DE10158836A1

DE10158836A1 - Method for sensor system calibration in which sensor system can be operated in normal measurement mode or calibration mode, when its sensitivity and resolution are much higher than in normal operating mode

Info

Publication number: DE10158836A1
Application number: DE2001158836
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-12-01
Also published as: DE10158836B4

Abstract

Method for calibrating a sensor system that comprises a sensor (10) and a signal processing circuit (12-38). The sensor system can be operated in normal or calibration mode. In calibration mode, measurement resolution and sensitivity are much higher than in normal operating mode. The invention also relates to a corresponding calibration arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Sensorsystems nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Sensorsystems nach dem Oberbegriff von Anspruch 12. The invention relates to a method for calibration a sensor system according to the preamble of claim 1 and a device for the calibration of a sensor system the preamble of claim 12.

Bekanntermaßen müssen Sensorsysteme kalibriert werden, um möglichst genaue Meßergebnisse zu erhalten. Ein Sensorsystem kann beispielsweise ein elektronisches Meßsystem sein, das sowohl Sensoren als auch die erforderlichen elektronischen Schaltungen zum Auswerten bzw. Vorverarbeiten der von den Sensoren erzeugten Meßsignale umfaßt. Ein derartiges Sensorsystem umfaßt somit nicht nur die Anordnung oder Verschaltung von Sensoren, sondern auch die dazugehörige Messsignal-Verarbeitungselektronik (kurz Signalverarbeitungsschaltung) und insbesondere die entsprechenden Algorithmen zur Messsignalverarbeitung. As is known, sensor systems have to be calibrated, to get the most accurate measurement results possible. On Sensor system can be, for example, an electronic measuring system be both sensors and the required electronic circuits for evaluation or preprocessing of the measurement signals generated by the sensors. On Such a sensor system thus not only includes the arrangement or wiring sensors, but also the associated one Measurement signal processing electronics (short Signal processing circuit) and in particular the corresponding algorithms for measurement signal processing.

Problematisch bei der Kalibrierung von Sensorsystemen kann die Bereitstellung von Sensoreingangsgrößen sein, die unter realen Messbedingungen auftreten. Im folgenden soll dies beispielhaft anhand von Sensorsystemen erläutert werden, die als berührungslose Strommeßsysteme eingesetzt werden. Grundsätzlich besteht die vorgenannte Problematik jedoch bei einer Vielzahl von Sensorsystemen für verschiedenste physikalische Sensoreingangsgrößen. Problematic when calibrating sensor systems can be the provision of sensor inputs that occur under real measurement conditions. The following is intended this is explained using sensor systems as an example, which are used as non-contact current measurement systems. Basically, however, the aforementioned problem exists with a variety of sensor systems for various physical sensor inputs.

Berührungslose Strommeßsysteme umfassen Stromsensoren, mit denen ein Strom über das von ihm erzeugte Magnetfeld gemessen werden kann. Hierzu eignen sich insbesondere die sogenannten Hall-Sonden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Da derartige Hall-Sonden in der Regel einen gewissen Offset in ihren Ausgangssignalen aufweisen, ist es erforderlich diesen Offset zu korrigieren, vorzugsweise durch eine Kalibrierung der Hall-Sensoren. Zur Eliminierung des Offsets kann beispielsweise das aus der US 4,037,150 bekannte Spinning Current Prinzip angewandt werden. Non-contact current measurement systems include current sensors, with which a current flows through the magnetic field it generates can be measured. The so-called Hall probes, which are from the prior art are known. Since such Hall probes usually have one have some offset in their output signals, it is required to correct this offset, preferably by a calibration of the Hall sensors. To eliminate the Offsets can be, for example, that known from US 4,037,150 Spinning Current principle can be applied.

Hall-Sensoren bzw. -Sonden werden unter anderem für die Messung von sehr hohen Strömen im Bereich von kA eingesetzt. Derartige Sensorsysteme werden auch als Hochstromsensoren bezeichnet. Ein Hochstromsensor kann beispielsweise bei einem Meßstrom von ca. -1,5 kA eine Spannung von typischerweise 0,5 Volt, bei 0 A von etwa 2,5 Volt und bei +1,5 kA von etwa 4,5 Volt liefern. Hall sensors and probes are used, among other things, for the Measurement of very high currents in the range of kA used. Such sensor systems are also called high-current sensors designated. A high-current sensor can be used, for example, with a Measuring current of approx. -1.5 kA a voltage of typically 0.5 volts, at 0 A of about 2.5 volts and at +1.5 kA of about 4.5 volts deliver.

Ein typisches Sensormodul zur Hochstrommessung umfaßt wenigstens einen Hall-Sensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung, insbesondere einer Verstärkerschaltung. Hall-Sensor und Verstärkerschaltung sind vorzugsweise auf einem Chip integriert. Der Chip wird mittels einer Befestigungskomponente in der Nähe der elektrischen Leitung montiert, die den zu messenden Strom führt. Um möglichst genaue Messungen zu erhalten, kommt es auf die exakte Positionierung des Chips an. Bei einem Leiter mit einem Querschnitt von beispielsweise 10 mm² kann der Chip mit dem Hall-Sensor mit einem Abstand von ca. 4 mm zur Achse des Leiters angebracht sein. Hierdurch entsteht am Ort des Sensors des Chips typischerweise ein Magnetfeld von etwa 75 mT bei einem elektrischen Strom durch die elektrische Leitung von 1,5 kA bzw. 50 µT/A. A typical sensor module for high-current measurement comprises at least one Hall sensor with a signal processing circuit, in particular an amplifier circuit. Hall sensor and amplifier circuit are preferably integrated on one chip. The chip is mounted in the vicinity of the electrical line, which carries the current to be measured, by means of a fastening component. In order to get the most accurate measurements possible, the exact positioning of the chip is important. In the case of a conductor with a cross section of, for example, 10 mm ² , the chip with the Hall sensor can be attached at a distance of approximately 4 mm to the axis of the conductor. This typically creates a magnetic field of approximately 75 mT at the location of the sensor of the chip with an electrical current through the electrical line of 1.5 kA or 50 μT / A.

Kleinste Lagetoleranzen des Chips und des Hall-Sensors führen jedoch zu erheblichen Änderungen im magnetischen Feld, das indirekt zum Normalabstand von der Achse des Leiters abnimmt. Infolge des Montageprozesses des Chips ist allerdings die Position des Hall-Sensors innerhalb des Gehäuses nur auf ca. 0,1 mm genau festlegbar. Dadurch ergibt sich von Haus aus eine Ungenauigkeit von etwa 0,1/4, d. h. 2,5%. Um diese Ungenauigkeit auszugleichen, muß der Hall- Sensor nach seiner Montage im Gehäuse bzw. im Modul bzgl. seiner absoluten Empfindlichkeit kalibriert werden. Gerade bei Hochstromsensoren ist dies jedoch aufgrund der hohen zu messenden Ströme wirtschaftlich kaum möglich. Dies liegt vor allem daran, dass zur Kalibrierung eine Referenzgröße von etwa 1 kA mit ausreichender Genauigkeit und zeitlicher Stabilität in den zu messenden Leiter eingeprägt werden muß. Smallest position tolerances of the chip and the Hall sensor however, lead to significant changes in the magnetic field, that indirectly to the normal distance from the axis of the conductor decreases. As a result of the chip assembly process however, the position of the Hall sensor within the Housing can only be set to an accuracy of approx. 0.1 mm. This gives inherently an inaccuracy of about 0.1 / 4, d. H. 2.5%. To compensate for this inaccuracy, the Hall Sensor after its installation in the housing or in the module regarding its absolute sensitivity can be calibrated. Just With high current sensors, however, this is due to the high measuring currents economically hardly possible. This is the case all that a calibration reference value of about 1 kA with sufficient accuracy and time Stability must be impressed in the conductor to be measured.

Derartige Probleme treten im Prinzip bei jedem Sensorsystem auf, das in der Realität mit Sensoreingangsgrößen arbeitet, die nur unter großem technischen Aufwand über einen für eine Kalibrierung ausreichend langen Zeitraum mit hinreichender Genauigkeit eingeprägt werden können. Wie oben erläutert ist dies jedoch oftmals wirtschaftlich nicht sinnvoll oder manchmal technisch auch gar nicht möglich. In principle, such problems occur with everyone Sensor system based on that in reality Sensor input sizes works that only under large technical effort over one for a calibration sufficiently long period of time with sufficient accuracy can be impressed. However, as explained above, this is often not economically viable or sometimes technically also not possible at all.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Sensorsystems vorzuschlagen, bei denen mit einer Referenzmessgröße, die sehr viel geringer als eine zu messende Größe ist, eine für die Meßpraxis ausreichend genaue Kalibrierung des Sensorsystems durchgeführt werden kann. Vorzugsweise soll ein Hochstrom-Sensorsystem mit einem Referenzstrom von nur etwa 10 A auf etwa 1% absolut genau kalibriert werden können. The object of the present invention is therefore a Method and device for calibrating a Propose sensor systems in which with a Reference metric that is much less than one too is a sufficiently precise measurement value Calibration of the sensor system can be carried out. A high-current sensor system with a Reference current of only about 10 A absolutely accurate to about 1% can be calibrated.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Sensorsystems mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. This task is accomplished through a calibration procedure a sensor system with the features of claim 1 and by a corresponding device with the features according to Claim 12 solved. Preferred configurations result from the dependent claims.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass ein Sensorsystem einen Normal- und einen Kalibrierbetriebsmodus umfaßt. Der Kalibrierbetriebsmodus zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Empfindlichkeit und/oder Messauflösung des Sensorsystems gegenüber dem Normalbetriebsmodus wesentlich erhöht ist bzw. sind. Dadurch ist es beispielsweise im Falle eines Hochstromsensors möglich, dass im Kalibrierbetriebsmodus mit einem sehr viel geringeren Referenzstrom als im Normalbetriebsmodus gearbeitet werden kann. Das Sensorsystem kann somit wirtschaftlicher kalibriert werden. An essential idea of the invention is that a sensor system has a normal and a Calibration mode of operation included. The calibration mode is now characterized in that the sensitivity and / or measurement resolution of the sensor system compared to the Normal operating mode is or are significantly increased. Thereby it is for example in the case of a high current sensor possible that in calibration mode with a very much lower reference current than in normal operating mode can be worked. The sensor system can thus be calibrated more economically.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf Hochstrom-Sensorsysteme beschränkt, sondern kann bei jedem Sensorsystem vorteilhaft eingesetzt werden, bei dem es schwierig ist, eine einer Betriebsmeßgröße entsprechende Referenzmessgröße zur Kalibrierung mit hinreichender Genauigkeit und zeitlicher Stabilität einzuprägen. Beispiele von Sensorsystemen, bei denen die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden kann sind Hochdruck- und Beschleunigungsmesssysteme. Um die Kalibrierung für den Normalbetriebsmodus reproduzierbar zu machen, sollte die Erhöhung der Empfindlichkeit und/oder Messauflösung im Kalibrierbetriebsmodus wenigstens so genau und reproduzierbar sein, wie die Genauigkeit des kalibrierten Sensorsystems angestrebt wird. Typischerweise wird im Kalibrierbetriebsmodus die Empfindlichkeit und/oder Auflösung des Sensorsystems um wenigsten zwei Größenordnungen gegenüber dem Normalbetriebsmodus erhöht. The invention is of course not based on High current sensor systems are limited, but can be used with anyone Sensor system can be used advantageously, in which it it is difficult to find one that corresponds to an operating parameter Reference measurand for calibration with sufficient Marking accuracy and temporal stability. Examples of sensor systems in which the invention is advantageous can be used are high pressure and Acceleration measurement systems. To perform the calibration for the To make normal operating mode reproducible, the Increase in sensitivity and / or measurement resolution in the Calibration operating mode at least as accurate and reproducible be like the accuracy of the calibrated sensor system is sought. Typically in Calibration operating mode the sensitivity and / or resolution of the sensor system by at least two orders of magnitude the normal operating mode increased.

Die Erhöhung der Empfindlichkeit und/oder Messauflösung in Kalibrierbetriebsmodus kann beispielsweise durch eine Reduzierung der Messbandbreite gegenüber der Messbandbreite im Normalbetriebsmodus erzielt werden. The increase in sensitivity and / or measurement resolution in Calibration operating mode can, for example, by a Reduction of the measuring bandwidth compared to the measuring bandwidth can be achieved in normal operating mode.

Alternativ oder auch zusätzlich könnte man sich eine Erhöhung der Messauflösung und/oder Empfindlichkeit auch durch eine erhöhte Leistungsaufnahme im Kalibrierbetriebsmodus gegenüber der Leistungsaufnahme im Normalbetriebsmodus vorstellen, indem das Sensorsystem bei höheren (Kalibrier-)Betriebsspannungen und/oder höherer Stromaufnahme betrieben wird. Alternatively or additionally, you could get one Increasing the measurement resolution and / or sensitivity too due to increased power consumption in the Calibration operating mode compared to the power consumption in Imagine normal operating mode by the sensor system at higher (calibration) operating voltages and / or higher Current consumption is operated.

Bei einer Low-Power-Anwendung empfiehlt es sich, den Duty- Cycle (= Verhältnis aus aktiver Zeit zur Summe aus aktiver Zeit und sleeping time) der Signalverarbeitungsschaltung zu erhöhen. In a low-power application, it is recommended that the duty Cycle (= ratio of active time to the sum of active Time and sleeping time) of the signal processing circuit increase.

Falls der Temperaturgang des Sensorsystems hinlänglich genau bekannt ist, kann man es im Kalibrierbetriebsmodus auch bei einer Temperatur betreiben, bei der das effektive Sensor- Eingangsrauschen minimal ist. If the temperature response of the sensor system is sufficient is known exactly, it can also be used in calibration mode operate at a temperature at which the effective sensor Input noise is minimal.

Die Kalibrierung kann derart erfolgen, dass während des Kalibrierbetriebsmodus insbesondere nach einer Erhöhung der Sensorempfindlichkeit ein Nullpunktsabgleich des mindestens einen Sensors erfolgt und anschließend mindestens eine Sensoreingangsgröße an den mindestens einen Sensor angelegt wird; hierbei ist diese mindestens eine Sensoreingangsgröße klein im Vergleich zu der oder den Sensoreingangsgröße(n) im Normalbetriebsmodus, die nach abgeschlossener Kalibrierung etwa zum Vollausschlag des Sensorsystem-Ausgangssignals oder der Sensorsystem-Ausgangssignale führt bzw. führen. Durch die erhöhte Empfindlichkeit führt bzw. führen die Sensoreingangsgröße(n) aber während der Kalibrierung dennoch zu einem Vollausschlag des Sensorsystem-Ausgangssignals bzw. der Sensorsystem-Ausgangssignale oder zumindest zu einem großen Signalhub am Sensorausgang. The calibration can be done such that during the Calibration operating mode especially after an increase in Sensor sensitivity a zero point adjustment of the minimum one sensor and then at least one Sensor input variable applied to the at least one sensor becomes; this is at least one sensor input variable small compared to the sensor input variable (s) in the Normal operating mode, after calibration is complete about the full deflection of the sensor system output signal or of the sensor system output signals leads. Through the increased sensitivity leads or lead the Sensor input variable (s) but during calibration to a full deflection of the sensor system output signal or the sensor system output signals or at least one large signal swing at the sensor output.

Die Sensoreingangsgröße(n), welche als Kalibrier-Referenz verwendet wird bzw. werden, ist bzw. sind wohldefiniert, da sie entweder im Datenblatt des Sensorsystems oder des mindestens einen Sensors spezifiziert ist bzw. sind, oder dem mindestens einen Sensor während der Kalibrierung mittels Datentransfer mitgeteilt wird bzw. werden. The sensor input variable (s), which is used as a calibration reference is or are used, is or are well defined, because either in the data sheet of the sensor system or the at least one sensor is specified, or the using at least one sensor during calibration Data transfer will be communicated.

Vorzugsweise kalibriert sich das Sensorsystem im Kalibrierbetriebsmodus automatisch selbst über eine Kalibrierlogik. The sensor system is preferably calibrated in the Calibration mode automatically by itself Calibration logic.

Während der Kalibrierung kann auch ein Kalibrierprotokoll erzeugt werden, das an mindestens einem Ausgang des Sensorsystems ausgegeben wird. Anhand dieses Protokolls kann beispielsweise der Ablauf der Kalibrierung ausgewertet werden. A calibration record can also be made during calibration be generated that at least one output of the Sensor system is output. Using this protocol, you can for example, the calibration process is evaluated become.

Der Ablauf der Kalibrierung wird in einer bevorzugten Ausführungsform über mindestens eine Sensoreingangsgröße des mindestens einen Sensors gesteuert. Hierbei kann die Kalibrierung durch ein Handshake-Verfahren zwischen dem am Ausgang des Sensorsystems ausgegebenen Kalibrierprotokoll und der mindestens einen Sensoreingangsgröße durchgeführt werden. The calibration procedure is preferred in one Embodiment on at least one sensor input variable of controlled at least one sensor. Here, the Calibration by a handshake procedure between the am Output of the sensor system output calibration report and of the at least one sensor input variable.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Sensorsystems, das mindestens einen Sensor und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten von mindestens einem Signal des mindestens einen Sensors und einen Normalbetriebsmodus zum Durchführen von Messungen über den mindestens einen Sensor aufweist. Das Sensorsystem ist zum Kalibrieren in einen Kalibrierbetriebsmodus bringbar, in dem es derart eingestellt ist, dass Empfindlichkeit und/oder Messauflösung des Sensorsystems gegenüber dem Normalbetriebsmodus wesentlich erhöht ist bzw. sind. The invention further relates to a device for Calibration of a sensor system that has at least one sensor and a signal processing circuit for processing at least one signal of the at least one sensor and a normal operating mode for taking measurements via which has at least one sensor. The sensor system is can be brought into a calibration operating mode for calibration, in which is set such that sensitivity and / or Measurement resolution of the sensor system compared to the Normal operating mode is or are significantly increased.

Vorzugsweise ist im Kalibrierbetriebsmodus die Messbandbreite gegenüber der Messbandbreite im Normalbetriebsmodus verringert. The is preferably in the calibration operating mode Measuring bandwidth compared to the measuring bandwidth in Normal operating mode reduced.

Alternativ oder auch zusätzlich kann im Kalibrierbetriebsmodus die Leistungsaufnahme gegenüber der Leistungsaufnahme im Normalbetriebsmodus erhöht sein, indem das Sensorsystem mit einer Betriebsspannung und/oder einem Betriebsstrom betrieben wird, die bzw. der größer als im Normalbetriebsmodus ist bzw. sind. Alternatively or in addition, Calibration mode of operation compared to the power consumption Power consumption in normal operating mode can be increased by the sensor system with an operating voltage and / or Operating current is operated, which or greater than in Normal operating mode is or are.

Bei einer Low-Power-Anwendung des Sensorsystems sollte der Duty-Cycle der Signalverarbeitungsschaltung erhöht sein. With a low-power application of the sensor system should the duty cycle of the signal processing circuit must be increased.

Vorzugsweise ist das Sensorsystem im Kalibrierbetriebsmodus zum Betrieb bei einer Temperatur ausgebildet, bei der das effektive Sensor-Eingangsrauschen minimal ist. Hierdurch können besonders genaue Messungen erzielt werden. The sensor system is preferably in the Calibration operating mode for operation at one temperature trained in which the effective sensor input noise is minimal. This enables particularly precise measurements be achieved.

Schließlich ist das Sensorsystem in einer besonders bevorzugten Ausführungsform derart ausgebildet, dass während des Kalibrierbetriebsmodus ein Nullpunktsabgleich des mindestens einen Sensors erfolgt und anschließend mindestens eine Sensoreingangsgröße an den mindestens einen Sensor angelegt wird, die klein im Vergleich zu der oder den Sensoreingangsgröße(n) im Normalbetriebsmodus ist bzw. sind, die nach abgeschlossener Kalibrierung etwa zum Vollausschlag des Sensorausgangssignals oder der Sensorausgangssignale führt bzw. führen. After all, the sensor system is special preferred embodiment such that during a calibration of the calibration mode at least one sensor and then at least one a sensor input variable to the at least one sensor is created that is small compared to the or Sensor input variable (s) in normal operating mode is or are after the calibration has been completed, approximately to the full scale the sensor output signal or the sensor output signals leads or lead.

Das Sensorsystem kann derart ausgebildet sein, dass die Sensoreingangsgröße(n) während der Kalibrierung durch einen Datentransfer an den mindestens einen Sensor übermittelt wird bzw. werden. The sensor system can be designed such that the Sensor input variable (s) during calibration by a Data transfer to the at least one sensor is transmitted or will.

Ferner kann das Sensorsystem derart ausgebildet sein, dass es sich im Kalibrierbetriebsmodus über eine Kalibrierlogik automatisch selbst kalibriert. Furthermore, the sensor system can be designed such that it is in calibration mode via a Calibration logic automatically calibrated itself.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorsystem derart ausgebildet, dass während der Kalibrierung ein Kalibrierprotokoll erzeugt wird, das an mindestens einem Ausgang des Sensorsystems ausgegeben wird. In a further preferred embodiment, this is Sensor system designed such that during the Calibration a calibration record is generated that is on at least one output of the sensor system is output.

Das Sensorsystem kann auch derart ausgebildet sein, dass der Ablauf der Kalibrierung über mindestens eine Sensoreingangsgröße des mindestens einen Sensors gesteuert wird. The sensor system can also be designed such that the calibration process over at least one Sensor input variable of the at least one sensor controlled becomes.

Vorzugsweise ist das Sensorsystem derart ausgebildet, dass die Kalibrierung durch ein Handshake-Verfahren zwischen dem an dem mindestens einen Ausgang des Sensorsystems ausgegebenen Kalibrierprotokoll und der mindestens einen Sensoreingangsgröße durchgeführt wird. The sensor system is preferably designed such that that calibration through a handshake process between at the at least one output of the sensor system output calibration report and the at least one Sensor input variable is carried out.

Der mindestens eine Sensor kann ein vorzugsweise integrierter Drucksensor insbesondere geringer Empfindlichkeit sein (beispielsweise ein sogenannter Hochdrucksensor mit einem FS von z. B. 200 bar), der somit bei kleinen, ungefährlichen Drucken beispielsweise von etwa 1 bar kalibriert werden kann. The at least one sensor can preferably be one integrated pressure sensor especially lower Sensitivity (e.g. a so-called High pressure sensor with an FS of z. B. 200 bar), thus at small, harmless pressures of, for example, about 1 bar can be calibrated.

Der mindestens eine Sensor kann auch ein vorzugsweise integrierter Beschleunigungssensor insbesondere geringer Empfindlichkeit sein, der somit bei kleinen, genau reproduzierbaren Beschleunigungswerten kalibriert werden kann. The at least one sensor can also preferably be one integrated acceleration sensor especially lower Sensitivity, which is therefore small, accurate reproducible acceleration values can be calibrated can.

Schließlich kann der mindestens eine Sensor auch ein vorzugsweise integrierter Magnetfeldsensor insbesondere geringer Empfindlichkeit sein, der somit bei kleinen, leistungsschwachen Magnetfeldern kalibriert werden kann. Finally, the at least one sensor can also be a preferably integrated magnetic field sensor in particular low sensitivity, which is therefore low-performance magnetic fields can be calibrated.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der vorzugsweise integrierte Magnetfeldsensor in ein Modul eingebaut sein, das ferner einen Stromleiter und Befestigungselemente zum Befestigen des Moduls umfasst. Dadurch wird ein berührungsloser Hochstromsensor ausgebildet. Durch den besonderen Kalibriermodus kann dieser Hochstromsensor bei kleinen Referenzströmen - wie sie in einer Fertigungslinie leicht zur Verfügung gestellt werden können - kalibriert werden. In a particularly preferred embodiment, the preferably integrated magnetic field sensor in one module be installed, which also has a conductor and Fastening elements for fastening the module includes. This creates a non-contact high current sensor. Due to the special calibration mode, this can High current sensor with small reference currents - as in easily made available to a production line can - be calibrated.

Der mindestens eine Sensor kann als vorzugsweise integrierter Magnetfeldsensor mindestens eine Hallsonde, insbesondere eine Spinning Current Hallsonde bzw. 90°- geschaltete Hallsonde sein. The at least one sensor can be preferred integrated magnetic field sensor at least one Hall probe, in particular a spinning current Hall probe or 90 ° - switched Hall probe.

Darüber hinaus kann eine derartige gechoppte Hallsonde in ein analoges Frontend, d. h. eine analoge Signalverarbeitungselektronik integriert sein, in der durch gechoppte Offsetfehler-Kompensation die Offsets der mindestens einen Hallsonde und/oder von mindestens einen Verstärker (bis beispielsweise zu einem Demodulator) durch eine Rückkopplungsschaltung in der Signalverarbeitungsschaltung mit hoher Schleifenverstärkung weitgehend unterdrückt werden, so dass Verstärker mit moderaten Aussteuergrenzen verwendet werden können. In addition, such a chopped Hall probe in an analog front end, d. H. an analog one Signal processing electronics to be integrated in the by chopped offset error compensation the offsets of the at least one Hall probe and / or at least one Amplifier (up to a demodulator, for example) a feedback circuit in the Signal processing circuit with high loop gain be largely suppressed, so amplifiers with moderate control limits can be used.

Weiterhin kann der spezielle Kalibrierbetriebsmodus durch ein fest definiertes Kalibrierprotokoll und eine intelligente Kalibrierlogik zu einem selbstkalibrierenden Sensor ausgebaut werden. Die Zielwerte des Kalibriervorgangs können mittels Datenaustausch beispielsweise zwischen einem ASIC mit der Signalverarbeitungsschaltung und einer Kalibriereinrichtung in weiten Grenzen flexibel gehalten werden. Alternativ können sie per Datenblatt fest vorgegeben sein, so dass kein Datenaustausch notwendig wird, und somit der Kalibriervorgang einfacher und schneller ablaufen kann. Furthermore, the special calibration operating mode can a defined calibration protocol and an intelligent one Calibration logic expanded to a self-calibrating sensor become. The target values of the calibration process can be done using Data exchange, for example between an ASIC with the Signal processing circuit and a calibration device be kept flexible within wide limits. Alternatively, you can they are fixed in the data sheet, so that no Data exchange is necessary, and thus the calibration process can run easier and faster.

Insbesondere empfiehlt sich ein Kalibrierprotokoll in dem (1) beispielsweise der mindestens eine Sensor mittels seines Ausgangssignals den Status seines Kalibrierzustands angibt (indem der Abgleich an einem Ausgang des Sensorsystems mitverfolgt werden kann und bei Terminierung das Ausgangssignal einen eindeutigen Spannungswert einnimmt) und (2) beispielsweise dem mindestens einen Sensor über mindestens eine Sensoreingangsgröße mitgeteilt werden kann, dass nun eine weitere Phase des Kalibriervorgangs begonnen bzw. beendet wird (indem beispielsweise ein Anlegen bzw. Ausschalten eines Magnetfelds eine Schaltschwelle triggert im Falle eines berührungslosen Stromfeld-Sensorsystems). D. h. im Kalibrierprotokoll wird ein Handshake-Verfahren zwischen den Signalen Sensoreingangsgröße und Sensorausgangsgröße angewandt. In particular, a calibration protocol in which ( 1 ) the at least one sensor indicates the status of its calibration state by means of its output signal is recommended (in that the adjustment can be followed at an output of the sensor system and the output signal assumes a clear voltage value when terminated) and ( 2 ) for example the at least one sensor can be informed via at least one sensor input variable that a further phase of the calibration process is now being started or ended (for example by applying or switching off a magnetic field triggering a switching threshold in the case of a contactless current field sensor system). I.e. In the calibration protocol, a handshake procedure is used between the signals sensor input variable and sensor output variable.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen: The invention will now be described with reference to figures the drawing shown in more detail. Show it:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines ASICs des erfindungsgemäßen Sensorsystems zur Messung eines linearen Magnetfeldes mittels Hallsonden, Fig. 1 shows a first embodiment of an ASIC of the sensor system according to the invention for measuring a linear magnetic field by means of Hall probes,

Fig. 2 den Strom- und Spannungsverlauf ausgewählter Signale des Sensorsystems beim Ablauf eine Kalibrierungsprozedur, und Fig. 2 shows the current and voltage curves of selected signals of the sensor system at the expiration of a calibration procedure, and

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines ASICs des erfindungsgemäßen Sensorsystems zur Messung eines linearen Magnetfeldes mittels Hallsonden. Fig. 3 shows a second embodiment of an ASIC of the sensor system according to the invention for measuring a linear magnetic field by means of Hall probes.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild des signalverarbeitenden Teils bzw. einer Signalverarbeitungsschaltung eines Sensorsystems zur Messung eines linearen Magnetfeldes mittels Hallsonden als Sensoren, der als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ausgebildet ist. Das lineare Magnetfeld eines zu messenden Stroms wird durch wenigsten eine Hallsonde 10 gemessen. In der Praxis realisieren in der Regel zwei Hallsonden eine Differenzfeldmessung. Die Hallsonden werden dann im sogenannten Spinning Current Mode betrieben (bzw. im 90° geschalteten Modus, wenn man nur zwischen zwei Richtungen hin- und herschaltet; durch den Pfeil im Block 10 angedeutet): numeriert man vier (nicht dargestellte) Anschlüsse zweier Hallsonden im Uhrzeigersinn mit 1, 2, 3, 4 dann wird in einer Taktphase 1 die Hallsonde an den Kontakten 1, 3 mit Strom versorgt und die Summe aus Hallsonden-Offset und Hallspannung an den Kontakten 2, 4 abgegriffen und an die Eingänge eines Vorverstärkers 14 gelegt. In der anschließenden Taktphase 2 wird die Hallsonde an den Kontakten 2, 4 mit Strom versorgt und die Differenz aus Hallsonden-Offset und Hallspannung an den Kontakten 1, 3 abgegriffen. Fig. 1 shows the block diagram of the signal processing part or a signal processing circuit of a sensor system for measuring a linear magnetic field using Hall probes as sensors, which is designed as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). The linear magnetic field of a current to be measured is measured by at least one Hall probe 10 . In practice, two Hall probes usually implement a differential field measurement. The Hall probes are then operated in the so-called spinning current mode (or in the 90 ° switched mode if you only switch back and forth between two directions; indicated by the arrow in block 10 ): number four (not shown) connections of two Hall probes in the Clockwise with 1, 2, 3, 4, the Hall probe is then supplied with current at contacts 1 , 3 in a clock phase 1 and the sum of Hall probe offset and Hall voltage is tapped at contacts 2 , 4 and applied to the inputs of a preamplifier 14 , In the subsequent clock phase 2 , the Hall probe is supplied with current at contacts 2 , 4 and the difference between the Hall probe offset and Hall voltage is tapped at contacts 1 , 3 .

Die Signale der Hallsonde 10 werden mittels des Vorverstärkers 14 in einem Normalbetriebsmodus etwa um den Faktor 42 verstärkt. In einem Kalibrierbetriebsmodus wird hingegen die Verstärkung des Vorverstärkers 14 um einen definierten Faktor von etwa 150 erhöht. In der Praxis geschieht dies, indem man noch einen zusätzlichen Kalibrierverstärker 16 mit einer definierten Verstärkung von etwa 150 mittels eines ersten Schalters S1 in den Signalpfad schaltet. Der Verstärkungsfaktor von etwa 150 ist etwa gleich dem Verhältnis aus halbem Full Scale Range (0.5.300A) zu Referenzstrom während eines Kalibriervorgangs (10A). The signals of the Hall probe 10 are amplified by the preamplifier 14 in a normal operating mode by approximately a factor of 42. In contrast, in a calibration operating mode, the gain of the preamplifier 14 is increased by a defined factor of approximately 150. In practice, this is done by switching an additional calibration amplifier 16 with a defined gain of approximately 150 into the signal path by means of a first switch S1. The gain factor of approximately 150 is approximately equal to the ratio of half the full scale range (0.5.300A) to the reference current during a calibration process ( 10 A).

Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 14 wird einer Rückkopplungsschleife bzw. -schaltung zugeführt, in welcher eine Offset-Rückkopplungsschaltung 18 aus dem Ausgangssignal durch periodisches Umpolen und Aufintegrieren zwei Fehlersignale erzeugt. Diese Fehlersignale werden wiederum in den Vorverstärker 14 durch Subtraktion vom Signal der Hallsonde 10 mittels eines Subtrahierers 12 eingespeist und führen so zu einer Kompensation des Sondenoffsets und zugleich auch zu einer Kompensation des Offsets der gesamten Kette umfassend den Vorverstärker 14 und den Kalibrierverstärker 16. The output signal of the preamplifier 14 is fed to a feedback loop or circuit in which an offset feedback circuit 18 generates two error signals from the output signal by periodically reversing the polarity and integrating it. These error signals are in turn fed into the preamplifier 14 by subtracting from the signal of the Hall probe 10 by means of a subtractor 12 and thus lead to a compensation of the probe offset and at the same time also a compensation of the offset of the entire chain including the preamplifier 14 and the calibration amplifier 16 .

Diese Kompensation der beiden Offsets der Hallsonde 10 und der oben erwähnten Kette sollte vorgenommen werden, da ansonsten der Ausgang des Vorverstärkers 14 in Begrenzung gehen würde: wenn z. B. der Vorverstärker 14 einen kleinen Offset von etwa 1 mV aufweist, so würde dieser mit einer Verstärkung von 42.150 = 6300 auf etwa 6.3 V verstärkt werden; in der Realität ist die Ausgangsspannung natürlich auf eine Betriebsspannung von z. B. 3 V begrenzt, so dass in diesem Fall der Vorverstärker 14 übersteuert würde. This compensation of the two offsets of the Hall probe 10 and the chain mentioned above should be carried out, since otherwise the output of the preamplifier 14 would be limited: if z. B. the preamplifier 14 has a small offset of approximately 1 mV, this would be amplified with an amplification of 42,150 = 6300 to approximately 6.3 V; in reality, the output voltage is of course on an operating voltage of z. B. 3 V limited, so that the preamplifier 14 would be overdriven in this case.

Weiterhin wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers 14 einem Demodulator 20 zum Demodulieren des dem gemessenen Magnetfeld entsprechenden Signals zugeführt und anschließend durch einen ersten oder einen zweiten Tiefpassfilter 22 bzw. 24 tiefpassgefiltert. Beide Tiefpassfilter 22 und 24 sind alternativ mittels eines zweiten Schalters S2 in den Signalpfad schaltbar. Der erste Tiefpassfilter 22 besitzt eine Grenzfrequenz von fg_Norm, der zweite Tiefpassfilter eine Grenzfrequenz von fg_cal. Hierbei gilt: fg_Norm >> fg_cal. Furthermore, the output signal of the preamplifier 14 is fed to a demodulator 20 for demodulating the signal corresponding to the measured magnetic field and then low-pass filtered by a first or a second low-pass filter 22 or 24 . Both low-pass filters 22 and 24 can alternatively be switched into the signal path by means of a second switch S2. The first low-pass filter 22 has a cut-off frequency of fg _norm , the second low-pass filter has a cut-off frequency of fg _cal . The following applies: fg _standard >> fg _cal .

Nach der Tiefpassfilterung wird eine sogenannte Nullfeldspannung, die von einer einstellbaren Gleichspannungsquelle 28 erzeugt wird, mittels eines Addierers 26 zum Ausgangssignal eines der Tiefpassfilter 22 oder 24 hinzuaddiert. Anschließend wird das so erzeugte Signal durch einen Ausgangsverstärker 30 verstärkt und niederohmig an einem Ausgangspin 36 zur Verfügung gestellt. After the low-pass filtering, a so-called zero field voltage, which is generated by an adjustable DC voltage source 28 , is added to the output signal of one of the low-pass filters 22 or 24 by means of an adder 26 . The signal thus generated is then amplified by an output amplifier 30 and made available at an output pin 36 in a low-resistance manner.

Das Signal des Ausgangsverstärkers 30 wird ferner dem nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 34 zugeführt, an dessen invertierenden Eingang die Kalibrierreferenz- Spannung einer einstellbaren Kalibrierspannungsquelle 32 anliegt. Das Ausgangssignal des Komparators 34 wird einer digitalen Abgleichsteuerung 38 zugeführt, welche Signale zum Einstellen der Schalter S1 und S2 und der Verstärkung des Vorverstärkers 14 (GDAC) und der Spannung der einstellbaren Gleichspannungsquelle 28 (ODAC) erzeugt. The signal of the output amplifier 30 is also fed to the non-inverting input of a comparator 34 , at the inverting input of which the calibration reference voltage of an adjustable calibration voltage source 32 is present. The output signal of the comparator 34 is fed to a digital adjustment controller 38 , which generates signals for setting the switches S1 and S2 and the amplification of the preamplifier 14 (GDAC) and the voltage of the adjustable DC voltage source 28 (ODAC).

Fig. 2 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf ausgewählter Signale des Sensorsystems beim Ablauf einer Kalibrierungsprozedur: eine Spannung VDD (oberes Diagramm) initiiert den Kalibriermodus (Spannungspegel VDDnormal und VDDcal) zu einem Zeitpunkt t1 und veranlasst die permanente Programmierung eines OTPROMs (One Time Programable Read Only Memory) zu einem Zeitpunkt t10 (Spannungspegel VDDprog). Die Signale Vout (Spannung, mittleres Diagramm) und Ical (Strom, unteres Diagramm) implementieren ein Handshake-Verfahren, indem der Strom Ical auf die Spannung Vout antwortet (zu Zeitpunkten t3, t4) sowie auch umgekehrt (zu Zeitpunkten t5, t6). Der Spannungspegel Vout1 ist das Ergebnis eines Nullpunktsabgleichs, Vout2 das eines Referenzstromabgleichs und Vout3 resultiert aus einem Nullfeld-Spannungsabgleich. Fig. 2 shows the current and voltage curves of selected signals of the sensor system at the end of a calibration procedure: a voltage VDD (upper diagram) initiates the calibration mode (voltage level VDDnormal and VDDcal) at a time t1 and causes the permanent programming of a OTPROMs (One Time Programmable Read Only memory) at a time t10 (voltage level VDDprog). The signals Vout (voltage, middle diagram) and Ical (current, lower diagram) implement a handshake process in which the current Ical responds to the voltage Vout (at times t3, t4) and vice versa (at times t5, t6). The voltage level Vout1 is the result of a zero point adjustment, Vout2 that of a reference current adjustment and Vout3 results from a zero field voltage adjustment.

Im Kalibrierbetriebsmodus soll mit einem Referenzstrom von nur etwa 10 A der ASIC auf ca. 1% abgeglichen werden. Der Referenzstrom ist hier der im Kalibrierbetriebsmodus zu messende Strom. Diesem Referenzstrom entspricht eine magnetische Induktion von etwa 500 µT, die auf ca. 0.5% genau aufzulösen ist. Das bedeutet ein äquivalentes magnetisches Eingangsrauschen von etwa 2.5 µT_RMS. Eine Rauschspannungsdichte von etwa 224 nT_RMS/sqrt(Hz) ist Stand der Technik (dies wird z. B. im Linear Hall Sensor ASIC TLE4990 erreicht). Daraus folgt, dass während der Kalibrierung die Bandbreite des Hochstromsensor-ASICs auf etwa 125 Hz begrenzt werden muß. Das im Blockschaltbild der Fig. 1 eingezeichnete zweite Tiefpassfilter 24 hat demzufolge eine Grenzfrequenz, durch die im Kalibrierbetriebsmodus die Grenzfrequenz im Signalpfad auf etwa 125 Hz heruntergesetzt werden kann, während im Normalbetriebsmodus das erste Tiefpassfilter 22 mit einer Grenzfrequenz zwischen 30 kHz und 100 kHz eingesetzt wird. In calibration mode, the ASIC should be adjusted to approx. 1% with a reference current of only approx. 10 A. The reference current is the current to be measured in the calibration mode. This reference current corresponds to a magnetic induction of approximately 500 µT, which can be resolved with an accuracy of approximately 0.5%. This means an equivalent magnetic input noise of about 2.5 µT _RMS . A noise voltage density of approximately 224 nT _RMS / sqrt (Hz) is state of the art (this is achieved, for example, in the Linear Hall Sensor ASIC TLE4990). It follows that the bandwidth of the high-current sensor ASIC must be limited to approximately 125 Hz during calibration. The second low-pass filter 24 shown in the block diagram in FIG. 1 consequently has a cut-off frequency by means of which the cut-off frequency in the signal path can be reduced to approximately 125 Hz in the calibration operating mode, while in the normal operating mode the first low-pass filter 22 with a cut-off frequency between 30 kHz and 100 kHz is used ,

Im Kalibriervorgang wird folgende definierte Meßsequenz durchgeführt (siehe Fig. 2): Dem ASIC wird mittels einer Impulsfolge der Spannung VDD auf einer VDD-Leitung mitgeteilt, dass ein Kalibriervorgang gestartet wird. Im vorliegenden Fall wird die Spannung von der normalen Betriebsspannung VDD = 5 V für eine Dauer von etwa 10 µs bis etwa 1 ms auf etwa 8 V (Spannungspegel VDDnormal) erhöht und anschließend wieder auf etwa 5 V (Spannungspegel VDDcal) reduziert. The following defined measurement sequence is carried out in the calibration process (see FIG. 2): The ASIC is informed by means of a pulse sequence of the voltage VDD on a VDD line that a calibration process is started. In the present case, the voltage is increased from the normal operating voltage VDD = 5 V for a period of approximately 10 μs to approximately 1 ms to approximately 8 V (voltage level VDD normal) and then reduced again to approximately 5 V (voltage level VDDcal).

Sobald VDD = 5 V ist, beginnt ein Nullpunktsabgleich, in dem der Kalibrierverstärker 16 durch entsprechendes Schalten des Schalters S1 in den Signalpfad eingeschaltet wird, durch Umschalten auf den zweiten Tiefpassfilter 24 mittels des Schalters S2 die Grenzfrequenz der Tiefpassfilterung auf 125 Hz gedrosselt wird und die Eingänge des Vorverstärkers 14 kurzgeschlossen werden. Der ASIC exekutiert nun einen Nullpunktsabgleich, in dem er die einstellbare Gleichspannungsquelle 28 so einstellt, dass die Spannung am Ausgangspin 36 etwa 50% der Betriebsspannung ist. Dazu vergleicht er mittels des Komparators 34 die Spannung am Ausgangspin 36 mit einem Wert von etwa 0.5.VDD und übergibt das Ergebnis binär (0 = kleiner, 1 = größer) der digitalen Abgleichsteuerung 38. Diese inkrementiert bzw. dekrementiert die einstellbare Gleichspannungsquelle 28 mit einer Geschwindigkeit, die der 125 Hz Bandbegrenzung angepasst ist, wobei aufeinanderfolgende In-/Dekremente binär gewichtet sind, um den Nullpunksabgleich zu beschleunigen. As soon as VDD = 5 V, a zero point adjustment begins, in which the calibration amplifier 16 is switched on by switching switch S1 accordingly in the signal path, by switching to the second low-pass filter 24 by means of the switch S2, the cut-off frequency of the low-pass filtering is throttled to 125 Hz and that Inputs of the preamplifier 14 are short-circuited. The ASIC now executes a zero-point adjustment by setting the adjustable DC voltage source 28 such that the voltage at the output pin 36 is approximately 50% of the operating voltage. For this purpose, he compares the voltage at the output pin 36 with a value of approximately 0.5.VDD by means of the comparator 34 and transfers the result in binary form (0 = smaller, 1 = larger) to the digital adjustment controller 38 . This increments or decrements the adjustable DC voltage source 28 at a speed which is adapted to the 125 Hz band limitation, successive increments / decrements being binary-weighted in order to accelerate the zero point adjustment.

Währenddessen kann ein Anwender des Sensorsystems den Abgleich anhand der Ausgangsspannung am Ausgangspin 36 beobachten. Der Algorithmus der digitalen Abgleichsteuerung 38 terminiert, wenn die einstellbare Gleichspannungsquelle 28 mehrmals um 1 LSB rauf und runter geht. Der ASIC speichert den Einstell- bzw. ODAC-Wert der einstellbaren Gleichspannungsquelle 28 in einem Register und signalisiert dem Anwender das Ende des Nullpunktabgleichs, indem er den Ausgangspin 36 auf Masse zieht. In Vorbereitung für den anschließenden Referenzstromabgleich wird die Verstärkung des Vorverstärkers 14 auf ein Minimum gesetzt (der Vorverstärker 14 ist als Programmable Gain Amplifier PGA ausgeführt) und die Vorverstärkereingänge werden nicht mehr kurzgeschlossen. In the meantime, a user of the sensor system can observe the adjustment based on the output voltage at the output pin 36 . The algorithm of the digital balancing controller 38 terminates when the adjustable DC voltage source 28 goes up and down 1 LSB several times. The ASIC stores the setting or ODAC value of the adjustable DC voltage source 28 in a register and signals the end of the zero point adjustment to the user by pulling the output pin 36 to ground. In preparation for the subsequent reference current adjustment, the amplification of the preamplifier 14 is set to a minimum (the preamplifier 14 is designed as a programmable gain amplifier PGA) and the preamplifier inputs are no longer short-circuited.

Dies ist das Zeichen für den Anwender, den Referenzstrom Ical von etwa 10 A in den Leiter einzuprägen. Durch das Magnetfeld steigt die Spannung am Ausgangspin 36 auf über 50% von VDD an. Bei ca. 70% VDD erkennt der ASIC, dass der Anwender reagiert hat, und jetzt ein Referenzstrom in den Leiter eingeprägt wird. Der ASIC versucht daraufhin automatisch mittels Abstimmen des Vorverstärkers 14 am Ausgangspin 36 eine Spannung von etwa 90% VDD zu erzeugen. Dazu wird wieder der Komparator verwendet, dessen Kalibrierreferenz-Spannung nun aber bei etwa 90% von VDD liegt. Auch dieser Abgleich terminiert ähnlich wie der Nullpunktsabgleich und führt zu dem Ergebnis, dass die Empfindlichkeit des ASICs im Kalibrierbetriebsmodus auf S_cal = 0.4.VDD/Ical eingestellt ist. Im Normalbetriebsmodus, wenn die Kalibrierverstärker 16 aus dem Signalpfad herausgenommen wird, ist die Empfindlichkeit folglich S_cal = 0.4.VDD/(150.Ical). Der Referenzstrom kann ein fester Wert sein, der im Datenblatt des ASICs definiert ist. Das Ergebnis des Referenzstromabgleichs wird ebenfalls in einem Register gespeichert. Wiederum signalisiert der ASIC dem Anwender das Ende des Referenzstromabgleichs, indem er das Ausgangspin 36 auf Masse zieht. This is the sign for the user to impress the reference current Ical of about 10 A in the conductor. The magnetic field increases the voltage at output pin 36 to over 50% of VDD. At approx. 70% VDD, the ASIC recognizes that the user has reacted and that a reference current is now being impressed on the conductor. The ASIC then automatically tries to generate a voltage of approximately 90% VDD at the output pin 36 by tuning the preamplifier 14 . The comparator is used again, but its calibration reference voltage is now around 90% of VDD. This adjustment also terminates similarly to the zero point adjustment and leads to the result that the sensitivity of the ASIC in calibration mode is set to S _cal = 0.4.VDD / Ical. In normal operating mode, when the calibration amplifier 16 is removed from the signal path, the sensitivity is consequently S _cal = 0.4.VDD / (150.Ical). The reference current can be a fixed value, which is defined in the data sheet of the ASIC. The result of the reference current adjustment is also stored in a register. Again, the ASIC signals the end of the reference current adjustment to the user by pulling the output pin 36 to ground.

Durch dieses Zeichen wird dem Anwender signalisiert, den Referenzstrom durch den Leiter auszuschalten. Da dadurch das Magnetfeld zum Großteil verschwindet (bis auf Hintergrundfelder und ev. unerwünschte Remanenzerscheinungen), unterschreitet das Signal einen kritischen Wert, wodurch der ASIC erkennt, dass der Anwender reagiert hat. Somit beginnt er den Nullfeldspannungs- Abgleich: hierzu wird die Kalibrierverstärker 16 aus dem Signalpfad entfernt und es werden die Eingänge des Vorverstärkers 14 wieder kurzgeschlossen. Ferner wird zur Beschleunigung des Abgleichs die Grenzfrequenz der Tiefpassfilterung von etwa 150 Hz auf ca. 30 kHz. .100 kHz durch Umschalten auf den ersten Tiefpassfilter 22 mittels des ersten Schalters S1 hochgesetzt, denn die extreme Bandbegrenzung braucht der ASIC nur bei maximaler Verstärkung, wenn also der Kalibrierverstärker 16 in den Signalpfad eingefügt ist. This symbol signals the user to switch off the reference current through the conductor. Since this largely eliminates the magnetic field (apart from background fields and possibly undesirable remanent phenomena), the signal falls below a critical value, which means that the ASIC recognizes that the user has reacted. He therefore begins the zero field voltage adjustment: for this purpose the calibration amplifier 16 is removed from the signal path and the inputs of the preamplifier 14 are short-circuited again. Furthermore, to accelerate the adjustment, the cut-off frequency of the low-pass filtering is reduced from approximately 150 Hz to approximately 30 kHz. .100 kHz increased by switching to the first low-pass filter 22 by means of the first switch S1, because the extreme band limitation is only required by the ASIC with maximum amplification, that is to say when the calibration amplifier 16 is inserted into the signal path.

Es wird die gleiche Abgleichroutine ausgeführt wie beim Nullpunktabgleich, d. h. es wird wieder der aktuelle ODAC-Wert so lange in- bzw. dekrementiert, bis die Ausgangsspannung am Ausgangspin 36 automatisch auf etwa 50% VDD getrimmt ist. Dieser aktuelle ODAC-Wert überschreibt den zuvor im Nullpunktabgleich ermittelten ODAC-Wert. Beide Werte unterscheiden sich in der Praxis zumeist, da der Offset auch durch die Spinning Current Hall Technik nicht vollkommen eliminiert wird und somit mit unterschiedlichen Verstärkungen multipliziert wurde. Für den Normalbetrieb ist aber jener ODAC-Wert relevant, der ohne Einfügen des Kalibrierverstärkers 16 resultiert. Daher wird dieser Wert zuletzt ermittelt und überschreibt den ersten Wert. Diese Reihenfolge kann natürlich auch geändert werden, wenn man zusätzliche Register verwendet, welche die Kalibrierdaten zwischenspeichern. The same adjustment routine is carried out as for the zero adjustment, ie the current ODAC value is incremented or decremented until the output voltage at the output pin 36 is automatically trimmed to approximately 50% VDD. This current ODAC value overwrites the ODAC value previously determined in the zero point adjustment. In practice, the two values mostly differ, since the offset is not completely eliminated by the spinning current hall technique and has therefore been multiplied by different gains. For normal operation, however, the ODAC value that results without inserting the calibration amplifier 16 is relevant. Therefore, this value is determined last and overwrites the first value. This order can of course also be changed if additional registers are used which buffer the calibration data.

Die oben erwähnten Tätigkeiten eines Anwenders können selbstverständlich automatisch durchgeführt werden. Die hierfür erforderlichen schaltungstechnischen Maßnahmen sind einem Fachmann auf dem Gebiet der Sensorsysteme geläufig. An dieser Stelle sei nur angemerkt, dass beispielsweise ein entsprechend programmierter Mikroprozessor die Tätigkeiten des Anwenders übernehmen kann. Der Mikroprozessor steuert dann automatisch das An- und Abstellen sowie Einstellen des Referenzstroms. The activities of a user mentioned above can can of course be carried out automatically. The circuitry measures required for this are familiar to a specialist in the field of sensor systems. On at this point it should only be noted that for example a appropriately programmed microprocessor the activities of the user can take over. The microprocessor controls then automatically switching on and off as well as setting the Reference current.

Aufgrund der großen Empfindlichkeit des Sensorsystems während des Kalibrierbetriebsmodus kann es bei falscher Auslegung des Systems passieren, dass Störeinstrahlungen (EMV) vom Sensor als Signal "beginne Referenzstrommessung" bzw. "beende Referenzstrommessung" interpretiert werden. Da jedoch das System im Normalbetriebsmodus hochgradig störfest sein soll, ist es bei einiger Vorsicht auch möglich, während des Kalibrierbetriebsmodus keine unzulässig großen Störungen auf den Sensor einwirken zu lassen, insbesondere da der Sensor bereits im vollständigen Modul (mit EMV-Kapazitäten und Schirmgehäuse) kalibriert werden kann. Zusätzliche Störsicherheit wird erreicht, wenn die Signale "beginne Referenzstrommessung" bzw. "beende Referenzstrommessung" während einer Mindestzeitdauer anliegen müssen, ehe sie vom ASIC interpretiert werden. Da diese Signale durch Weiterverarbeitung der Ausgangsspannung am Ausgangspin 36 gewonnen werden, sind sie bereits zu größten Teil von kurzzeitigen Störungen durch das zweite Tiefpassfilter 24 bereinigt. Zudem können eventuelle Spikes am Ausgangspin 36 beispielsweise durch ein daran angeschlossenes Digitalspeicher-Oszilloskop oder auch automatisch mittels einer entsprechenden Vorrichtung detektiert und der Kalibriervorgang erneut gestartet werden. Due to the high sensitivity of the sensor system during the calibration mode of operation, if the system is configured incorrectly, interference (EMC) may be interpreted by the sensor as a signal "start reference current measurement" or "end reference current measurement". However, since the system is intended to be highly interference-free in normal operating mode, it is also possible with some caution not to allow the sensor to have any unacceptably large interferences during the calibration operating mode, especially since the sensor is already calibrated in the complete module (with EMC capacities and shield housing) can be. Additional interference immunity is achieved if the signals "start reference current measurement" or "end reference current measurement" must be present for a minimum period of time before they are interpreted by the ASIC. Since these signals are obtained by further processing the output voltage at the output pin 36 , they are already largely eliminated from short-term interference by the second low-pass filter 24 . In addition, any spikes on the output pin 36 can be detected, for example, by a digital storage oscilloscope connected to it, or also automatically by means of an appropriate device, and the calibration process can be started again.

Das Ende des Nullfeldspannungsabgleichs wird dem Anwender wiederum angezeigt, indem der ASIC den Ausgangspin 36 auf Masse zieht. Dann kann der Anwender die Betriebsspannung auf z. B. 17 V erhöhen. Dadurch wird der ASIC veranlasst seine aktuellen Bitkombinationen für die Werte GDAC und ODAC in sein OTPROM zu schreiben und anschließend durch das Setzen eines Memlock-Bits ein weiteres, ungewolltes Ändern des OTPROM zu verhindern. Der ASIC ist somit kalibriert. Wenn der Anwender die Betriebsspannung nicht erhöht, so ist der ASIC zwar auch kalibriert, aber seine Kalibrierkonstanten gehen beim nächsten Power-Down verloren. The end of the zero field voltage adjustment is again indicated to the user by the ASIC pulling the output pin 36 to ground. Then the user can set the operating voltage to e.g. B. Increase 17 V. This causes the ASIC to write its current bit combinations for the values GDAC and ODAC into its OTPROM and then to prevent further, unwanted changes to the OTPROM by setting a memlock bit. The ASIC is thus calibrated. If the user does not increase the operating voltage, the ASIC is calibrated, but its calibration constants will be lost during the next power down.

Der oben beschriebene Abgleichvorgang mittels Komparator 34 und digitaler Abgleichsteuerung 38 kann natürlich unter Zuhilfenahme eines ADCs (Analog-Digital Converter) anstelle des Komparators 34 wesentlich verbessert werden. Der ADC teilt dann der digitalen Abgleichsteuerung 38 mit, wie weit der aktuelle Meßwert am Ausgangspin 36 vom Zielwert entfernt ist, so dass die Anzahl der Iterationen stark reduziert werden kann, wodurch der Kalibriervorgang beschleunigt wird. The above-described adjustment process by means of comparator 34 and digital adjustment control 38 can of course be significantly improved with the aid of an ADC (analog-digital converter) instead of comparator 34 . The ADC then tells the digital adjustment controller 38 how far the current measured value at the output pin 36 is from the target value, so that the number of iterations can be greatly reduced, which speeds up the calibration process.

In einem verbesserten System kann nach dem Einprägen des Referenzstroms und vor dem Programmieren des OTPROMs ein Datentransfer stattfinden, in dem der Anwender dem ASIC mitteilt, wie groß der Kalibrierstrom war. Dadurch vereinfachen sich die Anforderungen für die Kalibrierstromquelle, da sie dann lediglich stabil sein muß, nicht aber absolut genau, denn die Absolutgenauigkeit wird durch ein Rückmessen des Kalibrierstroms ermittelt und dem ASIC nach Ende der Referenzstrom-Abgleichs-Phase mitgeteilt. Daraus kann sich der ASIC mittels interner Kalibrierlogik die real erzielte Empfindlichkeit ausrechnen und gegebenenfalls durch Korrektur seines Kalibrierbit-Musters kleine Referenzstromfehler kompensieren. In an improved system, after the Reference current and before programming the OTPROM Data transfer take place in which the user uses the ASIC reports how large the calibration current was. Thereby simplify the requirements for the Calibration current source, since it then only has to be stable, but not absolutely exact, because the absolute accuracy will determined by back-measuring the calibration current and the ASIC communicated after the end of the reference current adjustment phase. The ASIC can use this to determine the internal calibration logic Calculate the real achieved sensitivity and if necessary by correcting its calibration bit pattern small Compensate for reference current errors.

Weiterhin kann vor dem Beginn der Referenzstrommessung ein Datentransfer stattfinden, der dem ASIC die gewünschte Zielempfindlichkeit mitteilt. Dadurch kann der Anwender durch Wahl des Kalibrierstroms in gewissen Grenzen die Endauflösung des Systems bestimmen. Furthermore, before the start of the reference current measurement Data transfer take place that the ASIC the desired Communicates target sensitivity. This allows the user to Choice of the calibration current within certain limits the final resolution of the system.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des signalverarbeitenden Analogteils eines integrierten Magnetfeldsensors mit einer Spinning Current Hallsonde 50, die zwei Meßsignale liefert, und einer Rückkopplungsschleife, die ein zum Offset der Hallsonde 50 und einer Vorverstärkerkette proportionales Fehlersignal extrahiert und als Kompensation in Vorverstärker 52 und 54 einspeist. Fig. 3 shows a second embodiment of the signal processing analog part shows an integrated magnetic field sensor with a spinning current Hall probe 50, which provides two measurement signals, and a feedback loop which extracts a signal proportional to the offset of the Hall probe 50 and a Vorverstärkerkette error signal and a compensation in pre-amplifier 52 and 54 feeds.

Die beiden Meßsignale der Hallsonde 50 werden jeweils den Vorverstärkern 52 und 54 zugeführt. Die Ausgangssignale der Vorverstärker 52 und 54 werden jeweils über einen einstellbaren Spannungsteiler 56 auf die invertierenden Eingänge der Vorverstärker 52 bzw. 54 rückgekoppelt, wodurch die Verstärkung einstellbar ist. Die beiden dem Magnetfeld proportionalen Ausgangssignale der Vorverstärker 52 und 54 werden durch Signal-Demodulatoren 58 demoduliert und jeweils durch einen Tiefpassfilter 60 bzw. 62 gefiltert; anschließend werden die tiefpassgefilterten Signale dem nichtinvertierenden bzw. invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 64 zugeführt. Zu dessen einzigen Ausgangssignal wird eine Nullfeldspannung einer einstellbaren Gleichspannungsquelle 72 durch einen Addierer 66 hinzuaddiert. Schließlich wird das so erzeugte Signal mittels eines Leistungsverstärkers 68 an einem Ausgangspin 70 zur Verfügung gestellt. The two measurement signals of Hall probe 50 are fed to preamplifiers 52 and 54 , respectively. The output signals of the preamplifiers 52 and 54 are each fed back via an adjustable voltage divider 56 to the inverting inputs of the preamplifiers 52 and 54 , as a result of which the amplification can be set. The two output signals of the preamplifiers 52 and 54, which are proportional to the magnetic field, are demodulated by signal demodulators 58 and each filtered by a low-pass filter 60 or 62 ; the low-pass filtered signals are then fed to the non-inverting or inverting input of a differential amplifier 64 . A zero field voltage of an adjustable DC voltage source 72 is added to its single output signal by an adder 66 . Finally, the signal generated in this way is made available at an output pin 70 by means of a power amplifier 68 .

Nicht gezeigt ist die digitale Abgleichschaltung, welche die Ausgangsspannung mißt und mit einer Referenzspannung vergleicht, sowie bei Bedarf die Verstärkung der Vorverstärker 52 und 54 über das Signal GDAC (bei Kalibrierstromabgleich) oder die Spannung der einstellbaren Gleichspannungsquelle 72 über das Signal ODAC (beim Nullpunkt- und beim Nullfeldspannungs-Abgleich) derart nachregelt, dass die Ausgangsspannung am Ausgangspin 70 mit der Referenzspannung in Übereinstimmung gebracht wird. In gewissen Phasen des Kalibriervorgangs kann ein zusätzlicher (nicht dargestellter) Verstärker in die Vorverstärker 52 und 54 eingefügt werden, der die Verstärkung erhöht. Dies unterscheidet sich in der Funktionsweise im Prinzip nicht von den Vorverstärkern 52 und 54 mit einstellbarer Verstärkung. Auch die Kurzschlußschalter an den Eingängen der Vorverstärker 52 und 54 sind nicht dargestellt. Die Grenzfrequenz der Tiefpassfilter 60 und 62 nach den beiden Demodulatoren 58 sind variabel und können während des Kalibriervorgangs hinreichend stark reduziert werden. Not shown is the digital balancing circuit, which measures the output voltage and compares it with a reference voltage, and if necessary the amplification of the preamplifiers 52 and 54 via the signal GDAC (for calibration current adjustment) or the voltage of the adjustable DC voltage source 72 via the signal ODAC (for the zero point and during zero field voltage adjustment) in such a way that the output voltage at output pin 70 is brought into agreement with the reference voltage. In certain phases of the calibration process, an additional amplifier (not shown) can be inserted into the preamplifiers 52 and 54 , which increases the gain. In principle, this does not differ in operation from preamplifiers 52 and 54 with adjustable amplification. The short-circuit switches at the inputs of the preamplifiers 52 and 54 are also not shown. The cut-off frequency of the low-pass filters 60 and 62 after the two demodulators 58 are variable and can be reduced to a sufficiently great extent during the calibration process.

Der Rückkopplungspfad wird durch eine Serienschaltung aus Offset-Demodulatoren 74, zwei Offset-Tiefpassfilter 76 und 78, einem Offset-Integrator 80 mit differentiellen Ausgang, zwei Kondensatoren 82 und 84 sowie einem Stromverstärker 86 gebildet. Der Offset-Integrator 80 erzeugt ein differentielles Fehlersignal, das mittels des Stromverstärkers 86 in einen Strom gewandelt wird. Dieser Strom stellt im Prinzip den Fehler bzw. Offset in den Signalen der Hallsonde 50 dar und wird daher den invertierenden Eingängen der Vorverstärker 52 und 54 zugeführt zur Kompensation. Bezugszeichenliste 10 Hallsonde
12 Subtrahierer
14 Vorverstärker
16 Kalibrierverstärker
18 Offset-Rückkopplungsschaltung
20 Demodulator
22 erstes Tiefpassfilter
24 zweites Tiefpassfilter
26 Addierer
28 einstellbare Gleichspannungsquelle
30 Ausgangsverstärker
32 einstellbare Kalibrierspannungsquelle
34 Komparator
36 Ausgangspin
38 digitale Abgleichsteuerung
50 Spinning Current Hallsonde
52 Vorverstärker
54 Vorverstärker
56 einstellbarer Spannungsteiler
58 (Signal-)Demodulatoren
60 Tiefpassfilter
62 Tiefpassfilter
64 Differenzverstärker
66 Addierer
68 Leistungsverstärker
70 Ausgangspin
72 einstellbare Gleichspannungsquelle
74 Offset-Demodulatoren
76 Offset-Tiefpassfilter
78 Offset-Tiefpassfilter
80 Offset-Integrator
82 Kondensator
84 Kondensator
86 Stromverstärker
The feedback path is formed by a series circuit comprising offset demodulators 74 , two offset low-pass filters 76 and 78 , an offset integrator 80 with differential output, two capacitors 82 and 84 and a current amplifier 86 . The offset integrator 80 generates a differential error signal, which is converted into a current by means of the current amplifier 86 . In principle, this current represents the error or offset in the signals of the Hall probe 50 and is therefore fed to the inverting inputs of the preamplifiers 52 and 54 for compensation. Legend: 10 Hall probe
12 subtractors
14 preamplifiers
16 calibration amplifiers
18 offset feedback circuit
20 demodulator
22 first low pass filter
24 second low pass filter
26 adders
28 adjustable DC voltage source
30 output amplifiers
32 adjustable calibration voltage source
34 comparator
36 output pin
38 digital adjustment control
50 Spinning Current Hall probe
52 preamplifiers
54 preamplifiers
56 adjustable voltage divider
58 (signal) demodulators
60 low pass filters
62 low pass filter
64 differential amplifiers
66 adders
68 power amplifiers
70 output pin
72 adjustable DC voltage source
74 offset demodulators
76 Offset low pass filter
78 offset low-pass filter
80 offset integrator
82 capacitor
84 capacitor
86 current amplifiers

Claims

1. A method for calibrating a sensor system which has at least one sensor ( 10 ; 50 ) and a signal processing circuit ( 12-38 ; 52-86 ) for processing at least one signal of the at least one sensor, and measurements in a normal operating mode via the at least one sensor ( 10 ; 50 ), characterized in that the sensor system for calibration is brought into a calibration operating mode in which the sensitivity and / or measurement resolution of the sensor system is or are significantly increased compared to the normal operating mode.

2. The method according to claim 1, characterized in that in calibration mode, the measurement bandwidth compared to Measurement bandwidth is reduced in normal operating mode.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that compared to power consumption in calibration mode the power consumption is increased in normal operating mode, by the sensor system with an operating voltage and / or an operating current is operated, the or the larger than is in normal operating mode.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in a low-power application of the sensor system, the duty cycle of the signal processing circuit ( 12-38 ; 52-86 ) is increased.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor system in calibration mode at a Temperature is operated at which the effective sensor Input noise is minimal.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a zero point adjustment of the at least one sensor ( 10 ; 50 ) takes place during the calibration operating mode and then at least one sensor input variable is applied to the at least one sensor, which is small compared to the sensor input variable or variables (n) is in the normal operating mode, which after the calibration has been completed leads to the full deflection of the sensor system output signal or the sensor system output signals.

7. The method according to claim 6, characterized in that the sensor input variable (s) during calibration a data transfer to the at least one sensor is or will be transmitted.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor system automatically calibrates itself in the calibration operating mode via a calibration logic ( 38 ).

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a calibration protocol is generated during the calibration, which is output at at least one output ( 36 ; 70 ) of the sensor system.

10. The method according to claim 9, characterized in that the calibration process is controlled via at least one sensor input variable of the at least one sensor ( 10 ; 50 ).

11. The method according to claim 10, characterized in that the calibration is carried out by a handshake method between the calibration protocol output at the at least one output of the sensor system ( 36 ; 70 ) and the at least one sensor input variable.

12. Device for calibrating a sensor system, the at least one sensor ( 10 ; 50 ) and a signal processing circuit ( 12-38 ; 52-86 ) for processing at least one signal of the at least one sensor and a normal operating mode for carrying out measurements on the at least one Sensor ( 10 ; 50 ), characterized in that the sensor system for calibration can be brought into a calibration operating mode in which it is set such that the sensitivity and / or measurement resolution of the sensor system is or are significantly increased compared to the normal operating mode.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that in calibration mode, the measuring bandwidth compared to the Measurement bandwidth is reduced in normal operating mode.

14. The apparatus of claim 12 or 13, characterized in that compared to power consumption in calibration mode the power consumption is increased in normal operating mode, by the sensor system with an operating voltage and / or an operating current is operated, the or the larger than is in normal operating mode.

15. Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that in a low-power application of the sensor system, the duty cycle of the signal processing circuit ( 12-38 ; 52-86 ) is increased.

16. The device according to one of claims 12 to 15, characterized in that the sensor system is operating in calibration mode is formed at a temperature at which the effective Sensor input noise is minimal.

17. The device according to one of claims 12 to 16, characterized in that the sensor system is designed such that a zero point adjustment of the at least one sensor ( 10 ; 50 ) takes place during the calibration operating mode and then at least one sensor input variable is applied to the at least one sensor, which is or are small in comparison to the sensor input variable (s) in the normal operating mode, which, after the calibration has been completed, leads to the full deflection of the sensor output signal or the sensor output signals.

18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the sensor system is designed such that the Sensor input variable (s) during calibration a data transfer to the at least one sensor is or will be transmitted.

19. Device according to one of claims 12 to 18, characterized in that the sensor system is designed such that it automatically calibrates itself in the calibration operating mode via a calibration logic ( 38 ).

20. Device according to one of claims 12 to 19, characterized in that the sensor system is designed such that a calibration protocol is generated during calibration, which is output at at least one output ( 36 ; 70 ) of the sensor system.

21. The apparatus according to claim 20, characterized in that the sensor system is designed such that the calibration process is controlled via at least one sensor input variable of the at least one sensor ( 10 ; 50 ).

22. The apparatus according to claim 21, characterized in that the sensor system is designed such that the calibration is carried out by a handshake method between the calibration protocol output at the at least one output of the sensor system ( 36 ; 70 ) and the at least one sensor input variable.

23. Device according to one of claims 12 to 22, characterized in that the at least one sensor ( 10 ; 50 ) is a pressure sensor.

24. Device according to one of claims 12 to 22, characterized in that the at least one sensor ( 10 ; 50 ) is an acceleration sensor.

25. Device according to one of claims 12 to 22, characterized in that the at least one sensor ( 10 ; 50 ) is a magnetic field sensor.

26. The device according to claim 25, characterized in that the magnetic field sensor ( 10 ; 50 ) is installed in a module, which further comprises a current conductor and fastening elements for fastening the module, so that a non-contact current sensor is formed.

27. The device according to claim 25 or 26, characterized in that the magnetic field sensor ( 10 ; 50 ) has at least one Hall probe, in particular a spinning current Hall probe or Hall probe connected at 90 °.

28. The apparatus according to claim 27, characterized in that the signal processing circuit has a feedback circuit ( 18 ; 74-86 ) with high loop gain in order to offset the at least one Hall probe ( 10 ; 50 ) and / or at least one amplifier ( 14-16 ; 52 , 54 ) to suppress.