角度傳感器信號處理電路及處理方法與流程
2023-10-09 04:05:29 2
本發明屬於角度傳感技術領域，涉及一種角度傳感器，尤其涉及一種角度傳感器信號處理電路；同時，本發明還涉及一種角度傳感器信號處理電路的處理方法。
背景技術：
磁性角度傳感器廣泛應用於工業、汽車、家電、機器人等領域，可以用來檢測各種機械結構(如汽車的方向盤、電機中的轉子等)轉動的角度信息。典型的磁性角度傳感器由x軸和y軸的磁場角度感應元件、放大器、模數轉換器和數位訊號處理單元組成，如圖1所示。其中，磁場角度感應元件在外界磁場旋轉時產生兩路正交的正餘弦信號x和y。該信號經過放大器放大後由模數轉換器轉換為數位化的正餘弦信號。數字處理單元通常使用cordic算法計算出角度值θ。
圖2顯示了一種常用的傳統設計，即用兩路逐次逼近式模數轉換器(sar-adc)和實現cordic算法的數字電路組成的正餘弦信號處理電路。其中，逐次逼近式模數轉換器由一個比較器、一個數模轉換器和逐次逼近邏輯單元組成。其中數模轉換器一般採用開關電容電路實現。輸入信號和反饋信號的減法運算一般嵌入在開關電容電路中實現。數模轉換器需要提供固定的參考電壓vref。此參考電壓vref同時也是逐次逼近式模數轉換器(sar-adc)的參考電壓。cordic算法的核心思想其實也是通過多次迭代逐次逼近來得到準確的角度值。然而，現有的信號處理電路結構複雜，成本較高，且功耗較大。
有鑑於此，如今迫切需要設計一種新的信號處理電路，以便克服現有信號處理電路存在的上述缺陷。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種角度傳感器信號處理電路，可簡化整個信號處理系統，節省硬體資源、減少面積和功耗。
此外，本發明還提供一種角度傳感器信號處理電路的處理方法，可簡化整個信號處理系統，節省硬體資源、減少面積和功耗。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
一種角度傳感器信號處理電路，所述角度傳感器信號處理電路包括：第一採樣保持單元、第一數模轉換器、第二採樣保持單元、第二數模轉換器、比較器、逐次逼近式cordic邏輯電路；
所述第一採樣保持單元、第二採樣保持單元分別連接正餘弦模擬信號；第一採樣保持單元與第一數模轉換器連接，第二採樣保持單元與第二數模轉換器連接；第一數模轉換器、第二數模轉換器連接比較器，比較器連接逐次逼近式cordic邏輯電路；逐次逼近式cordic邏輯電路分別連接第一數模轉換器、第二數模轉換器；
所述第一採樣保持單元、第二採樣保持單元通過採樣保持電路後分別作為兩路數模轉換器的參考電壓；第一數模轉換器的輸入還包括逐次逼近式cordic邏輯電路的第一數字輸出xn；第二數模轉換器的輸入還包括逐次逼近式cordic邏輯電路的第二數字輸出yn；
所述第一數模轉換器的參考電壓和數字輸出存在乘法關係，即第一數模轉換器的數字輸出為x*yn，第二數模轉換器的數字輸出為y*xn；x和y分別為第一採樣保持單元、第二採樣保持單元輸入的正餘弦模擬信號；
逐次逼近式cordic邏輯電路的具體實現方法如下：
步驟s1、設置初始角度值為θ0＝0°，其所對應的矢量坐標值(x0，y0)即為(1,0)；
步驟s2、根據下面的公式對θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，進行迭代；其中加減符號的選擇根據比較器的輸出結果來決定；當比較器輸出0，即x*yn-1<y*xn-1時，xn減少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
步驟s3、迭代n次後，θ＝θn即為最終計算得到的角度值；其與實際的輸入角度值之間的誤差取決於迭代的次數n。
作為本發明的一種優選方案，當需要更高的精度時，取增加n的值。
一種上述的角度傳感器信號處理電路的處理方法，其特徵在於，所述處理方法包括如下步驟：
步驟s1、設置初始角度值為θ0＝0°，其所對應的矢量坐標值(x0，y0)即為(1,0)；
步驟s2、根據下面的公式對θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，進行迭代；其中加減符號的選擇根據比較器的輸出結果來決定；當比較器輸出0，即x*yn-1<y*xn-1時，xn減少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
步驟s3、迭代n次後，θ＝θn即為最終計算得到的角度值；其與實際的輸入角度值之間的誤差取決於迭代的次數n。
現有的模數轉換器和cordic都用是通過逐次逼近來完成的，就可能存在一種改良的設計將兩者結合起來，達到簡化整個信號處理系統，節省硬體資源、減少面積和功耗的目的。
本發明的有益效果在於：本發明提出的角度傳感器信號處理電路，可簡化整個信號處理系統，節省硬體資源、減少面積和功耗。
與傳統信號處理電路結構相比，本發明提出的逐次逼近式cordic處理電路減少了以下的電路模塊：一個比較器，兩個逐次逼近邏輯模塊(sarlogic)，原cordic邏輯電路中的數字乘法器。上述電路模塊的減少不僅可以減小整個設計的電路面積，還可以降低系統功耗。新系統中的兩路採樣保持電路一般有運算放大器電路實現，似乎在原系統中沒有，但實際上傳統結構中的vref參考電壓一樣需要由運放組成的驅動電路驅動。所以，最終並未增加新的電路模塊。
本發明提出的逐次逼近式cordic處理電路的另一個優點是減少了整個系統的延時。在如圖2所示的原有系統中，正餘弦模擬信號x和y首先要通過sar-adc轉換成數位訊號，再通過cordic算法計算出角度值。而在新的系統中(如圖3所示)，正餘弦模擬信號直接參與cordic運算。原來的兩次迭代簡化成了一次迭代，所以延時比原來減少了一半。
在運算精度方面，新系統與原系統相當。精度都主要取決於迭代的次數n和數模轉換器的匹配精度。
附圖說明
圖1為一種典型的磁性角度傳感器系統框圖。
圖2為現有由兩路逐次逼近式模數轉換器和cordic處理單元組成的角度傳感器電路。
圖3為逐次逼近式cordic電路的電路示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。
實施例一
請參閱圖3，本發明揭示了一種角度傳感器信號處理電路，所述角度傳感器信號處理電路包括：第一採樣保持單元、第一數模轉換器、第二採樣保持單元、第二數模轉換器、比較器、逐次逼近式cordic邏輯電路；
所述第一採樣保持單元、第二採樣保持單元分別連接正餘弦模擬信號；第一採樣保持單元與第一數模轉換器連接，第二採樣保持單元與第二數模轉換器連接；第一數模轉換器、第二數模轉換器連接比較器，比較器連接逐次逼近式cordic邏輯電路；逐次逼近式cordic邏輯電路分別連接第一數模轉換器、第二數模轉換器；
所述第一採樣保持單元、第二採樣保持單元通過採樣保持電路後分別作為兩路數模轉換器的參考電壓；第一數模轉換器的輸入還包括逐次逼近式cordic邏輯電路的第一數字輸出xn；第二數模轉換器的輸入還包括逐次逼近式cordic邏輯電路的第二數字輸出yn；
所述第一數模轉換器的參考電壓和數字輸出存在乘法關係，即第一數模轉換器的數字輸出為x*yn，第二數模轉換器的數字輸出為y*xn；x和y分別為第一採樣保持單元、第二採樣保持單元輸入的正餘弦模擬信號；
逐次逼近式cordic邏輯電路的具體實現方法如下：
步驟s1、設置初始角度值為θ0＝0°，其所對應的矢量坐標值(x0，y0)即為(1,0)；
步驟s2、根據下面的公式對θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，進行迭代；其中加減符號的選擇根據比較器的輸出結果來決定；當比較器輸出0，即x*yn-1<y*xn-1時，xn減少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
步驟s3、迭代n次後，θ＝θn即為最終計算得到的角度值；其與實際的輸入角度值之間的誤差取決於迭代的次數n。當需要更高的精度時，取增加n的值。
本發明還揭示一種上述的角度傳感器信號處理電路的處理方法，其特徵在於，所述處理方法包括如下步驟：
步驟s1、設置初始角度值為θ0＝0°，其所對應的矢量坐標值(x0，y0)即為(1,0)；
步驟s2、根據下面的公式對θn和(xn，yn)，n＝1,2,3，…，進行迭代；其中加減符號的選擇根據比較器的輸出結果來決定；當比較器輸出0，即x*yn-1<y*xn-1時，xn減少，yn增大，角度值θn增加；反之亦反；
步驟s3、迭代n次後，θ＝θn即為最終計算得到的角度值；其與實際的輸入角度值之間的誤差取決於迭代的次數n。
綜上所述，本發明提出的角度傳感器信號處理電路，可簡化整個信號處理系統，節省硬體資源、減少面積和功耗。
與傳統信號處理電路結構相比，本發明提出的逐次逼近式cordic處理電路減少了以下的電路模塊：一個比較器，兩個逐次逼近邏輯模塊(sarlogic)，原cordic邏輯電路中的數字乘法器。上述電路模塊的減少不僅可以減小整個設計的電路面積，還可以降低系統功耗。新系統中的兩路採樣保持電路一般有運算放大器電路實現，似乎在原系統中沒有，但實際上傳統結構中的vref參考電壓一樣需要由運放組成的驅動電路驅動。所以，最終並未增加新的電路模塊。
本發明提出的逐次逼近式cordic處理電路的另一個優點是減少了整個系統的延時。在如圖2所示的原有系統中，正餘弦模擬信號x和y首先要通過sar-adc轉換成數位訊號，再通過cordic算法計算出角度值。而在新的系統中(如圖3所示)，正餘弦模擬信號直接參與cordic運算。原來的兩次迭代簡化成了一次迭代，所以延時比原來減少了一半。
在運算精度方面，新系統與原系統相當。精度都主要取決於迭代的次數n和數模轉換器的匹配精度。
這裡本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現。在不脫離本發明範圍和精神的情況下，可以對這裡所披露的實施例進行其它變形和改變。