從信號中去除偏移的設(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)明涉及偏移補償領(lǐng)域，特別是從磁性傳感器信號去除偏移用于過零檢測。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁性傳感器與永磁體或磁化的部件相結(jié)合可用于感測機械部件的速率。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)將感測周期性 的磁場。通過分析傳感器的輸出和知道車輪的機械結(jié)構(gòu)，可能確定，例如，在傳感器位置的 時變磁場的頻率，并因此確定車輪的角速度。
[0003] 在一些應(yīng)用中，只需要檢測機械部分的特定位置。這解釋了當磁性傳感器的輸出 具有特定值時的檢測。例如，在許多實際案例中，識別磁場的過零時刻。
[0004] 在另一些應(yīng)用中，永久磁體附著在機械部分上和為了測量該部分的轉(zhuǎn)動角，由角 磁性傳感器感測磁場的方向。
[0005] 在傳感器或它的讀出中的誤差，例如任何添加到信號上的偏移，將引起過零的確 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 振幅更大，導(dǎo)致不能接受的誤差或者甚至不能檢測。此外，如果在磁疇中存在任何偏移，例 如與所要感測的場平行的任何DC雜散場，許多用于偏移消除的常規(guī)方法不能正常工作。
[0006] 可以通過在有限的時間內(nèi)觀察傳感器輸出信號和使它與所期望的信號相適應(yīng)來 推測偏移。然而，如果在小于一個周期內(nèi)觀察信號并需要知道信號的一些并不總是能獲知 的特征（如，形狀，振幅，頻率）時，這是不實用的?；蛘?，可以通過一個周期的傳感器輸出 信號的平均化和沒有預(yù)先知道任何該信號特性來獲得偏移。然而，在一些應(yīng)用中，例如在啟 動時車輪速率的檢測中，不允許在產(chǎn)生第一個精確的過零信號前等待輸出信號的一整個周 期。這種嚴格的時間限制歸因于以下事實：在這種情況下，觀察sub-Hz磁場并且等待信號 的完整周期將導(dǎo)致延遲太久。
[0007] 解決上述問題的傳統(tǒng)方法是在測試階段校準偏移。這可以通過在測試階段傳感器 的激光微調(diào)或測量偏移和在正常工作階段使用前饋補償來完成。然而，這些技術(shù)增加測試 成本和可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)果，該錯誤的結(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，需要一種簡單且成本節(jié)約的獲得精確的過零檢測的方法，特別是不需要額 外的校準和只需要少量的關(guān)于信號的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 上述需求可能通過根據(jù)本發(fā)明獨立權(quán)利要求的主題實現(xiàn)。本發(fā)明的從屬權(quán)利要求 提出了優(yōu)選的實施例。根據(jù)第一方面，提供一種用于從信號中除去偏移的設(shè)備，該設(shè)備包括 (a)頻率估計單元，用于估計信號的頻率，（b)偏移估計單元，用于通過將自適應(yīng)低通濾波 器應(yīng)用到信號上估計信號中的偏移，其中自適應(yīng)濾波器的截止頻率基于由頻率估計單元估 計的信號的頻率決定，和（C)減法單元，適于從信號中減去由偏移估計單元估計的偏移。 [0010] 這個方面基于的思想是用于估計信號中的偏移的自適應(yīng)低通濾波器的截止頻率 是取決于信號的估計的頻率。因此，可能保證截止頻率是足夠低的從而有效減少信號的時 變部分（即低到實質(zhì)上只有偏移通過濾波器）同時防止截止頻率被設(shè)置為低到濾波器的建 立時間（通常與l/f； utif成比例）變?yōu)椴槐匾拈L。換句話說，截止頻率可以設(shè)置為實現(xiàn) 偏移的精確估計和短的濾波器建立時間之間的最佳平衡。
[0011] 信號可能特別是來自磁性傳感器的時變輸出信號。磁性傳感器可能例如被布置為 測量車輛中的輪或軸的轉(zhuǎn)速。
[0012] 在上下文中，術(shù)語"偏移"可能特別表示信號的基本恒定的分量。
[0013] 在上下文中，術(shù)語"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 來減少信號振幅。
[0014] 在上下文中，術(shù)語"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] 基于估計的信號頻率調(diào)節(jié)低通濾波器的截止頻率，可以獲得對于任何信號頻率在 傳感器信號的時變部分上疊加的偏移的精確和快速的估計。因此，通過從信號中減去估計 的偏移，促進時變信號部分的過零的精確檢測。
[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)一種實施例，偏移估計單元適于將自適應(yīng)低通濾波器的截止頻率設(shè)置到由頻 率估計單元估計的信號頻率除以常數(shù)k。
[0018] 換句話說，截止頻率設(shè)置到所估計的信號頻率的一部分。
[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的頻率處的信號 內(nèi)容。特別地，常數(shù)k可能選擇為使在所估計的頻率處的信號分量的振幅被減小到實際振 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)另一個實施例，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的符號產(chǎn)生在正值和負值之間交替的矩形波。
[0021] 換句話說，比較器單元適于檢測從減法單元接收的信號是正的或負的并當從減法 單元接收的信號是正的時產(chǎn)生具有正值的信號和當從減法單元接收的信號是負的時產(chǎn)生 具有負值的信號，即具有矩形波形的信號。
[0022] 當所估計的偏移等于或接近于實際的偏移時，矩形波形可能實質(zhì)上是一種方波。 換句話說，當所估計的偏移接近實際偏移時矩形波形的占空比接近50%。
[0023] 矩形波形優(yōu)選地是對稱的，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信號的過零檢測，這發(fā)生在矩形波形從它的正值變?yōu)?負值的時刻，反之亦然。
[0025] 根據(jù)另一實施例，頻率估計單元適于通過測量由比較器單元產(chǎn)生的矩形波的脈沖 寬度估計信號的頻率。
[0026] 通過測量矩形波的脈沖寬度，即在理想情況下的信號的半個周期的持續(xù)時間，頻 率估計可以計算為f est = 1Λ2ΧΤ)，其中T表示與所測量的脈沖寬度相應(yīng)的持續(xù)時間。
[0027] 根據(jù)另一實施例，頻率估計單元包括內(nèi)部時鐘，適于產(chǎn)生具有預(yù)定的時鐘頻率fdk 的時鐘信號，和頻率估計單元適于通過計算由比較器單元產(chǎn)生的矩形波的脈沖期間的內(nèi)部 時鐘的時鐘脈沖的數(shù)目M測量由比較器單元產(chǎn)生的矩形波的脈沖寬度。
[0028] 預(yù)定的時鐘頻率優(yōu)選地遠遠大于信號的期望的最高頻率，例如期望最高頻率的大 約100倍以上。在一個實施例中，期望的最高頻率可能大約是IOkHz和預(yù)定的時鐘頻率可 能大約IMHz。
[0029] 根據(jù)另一實施例，頻率估計單元適于估計信號的頻率為fdl/(2XM)。
[0030] 該估計的計算是基于假設(shè)具有與M個的時鐘脈沖相應(yīng)的持續(xù)時間的脈沖是半個 信號周期，從而該半個周期的持續(xù)時間（在很短時間內(nèi)）等于M/f dk。
[0031] 根據(jù)另一實施例，頻率估計單元適于設(shè)置估計的頻率的初始值等于信號的預(yù)定的 最高頻率。
[0032] 初始值可以特別地是在設(shè)備的啟動時使用的估計的頻率的值，即還沒有發(fā)生任何 信號頻率的估計時。
[0033] 通過將所估計的頻率的初始值設(shè)置到與信號的預(yù)定的最高頻率相等，例如10kHz， 可以實現(xiàn)自適應(yīng)濾波器的短的建立時間從而可以迅速計算第一偏移估計和接著改善。
[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