一种应用于数字温度传感器系统非线性误差的校正方法

摘要

本发明公开了一种应用于数字温度传感器系统非线性误差的校正方法，该方法在基于FDC的数字温度传感器结构的基础上增加了校正模块，通过先对传感器芯片进行预校正得到两点校正信息以及多项式拟合的系数，将系数于存储器中供温度传感器芯片正常工作时调用。芯片正常工作时，温度传感器芯片输出数字编码，微处理器调用存储器中的校正系数对输出编码进行运算处理，消除工艺偏差以及系统非线性误差。因此，本发明方法具有普适性，具有相似的非线性温度传感器均可以参考应用。

说明书

技术领域

本发明属于温度传感器校正技术领域，具体涉及一种应用于数字温度传感器系统非线性误差的校正方法。

背景技术

目前，市场对于高性能低功耗的温度传感器需求越来越大，大量应用于VLSI芯片和SoC中的功耗控制、具有内置传感器的单芯片系统和微型系统中的热补偿、自动制造工厂的环境温度监控器，诸如汽车和家用电子产品之类的消费电子产品的温度控制等。根据硅基传感单元的不同，又分为基于BJT的温度传感器、基于电阻的温度传感器、基于热扩散(Thermal Diffusivity，TD)的温度传感器以及基于MOSFET的温度传感器，不同的温度传感器各具优缺点。

基于BJT的温度传感器具有很大的测量范围，可以达到-55℃到125℃，同时具有较高的精度，但由于其固有的0.7V的基极发射极电压消耗，限制了电源电压的范围，很难与现在的1V数字电源相兼容。基于电阻的温度传感器在校正和可以达到很高的分辨率和精度，但由于其温度模型较复杂，一般需要两点以上的校正，成本较高。基于TD的温度传感器面积较小，且对电源电压没有要求，可以适用于现代1V数字电源电压系统，但由于需要进行自加热，所以功耗较高，且会造成相应的测量误差。基于MOSFET的温度传感器可以实现全数字结构，故而结构简单，面积较小，同时功耗较低，适用于1V数字电源电压系统，但温度测量范围受限，且一般需要加入校正来实现较满意的精度。

现代SoC采用温度传感器来实时检测芯片内部温度，通过冷点和热点监测为SoC芯片提供芯片温度的检测与保护。由于在设计阶段很难预测热点位置，SoC中需要多个温度传感监测器，因而采用高度集成的、低功耗基于MOSFET的数字温度传感器来帮助保持SoC性能和可靠性，同时具有高效、低成本、且易于集成的特点。

如图1所示，基于FDC的数字温度传感器由振荡器传感单元以及FDC构成，振荡器传感单元将温度转换成为包含温度信息的频率信息，输入FDC中被数字化为数字编码，完成温度到数字编码的转换。由于不同工艺存在偏差，将会影响最终输出编码与温度的对应关系，并且由于振荡器输出的频率比与温度之间存在的非线性关系，存在系统固有的非线性误差，因此需要加入校正模块来减小偏差，提高温度传感器精度。

单点校正是最简单的校正方法，一般只能应用于校正系统具有理想的线性关系但存在着固定偏移量的情况，当温度传感器存在明显工艺偏差以及系统非线性时不再适用，校正后的精度没有明显改善，达不到预期指标要求。而多点校正可以用于校正传感器输出曲线的非线性，但由于成本相对较高，一般很少使用。

发明内容

鉴于FDC的数字温度传感器存在工艺偏差导致的偏移量以及斜率误差，同时存在系统非线性误差，本发明提供了一种应用于数字温度传感器系统非线性误差的校正方法，采用两点校正以及多项式拟合相结合的校正方法来消除工艺偏差以及系统的非线性，提高传感器的测量精度。

一种应用于数字温度传感器系统非线性误差的校正方法，即通过对温度传感器输出包含温度信息的数字编码进行两点校正以消除工艺偏差，并通过多项式拟合以消除系统的非线性误差，进而将校正后的数字编码对应的温度值代入固定系数的多项式中得到与实际温度对应的数字编码。

进一步地，所述两点校正的具体实施过程如下：

A1.在同一批次芯片中随机选取一片温度传感器作为参考芯片，利用参考芯片对温度T

A2.根据步骤A1得到的结果计算出参考芯片输出数字编码D_code与温度T之间的线性关系即D_code＝kT+b，其中

A3.在同一批次芯片中选取其他任一片温度传感器，利用该温度传感器对温度T

A4.根据以下关系式对该温度传感器输出的数字编码进行两点校正；

其中：D'和D分别为温度传感器经两点校正前后输出的数字编码。

进一步地，当得到温度传感器经两点校正后输出的数字编码D，将其代入参考芯片输出数字编码D_code与温度T之间的线性关系式中，即可转换得到对应的温度值。

进一步地，所述多项式拟合的具体实施过程如下：

B1.在同一批次芯片中随机选取多片温度传感器，对于其中任一温度传感器，利用该温度传感器对多个温度点(即实际温度)进行测试输出得到对应的数字编码；

B2.对温度传感器输出的数字编码进行两点校正，并将校正后的数字编码转换成对应的温度值(即测试温度)；

B3.根据温度传感器对多个温度点所对应测试得到的温度值，对以下多项式进行拟合以确定式中的多项式系数；

T

其中：T

B4.根据上述可拟合得到所选取的各温度传感器对应的多项式系数，进而求取每项系数的平均值

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

1.本发明不仅能够消除工艺偏差造成温度传感器的测量温度与实际温度曲线的斜率和偏移误差，还能进一步移除系统的非线性误差。

2.本发明采用的多项式拟合校正属于批量校正，只需从整批样品中随机抽取几片芯片进行与校正得到平均校正系数，用于整批芯片校正，无需对每片芯片进行多点校正，节约成本。

3.本发明校正方法可应用于类似具有非线性传感器输出曲线，可拓展性强。

4.本发明校正效果显著，大大改善了数字温度传感器精度。

附图说明

图1为基于FDC的数字温度传感器的结构原理图。

图2(a)为两点校正过程中数字编码与温度的关系示意图。

图2(b)为校正后的温度与实际温度的关系示意图。

图2(c)为多项式拟合前后的温度关系示意图。

图2(d)为多项式拟合后的温度与实际温度的关系示意图。

图3为本发明校正方法的步骤流程示意图。

图4为未校正时的温度传感器输出误差与温度的关系曲线示意图，由上至下分别对应在ff、fs、tt、sf、ss工艺角下温度传感器的仿真结果。

图5为两点校正后温度传感器输出误差与温度的关系曲线示意图。

图6为加入多项式拟合后温度传感器输出误差与温度的关系曲线示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明应用于数字温度传感器芯片的系统非线性的校正方法，在数字温度传感器芯片的基础上增加一个移除系统非线性误差的校正模块，即由温度传感器将温度信号转换为数字编码输出，其数字编码输入校正模块，通过两点校正后用固定系数的多项式拟合得到与实际温度一一对应的数字编码，其中两点校正用于消除工艺偏差，多项式拟合用于消除系统的非线性误差。

由于温度传感器的输出与温度不是理想的线性关系，因此采用多项式拟合来消除非线性引入的误差，其中数字输出编码D_code经两点校正后消除工艺偏差，再将其转换为对应的输出温度T_s，然后与固定的多项式拟合系数相乘得到消除非线性误差的输出温度T_f，与实际温度相对应，具体过程如下：

(1)两点校正消除工艺偏差。

A1.用温度传感器测得两个不同温度T

A2.根据步骤A1得到的输出编码得到输出编码与温度之间的对应关系D_code＝kT+b，其中

A3.将其他温度传感器同样放于这两点温度下，得到输出编码D

A4.将其他温度传感器的线性输出通过下述关系式：校正回参考输出直线；

(2)多项式拟合。

B1.在同一批次芯片中随机取出几片温度传感器芯片进行多项式拟合；

B2.在测温范围内选取多个温度点测量，获得对应的温度传感器输出编码；

B3.根据两点校正得到的D_code＝kT+b得到此时数字编码对应的测量温度T_s；

B4.将数字编码对应的测量温度T_s与实际温度T进行三阶多项式拟合T＝a

B5.对选取的样片分别进行上述拟合操作，将得到的拟合系数取平均值得到最终固定的三阶多项式拟合系数a

(3)代入多项式消除系统非线性误差。

C1.温度传感器芯片正常工作得到实时的数字输出编码；

C2.由两点校正得到的直线关系

C3.输出温度T_s与固定的三阶拟合系数a

本发明对数字温度传感器进行非线性误差进行了校正，通过预校正得到校正系数存入存储器中，温度传感器工作时，通过微处理器调用存储器中的校正系数对输出编码进行处理，完成校正系统测量误差。具体实现过程中，在数字温度传感器的结构基础上，增加了一个非线性移除模块，如图1所示。振荡器作为传感单元将温度转换成为对应的频率信息，振荡器1的频率为F

F

其中：

可以看出振荡器的频率比与温度不是理想的线性关系，如图2(a)～图2(d)所示，而是由泰勒展开得到的多项式关系，故而选择多项式拟合来消除高阶项的影响，得到与温度一一对应的线性关系。

图3是本发明温度传感器芯片的校正流程，在温度传感器芯片正常工作之前，首先进行预校正，完成两点校正得到输出编码与测量温度之间的关系；之后进行多项式拟合系数的确定，将得到的多项式拟合系数存储在存储器中。至此完成预校正，温度传感器正常工作时，由环形振荡器感应温度并将其转换成频率信号F

在该校正方法下，对基于FDC的数字温度传感器进行精度校正，仿真结果表明没有加入校正时，温度传感器存在明显的工艺偏差，性能很差，如图4所示。加入两点校正后，如图5所示，输出误差减小至±3℃以内，工艺偏差基本消除，但仍存着明显的系统非线性误差。图6所示为加入多项式拟合后的输出偏差，误差明显减小，非线性误差移除效果较好，误差较小至±0.5℃以内，精度较高，很好地实现了预期指标。

本发明采用两点校正以及多项式拟合相结合的校正方法来消除工艺偏差以及系统的非线性，由于多项式拟合属于而批量校正，只需从一批次的芯片中随机挑选几片芯片，经测试得到的校正参数取平均值，作为固定校正参数应用于整批芯片，成本相对较低，更具有吸引力。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。