[发明专利]自动增益控制系统及方法

说明书

本发明揭示了一种自动增益控制系统及方法，所述自动增益控制系统包括：第一霍尔器件、第二霍尔器件、第一仪表放大器、第二仪表放大器、第一可变增益放大器、第二可变增益放大器、第一模数转换器、第二模数转换器、计算电路、检测电路及自动增益控制电路。本发明提出的自动增益控制系统及方法，可以满足霍尔角度传感器和编码器在小角度应用场景下的自动增益控制，同时自动辨别霍尔角度传感器是因为检测到按键操作还是因为环境变化(包括温度、应力、磁铁特性等)而引起的信号强度变化，从而决定信号链路是否需要进行增益调节，避免自动增益控制功能与按键检测功能的相互冲突。

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种增益控制系统，尤其涉及一种自动增益控制系统及方法。

背景技术

磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，其中角度传感器、编码器等产品是磁传感技术的重要组成部分。霍尔器件属于比较常见的一种磁敏感元件，是一种利用霍尔效应的固态电子器件，用硅外延或者离子注入方法制造的薄膜霍尔器件可以与标准的CMOS工艺兼容，因其具有尺寸小、成本低、便于大规模生产等优点而被越来越广泛地应用。

目前，市面上主流的磁角度传感器和磁编码器产品根据磁敏感元件类型可以分为两大类：基于磁阻技术的角度传感器和编码器和基于霍尔技术的角度传感器和编码器。对于前者，磁阻在较小的外部磁场下(几百Gs左右)就能饱和并提供较大的信号幅度(几十到几百mV量级)，因此基于磁阻技术的角度传感器和编码器在较小的外部磁场下就可以提供较高的信噪比；并且工作在饱和区的磁阻的输出信号幅度几乎与外界磁场强度无关，因此可以简化传感器芯片模拟前端设计；但是由于磁阻工艺和标准的CMOS工艺不兼容，需要额外的制造工序，因此其制造周期更长，成本更高。对于后者，在较小的外部磁场下(几百Gs左右)霍尔器件能提供的信噪比要低一些；并且由于霍尔器件在很宽的磁场强度范围内仍具有线性关系，因此传感器芯片的模拟前端需要增加自动增益控制(AGC)以适应不同磁场强度的应用，增加了设计复杂度；但是，可以利用霍尔器件“在很宽的磁场强度范围内仍具有线性关系”这一特点，在角度传感器和编码器产品的基础上集成更多的功能(如垂直于芯片方向的位置检测功能，例如按键检测等)，实现更高的集成度；同时，基于霍尔技术的角度传感器和编码器芯片因其具有更低的成本而得到市场越来越多的青睐。

图1所示为按键检测霍尔角度传感器和编码器芯片的功能框图：霍尔器件(HP)将外界磁场强度信号转换为电压信号，经过仪表放大器(IA)和可变增益放大器(PGA)放大，送入模数转换器(ADC)转成数字信号；两条信号链路分别用来检测磁场强度在X轴和Y轴方向上的分量，得到数字信号DX和DY，并利用数字信号处理的CORDIC算法算出当前外界磁场的角度(ANG_OUT)，同时得到信号幅度(AMP_OUT)信息；最后根据信号强度的变化判断是否存在按键操作。图2所示为按键检测霍尔角度传感器和编码器芯片的典型应用，磁铁放置于芯片正上方：旋转磁铁，芯片的角度输出跟随铁磁的旋转角度；按压磁铁达到一定行程，芯片的按键检测输出给出响应。

前文提到霍尔器件在很宽的磁场强度范围内仍具有线性关系，并且其灵敏度受环境(包括温度、应力等等)影响较大，因此传感器芯片模拟前端需要做自动增益控制(AGC)。如图3所示为传统的信号链路自动增益控制系统：可变增益放大器(PGA)将信号放大后送入模数转换器(ADC)，得到数字信号DO，利用信号幅度检测(AMP_DET)模块检测信号幅度，并送入自动增益控制(AGC)模块计算合适的PGA增益控制字PGA_CODE，实现闭环控制。这里AMP_DET通常是检测信号的峰峰值或者有效值，不论检测哪种值都要求系统的输入信号超过一个完整的周期，但是角度传感器和编码器产品的实际应用并不总是满足这个条件，很多时候角度传感器和编码器的信号只是在很小的角度范围内波动，这个时候传统的AGC是无法满足要求的。另外，磁铁被按压达到一定行程之后，芯片检测到的信号强度变大，此时传统的AGC会主动降低信号链路的增益以减小信号强度，这样的话就会直接影响按键检测功能的实现。