DE102005048261A1

DE102005048261A1 - Anomaliedetektor für Schwingungsdrehratesensor

Info

Publication number: DE102005048261A1
Application number: DE102005048261A
Authority: DE
Inventors: Takao Kariya Tsuruhara; Hajime Kariya Ito; Shunji Kariya Mase
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US7292021B2; US20060077013A1

Abstract

In einem Anomaliedetektor, der einen anomalen Zustand eines Oszillationssignals einer Schaltung wie etwa einer Schwingungserfassungsschaltung erfasst, wird das Oszillationssignal, das AC- und DC-Komponenten enthält, in ein erstes und ein zweites Signal mit etweder DC-Amplituden von entgegengesetzter Polarität oder periodisch veränderliche Amplituden entgegengesetzer Phase umgewandelt. Das erste und das zweite Signal werden kombiniert, um die AC-Komponente des Oszillationssignal zu löschen, um so die DC-Komponente zu erfassen. Die DC-Komponente wird anschließend mit der oberen und der unteren Schwelle eines Entscheidungsbereichs verglichen, um einen Alarm zu erzeugen, wenn die DC-Komponente außerhalb des Entscheidungsbereichs gerät. In einer Ausführungsform werden das erste und das zweite Signal erzeugt, indem ein positiver und ein negativer Spitzenwert des Oszillationssignals in Intervallen erfasst werden. In einer zweiten Ausführungsform wird das erste Signal durch Hochpassfilterung des Oszillationssignals als eine Kopie der AC-Komponente erzeugt, und das zweite Signal ist das Oszillationssignal selbst.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf den japanischen Patentanmeldungen Nr. 2004–296097, eingereicht am 8. Oktober, 2004, und Nr. 2004–376270, eingereicht am 27. Dezember 2004, die hierin durch Bezugnahme enthalten sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Schwingungsdrehratesensoren und insbesondere einen Anomaliedetektor für die Schwingungsdrehratesensoren.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein bekannter Schwingungsdrehratesensor umfasst einen Differenzverstärker zur Erzeugung eines Differenzausgangssignals, das ein Maß für die Differenz zwischen den Ausgangssignalen von einem Paar von Erfassungselementen (oder Gyro-Sensor) ist. Eine vorbestimmte Frequenzkomponente wird von dem Differenzausgang unter Verwendung eines Synchrondetektors und eines Tiefpassfilters erfasst. Das Differenzausgangssignal besitzt eine DC-Offsetspannung, die zum Beispiel dann anomal wird, wenn der Bonddraht zwischen dem Sensor und dem Differenzverstärker durchtrennt wird. Aus diesem Grund ist ein Anomaliedetektor 2, wie er in 1A gezeigt ist, für einen Schwingungsdrehratesensor 1 entwickelt worden, um zu erfassen, wenn die Offset-Spannung des Differenzausgangs anomal wird. Der bekannte Anomaliedetektor 2 umfasst ein Tiefpassfilter 3 zum Filtern des Differenzausgangssignals des Sensors 1. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 3 wird in einem Fensterkomparator 4 mit einer oberen Schwellenspannung VRH und einer unteren Schwellenspannung VRL verglichen. wenn der Drehratesensor ordnungsgemäß arbeitet, liegt das Ausgangssignal des Tiefpassfilters zwischen der oberen und unteren Grenzspannung, und ein Hochpegelausgangssignal wird von dem Fensterkomparator 4 ausgegeben. wenn der Sensor nicht ordnungsgemäß arbeitet steigt das Tiefpassfilterausgangssignal über die obere Grenzspannung oder fällt unter die untere Grenzspannung, und der Fensterkomparator 4 erzeugt ein Tiefpegelsignal, Warnsignal.
Insbesondere wird das Differenzausgangssignal des Drehratesensors 1 dargestellt durch: VDIF (t) = Va·sinωdt + Vdc (1)wobei ω_d = 2πf_d und V_dc die DC-Offsetspannung ist. Das Tiefpassfilterausgangssignal V_LPF ist gleich der Offsetspannung V_dc, wenn das Tiefpassfilter vom nicht invertierenden Typ ist, wie es in 1A gezeigt ist, und gleich 2 × V_REF + V_dc, wenn das Tiefpassfilter vom invertierenden Typ ist, wie es in 1B gezeigt ist, wo V_REF die Referenzspannung ist, die an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt wird und dem mittleren Punkt zwischen der oberen und der unteren Schwellenspannung V_RH und V_RL des Fensterkomparators 4 entspricht. Wie es in 2 gezeigt ist, vergleicht der Fensterkomparator 4 die Ausgangsspannung V_DIF (t) von jedem Tiefpassfilter 3 mit den Referenzspannungen V_RH und V_RL und bestimmt, ob die Differenz V_DIF (t) – V_RF = ΔV_dc außerhalb des Bereichs zwischen V_RH und V_RL ist. Wenn dies der Fall ist, ist der Sensor anomal, und der Fensterkomparator 4 erzeugt ein Warnsignal.
Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 3 enthält eine Welligkeitskomponente (mit einer Frequenz, die gleich f_d ist), die so klein wie möglich sein soll. Ferner ist es erforderlich, dass die Grenzfrequenz (f_c) des Tiefpassfilters 3 ausreichend niedriger als die Frequenz f_d der Eingangsdifferenzspannung ist. Aus diesen Gründen muss das Tiefpassfilter 3 mit einem großen Zeitkonstantenwert ausgelegt sein. Jedoch wird die Verwendung eines Tiefpassfilters mit großer Zeitkonstante eine zeitliche Verzögerung bei der Erfassung einer anomalen Offsetspannung einführen. Wenn eine allmählich veränderliche Anomalie auftritt, kann der Detektor des Standes der Technik den Fehler aufgrund der eingeführten Zeitkonstante nicht schnell erfassen. Ferner kann bei einem solchen Tiefpassfilter der Zeitkonstantenwert im Vergleich zu der Veränderungsrate einer vorübergehend anomalen Offsetspannung groß sein. Wenn eine solche vorübergehende Anomalie in einer Zeitspanne auftritt, die kleiner als die Zeitkonstante des Tiefpassfilters 3 ist, würde der Anamaliedetektor 2 des Standes der Technik die Anomalie nicht erfassen.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine schnelle Erfassung einer allmählich veränderlichen Anomalie einer DC-Komponente eines Oszillationssignals zu erfassen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Erfassung einer vorübergehenden Anomalie einer DC-Komponente eines Oszillationssignals zu ermöglichen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Anomaliedetektor zur Erfassung einer DC-Komponente eines Oszillationssignals bereitgestellt, der einen DC-Komponentendetektor umfasst, der eine DC- Komponente des Oszillationssignals erfasst, wobei der Detektor kein Zeitverzögerungselement enthält, das eine Verzögerung der Erfassung der DC-Komponente einführt. Ein Fensterkomparator, der dem Detektor zugeordnet ist und überprüft, um zu sehen, ob die erfasste DC-Komponente innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, um zu bestimmen, ob das Oszillationssignal normal ist oder nicht.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Erfassungsschaltung bereitgestellt, die ein Erfassungselement umfasst, das ein Oszillationssignal erzeugt, das Oszillationen des Erfassungselements in Antwort auf eine von außen ausgeübte Kraft erzeugt, und ein DC-Komponentendetektor, der eine DC-Komponente der Oszillation erfasst, wobei der Detektor kein Zeitverzögerungselement enthält, das eine Verzögerung bei der Erfassung der DC-Komponente einführt. Ein Fensterkomparator ist dem Detektor zugeordnet, um zu überprüfen, um zu sehen, ob die erfasste DC-Komponente innerhalb eines vorbestimmten Entscheidungsbereichs liegt, um zu bestimmen, ob das Erfassungselement ordnungsgemäß arbeitet oder nicht.

Insbesondere erzeugt der DC-Komponentendetektor des Anomaliedetektors oder die Erfassungsschaltung aus dem Oszillationssignal ein Paar aus einem ersten und einem zweiten Signal mit Amplituden entgegengesetzter Polaritäten, wobei wenigstens eines von dem ersten und dem zweiten Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthält und das erste und zweite Signal verbindet, um die DC-Komponente durch gegenseitiges Auslöschen der Amplituden entgegengesetzter Polaritäten zu erfassen. Vorzugsweise ist das erste Signal eine DC-Amplitude einer ersten Polarität, die die DC-Komponente enthält, und das zweite Signal ist eine DC-Amplitude einer zweiten Polarität, die die DC-Komponente enthält, wobei die zweite Polarität der ersten Polarität entgegengesetzt ist. Alternativ besitzt das erste Signal eine periodisch veränderliche Amplitude mit einer ersten Phase, und das zweite Signal eine periodisch veränderliche Amplitude mit einer zweiten Phase, wobei entweder das erste oder das zweite Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthält.

Insbesondere umfasst der DC-Komponentendetektor einen Maximumdetektor, der in periodischen Intervallen einen positiven Spitzenwert des Oszillationssignals erfasst, um das erste Signal zu erzeugen, und einen Minmumdetektor, der in periodischen Intervallen einen negativen Spitzenwert des Oszillationssignals synchron mit dem Maximumdetektor erfasst, um das zweite Signal zu erzeugen. Der DC-Komponentendetektor erzeugt das erste Signal durch Extrahieren einer AC-Komponente von dem Oszillationssignal und löscht eine in dem zweiten Signal enthaltene AC-Komponente mit der extrahierten AC-Komponente.

Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Erfassung einer Anomalie eines Oszillationssignals bereitgestellt, das die Schritte zur Erfassung einer DC-Komponente des Oszillationssignals ohne Verwendung eines Zeitverzögerungselements, das eine Verzögerung der Erfassung der DC-Komponente einführt, und zur Bestimmung, ob die erfasste DC-Komponente innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, umfasst. Der Schritt zur Erfassung eines DC-Komponente kann die Schritte zur Umwandlung des Oszillationssignals entweder in ein Paar aus einem ersten und einem zweiten Signal entgegengesetzt gepolter DC-Amplituden oder in periodisch veränderliche Amplituden entgegengesetzter Phase, so dass wenigstens entweder das erste oder das zweite Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthält, und zur Kombination des ersten und des zweiten Signals, um die DC-Komponente zu erfassen, umfassen. Insbesondere werden das erste und das zweite Signal dadurch erzeugt, dass ein positiver Spit zenwert und ein negativer Spitzenwert des Oszillationssignals synchron in periodischen Intervallen erfasst werden. Alternativ wird das erste Signal dadurch erzeugt, dass eine AC-Komponente von dem Oszillationssignal extrahiert wird, um eine in dem zweiten Signal enthaltene AC-Komponente mit der extrahierten AC-Komponente zu löschen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1A und 1B Schaltungsdiagramme von Anomaliedetektoren des Standes der Technik sind;
2 ein Wellenformdiagramm ist, das den Betrieb des herkömmlichen Anomaliedetektors darstellt;
3 ein Blockdiagramm eines Anomaliedetektors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, der in Verbindung mit einem Schwingungsdrehratesensor verwendet wird;
4 ein Schaltungsdiagramm des Anomaliedetektors von 3 ist;
5A ein Wellenformdiagramm ist, das eine Wellenform darstellt, die erzeugt wird, wenn der Drehratesensor normal arbeitet, wobei keine Gierbewegung erfasst wird;
5B eine Wellenform darstellt, die erzeugt wird, wenn der Drehratesensor normal arbeitet, wobei eine Gierbewegung erfasst wird;
6 eine Wellenform darstellt, die erzeugt wird, wenn die DC-Offsetspannung anomal allmählich ansteigt;
7 eine Wellenform darstellt, die erzeugt wird, wenn der Differenzausgang des Drehratesensors mit einem Spike verunreinigt ist;
8 ein Blockdiagramm eines Anomaliedetektors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 ein Schaltungsdiagramm des Anomaliedetektors von 8 ist;
10 eine Wellenform ist, die den Betrieb des Anomaliedetektors von 8 darstellt; und
11 ein modifiziertes Schaltungsdiagramm des Anomaliedetektors von 8 ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In 3 ist ein Schwingungsdrehratesensor als eine beispielhafte Erfassungsschaltung dargestellt, für die ein Anomaliedetektor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
Der Schwingungsdrehratesensor umfasst einen Schwingungserzeuger 10, einen Treiber 20 und einen Gierdetektor 30. Der Schwingungserzeuger 10 weist ein Paar von Giererfassungselementen und ein Antriebselement auf, die nicht gezeigt sind. Das Antriebselement wird von dem Treiber 20 angesteuert, um mechanische Oszillationen zu erzeugen. Wenn eine Gierbewegung erzeugt wird, wird bewirkt, dass die Erfassungselemente durch die Corioliskraft schwingen, wobei ein Paar von Oszillationssignalen erzeugt wird. Darüber hinaus erzeugt der Schwingungserzeuger 10 ein Überwachungssignal, das anzeigt, ob das Antriebselement korrekt arbeitet.
Der Treiber 20 umfasst einen Ladungsverstärker 22, der das Überwachungssignal in eine Spannung umwandelt und die Spannung an einen Booster 21 gibt, der den Schwingungserzeuger 10 antreibt. Ein Phasenschieber 23 ist vorgesehen, um die zeitliche Differenz zwischen der Ausgabe des Boosters 21 und dem Überwachungssignal von dem Schwingungserzeuger 10 zu kompensieren, so dass der Ausgang des Boosters 21 bei der gewünschten Oszillationsfrequenz f_d gehalten wird. Ein Spannungsregler 24 erzeugt eine konstante Amplitudenspannung in Abhängigkeit von den Ausgaben des Ladungsverstärkers 22 und des Phasenschiebers 23. Das Antriebssignal wird von dem Booster 21 aus den Ausgaben des Ladungsverstärkers 22 und des Spannungsreglers 24 erzeugt.
In dem Gierdetektor 30 wandelt ein Paar von Ladungsverstärkern 31, 32 die Oszillationssignale des Schwingungserzeugers 10 in entsprechende Spannungen um, die wie es oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben ist, dem Differenzverstärker 33 zugeführt werden. Das Oszillationssignal vom Ausgang des Differenzverstärkers 33 wird einem Synchrondetektor 34 zugeführt, um synchron eine Spektralkomponente der Frequenz f_d zu erfassen, wobei die verzögerte Ausgabe von dem Phasenschieber 23 verwendet wird. Die erfasste Frequenzkomponente sowie jene mit niedrigeren Frequenzen werden durch ein Tiefpassfilter 35 gefiltert. Durch Einstellung des Null-punkts, der Temperatur und der Empfindlichkeit der Tiefpass-gefilterten Frequenzkomponenten liefert eine Einstellungsschaltung 36 das Ausgangssignal des Giersensors 30.
Das Oszillationssignal von dem Differenzverstärker 33 wird einem Anomaliedetektor 40 zugeführt. In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Anomaliedetektor 40 im Wesentlichen einen AC- Komponentendetektor, der das Oszillationssignal in ein Paar aus einem ersten und einem zweiten Signal von DC-Amplituden einander entgegengesetzter Polarität (+Va, –Va) umwandelt. Jedes von dem ersten und dem zweiten Signal enthält die DC-Komponente (V_dc) des Oszillationssignals. Der Anomaliedetektor 40 umfasst ferner einen Löscher, der das erste und das zweite Signal kombiniert, um die DC-Amplituden zu löschen, so dass der zweifache Wert der DC-Komponente (2V_dc) erfasst wird.
Insbesondere umfasst der AC-Komponentendetektor der ersten Ausführungsform einen Maximum- (positiver Spitzenwert) Detektor 41 zur Erfassung eines positiven Spitzenwerts des Eingangssignals von dem Differenzverstärker 33 und einen Minmum- (negativer Spitzenwert) Detektor 42 zur Erfassung eines negativen Spitzenwerts des Eingangssignals von demselben Differenzverstärker, und die zweite Schaltung umfasst einen Addierer 43, der die Ausgänge der Detektoren 41 und 42 kombiniert. Ein Fensterkomparator 44 ist vorgesehen, der das Ausgangssignal des Addierers 43 mit oberen und unteren Grenzwerten vergleicht, um zu bestimmen, ob der Drehratesensor korrekt arbeitet oder nicht.
Wie es in 4 gezeigt ist, ist der Maximumdetektor 41 im Wesentlichen eine Abtast- und Halteschaltung, die einen Operationsverstärker 41a umfasst, der einen invertierenden Eingang besitzt, der dem Ausgang des Differenzverstärkers 33 über einen Speicherkondensator 41b mit Masse verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 41a ist über eine Diode 41d mit seinem invertierenden Eingang gekoppelt. Die Diode 41d ist in einer Richtung geschaltet, die einen Strom zum Laden des Kondensators 41b erlaubt, wenn die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 41a höher als eine Spannung ist, die auf dem Kondensator 41b gespeichert ist. Parallel zu dem Kon densator 41b ist ein normalerweise offener Schalter 41c geschaltet. Der Schalter 41c wird in Antwort auf einen Rücksetzimpuls in Intervallen von dem Vierfachen der Periode 1/f_d betätigt, um den Kondensator 41b zu entladen. Ein Maximum der während jedem Abtastintervall erzeugten positiven Amplituden wird auf dem Kondensator 41b gespeichert und an einen Emitterfolger oder Puffer 41e angelegt und dem ersten Eingang des Addierers 43 zugeführt.
Der Minimumdetektor 42 ist ebenfalls eine Abtast- und Halteschaltung, die einen Operationsverstärker 42a enthält, der einen invertierenden Eingang aufweist, welcher mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 33 und über einen Speicherkondensator 42b mit Masse verbunden ist. Der Operationsverstärker 42a besitzt einen Ausgang, der über eine Diode 42d mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist. Die Diode 42d ist in eine Richtung, die der Diode 41d entgegengesetzt ist, geschaltet, so dass sie einen Strom zum Laden des Kondensators 42b erlaubt, wenn die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 41a niedriger als eine auf dem Kondensator 42b gespeicherte Spannung ist. Parallel zu dem Kondensator 42b ist ein normalerweise offener Schalter 42c geschaltet, um den Kondensator 42c in Intervallen vom Vierfachen der Periode 1/f_d zu entladen. Ein Minimum der während jedem Abtastintervall erzeugten negativen Amplituden wird auf dem Kondensator 42b gespeichert und über einen Puffer 42e dem zweiten Eingang des Addierers 43 zugeführt.
In dem Addierer 43 wird der Ausgang des Maximumdetektors 41 über einen Widerstand 43b an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 43a gelegt, und der Ausgang des Minimumdetektors 42 wird über einen Widerstand 43c an denselben invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt. Ein Rückkopplungswiderstand 43d ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 43a geschaltet, wobei der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers mit Masse verbunden ist. Der Operationsverstärker 43a erzeugt ein Ausgangssignal, das ein Maß für eine Summe aus den erfassten Maximum- und Minimumwerte der Differenzausgangsspannung ist.
Der Fensterkomparator 44 besteht aus einer Reihe von Widerständen 44a, 44b, 44c, die zwischen eine Spannungsquelle Vcc und Masse geschaltet sind, um eine obere und eine untere Schwellenspannungen V_RH und V_RL zu liefern. Komparatoren 44d und 44e sind zum Vergleich des Ausgangssignals des Addierers 43 mit der oberen bzw. unteren Schwellenspannung vorgesehen. Der Komparator 44d erzeugt einen Hochpegelausgangssignal, wenn das Addiererausgangssignal niedriger als die obere Schwellenspannung ist, und der Komparator 44e erzeugt ein Hochpegelausgangssignal, wenn das Adddiererausgangssignal höher als die untere Schwellenspannung ist. Ein UND-Gatter 44f, das mit den Ausgängen der Komparatoren 44d und 44e verbunden ist, erzeugt ein Hochpegelausgangssignal, wenn das Addiererausgangssignal im Bereich zwischen der oberen und der unteren Schwellenspannung liegt. Wenn das Addiererausgangssignal aus diesem Bereich heraus geht, wird ein Niedrigpegelausgangssignal als Warnsignal von dem UND-Gatter 44f ausgegeben.
Wenn der Drehratesensor ordnungsgemäß arbeitet, haben die positive und die negative Amplitude der sinusförmigen Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 33 gleichen Betrag.
Wenn in dem Sensor keine Gierbewegung erzeugt wird, sind die beiden Amplituden des Differenzausgangssignals relativ niedrig, wie es in 5A gezeigt ist, und wenn eine Gierbewegung erzeugt wird, nehmen die Amplituden des Differenzausgangssignals zu, wie es in 5B gezeigt ist.
Solange der Drehratesensor ordnungsgemäß arbeitet, ist die DC-Offsetspannung V_dc normal, und die positive und die negative Amplitude der Differenzausgangsspannung sind gleich, und die Ausgangssignale des Maximum- und Minimumdetektors 41 bzw. 42 sind gegeben als: Vmax = Va + Vdc (2) Vmin = – (Va – Vdc) (3)
Daher ist das Ausgangssignal des Addierers 43: Vmax + Vmin = 2 × Vdc (4)
Indem die Offsetspannung V_dc als eine Referenzspannung V_REF behandelt wird, die auftritt, wenn der Drehratesensor ordnungsgemäß arbeitet, so dass das Oszillationssignal normal ist, ergibt sich das Ausgangssignal des Addierer 43 folgendermaßen: Vmax + Vmin = 2 × VREF (5)
Somit wird die mittlere Spannung des Fensterkomparators 44 zwischen seiner oberen und seiner unteren Schwellenspannung so eingestellt, dass sie 2 × V_REF entspricht.
Wenn die DC-Offsetspannung anomal wird, kann die DC-Offsetspannung des Differenzausgangs von V_REF nach V_REF2 driften, wie es in 6 gezeigt ist, oder das Differenzausgangssignal wird mit einem Spike kontaminiert, wie es in 7 gezeigt ist.
Unter solchen anomalen Bedingungen ist das Ausgangssignal des Addierers 43 nicht länger gleich 2 × V_REF. In dem Fall von 6 driftet das Addiererausgangssignal während der ersten vierzyklischen Periode von 2 × V_REF nach 2 × V_REF2, und in 7 driftet es zu einem Punkt, der höher als 2 × V_REF ist. In beiden Fällen geht das Addiererausgangssignal aus dem Bereich des Fensterkomparators 44 heraus.
Dadurch, dass kein Tiefpassfilter verwendet wird, hat der Anomaliedetektor 40 keine zeitliche Verzögerung bei der Erfassung einer anomalen Offsetspannung und ist dazu geeignet, einen vorübergehenden anomalen Anstieg zu erfassen, der bei der DC-Offsetspannung eintreten kann.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der Elemente, die jenen von 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und auf deren Beschreibung ist verzichtet.
Der Anomaliedetektor der zweiten Ausführungsform, mit 50 bezeichnet, umfasst im Wesentlichen einen AC-Komponentendetektor, der das Oszillationssignal in ein Paar aus einem ersten und einem zweiten Signal periodisch veränderlicher Amplituden mit einander entgegengesetzten Phasen umwandelt. Der Anomaliedetektor 40 umfasst ferner einen Löscher, der das erste und das zweite Signal kombiniert, so dass die gegenphasigen, periodisch veränderlichen Amplituden gelöscht werden, um so die DC-Komponente (V_dc) zu erfassen.
Insbesondere umfasst der AC-Komponentendetektor in der zweiten Ausführungsform ein Hochpassfilter 51, das ein erstes Signal V_asin(ω_dt + π) durch Hochpassfilterung des Oszillationssignals und ein zweites Signal V_asinω_dt + V_dc, welches das Oszillationssignal selbst ist, umfasst. Der Löscher umfasst einen Addierer 52, der das erste Signal von dem Hochpassfilter 51 und das zweite Si gnal (das Oszillationssignal) von dem Differenzverstärker 33 empfängt und eine Summer der empfangenen Signale liefert, um die DC-Komponente V_dc zu erfassen.
Wie es oben ausführlich beschrieben ist, hat das Hochpassfilter 51 den Effekt der Erzeugung eines Ausgangssignals, das bezüglich des Oszillationssignals gegenphasig ist.
Wie es ausführlich in 9 dargestellt ist, umfasst das Hochpassfilter 51 einen Operationsverstärker 51a, dessen invertierender Eingang über einen Kondensator 51b mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 33 verbunden ist und dessen nicht invertierender Eingang mit einer Quelle der Referenzspannung V_REF gekoppelt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 51a ist über eine RC-Rückkoppelungsparallelschaltung, die aus einem Kondensator 51c und einer Reihenschaltung aus Widerständen 51d und 51e gebildet ist, mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Der Schaltungsknotenpunkt zwischen den Widerständen 51d und 51e ist über einen Widerstand 51f mit der Quelle der Referenzspannung V_REF verbunden.
Angenommen, der Ersatzwiderstand (R_F) oder die Ersatzimpedanz (|Z_F|) des Widerstandnetzwerks, das parallel zu dem Kondensator 41c geschaltet ist, genügt der folgenden Beziehung: RF = |ZF| ? 1/(ωd·C2) (6)
Da das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 33 durch Gleichung (1) gegeben ist, erzeugt das Hochpassfilter 51 eine Ausgangsspannung V_HPF (t), die gegeben ist durch: VHPF (t) = – C1/C2 Vasin(ωdt) + VREF (7) wobei C1 und C2 die Kapazitätswerte der Kondensatoren 51b bzw. 51c sind.
Daher beträgt die Amplitude der AC-Komponente des Hochpassfilterausgangssignals das C1/C2-fache ihrer Eingangsamplitude, und die Phase der AC-Komponente ist invers zu ihrer Eingangsphase. Die DC-Komponente des Hochpassfilterausgangssignals ist gleich der Referenzspannung V_REF.
Der Addierer 52 umfasst einen Operationsverstärker 52a und ein Widerstandsnetzwerk, das einen Widerstand 52b, der zwischen den Ausgang des Hochpassfilters 51 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 52a geschaltet ist, einen Widerstand 52c, der zwischen den Ausgang des Differenzverstärkers 33 und denselben invertierenden Eingang geschaltet ist, und einen Rückkoppelungswiderstand 52d, der zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 52a ist mit der Quelle der Referenzspannung VREF verbunden.
Das Ausgangssignal V_ADD(t) des Addierers 52 ist durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei R4, R5, R6 Widerstandswerte der Widerstände 52b, 52c bzw. 52d sind.
Substituieren von Gleichung (7) und Gleichung (1) für V_HPF (t) bzw. V_DIF (t) in Gleichung (8) ergibt die folgende Beziehung:
Wenn die folgende Beziehung gilt:
wird der erste Term von Gleichung (9) aufgehoben, so dass die AC-Komponente entfernt wird, so dass die DC-Komponente am Ausgang des Addierers 52 wie folgt übrig bleibt:
Ebenso wie in der ersten Ausführungsform umfasst der Fensterkomparator 53 eine Reihenschaltung 53a, 53b, 53c, die zwischen die Spannungsquelle Vcc und Masse geschaltet ist, um die obere und die untere Schwellenspannung V_RH bzw. V_RL zu liefern. Es ist zu beachten, dass die in der Mittel zwischen der oberen und der unteren Schwellenspannung V_RH bzw. V_RL liegende Referenzspannung so eingestellt ist, dass sie der Referenzspannung V_REF entspricht, die auftritt, wenn das Oszillationssignal normal ist. Die Komparatoren 53d und 53e vergleichen das Ausgangssignal des Addierers 52 mit der oberen bzw. unteren Schwellenspannung. Der Komparator 53d erzeugt ein Hochpegelausgangssignal, wenn das Addiererausgangssignal niedriger als die obere Schwellenspannung ist, und der Komparator 53e erzeugt ein Hochpegelausgangssignal, wenn das Addiererausgangssignal höher als die untere Schwellenspannung ist. Das UND-Gatter 53f erzeugt ein Hochpegelausgangssignal, wenn das Addiererausgangssignal in dem Bereich zwischen der oberen und der unteren Schwellenspannung liegt.
Die Eingangs- und die Ausgangsspannungssignale des Hochpassfilters 51 haben einander entgegengesetzte Phase, wie sie scheinen würden, wie es in 10 gezeigt ist (unter der Annahme, dass R6/R5 von Gleichung (11) gleich 1 gesetzt ist), und der Ausgang des Addierers 52 um die Mitte um die Referenzspannung V_REF in dem Bereich zwischen V_RH und V_RL variieren würde, wenn der Drehratesensor ordnungsgemäß arbeitet. Insbesondere bestimmt der Fensterkomparator 53, ob die Differenzspannung ΔV_dc zwischen dem Addiererausgangssignal V_ADD und der Referenzspannung V_REF innerhalb des Bereichs der Schwellenwerte fällt. Wenn die Differenzspannung aus dem Schwellenbereich heraus geht, liefert der Fensterkomparator 53 einen Niedrigpegelausgangssignal von dem UND-Gatter 53f als ein Warnsignal.
Wie in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der Anomaliedetektor 50 keine zeitliche Verzögerung bei der Erfassung einer anomalen Offsetspannung und ist dazu geeignet, einen vorübergehenden anomalen Anstieg zu erfassen, der bei der DC-Offsetspannung aufgrund des Fehlens eines eine Verzögerung einbringenden Elements auftreten kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, dass der auf einem integrierten Schaltungschip zur Ausbildung der Widerstände des Hochpassfilters 51 frei zu haltende Platz erheblich verringert werden kann. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass, da der Widerstand 51g zwischen den Schaltungsknotenpunkt der Widerstände 51d und 51f und der Quelle der Referenzspannung V_REF geschaltet ist, anstatt einen einzigen Widerstand mit einem hohen Widerstandswert zu verwenden, der Ersatzwiderstand R_F der Widerstände 51d, 51e, 51f folgendermaßen gegeben ist:
wobei R1, R2 und R3 Widerstandswerte der Widerstände 51d, 51e bzw. 51f sind. Durch Wahl eines niedrigen Widerstandswerts R3 für den Widerstand 51f kann ein großer Ersatzwiderstand R_F leicht implementiert werden. Dies ermöglicht auch niedrige Widerstandswerte R1 und R2, die für die Widerstände 51d und 51e verwendet werden.
Ein Nachteil des Hochpassfilters 51 ist jedoch, dass die Eingangsoffsetspannung des Operationsverstärkers 51a um einen Faktor (1 + R2/R3) verstärkt wird und an seinem Ausgangsanschluss erscheint und den Genauigkeitsgrad der Erfassung der Eingangsoffsetspannung herabsetzt.
Wie es in 11 gezeigt ist, kann dieser Nachteil vermieden werden, indem verhindert wird, dass ein DC-Strom zur Quelle der Referenzspannung V_REF zurückgeführt wird, indem ein Kondensator 51g statt des Widerstands 51f verwendet wird. Die Ersatzimpedanz Z_F der Widerstände 51d, 51e und des Kondensators 51g ist folgendermaßen gegeben: ZF = j·ωd·R1·R2·C3 + R1 + R2 (13)wobei C3 der Kapazitätswert des Kondensators 51g ist. Ein gewünschter hoher Absolutbetrag kann für die Ersatzimpedanz Z_F gewonnen werden, indem die Kapazität C3 in geeigneter Weise bestimmt wird. Es ist zu beachten, dass der Kondensator 51g mit Masse oder mit Vcc statt mit der Quelle der Referenzspannung V_REF verbunden sein kann.
Während ein Hochpassfilter 51 erwähnt wurde, dessen Ausgangssignal bezüglich der Phase seinem Oszillationseingangssignal entgegengesetzt ist, erlaubt die vorlie gende Erfindung die Verwendung einer Filterschaltung insofern als sie eine AC-Komponente extrahiert, die mit dem Eingangssignal in Phase ist. In diesem Fall wird ein Subtrahierer statt des Addierers 52 zur Erfassung der DC-Offsetspannung des Oszillationssignals verwendet.
Ferner, während Ausführungsformen erwähnt wurden, in denen der Anomaliedetektor dieser Erfindung in einem Schwingungsdrehratesensor oder Gyro-Sensor verwendet wird, kann der Anomaliedetektor der vorliegenden Erfindung ebenso in Verbindung mit einem anderen Typ von Sensoren verwendet werden.

Claims

Anomaliedetektor zur Erfassung einer DC-Komponente eines Oszillationssignals, umfassend: – einen DC-Komponentendetektor, der eine DC-Komponente des Oszillationssignals erfasst, wobei der Detektor kein Zeitverzögerungselement enthält, das eine Verzögerung bei der Erfassung der DC-Komponente einführt; und – einen Fensterkomparator, der dem Detektor zugeordnet ist und bestimmt, ob die erfasste DC-Komponente innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Anomaliedetektor nach Anspruch 1, wobei der DC-Komponentendetektor von dem Oszillationssignal ein erstes und ein zweites Signal erzeugt, die Amplituden entgegengesetzter Phasen aufweisen, so dass wenigstens eines von dem ersten und dem zweiten Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthält, und das erste und das zweite Signal kombiniert, um die DC-Komponente durch gegenseitiges Auslöschen der Amplituden entgegengesetzter Polarität zu erfassen.
Anomaliedetektor nach Anspruch 2, wobei das erste Signal eine DC-Amplitude einer ersten Polarität ist, die die DC-Komponente enthält, und das zweite Signal eine DC-Amplitude einer zweiten Polarität ist, die die DC-Komponente enthält, wobei die zweite Polarität der ersten Polarität entgegengesetzt ist.
Anomaliedetektor nach Anspruch 2, wobei das erste Signal eine periodisch veränderliche Amplitude mit einer ersten Phase ist und das zweite Signal eine peri odisch veränderliche Amplitude mit einer der ersten Phase entgegengesetzten zweiten Phase ist, wobei das erste und das zweite Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthalten.
Anomaliedetektor nach Anspruch 2, wobei der DC-Komponentendetektor umfasst: – einen Maximumdetektor, der einen positiven Spitzenwert des Oszillationssignals in periodischen Intervallen erfasst; und – einen Minimumdetektor, der einen negativen Spitzenwert des Oszillationssignals in den periodischen Intervallen synchron mit dem Maximumdetektor erfasst.
Anomaliedetektor nach Anspruch 5, wobei der positive Spitzenwert gleich einer positiven Amplitude des Oszillationssignals plus der DC-Komponente ist, und der negative Spitzenwert gleich einer negativen Amplitude des Oszillationssignals minus der DC-Komponente ist.
Anomaliedetektor nach Anspruch 6, wobei der Fensterkomparator einen oberen Schwellenwert besitzt, der die obere Grenze des vorbestimmten Bereichs definiert, und einen unteren Schwellenwert besitzt, der die untere Grenze des vorbestimmten Bereichs definiert, und der Fensterkomparator einen mittleren Punkt zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert definiert, der dem zweifachen Wert der DC-Komponente entspricht, die erzeugt wird, wenn die DC-Komponente normal ist.
Anomaliedetektor nach Anspruch 5, wobei jedes der periodischen Intervalle größer als eine Periode des Oszillationssignals ist.
Anomaliedetektor nach Anspruch 2, wobei der DC-Komponentendetektor das erste Signal durch Extrahieren einer AC-Komponente von dem Oszillationssignal erzeugt und das zweite Signal durch direktes Verwenden des Oszillationssignals erzeugt, um die darin enthaltene AC-Komponente mit der extrahierten AC-Komponente auszulöschen.
Anomaliedetektor nach Anspruch 9, wobei der DC-Komponentendetektor ein Filter zur Hochpassfilterung des Oszillationssignals umfasst, um das erste Signal zu erzeugen.
Anomaliedetektor nach Anspruch 10, wobei das Filter umfasst: – einen Eingangsanschluss, an den das Oszillationssignal angelegt wird; – einen Operationsverstärker, der einen nicht invertierenden Eingang, der mit einer Quelle einer Referenzspannung verbunden ist, und einen invertierenden Eingang besitzt; – einen ersten Kondensator, der zwischen den Eingangsanschluss und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist; – einen zweiten Kondensator, der zwischen einen Ausgang des Operationsverstärkers und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist; und – eine Impedanzschaltung, die parallel zu dem zweiten Kondensator geschaltet ist.
Anomaliedetektor nach Anspruch 11, wobei die Impedanzschaltung umfasst: – eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Widerstand, die zwischen sich einen Schaltungsknotenpunkt bilden; und – einen dritten Widerstand, der zwischen den Schaltungsknotenpunkt und die Quelle der Referenzspannung geschaltet ist.
Anomaliedetektor nach Anspruch 11, wobei die Impedanzschaltung umfasst: – eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten widerstand, die zwischen sich einen Schaltungsknotenpunkt bilden; und – einen dritten Kondensator, der zwischen dem Schaltungsknotenpunkt und einem Konstantpotenzialpegel geschaltet ist.
Erfassungsschaltung mit: – einem Erfassungselement, das in Antwort auf eine von außen einwirkende Kraft ein Signal erzeugt, das Oszillationen des Erfassungselements repräsentiert; – einem DC-Komponentendetektor, der der Umwandlungsschaltung zugeordnet ist und eine DC-Komponente der Spannung erfasst, wobei der Detektor kein Zeitverzögerungselement enthält, das eine Verzögerung bei der Erfassung der DC-Komponente einführt; und – einem Fensterkomparator, der dem Detektor zugeordnet ist und bestimmt, ob die erfasste DC-Komponente innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 14, wobei das Erfassungselement ein Paar von Spannungssignalen er zeugt, die die Oszillationen des Erfassungselements repräsentieren, wobei die ferner einen Differenzverstärker umfasst, der ein Differenzsignal erzeugt, das die Differenz zwischen den Spannungssignalen repräsentiert, und wobei der DC-Komponentendetektor mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 14, wobei der DC-Komponentendetektor von dem Oszillationssignal ein erstes und ein zweites Signal erzeugt, die Amplituden entgegengesetzter Polarität besitzen, derart, dass wenigstens entweder das erste oder das zweite Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthält, und das erste und das zweite Signal kombiniert, um die DC-Komponente durch gegenseitiges Löschen der Amplituden entgegengesetzter Polarität zu erfassen.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 16, wobei das erste Signal eine DC-Amplitude mit einer ersten Polarität ist, die die DC-Komponente enthält, und das zweite Signal eine DC-Amplitude mit einer zweiten Polarität ist, die die DC-Komponente enthält, wobei die zweite Polarität der ersten Polarität entgegengesetzt ist.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 16, wobei das erste Signal eine periodisch veränderliche Amplitude mit einer ersten Phase ist, und das zweite Signal eine periodisch veränderliche Amplitude mit einer der ersten Phase entgegengesetzten zweiten Phase ist, wobei entweder das erste oder das zweite Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthält.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 16, wobei der AC-Komponentendetektor umfasst: – einen Maximumdetektor, der einen positiven Spitzenwert des Oszillationssignals in periodischen Intervallen erfasst; und – einen Minimumdetektor, der einen negativen Spitzenwert des Oszillationssignals in den periodischen Intervallen synchron mit dem Maximumdetektor erfasst.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 19, wobei der positive Spitzenwert gleich einer positiven Amplitude des Oszillationssignals plus der DC-Komponente ist, und der negative Spitzenwert gleich einer negativen Amplitude des Oszillationssignals minus der DC-Komponente ist.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 19, wobei der Fensterkomparator einen oberen Schwellenwert besitzt, der die obere Grenze des vorbestimmten Bereichs definiert, und einen unteren Schwellenwert besitzt, der die untere Grenze des vorbestimmten Bereichs definiert, und der Fensterkomparator einen Wert eines mittleren Punkts zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert definiert, der dem zweifachen Wert der DC-Komponente entspricht, die erzeugt wird, wenn die Erfassungsschaltung ordnungsgemäß arbeitet.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 19, wobei jedes der periodischen Intervalle größer als die Periode des Oszillationssignals ist.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 19, wobei die periodischen Intervalle ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Oszillationssignals sind.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 16, wobei der DC-Komponentendetektor das erste Signal durch Extraktion einer AC-Komponente von dem Oszillationssignal erzeugt, und das zweite Signal durch direktes Verwenden des Oszillationssignals erzeugt, um die darin enthaltene AC-Komponente mit der extrahierten AC-Komponente zu löschen.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 24, wobei der DC-Komponentendetektor ein Filter zur Hochpassfilterung des Oszillationssignals umfasst, um das erste Signal zu erzeugen.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 25, wobei das Filter umfasst: – einen Eingangsanschluss, an den das Oszillationssignal angelegt wird; – einen Operationsverstärker, der einen nicht invertierenden Eingang, der mit einer Quelle einer Referenzspannung verbunden ist, und einen invertierenden Eingang besitzt; – einen ersten Kondensator, der zwischen den Eingangsanschluss und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist; – einen zweiten Kondensator, der zwischen einen Ausgang des Operationsverstärkers und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist; und – eine Impedanzschaltung, die parallel zu dem zweiten Kondensator geschaltet ist.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 26, wobei die Impedanzschaltung umfasst: – eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten widerstand, die zwischen sich einen Schaltungsknotenpunkt bilden; und – einen dritten Widerstand, der zwischen den Schaltungsknotenpunkt und der Quelle der Referenzspannung geschaltet ist.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 26, wobei die Impedanzschaltung umfasst: – eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Widerstand, die zwischen sich einen Schaltungsknotenpunkt bilden; und – einen dritten Kondensator, der zwischen den Schaltungsknotenpunkt und einen Konstantpotenzialpegel geschaltet ist.
Erfassungsschaltung nach Anspruch 25, wobei der DC-Komponentendetektor einen Addierer umfasst, der das Hochpass-gefilterte Oszillationssignal mit der AC-Komponente des Oszillationssignals kombiniert, um die DC-Komponente zu erfassen.
Verfahren zur Erfassung einer Anomalie eines Oszillationssignals, das die Schritte umfasst: – Erfassen einer DC-Komponente des Oszillationssignals ohne Verwendung eines Zeitverzögerungselements, das eine Verzögerung bei der Erfassung der DC-Komponente einführt; und – Bestimmen, ob die erfasste DC-Komponente innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der DC-Komponentenerfassungsschritt die Schritte umfasst: a. Erzeugen eines Paars aus eines ersten und eines zweiten Signals aus dem Oszillationssignal, die Amplituden entgegengesetzter Polarität besitzen, so dass wenigstens eines von dem ersten und dem zweiten Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthält; und b. Kombinieren des ersten und des zweiten Signals, um die AC-Komponente des Oszillationssignals zu löschen, um so die DC-Komponente zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das erste Signal eine DC-Amplitude mit einer ersten Polarität ist, die die DC-Komponente enthält, und das zweite Signal eine DC-Amplitude mit einer zweiten Polarität ist, die die DC-Komponente enthält, wobei die zweite Polarität der ersten Polariät entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das erste Signal ein periodisch veränderliche Amplitude mit einer ersten Phase ist, und das zweite Signal eine periodisch veränderliche Amplitude mit einer der ersten Phase entgegengesetzten zweiten Phase ist, wobei entweder das erste oder das zweite Signal die DC-Komponente des Oszillationssignals enthalten.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei Schritt (a) die Erfassung eines positiven Spitzenwerts und eines negativen Spitzenwerts des Oszillationssignals synchron in periodischen Intervallen umfasst und wobei Schritt (b) die Kombination der erfassten positiven und negativen Spitzenwerte umfasst, um die DC-Komponente zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei Schritt (a) eine Hochpassfilterung des Oszillationssignals umfasst, um eine Kopie der AC-Komponente des Oszillationssignals zu erzeugen, und wobei Schritt (b) eine Kombination des Hochpass-gefilterten Signals mit dem Oszillationssignal umfasst, um die AC-Komponente des Oszilla tionssignals mit der Kopie zu löschen, um so die DC-Komponente zu erfassen.