CN105531568A - 正弦振荡器和电感式传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于电感式传感器的正弦振荡器(100)。正弦振荡器包括去耦器(120)和低通滤波器(130)，其中，去耦器(120)被构造成用于在去耦器(120)的输出端上提供脉宽调制信号作为去耦后的信号(150)。低通滤波器(130)的输入端与去耦器(120)的输出端连接。低通滤波器(130)被构造成用于在使用反相信号(150)的情况下在低通滤波器(130)的输出端上提供用于给电感式传感器(300)的正弦信号(160)。此外，正弦振荡器(100)还包括微控制器(100)，其被构造成用于在微控制器(110)的引脚上提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号(140)。

Description

正弦振荡器和电感式传感器
技术领域
本发明涉及一种用于电感式传感器的正弦振荡器、一种带有正弦振荡器的电感式传感器、一种用于制造正弦振荡器的方法以及一种用于运行电感式传感器的相应的方法。
背景技术
在电感式传感器中通过物理参量来控制电感率。例如，线圈的电感率依赖于绕组数的二次方和电路的磁阻。在此，线圈的电感率可以从外部通过相应的衰减元件来影响。这类作用原理例如用于位置确定，其中，衰减元件在多个线圈上运动。在此，传感器利用由模拟的振荡器或共振器提供的、调节后的正弦信号来激励。
在EP1672323A2中公开了一种具有错开的操作面的传感器单元。
发明内容
在这个背景之下，本发明根据独立权利要求提供一种用于电感式传感器的改进的正弦振荡器、一种带有正弦振荡器的改进的电感式传感器、一种用于制造正弦振荡器的方法以及一种相应的用于运行电感式传感器的方法。有利的设计方案由从属权利要求和以下的描述中得出。
微控制器可以具有内部的锁相环(内部PLL)，并且可以在使用锁相环的情况下在微控制器的引脚上输出频率在兆赫范围内的脉宽调制信号。与此同时，微控制器可以尤其是并行地实施其他任务。因此，附加的或者作为替选已经存在的微控制器可以用作电感式传感器的时钟脉冲产生器。通过例如可以构造成倒相器或者说缓冲器或阻尼器的去耦器可以使在微控制器的引脚上提供的脉宽调制信号去耦。通过后置的低通滤波器可以从脉宽调制信号中产生调节后的正弦信号，脉宽调制信号可以近似是方波信号。有利地可以为电感式传感器提供这个调节后的正弦信号。
用于电感式传感器的正弦振荡器包括去耦器、低通滤波器和微控制器，其中，去耦器被构造成用于在去耦器的输出端上提供脉宽调制信号作为去耦后的信号，其中，低通滤波器的输入端与去耦器的输出端连接，并且其中，低通滤波器被构造成用于在使用反相信号的情况下在低通滤波器的输出端上提供用于电感式传感器的正弦信号，其中，微控制器被构造成用于在微控制器的引脚上提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号。
正弦振荡器可以理解为提供正弦信号的装置。在此，正弦信号可以是调节后的正弦信号。电感式传感器可以被构造成用于检测位置和/或角度。在此，微控制器(也简称为μC)可以提供脉宽调制信号。脉宽调制信号可以理解为具有预定的占空比的方波信号。占空比可以用英语概念“Dutycycle”表示。占空比尤其是可以为50％。脉宽调制信号的预定频率可以是兆赫范围内的频率。在此，预定的频率可以是恒定的。脉宽调制信号可以具有12MHz的频率。去耦器可以理解为缓冲器、反相器或倒相器。去耦器可以被构造成用于将其输出端上的信号与其输入端上的信号电去耦。去耦器可以被构造成用于使其输入端上的信号，尤其是脉宽调制信号反相。去耦器可以被构造成用于防止信号反馈到微控制器。去耦后的信号可以理解为反相的信号。低通滤波器可以由模拟的结构元件构建。低通滤波器可以被构造成用于过滤掉高频率。因此，低通滤波器可以将其输入端上的方波信号转换为正弦信号或者接近正弦信号形的信号。
此外，低通滤波器可以构造成模拟的三阶低通滤波器。通过三阶低通滤波器可以将脉宽调制的方波信号高效地转换为接近正弦形的信号。
低通滤波器可以由至少一个电阻、电感元件(尤其是线圈)以及至少两个电容器来构建。在此，电阻和通常可以理解为电感的线圈可以串联。在电阻与线圈之间以及线圈与低通滤波器的输出端之间可以各有一个一侧接地的电容器与电路连接。
在微控制器的引脚和去耦器的输入端之间可以布置有电阻。
为了提供正弦信号，带有多个串联布置的线圈、至少一个以能在线圈上运动的方式布置的衰减元件以及控制装置的电感式传感器包括前述的正弦振荡器的实施方式，控制装置被构造成用于在使用正弦信号的情况下驱控线圈和确定衰减元件相对于线圈的位置。
电感式传感器可以被构造成用于检测位置或者运动。为此，衰减元件可以在串联布置的线圈上运动。电感式传感器可以被构造成用于通过改变多个线圈的电感率来检测衰减元件的位置。
正弦振荡器的微控制器可以包括控制装置。微控制器可以承担或者说实施多个任务。在此，在微控制器的一种实施方式中，可以并行实施多个任务。有利地，微控制器可以是电感式传感器的控制装置的一部分。在引脚上，微控制器可以为正弦振荡器提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号。因此，可以有利地用非常少的费用将正弦振荡器集成到电感式传感器中。因此，正弦振荡器的微控制器可以包括控制任务或者包括用于驱控线圈的装置以及用于确定衰减元件相对于线圈的位置的装置。
衰减元件可以具有菱形形状。在此，衰减元件的纵向延伸长度至少可以相当于两个线圈的宽度，尤其是三个线圈的宽度。衰减元件的菱形形状的棱边尤其是可以向内凹地弯曲。衰减元件的菱形形状能够实现特别准确地确定衰减元件相对于线圈的位置。
衰减元件可以直线式地并且作为替选或者作为补充圆弧形地在线圈上运动。当衰减元件直线式地在线圈上运动时，线圈有利地直线式地串联。当衰减元件在线圈上圆弧形地运动时，线圈有利地布置在类似的圆弧中。
当衰减元件在线圈上圆弧形地运动时，电感式传感器可以用于确定角度。
正弦振荡器的微控制器可以被构造成用于提供至少一个数字信号，其用于驱控并且同时或者替选地评估线圈。正弦振荡器的微控制器可以具有模拟数字转换器，其被构造成用于将正弦振荡器的转换后的并且替选或者补充地整流后的电流或电压数字化。控制装置可以包括正弦振荡器的微控制器。微控制器可以负责或实施多个任务。在此，在一种实施方式中，微控制器可以并行地实施多个任务。有利地，作为电感式传感器的控制装置的一部分的微控制器可以在引脚上为正弦振荡器提供具有预定频率和预定占空比的脉宽调制信号。因此可以有利地将正弦振荡器以很低的费用集成到电感式传感器中。
按照上述其中一个实施方式的用于制造正弦振荡器的方法包括以下步骤：
提供微控制器、去耦器和低通滤波器；将微控制器、去耦器和低通滤波器布置成正弦振荡器。
按照上述其中一个实施方式的用于制造电感式传感器的方法包括以下步骤：
提供多个线圈和/或至少一个衰减元件和/或控制装置和/或微控制器和/或去耦器和低通滤波器；
将多个线圈和/或至少一个衰减元件和/或控制装置和/或微控制器和/或去耦器和低通滤波器布置成电感式传感器。
按照上述其中一个实施方式的用于运行电感式传感器的方法包括以下步骤：
按照上述其中一个实施方式在正弦振荡器的微控制器的引脚上提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号；
将脉宽调制信号处理为调节后的正弦信号作为HF电流；
在使用调节后的正弦信号的情况下确定电感式传感器的多个线圈的衰减；并且
评估多个线圈的衰减，以便确定衰减元件的位置。
控制装置可以是一种处理传感器信号并根据传感器信号输出控制信号的电器。控制装置可以具有一个或多个合适的接口，其可以按照硬件和/或按照软件来构造。在按照硬件的构造方式中，接口例如可以是集成电路的一部分，在这个集成电路中实现控制装置的功能。接口也可以是专用集成电路，或者至少部分由分立的结构元件构成。在按照软件的构造方式中，接口可以是软件模块，软件模块例如连同其他软件模块一起存在于微控制器上。
具有程序代码的电脑程序产品也是有利的，程序代码可以存储在可机读的载体，如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器上，并且用于当程序在电脑、微控制器或控制装置上实施时执行按照上述其中一个实施方式的方法。
附图说明
本发明借助附图示例性地详细阐述。其中：
图1示出根据本发明的实施例的正弦振荡器的框图；
图2示出根据本发明的实施例的正弦振荡器的备用框图；
图3示出根据本发明的实施例的电感式传感器的示意图；
图4示出根据本发明的实施例的电感式传感器的示意图；
图5示出根据本发明的实施例的用于制造正弦振荡器的方法的流程图；以及
图6示出根据本发明的实施例的用于运行电感式传感器的方法的流程图。
在下面对本发明的优选的实施例的描述中，为在不同附图中所示的并且作用类似的元件使用相同或类似的附图标记，其中，省去对这些元件的重复描述。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的正弦振荡器100的框图。正弦振荡器100被构造成用于为电感式传感器提供调节后的正弦信号。正弦振荡器100包括微控制器110、去耦器120以及低通滤波器130。微控制器被构造成用于在微控制器的引脚上提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号140。去耦器120构造成反相器。去耦器120的输入端上的信号140作为反相后的信号150提供在去耦器120的输出端上。去耦器120的输入端与微控制器110的引脚连接。去耦器120的输出端与低通滤波器130连接。在低通滤波器130的输出端上为电感式传感器提供正弦信号160。
在一种实施例中，低通滤波器130构造成模拟的三阶低通滤波器。
在一种实施例中，去耦器120构造成缓冲器，尤其是构造成反相器。
本发明的一个方面是简化电子电路。与现有技术相比可以节省构件，这同时明显降低成本。
图2示出了根据本发明的实施例的正弦振荡器100的备用电路图。正弦振荡器100可以是在图1中所示的正弦振荡器100的实施例。在所示实施例中，低通滤波器130由至少一个电阻R1、电感元件L1、尤其是线圈L1、以及至少两个电容器C1、C2构建。低通滤波器130的输入端与电阻R1连接。电阻R1与电感元件L1连接。电感元件L1与低通滤波器的输出端连接。电容器C1接地，并且与电阻R1和电感元件L1之间的连接部连接。电容器C2接地，并且与电感元件L1和低通滤波器130的输出端之间的连接部连接。
在所示实施例中，在微控制器110的引脚200和去耦器120的输入端之间布置有电阻R。去耦器120构造成反相器或倒相器。
与正弦振荡器100的现有的概念相比，本发明的实施例可以不配备带有用于产生振幅高且稳定的方波信号140的反相器的门振荡器(振动产生器、共振器)。去耦器120用作用于去耦的附加的反相器。低通滤波器130过滤出正弦振动160(载波)并且抑制高次谐波。在此可以实现高的振幅稳定性，这是因为共振器的波动不会到达测量线圈上的信号。在门振荡器的输出端上提供振幅稳定的信号(5V方波信号)。解耦的正弦信号不依赖于共振器上的振幅，这是因为去耦器120使方波发生器减载。
通过变得越来越快的微控制器(μC)110和通过内部的PLL(也就是锁相环)制造时钟脉冲，兆赫范围内的频率能够以脉宽调制信号140或PWM的形式毫无问题地输送给端脚。因为每个电感式传感器都使用微控制器110来评估信号，所以在实施例中利用微控制器110的时钟脉冲。由微控制器110产生的脉宽调制信号(PWM)140在用于去耦后的去耦器120之前输入。由此明显减少成本。
图3示出了根据本发明的实施例的电感式传感器300的示意图。电感式传感器300具有正弦振荡器100。正弦振荡器100可以是在图1和图2中所示的正弦振荡器100的实施例。电感式传感器100包括多个串联布置的线圈310、至少一个能够在线圈310上运动的衰减元件320、被构造成用于驱控线圈310并且确定衰减元件320相对于线圈310的位置的控制装置330以及正弦振荡器100。
根据实施例，线圈310直线式地串联布置或者沿圆弧形布置。衰减元件320可以沿由线圈中心点确定的轨迹在轨迹上运动，其中，电感式传感器300被构造成用于确定衰减元件320相对于线圈310的位置。
在一种实施例中，衰减元件320具有菱形形状。
在一种实施例中，线圈310直线式地串联布置。衰减元件320能够直线式地在线圈310上运动。在另一实施例中，线圈310沿圆弧布置，并且衰减元件320能够圆弧形地在线圈310上运动。
在一种实施例中，微控制器110负责控制电感式传感器300，例如提供正弦振荡器100的脉宽调制信号的任务。因此，正弦振荡器的微控制器110在实施例中提供至少一个用于驱控或评估线圈的数字信号。在实施例中，正弦振荡器100的微控制器110具有模拟数字转换器，其将正弦振荡器100的转换后的或者整流的电流或电压数字化。在未示出的实施例中，控制装置330包括正弦振荡器100的微控制器110。在这种情况下，控制装置330为正弦振荡器110提供脉宽调制信号。
图4示出了根据本发明的一种实施例的电感式传感器的示意图。电感式传感器可以是在图3中描述的电感式传感器的实施例。分别配有附图标记L1、L2、L3、L4的四个线圈310直线式地串联布置。菱形的衰减元件320在线圈L1和L2上延伸。衰减元件320被构造成用于在串联布置的线圈320上运动。调节后的正弦振荡器100提供正弦信号160。正弦信号160在该实施例中例如具有12MHz的频率，并且也可以被称为HF电流。将正弦信号160提供给放大器和电流电压转换器410，其将HF电流或正弦信号160传导给线圈310。在放大器和电流电压转换器410的输出端上输出HF电压420，并且将其传导给HF整流器430。HF整流器430输出转换后的HF电压420作为电平范围在0到5V的直流电压信号440，将该直流电压信号传导给微控制器110的模拟数字转换器输入端。
在微控制器110的数字输出端上，相应的数字信号450输出到与线圈310连接的多路复用器460上。多路复用器460的开关部位与地电位470或地470连接。当多路复用器460的开关部位闭合时，相应的线圈310与地电位或地470连接。开关部位也可以安装在电流电压转换器410和线圈310之间。
在一种未示出的实施例中，微控制器110与正弦振荡器100连接，并且因此也是正弦振荡器100的功能性的组成部分。在此，微控制器110在引脚上提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号。
图5示出了根据本发明的实施例的用于制造正弦振荡器的方法500的流程图。正弦振荡器可以是在图1或图2中所示的正弦振荡器的实施例。方法500包括提供微控制器、去耦器和低通滤波器的步骤510以及为电感式传感器布置微控制器、去耦器和低通滤波器的步骤520。
图6示出了根据本发明的实施例的用于运行电感式传感器的方法600的流程图。电感式传感器可以是在图3或图4中所描述的电感式传感器的实施例。方法600包括在正弦振荡器的微控制器的引脚上提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号的步骤610、将脉宽调制信号处理成调节后的正弦信号作为HF电流的步骤620、在使用调节后的正弦信号的情况下确定电感式传感器的多个线圈的衰减的步骤630以及评估多个线圈的衰减的步骤640，以确定衰减元件的位置。
所描述的并且在图中所示的实施例仅是示例性选择的。不同的实施例可以完全地或者就各个特征而言相互组合。一个实施例也可以用其他实施例的特征来补充。
此外，根据本发明的方法步骤可以重复地以及以不同于所描述的顺序地实施。
如果实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”关系，那么可以按如下方式解读，即，该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且还具有第二特征，并且根据另一种实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。
附图标记列表
100正弦振荡器
110微控制器
120去耦器
130低通滤波器
140脉宽调制信号
150反相后的信号
160正弦信号
R、R1电阻
L1电感元件、线圈
C1、C2电容器
300电感式传感器
310线圈
320衰减元件
330控制装置
410放大器和电流电压转换器
420HF电压
430HF整流器
440直流电压
450数字信号
460多路转换器
470地电位/地
500用于制造的方法
510提供步骤
520布置步骤
600用于运行的方法
610提供步骤
620处理步骤
630确定步骤
640评估步骤

Claims (10)

1.一种用于电感式传感器(300)的正弦振荡器(100)，其中，所述正弦振荡器(100)包括去耦器(120)和低通滤波器(130)，其中，所述去耦器(120)被构造成用于在去耦器(120)的输出端上提供脉宽调制信号作为去耦后的信号(150)，其中，所述低通滤波器(130)的输入端与所述去耦器(120)的输出端连接，并且其中，所述低通滤波器(130)被构造成用于在使用所述去耦后的信号(150)的情况下在所述低通滤波器(130)的输出端上提供用于所述电感式传感器(300)的正弦信号(160)，其特征在于具有微控制器(110)，所述微控制器被构造成用于在所述微控制器(110)的引脚上提供具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号(140)。
2.按照权利要求1所述的正弦振荡器(100)，其特征在于，所述低通滤波器(130)被构造为模拟的三阶低通滤波器(130)。
3.按照权利要求2所述的正弦振荡器(100)，其特征在于，所述低通滤波器(130)由至少一个电阻(R1)，电感元件(L1)、尤其是线圈(L1)以及至少两个电容器(C1、C2)构建。
4.按照以上权利要求中任一项所述的正弦振荡器(100)，其特征在于，在所述微控制器(110)的引脚与所述去耦器(120)的输入端之间布置有电阻(R)。
5.一种电感式传感器(300)，所述电感式传感器具有多个串联布置的线圈(310)、至少一个以能在线圈(310)上运动的方式布置的衰减元件(320)以及控制装置(330)，所述控制装置被构造成用于在使用正弦信号(160)的情况下驱控所述线圈(310)，并且确定所述衰减元件(320)相对于所述线圈(310)的位置，其特征在于具有根据权利要求1至4中任一项所述的正弦振荡器(100)，以提供所述正弦信号(160)。
6.按照权利要求5所述的电感式传感器(300)，其特征在于，所述正弦振荡器(100)的微控制器(110)包括所述控制装置(330)。
7.根据权利要求5至6中任一项所述的电感式传感器(300)，其特征在于，所述衰减元件(320)能直线式地和/或圆弧形地在所述线圈(3100)上运动。
8.按照权利要求5至7中任一项所述的电感式传感器(300)，其特征在于，所述正弦振荡器(100)的微控制器(110)被构造成用于提供至少一个用于驱控和/或评估所述线圈(310)的数字信号，并且/或者所述正弦振荡器(100)的微控制器(110)具有模拟数字转换器，所述模拟数字转换器被构造成用于将所述正弦振荡器(100)的转换后的和/或整流后的电流和/或电压数字化。
9.一种用于制造正弦振荡器(100)的方法(500)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供(510)微控制器(110)、去耦器(120)和低通滤波器(130)；以及
将所述微控制器(110)、所述去耦器(120)和所述低通滤波器(130)布置成(100)根据权利要求1至4中任一项所述的正弦振荡器(100)。
10.一种用于运行按照权利要求5至8中任一项所述的电感式传感器(300)的方法(600)，其特征在于，所述方法(600)包括以下步骤：
在正弦振荡器(100)的微控制器(110)的引脚上提供(610)具有预定的频率和预定的占空比的脉宽调制信号(140)；
将所述脉宽调制信号(140)处理成(620)调节后的正弦信号(160)作为HF电流；
在使用所述调节后的正弦信号(160)的情况下确定(630)所述电感式传感器(300)的多个线圈(310)的衰减；并且
评估(640)所述多个线圈(310)的衰减，以便确定衰减元件(320)的位置。
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