联)电源供电的系统的工作。本专利技术对于电压高于3.5V的应用也具有优势。与专利技术的另外一方面相对应，选用了某些部件以减少整个系统对工艺参数的敏感程度。更特别地，在斜波发生器和时钟发生器中使用相同类型的电容，并且用比例偏置电流对它们进行充电，并通过在时钟和模/数转换器中使用相同类型的电阻和电容，使得该系统的比例因子与工艺参数无关。并对日后由于工作温度和电路老化等带来的环境影响无关。另外，由于传感器信号与电源电压成比例，因此直接由电源取得参考电压(使用一个分压器)，不论什么原因引起电压的变化，系统的比例因子(每个相信号的峰-峰计数)都与系统供电电压的变化无关。与专利技术的另外一方面相对应，比较器可以以任何适于低电压低功率工作的方法来实现。可以应用低功率工作的放大型比较器或者动态比较器。带开关电容器输入的比较器具有将输入电压存储在输入电容器上的优点，这样也就允许模拟信号处理电路的前级关断，因此而节省电能并且有助于消除比较器偏移。总的来讲，因为比较器是相同的，所以任何延迟或寄生效应都不会影响到精度，而且低电压低功率比较器设计的选择并不关键。与专利技术的另外一方面相对应，计数器可以是脉动计数器，因为脉动计数器减少了触发器的个数，所以通常它的电流消耗量很小。为减少计存器的个数，计数值存储在计数器本身中。应当注意到，这里并不需要减法电路。正负号信号存储在一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个信号处理系统，它适用于处理低功率测量装置的传感器信号，该信号处理系统包括； 一个用于产生ＡＤＣ斜波信号的参考信号发生器； 两个或两个以上差动信号通道，每个差动信号通道包括： 一个第一比较器，它包括一个第一输入，一个第二输入以及一个输出，第一比较器的第一输入接收一对差动信号的第一信号，第一比较器的第二输入接收该斜波信号，第一比较器输出一个基于第一和第二输入信号的第一比较器输出信号；以及 一个第二比较器，它包括一个第一输入，一个第二输入以及一个输出，第二比较器的第一输入接收该对差动信号的第二信号，第二比较器的第二输入接收该斜波信号，第二比较器输出一个基于第一和第二输入信号的第二比较器输出信号；以及 一个或多个数字差动值测定电路，它用于接收至少一个差动信号通道的第一比较器的输出信号和第二比较器的输出信号，并且测定代表该对差动信号之间差异的数字值，该对差动信号是由至少一个差动信号通道接收的； 其中信号处理系统在低电压电源下工作，它可以处理至少两个并行的差动信号通道的信号并且测定相应的并行数字值。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PH马韦特，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]