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Hintergrund
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung und
einen Messgrößensensor zur
Bestimmung einer Messgröße, beispielsweise
einer Drehzahl oder einer Beschleunigung, wie sie in vielerlei Anwendungsgebieten
vorkommen.
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Eine
Möglichkeit,
um Drehgeschwindigkeiten und Beschleunigungen zu messen, bildet
beispielsweise der Einsatz von mikromechanischen Gyroskopen, d.h.
Drehratensensoren. Diese Drehratensensoren können sich beispielsweise der
Corioliskraft bedienen, um eine Drehgeschwindigkeit oder Beschleunigung
zu ermitteln. In konventionellen Drehratensensoren werden beispielsweise
zu diesem Zweck mikromechanische Resonatoren in eine kontrollierte
Oszillation versetzt, die auch als Anregungsoszillation bezeichnet
wird. Die so entstandene schwingende Struktur weist zusätzlich einen
weiteren Resonanzmodus auf, der, beispielsweise proportional zur
Corioliskraft und damit zur Drehrate, mit dem angeregten Modus gekoppelt
ist. Resultierend daraus ergibt sich die Möglichkeit eine Schwingung des
zweiten Resonanzmodus, die auch als Detektionsoszillation bezeichnet
wird, zur Messung der Drehrate heranzuziehen.
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Im
Rahmen der konventionellen Technik werden zur Messung der Drehrate,
also zur Erfassung beispielsweise von Amplituden der Anregungs- und
Detektionsoszillation Sigma-Delta-Modulatoren eingesetzt, deren Rauschunterdrückungscharakteristik
so eingestellt werden kann, dass sie bei der Anregungsfrequenz bestmögliche Unterdrückung des Quantisierungsrauschens
erzielen. Auftretende Abweichungen zwischen der Frequenz der maximalen Dämpfung der
Sigma-Delta- Rauschübertragungsfunktion
und der echten Oszillationsfrequenz können zu einer Verschlechterung
der Systemleistung aufgrund von erhöhtem Rauschen im Signalband
führen,
welches auch durch Filterung nicht mehr weiter gedämpft oder
unterdrückt
werden kann.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
umfasst die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur Bestimmung
einer Messgröße, die
eine schwingfähige
Struktur umfasst, an der ein Schwingungssignal erfassbar ist. Die
Messvorrichtung weist ferner eine Einrichtung zum Anregen der schwingfähigen Struktur
mit einer Anregungsfrequenz zu einer Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz
auf. Die Messvorrichtung umfasst ferner eine Einrichtung zum Verarbeiten
des Schwingungssignals synchron zu der Schwingungsfrequenz oder
der Anregungsfrequenz und eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen
der Messgröße basierend
auf dem verarbeiteten Schwingungssignal.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a ein
Ausführungsbeispiel
einer Messvorrichtung;
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1b ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Messvorrichtung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines Messgrößensensors;
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Messgrößensensors;
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4 ein
Diagram zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels;
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5 eine
Darstellung beispielhafter Spektren während des Betriebs eines Ausführungsbeispiels
eines Messgrößensensors;
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6 eine
technische Realisierung eines Ausführungsbeispiels; und
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7 eine
weitere technische Realisierung eines Ausführungsbeispiels.
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Detaillierte Beschreibung
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Bevor
im Folgenden Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass
gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen
Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung
dieser Elemente weggelassen wird.
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Frequenzen
zeitdiskreter Signalverarbeitungsschaltungen, wie beispielsweise
eine Systemtaktfrequenz, definieren sich digital oder analog, z.B. aufgrund
von Kapazitätsverhältnissen.
Damit Koeffizienten, beispielsweise von digitalen Filtern, gut kontrollierbar
sind, bietet sich die Möglichkeit,
alle Frequenzen proportional an die Frequenz einer Anregungsoszillation
eines Sensors, z.B. eines Gyroskopes oder Drehratensensors zu koppeln.
Die Frequenzen der Signalverarbeitungskomponenten sind somit abhängig von
der Anregungsfrequenz, wodurch sich die Möglichkeit bietet, die Genauigkeit
der Koeffizienteneinstellung zu erhöhen und eine bessere Anpassung
zwischen einer Schwingungsfrequenz eines Sensors, die Toleranzen
unterliegen kann, und einer nachfolgenden Signalverarbeitung zu
erreichen. Beispielsweise können
so die Nullstellen einer Noise-Shaping-Funktion eines Analog-Digital-
bzw. Digital-Analog-Wandlers und Mittenfrequenzen nachfolgender Filter
gut mit der Anregungsfrequenz in Übereinstimmung gebracht werden.
Generell gilt dies auch für
die gesamte weitere Signalverarbeitung, die sich beispielsweise
aus Reglern zur Kontrolle der Anregungsoszillation und auch Kompensation
der Detektionsoszillation zusammensetzen kann. Der Takt kann z.B.
für die
digitale Demodulation des Detektionssignals, ggf. auch für nachfolgende
weitere Filter und beispielsweise auch für eine Kompensation in einer
Force-Feedback-Schaltung, verwendet werden.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele beschrieben,
die Sensoren zur Bestimmung von Messgrößen verwenden, deren Anregungsfrequenz mit
einer Taktfrequenz einer nachfolgenden Signalverarbeitung gekoppelt
ist. Dadurch können
beispielsweise Filter, DA- und AD-Wandler, Regler etc. eingesetzt
werden, die im Frequenzbereich einen geringeren Toleranzbereich
aufweisen als bei herkömmlichen
Systemen, da der Toleranzbereich nicht mehr fix ist, sondern sich
mit der Anregungsfrequenz verschieben kann. Durch die Kopplung der
Anregungsfrequenz mit der Taktfrequenz der Signalverarbeitung wird
somit eine vorteilhaftere Filtercharakteristik erreicht, die sich
auch in einer verbesserten Rauschunterdrückung äußert. Als Messgrößen kommen
hier vorzugsweise aber nicht ausschließlich Drehraten, Beschleunigungen,
Kräfte,
Druck etc. vor.
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Beim
Einsatz von fixen Frequenzcharakteristika, die keine Kopplung zwischen
einer Anregungsfrequenz und einer Taktfrequenz aufweisen, können Nachteile
z.B. bei Sigma-Delta-DA-Wandlern
auftreten, die beispielsweise zur Erzeugung der Anregungsoszillation
oder auch zur Ausregelung einer Detektionsoszillation im Force-Feedback-Betrieb
eingesetzt werden. Diese Problematik kann auch bei Filtern auftreten,
die die selektive Messung der Oszillationsamplituden erlauben und
Störungen
oder Rauschen auf anderen Frequenzen, beispielsweise durch Noise
Shaping verschobenes Quantisierungsrauschen, unterdrücken. Da
bei Filtern die Frequenzen von Passband und Stoppband mitunter eng
bei einander liegen sollen, können
die Filterstrukturen aufgrund hoher Güteanforderung sehr komplex
werden. Die Anforderungen können
noch verschärft
werden, wenn der für
den Übergang
zwischen Passband und Stoppband verfügbare Bereich durch Fertigungstoleranzen
der durch die Mechanik eines Sensors definierten Frequenzen weiter
eingeengt wird.
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Wenn
AD-Wandler, Filter und Regler fixe Frequenzdefinitionen verwenden,
können
Sensoren so optimiert sein, dass sich eine möglichst stabile Frequenzcharakteristik
ergibt. Eventuell kann eine Trimmung bzw. eine Temperaturkompensation
der Oszillatorfrequenzen in beispielsweise einem Endtest durchgeführt werden,
um eine Anpassung der Signalverarbeitung an die individuellen Sensoren
zu optimieren. Das erhöht
wiederum die Testzeiten und bei Misserfolg der Anpassung kann sich
die Ausbeute durch entsprechenden Verwurf verringern.
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Die 1a zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Messvorrichtung 100 zur Bestimmung einer Messgröße. Die
Messvorrichtung 100 umfasst eine schwingfähige Struktur 110,
an der ein Schwingungssignal erfassbar ist. Ferner weist die Messvorrichtung 100 eine
Einrichtung zum Anregen der schwingfähigen Struktur 110 mit
einer Anregungsfrequenz zu einer Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz
auf. Die Messvorrichtung 100 umfasst ferner eine Einrichtung 130 zum
Verarbeiten des Schwingungssignals mit einer Frequenz, die von der
Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz abhängt. Die Messvorrichtung 100 weist
ferner eine Auswerteeinrichtung 140 zum Bestimmen der Messgröße basierend
auf dem verarbeiteten Schwingungssignal auf.
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Die 1b zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Messvorrichtung 100 zur Bestimmung der Messgröße. Die
Messvorrichtung 100 umfasst ebenfalls die schwingfähige Struktur 110,
an der das Schwingungssignal erfassbar ist. Ferner weist die Messvorrichtung 100 die
Einrichtung 110 zum Anregen der schwingfähigen Struktur
mit der Anregungsfrequenz zu der Schwingung mit der Schwingungsfrequenz
auf. Die Messvorrichtung 100 umfasst ferner die Einrichtung 130 zum
Verarbeiten, die in diesem Ausführungsbeispiel
als Einrichtung zum Abtasten 135 des Schwingungssignals
mit einer Abtastfrequenz, die von der Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz
abhängt,
realisiert ist. Die Messvorrichtung 100 weist ferner die
Auswerteeinrichtung 140 zum Bestimmen der Messgröße basierend
auf dem abgetasteten Schwingungssignal auf.
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Die
Einrichtung zum Verarbeiten 130 kann in anderen Ausführungsbeispielen
beispielsweise ein Filter aufweisen, dessen Filtercharakteristik
von der Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz abhängt. Eine
mögliche
Realisierung wäre
z.B. ein analoges Filter, dessen Filtercharakteristik von einer Impedanz
abhängt,
die wiederum in Abhängigkeit
der Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz einstellbar ist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst die Einrichtung 120 zum Anregen eine Einrichtung
zum Regeln der Anregungs-Amplitude,
einer Anregungsfrequenz oder einer Anregungsphase, mit einem Rückkopplungszweig, über den
die Schwingung der schwingfähigen
Struktur 110 erfassbar ist. Beispielsweise kann die schwingfähige Struktur 110, mit
der Einrichtung 120 zum Anregen und dem Rückkopplungszweig
einen Resonanzkreis bilden, der auf einer Eigenresonanz der schwingfähigen Struktur 110 schwingt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Einrichtung 120 zum Anregen so ausgebildet sein,
dass die Schwingung mit der Schwingungsfrequenz angeregt wird, während andere
Resonanzmoden der schwingfähigen
Struktur 110 im Wesentlichen unangeregt bleiben oder unterdrückt werden.
In einer Realisierung der schwingfähigen Struktur 110 kann
diese eine mechanische Struktur aufweisen, die in einem ersten Schwingungsmodus
und einem zweiten Schwingungsmodus schwingfähig ist, wobei die beiden Schwingungsmodi
eine Kopplung aufweisen, die von der Messgröße abhängig ist. Die schwingfähige Struktur 110 kann
dann durch eine Anregung durch die Einrichtung zum Anregen 120 mit
der Anregungsfrequenz zu einer Schwingung in dem ersten Schwingungsmodus
gebracht werden, und die schwingfähige Struktur 110 kann
dann derart mit der Einrichtung zum Verarbeiten 130 gekoppelt
sein, dass für
die Einrichtung zum Verarbeiten 130 als erfassbares Schwingungssignal
ein Signal verfügbar wird,
welches aus einer Schwingung der mechanischen Struktur in dem zweiten
Schwingungsmodus resultiert. Die schwingfähige Struktur 110 kann
aus zwei Oszillatoren bestehen, die miteinander gekoppelt sind,
es ist ebenso denkbar, einen einzelnen Oszillator einzusetzen, der
in mehreren Schwingungsmodi oszillieren kann, die ebenfalls gekoppelt
sind.
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Die
Auswerteeinrichtung 140 kann an einem Ausführungsbeispiel
eine Force-Feedback-Einrichtung zum Entgegenwirken der Schwingung
der mechanischen Struktur in dem zweiten Schwingungsmodus abhängig von
dem verarbeiteten oder abgetasteten Schwingungssignal aufweisen,
wobei die Auswerteeinrichtung 140 dann beim Bestimmen der Messgröße die Bestimmung
abhängig
von dem Grad des Entgegenwirkens machen kann. Generell ist das Bestimmen
der Messgröße auch
ohne eine Kompensationsschaltung, d.h. Force-Feedback-Schaltung, und
ohne ein Ausregeln der Detektionsschwingung denkbar.
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Ferner
kann in einer anderen Realisierung die Einrichtung zum Anregen 120 eine
Einrichtung zum Regeln der Anregungs-Amplitude, der Anregungsfrequenz oder
der Anregungsphase mit einem Rückkopplungszweig
aufweisen, über
den ein Rückkopplungssignal
erfassbar ist, das aus der Schwingung der mechanischen Struktur
in dem ersten Schwingungsmodus resultiert, wobei in dem Rückkopplungszweig
eine weitere Abtasteinrichtung zum Abtasten des Rückkopplungssignals
mit einer weiteren Abtastfrequenz geschaltet ist, die ebenfalls
von der Anregungsfrequenz abhängen
kann. Beispielsweise können
hier zum Einsatz kommende DA- bzw. AD-Wandler mit einer Taktfrequenz
betrieben werden, die ebenfalls auf der Ausregelungsfrequenz basiert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann in den Rückkopplungszweig
ein digitales Filter zum Filtern des abgetasteten Rückkopplungssignals
geschaltet sein.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Auswerteeinrichtung 140 ebenfalls ein digitales Filter
zum Filtern des abgetasteten Schwingungssignals aufweisen. Ausführungsbeispiele
bieten die Möglichkeit
die digitalen Filter mit einer Taktfrequenz zu betreiben, die sich
aus einer der Schwingungsfrequenzen ergeben kann. Ferner können Ausführungsbeispiele
eine Einrichtung zum Festlegen eines festen Taktverhältnisses
zwischen der Abtastfrequenz einerseits und der Anregungsfrequenz
oder der Schwingungsfrequenz andererseits aufweisen. Die Messgröße kann
dabei generell eine Drehrate einer Drehung der Messvorrichtung sein
oder auch eine zu messende Beschleunigung, so dass Ausführungsbeispiele
generell auch als Beschleunigungssensoren einsetzbar sind.
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Zur
technischen Realisierung der schwingfähigen Struktur können beispielsweise
Gyroskope bzw. Drehratensensoren zum Einsatz kommen. Naturgemäß kann dort
die Detektionsoszillation, d.h. das Schwingungssignal, gleichfrequent
zu der Anregungsfrequenz sein. Dabei kann die Anregungsfrequenz
mit der Resonanzfrequenz des Gyroskopes oder Sensors zusammenfallen,
es ist prinzipiell aber auch denkbar, ein Gyroskop oder einen Sensor
mit einer anderen Frequenz zu betreiben. Die Detektionsoszillation
eines Gyroskopes oder Sensors weist in vielen Fällen die gleiche Frequenz wie
die Anregungsoszillation auf, da die Anregungsoszillation die Energie
für die
Detektionsoszillation über
die drehratenproportionale Kopplung liefert.
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Hinsichtlich
einer möglichen
nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltung ist anzumerken, dass letztendlich
auch Pole und Nullstellen der Reglerübertragungsfunktionen, die
zur Stabilisierung der Anregungs-Amplitude und zur Einstellung von
eventuell zum Einsatz kommenden Force-Feedback-Spannungen benötigt werden,
an die Frequenzen des Sensors gekoppelt wer den, wobei auch diese
Frequenzen mit den Resonanzfrequenzen des Sensors zusammenfallen
können,
dies jedoch nicht zwingend der Fall sein muss.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Messgrößensensors 200 abgebildet. 2 zeigt
einen Messgrößensensor 200 mit
einer schwingfähigen
Struktur 210 mit einem ersten Erfassungsanschluss 212,
an dem ein Schwingungssignal erfassbar ist, und einem Anregungsanschluss 214,
wobei die schwingfähige
Struktur durch das Anlegen eines Anregungssignals mit einer Anregungsfrequenz
an dem Anregungsanschluss 214 zu einer Schwingung mit einer
Schwingungsfrequenz anregbar ist. Der Messgrößensensor 200 zeigt
ferner eine Anregungsschaltung 220 mit einem Ausgang 224,
der mit dem Anregungsanschluss 214 gekoppelt ist und einen
Signalverarbeiter 230 mit einem Eingang 232, der
mit dem ersten Erfassungsanschluss 212 gekoppelt ist, einem
Frequenzeingang 234, an den ein Signal mit einer Frequenz
anlegbar ist, die von der Schwingungsfrequenz der schwingfähigen Struktur 210 oder der
Anregungsfrequenz an dem Anregungsanschluss 214 abhängt, und
einem Ausgang 236. Der Messgrößensensor 200 weist
ferner eine Auswerteschaltung 240 mit einem Eingang 246 auf,
der mit dem Ausgang 236 des Signalverarbeiters gekoppelt ist
und einem Ausgang 248, der einen Messgrößensensorausgang des Messgrößensensors 200 darstellt.
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Der
Signalverarbeiter 230 kann beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel
durch einen Abtaster realisiert sein, dessen Frequenzeingang 234 einem
Abtastfrequenzeingang entspricht. Der Signalverarbeiter 230 kann
in anderen Ausführungsbeispielen
beispielsweise ein Filter aufweisen, dessen Filtercharakteristik
von der Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz abhängt. Ein
mögliche
Realisierung wäre
z.B. ein analoges Filter, dessen Filtercharakteristik von einer
Impedanz abhängt,
die wiederum in Abhängigkeit
der Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz einstellbar ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel
eines Messgrößensensors 200 kann
die Anregungsschaltung 220 eine Regelschleife zum Regeln
der Anregungs-Frequenz, einer Anregungs-Amplitude oder einer Anregungs-Phase,
mit einem Rückkopplungszweig
bilden, über
den die Schwingungen der schwingfähigen Struktur 210 erfassbar
ist. Ferner kann die schwingfähige
Struktur 210 eine mechanische Struktur aufweisen, die in
einem ersten Schwingungsmodus und einem zweiten Schwingungsmodus
schwingfähig
ist. Die beiden Schwingungsmodi sind dabei gekoppelt, wobei die
Kopplung von der zu messenden Messgröße des Messgrößensensors 200 abhängt und
die mechanische Struktur durch Anlegen des Anregungssignals an den
Anregungsanschluss 214 zu einer Schwingung in dem ersten Schwingungsmodus
anregbar ist. An dem ersten Erfassungsanschluss 212 kann
dann ein Schwingungssignal erfassbar sein, das aus einer Schwingung
der mechanischen Struktur in dem zweiten Schwingungsmodus resultiert.
Die schwingfähige
Struktur 210 kann aus zwei Oszillatoren bestehen, die miteinander
gekoppelt sind, es ist ebenso denkbar, einen einzelnen Oszillator
einzusetzen, der in mehreren Schwingungsmodi oszillieren kann, die
ebenfalls gekoppelt sind.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Auswerteschaltung 240 eine Force-Feedback-Schaltung
umfassen und die schwingfähige Struktur 210 ferner
einen Force-Feedback-Anschluss aufweisen,
an dem der Schwingung der mechanischen Struktur in dem zweiten Schwingungsmodus entgegengewirkt
werden kann. Es besteht dabei die Möglichkeit eine Force-Feedback-Schaltung
zwischen den Ausgang 236 des Signalverarbeiters 230 und
den Anschluss 246 der Auswerteschaltung 240 zu
schalten. Die Force-Feedback-Schaltung kann dabei einen Ausgang
aufweisen, der mit dem Force-Feedback-Anschluss der schwingfähigen Struktur 210 gekoppelt
ist. Generell ist aber auch eine Messung ohne Ausregeln der Detektionsschwingung
denkbar.
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In
einer weiteren Realisierung kann die Anregungsschaltung 220 eine
Regelschleife mit einem Rückkopplungszweig
bilden und die schwingfähige Struktur 210 ferner
einen Erfassungsanschluss aufweisen, an dem die Schwingung der mechanischen Struktur
in dem ersten Schwingungsmodus erfassbar ist. Der Rückkopplungszweig
kann dabei mit dem zweiten Erfassungsanschluss gekoppelt sein und
in denselben ein weiterer Abtaster mit einem Abtastfrequenzeingang
geschaltet sein, an den ein Signal mit einer Frequenz anlegbar ist,
das von der Anregungsfrequenz an dem Anregungsanschluss 214 abhängt. Beispielsweise
können
hier zum Einsatz kommende DA- bzw. AD-Wandler mit einer Taktfrequenz betrieben
werden, die ebenfalls auf der Ausregelungsfrequenz basiert.
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Die
Regelschleife zur Steuerung eines Force-Feedback kann so ausgelegt
sein, dass andere als eine der erwünschten Schwingungsmodi der mechanischen
Struktur unterdrückt
werden bzw. unangeregt bleiben. Ferner kann in den Rückkopplungszweig
des weiteren Abtasters ein digitales Filter geschaltet werden und
es besteht die Möglichkeit, dass
die Auswerteschaltung 240 ein digitales Filter mit einem
Eingang aufweist, der mit dem Ausgang 236 des Signalverarbeiters 230 gekoppelt
ist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann die Auswerteschaltung 220 mit einem Takt betrieben werden,
der sich aus einer der Schwingfrequenzen ableitet. Ferner kann die
Messgröße einer
Drehzahl einer Drehung des Messgrößensensors 200 entsprechen,
generell sind als Messgröße jedoch
jegliche Beschleunigungen oder auch Kräfte denkbar. Zusätzlich besteht
die Möglichkeit,
dass der Messgrößensensor 200 einen
Taktvervielfacher mit einem Ein- und einem Ausgang aufweist, mit
denen derselbe so zwischen die Anregungsschaltung 220 eingangsseitig
und den Signalverarbeiter 230, der als Abtaster realisiert
sein kann, ausgangsseitig geschaltet ist, dass eine Abtastfrequenz
an dem Frequenzeingang 234 zu der Anregungsfrequenz oder Schwingungsfrequenz
ein festes Taktverhältnis
aufweist. So wäre
es denkbar, einen Systemfakt für
eine digitale Signalverarbeitung, zur Verarbeitung des abgetasteten
Schwingungssignals entsprechend höher zu wählen, als die Abtastfrequenz
selbst. Wenn ein festes Taktverhältnis
bekannt ist, so besteht prinzipiell die Möglichkeit, die digitale Signalverarbeitung derart
auszulegen, dass die durch Fertigungstoleranzen der Schwingungsstruktur
hervorgerufenen Probleme und Anpassungsschwierigkeiten erheblich vermindert
werden.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Messgrößensensors 300 mit
einer mechanischen Struktur 310, die in einem ersten Schwingungsmodus
und einem zweiten Schwingungsmodus schwingfähig ist, die eine Kopplung
aufweisen, die von einer zu messenden Messgröße des Messgrößensensors
abhängt.
Auch hier können
wiederum Gyroskope oder Drehratensensoren zum Einsatz kommen. Die
mechanische Struktur 310 umfasst ferner einen ersten Anregungsanschluss 312,
an dem durch Anregung mit einer Anregungsfrequenz eine Schwingung
der mechanischen Struktur 310 mit einer Schwingungsfrequenz
in dem ersten Schwingungsmodus anregbar ist. Ferner umfasst die
mechanische Struktur 310 einen ersten Erfassungsanschluss 314,
an dem eine Schwingung der mechanischen Struktur in dem zweiten
Schwingungsmodus erfassbar ist. Ferner weist die mechanische Struktur 310 einen
zweiten Erfassungsanschluss 316 auf, an dem die Schwingung
der mechanischen Struktur 310 in dem ersten Schwingungsmodus
erfassbar ist. Der Messgrößensensor 300 umfasst
ferner eine Anregungsschaltung 320 mit einem Ausgang 322,
der mit dem ersten Anregungsanschluss 312 gekoppelt ist, wobei
die Anregungsschaltung 320 eine Regelschleife mit einem
Rückkopplungszweig
bildet, der mit dem zweiten Erfassungsanschluss 316 gekoppelt
ist. Ferner weist der Messgrößensensor 300 einen
Signalverarbeiter 330 mit einem Eingang 334 auf,
der mit dem ersten Erfassungsanschluss 314 gekoppelt ist, einem
Frequenzeingang 336, der mit einem Schaltungsteil der Anregungsschaltung 320 an
dem die Anregungsfrequenz an dem ersten Anregungsanschluss 212 erfassbar
ist, oder mit dem zweiten Erfassungsanschluss 316 gekoppelt
ist, und einem Ausgang 338. Ferner umfasst der Messgrößensensor 300 eine
Auswerte schaltung 340 mit einem Eingang 348, der
mit dem Ausgang 338 des Signalverarbeiters 330 gekoppelt
ist, und einem Ausgang 350, der einen Messgrößensensorausgang
des Messgrößensensors 300 darstellt.
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Der
Signalverarbeiter 330 kann in einem Ausführungsbeispiel
wiederum durch einen Abtaster realisiert sein, wobei dann der Frequenzeingang 336 einem
Abtastfrequenzeingang entspricht. Der Signalverarbeiter 330 kann
ferner in anderen Ausführungsbeispielen
beispielsweise ein Filter aufweisen, dessen Filtercharakteristik
von der Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz abhängt. Ein mögliche Realisierung
wäre z.B.
ein analoges Filter, dessen Filtercharakteristik von einer Impedanz
abhängt,
die wiederum in Abhängigkeit
der Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz einstellbar ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann die Auswerteschaltung 340 eine Force-Feedback-Schaltung aufweisen,
wobei der Messgrößensensor 300 ferner einen
zweiten Anregungsanschluss aufweisen kann, an dem der Schwingung
der mechanischen Struktur 310 in dem zweiten Schwingungsmodus
entgegengewirkt werden kann, wobei die Force-Feedback-Schaltung
beispielsweise zwischen den Ausgang 338 des Signalverarbeiters 330 und
den Eingang 348 der Auswerteschaltung 340 geschaltet
werden kann und einen Ausgang aufweist, der mit dem zweiten Anregungsanschluss
gekoppelt ist.
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Ferner
kann in einer anderen Realisierung eines Ausführungsbeispiels in den Rückkopplungszweig
der Regelschleife der Anregungsschaltung 320 ein weiterer
Abtaster geschaltet sein, dessen Abtastfrequenzeingang mit dem Schaltungsteil
der Anregungsschaltung 320 gekoppelt ist, an dem die Anregungsfrequenz
erfassbar ist. Ferner kann in den Rückkopplungszweig der Regelschleife
der Anregungsschaltung 320 dem weiteren Abtaster ein digitales
Filter nachgeschaltet sein. Weiterhin kann die Auswerteschaltung 320 ein
digitales Filter mit einem Eingang aufweisen, der mit dem Ausgang 338 des Signalverar beiters
gekoppelt sein kann. Auch in diesem Ausführungsbeispiel eines Messgrößensensors 300 kann
die Messgröße einer
Drehzahl einer Drehung bzw. einer Beschleunigung des Messgrößensensors
entsprechen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann der Messgrößensensor 300 ferner
einen Taktvervielfacher mit einem Ein- und einem Ausgang aufweisen, mit
denen derselbe so zwischen die Anregungsschaltung 320 eingangsseitig
und den Signalverarbeiter 330, der als Abtaster realisiert
ist, ausgangsseitig geschaltet ist, dass eine Abtastfrequenz an
dem Frequenzeingang 336 zu der Anregungsfrequenz an dem
ersten Anregungsanschluss 312 oder der Schwingungsfrequenz
ein festes Taktverhältnis
aufweist.
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Nachfolgend
ist beispielhaft anhand der 4 und 5 dargestellt,
wie sich Rauschübertragungsfunktionen
und Filterfunktionen in Relation zu den Resonanzen beispielsweise
einer mikromechanischen Struktur darstellen könnten. In der 4 ist zunächst dargestellt,
wie sich die Toleranzen eines Bandpassfilters in Relation zu einer
Anregungsfrequenz verringern könnten,
wenn ein unabhängiger Systemtakt,
beispielsweise von einem RC-Oszillator durch einen an die Anregungsresonanz
gekoppelten Systemtakt ersetzt wird. 4 zeigt
eine Frequenzachse 400 über
der schematisch Übertragungsfunktionen
aufgetragen sind. Die Schwingungsfrequenz einer mikromechanischen
Struktur eines Ausführungsbeispiels
ist mit einem Pfeil 410 dargestellt, daran gekoppelt ist
ein Systemtakt 420 einer anschließenden digitalen Signalverarbeitung.
Beispielhaft ist in der 4 durch den Pfeil 430 ein
anderer Schwingungsmodus dargestellt, der beispielsweise durch eine
mechanische Kopplung hervorgerufen sein kann.
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Zusätzlich sind
in der 4 die Übertragungsfunktionen
verschiedener Bandpassfilter schematisch dargestellt, wobei die
beiden Übertragungsfunktionen 440 und 445 verdeutlichen,
dass bei einer Kopplung des Systemtaktes an die Anregungsfrequenz ein
Bandpassfilter mit geringerer Toleranz, d.h. mit geringerer Störungseinkopplung
verwendet werden kann. Die Übertragungsfunktion 440 zeigt
die Durchlassbandbreite eines konventionellen Bandpassfilters, der
Verlauf 445 zeigt die Übertragungsfunktion
eines Bandbassfilters, das in einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden
kann, wobei sich die beiden Bandpassfilter-Übertragungsfunktionen 440 und 445 auf
die Anregungsfrequenz beziehen.
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Es
ist möglich, ähnliche
Verhältnisse
von Übertragungsfunktionen
bei einer Detektionsoszillation zu erzielen, die in 4 durch
den Pfeil 450 dargestellt ist. Auch hier können Bandpassfilter
zum Einsatz kommen, die bei entsprechender Kopplung zwischen dem
Systemtakt und der Anregungsfrequenz schmalbandiger werden, was
die Übertragungsfunktion 455 eines
konventionellen Bandpassfilters im Vergleich zu der Übertragungsbandbreite
des Bandpassfilters 460, das in einem Ausführungsbeispiel einsetzbar
ist, verdeutlichen soll. Ähnliche
Effekte können
bei einer Störung
oder anderen Schwingungsmodi beobachtet werden, deren Frequenz zunächst durch
den Pfeil 430 in der 4 beispielhaft angedeutet
ist. Auch hier ist zu beobachten, dass die Toleranzbandbreite dieser
auftretenden Störung
wesentlich schmalbandiger geworden ist, wobei die Toleranzbandbreite
eines konventionellen Systems durch die schematische Übertragungsfunktion 465 dargestellt
ist und die Toleranzbandbreite in einem Ausführungsbeispiel durch den Verlauf 470.
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Die 5 zeigt
eine Frequenzachse 500 über
der verschiedene Spektren und Übertragungsfunktionen
aufgetragen sind. 5 zeigt zunächst das Spektrum eines Anregungssignals 510,
sowie das Spektrum eines Detektionssignals 515. Basierend
auf einem Ausführungsbeispiel
kann ein entsprechend schmalbandiges Bandpassfilter mit einer Übertragungsfunktion 520 sowohl
zur Filterung der Anregungsoszillation als auch zur Filterung der
Detektionsoszillation verwendet werden. Kommt es nun zu Störungen,
die z.B. durch unerwünschte
mechanische Kopplungen, die unerwünschte andere Schwingungsmodi
hervorrufen können,
wie in der 5 beispielhaft durch das Spektrum 525 dargestellt,
so können
diese beispielsweise durch die Übertragungsfunktion
von Analog-Digital-Wandlern bzw. Digital-Analog-Wandlern kompensiert werden,
da sich auch deren Taktung an die Anregungsfrequenz koppeln lässt. 5 zeigt
beispielhaft den Verlauf 530 eines solchen Analog-Digital-Wandlers bzw. Digital-Analog-Wandlers,
deren Übertragungsfunktion eine
starke Dämpfung
bei der unerwünschten
Resonanz 525 aufweist.
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Die 4 und 5 zeigen,
dass Ausführungsbeispiele
von Messgrößensensoren
und Messvorrichtungen auch unerwünschte
Resonanzen, die nicht zwingend durch beispielsweise Quantisierungsrauschen
angeregt werden sollen, unterdrücken
können.
Dazu können
beispielsweise weitere Nullstellen in den Rauschübertragungsfunktionen der Analog-Digital-
bzw. Digital-Analog-Wandler
realisiert werden. Die bereits oben diskutierten unerwünschten Resonanzen
einer mechanischen Struktur, insbesondere solche mit einer Frequenz,
die nahe bei der Anregungsfrequenz liegt, können weitgehend durch die gleichen
physikalischen Parameter beeinflusst werden wie die Anregungsresonanz,
beispielsweise durch schwingende Massen, Filterkonstanten, Dämpfungskonstanten
etc. Es ergibt sich somit für diese
Resonanzen ein Parametergleichlauf, der durch die Kopplung des Systemtaktes
an die Anregungsfrequenz ausgenutzt werden kann. Es ergibt sich
damit eine Verringerung der durch Fertigungstoleranzen oder Temperaturabhängigkeiten
bedingten Anpassungsfehler.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel.
In der 6 sind durch gestrichelte Linien die Komponenten
der Messvorrichtung 100 in Anlehnung an die 1a und 1b nochmals
angedeutet. Die 6 zeigt eine Messvorrichtung 100 zur
Bestimmung einer Messgröße mit einer
schwingfähigen Struktur 110,
an der ein Schwingungssignal erfassbar ist. Die schwingfähige Struktur 110 ist
in der 6 durch ein mikromechani sches Gyroskop, ein sogenanntes
MEMS (MEMS = micro electro mechanical system), 610 realisiert.
Das Gyroskop weist dabei einen ersten Resonanzkreis 612 und
einen zweiten Resonanzkreis 614 auf. Der erste Resonanzkreis 612 bildet
den Anregungsresonanzkreis, der zweite Resonanzkreis 614 bildet
den Detektionsresonanzkreis. Ferner kann das Gyroskop 610 auch
andere Resonanzmodi 616 umfassen.
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Der
Anregungsresonanzkreis 612 wird gemäß der 6 von einer
Einrichtung 120 zum Anregen der schwingfähigen Struktur 110 mit
einer Anregungsfrequenz zu einer Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz
angesteuert. Die Einrichtung 120 zum Anregen der schwingfähigen Struktur 110 ist in
der 6 durch einen Anregungsregler 620, der mit
einer PLL 622 (PLL = phase locked loop) gekoppelt ist,
einen Digital-Analog-Wandler 624, einen Analog-Digital-Wandler 626 und
ein digitales Filter 628 realisiert. Der Anregungsregler 620 arbeitet demnach
im Ausführungsbeispiel
in 6 im digitalen Bereich und gibt der PLL 622 die
Anregungsfrequenz vor. Der Anregungsresonanzkreis 612 des
Gyroskopes 610 ist über
den Digital-Analog-Wandler 624 an den Anregungsregler 620 gekoppelt,
wobei das Anregungssignal über
den Analog-Digital-Wandler 626 wieder erfasst und über das
digitale Filter 628 gefiltert wird, wobei der Ausgang des
digitalen Filters 628 wiederum mit dem Anregungsregler 620 gekoppelt
ist. Damit ergibt sich eine Regelschleife.
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Gemäß der Messvorrichtung 100 im
Ausführungsbeispiel
in 6 weist ferner eine Einrichtung 130 zum
Verarbeitendes Schwingungssignals mit einer Frequenz, die von der
Schwingungsfrequenz oder der Anregungsfrequenz abhängt, auf.
Die Einrichtung 130 zum Verarbeiten ist in diesem Ausführungsbeispiels
als Einrichtung 135 zum Abtasten gemäß 1b realisiert.
Die Einrichtung 135 zum Abtasten ist durch den AD-Wandler 634 realisiert,
der ebenfalls den Takt der PLL 622 erhält.
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Die
Messvorrichtung 100 in 6 weist
ferner eine Auswerteeinrichtung 140 auf, die einen digitalen
Filter 636, einen Detektionsregler 630, einen DA-Wandler 632 und
einen Prozessor zur IQ-Demodulation und Signalverarbeitung 640 umfasst,
wobei alle diese Komponenten mit dem Takt der PLL 622 gekoppelt
sind. Der Detektionsregler 630 kann über den Digital-Analog-Wandler 632 die
Detektionsschwingung des Detektionsresonanzkreises 614 des Gyroskopes 612 beeinflussen,
wobei das Schwingungssignal des Resonanzkreises 614 von
dem Analog-Digital-Wandler 634 der Einrichtung 135 zum
Abtasten erfasst wird, dessen Ausgang über das digitale Filter 636 mit
dem Detektionsregler 630 gekoppelt ist, womit die Detektionsregelschleife
geschlossen wird. Dem Detektionsregler 630 ist somit ermöglicht,
die Detektionsschwingung auszuregeln und darauf basierend ein Ausregelsignal
zu bestimmen. Diese Betriebsart wird auch als Force-Feedback-Betrieb
bezeichnet, die jedoch zur Erfassung der Messgröße nicht zwingend notwendig
ist und im Ausführungsbeispiel
in 6 beispielhaft dargestellt ist.
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Der
Systemtakt aller Komponenten der Auswerteeinrichtung 140 wird
von der PLL 622 vorgegeben. Sowohl der Anregungsregler 620,
als auch der Detektionsregler 630 können Ausgangssignale einen Prozessor
zur IQ-Demodulation- und Signalverarbeitung 640 weitergeben,
der basierend auf diesen Signalen die Messgröße bestimmt, die in der 6 als Yaw
Rate bezeichnet ist.
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Generell
weichen die Signalpfade von Sensoren gemäß Ausführungsbeispielen nicht von
konventionellen Realisierungen ab, im Ausführungsbeispiel der 6 ist
zu erkennen, dass zusätzlich
an der Oszillatorschleife der Anregungsschwingung, vorzugsweise
an den digitalen Ausgang des Anregungsreglers 620, eine
PLL 622 angekoppelt ist. Die PLL 622 erzeugt nach
bekannten Verfahren den Systemtakt, der um einen konstanten Faktor
höher liegen kann
als die Anregungsfrequenz.
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Die 7 verdeutlicht
ein Ausführungsbeispiel
bei dem gemäß der 1a die
Einrichtung 130 zum Verarbeiten ein analoges Filter aufweist. 7 zeigt
einen Ausschnitt eines Delta-Sigma-Wandlers 710,
der in seinem Rückkopplungszweig
ein Schleifenfilter 715 aufweist. Das Schleifenfilter 715 hat
eine Filtercharakteristik, die im Ausführungsbeispiel in 7 von
einer Gesamtkapazität
C abhängt,
die wiederum über
eine Kaskade 720 von schaltbaren Einzelkapazitäten realisiert
ist. Die Gesamtkapazität
ergibt sich somit als Summe der zugeschalteten Einzelkapazitäten, wobei
die einzelnen Schalterstellungen von einer PLL 730 kontrolliert
werden, die über
eine äquivalente
Kaskade 735 von Einzelkapazitäten verfügt. Da die PLL 730 auf
der Anregungsfrequenz bzw. Schwingungsfrequenz schwingt, diese über einen Regelkreis
eingeregelt wird und somit die Gesamtkapazität der äquivalenten Kaskade 735 einregelt,
verfügt
die PLL 730 über
die zur Schwingungsfrequenz oder Anregungsfrequenz zugehörigen Schalterstellungen
der äquivalenten
Kaskade 735. Diese können auf
die Kaskade 720 des Schleifenfilters 715 übertragen
werden, womit die Filtercharakteristik abhängig von der Schwingungsfrequenz
oder Anregungsfrequenz gemacht werden kann, bzw. an die Schwingungsfrequenz
oder Anregungsfrequenz angepasst werden kann.
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- 100
- Messvorrichtung
- 110
- Schwingfähige Struktur
- 120
- Einrichtung
zum Anregen
- 130
- Einrichtung
zum Verarbeiten
- 135
- Einrichtung
zum Abtasten
- 140
- Auswerteeinrichtung
- 200
- Messgrößensensor
- 210
- Schwingfähige Struktur
- 212
- Erster
Erfassungsanschluss
- 214
- Anregungsanschluss
- 220
- Anregungsschaltung
- 224
- Ausgang
der Anregungsschaltung
- 230
- Signalverarbeiter
- 232
- Eingang
des Abtasters
- 234
- Frequenzeingang
- 236
- Ausgang
des Abtasters
- 240
- Auswerteschaltung
- 246
- Eingang
der Auswerteschaltung
- 248
- Ausgang
der Auswerteschaltung
- 300
- Messgrößensensor
- 310
- Mechanische
Struktur
- 312
- Erster
Anregungsanschluss
- 314
- Erster
Erfassungsanschluss
- 316
- Zweiter
Erfassungsanschluss
- 320
- Anregungsschaltung
- 322
- Ausgang
der Anregungsschaltung
- 330
- Signalverarbeiter
- 334
- Eingang
des Abtasters
- 336
- Frequenzeingang
- 338
- Ausgang
des Abtasters
- 340
- Auswerteschaltung
- 348
- Eingang
der Auswerteschaltung
- 350
- Ausgang
der Auswerteschaltung
- 400
- Frequenzachse
- 410
- Anregungsfrequenz
- 420
- Systemtakt
- 430
- Unerwünschte Störung
- 440
- Toleranzbereich
eines konventionellen Bandpassfilters
- 445
- Toleranzbereich
eines Bandpassfilters eines Ausführungsbeispiels
- 450
- Detektionsschwingung
- 455
- Toleranzbereich
eines Bandpassfilters eines konventionellen Systems
- 460
- Toleranzbereich
eines Bandpassfilters eines Ausführungsbeispiels
- 465
- Toleranzbandbreite
eines unerwünschten Störsignals
in einem konventionellen System
- 470
- Toleranzbandbreite
eines Störsignals
in einem Ausführungsbeispiel
- 500
- Frequenzachse
- 510
- Spektrum
des Anregungssignals
- 515
- Spektrum
des Detektionssignals
- 520
- Übertragungsfunktion
des Bandpassfilters
- 525
- Unerwünschtes
Störspektrum
- 530
- Übertragungsfunktion
eines AD- bzw. DA-Wandlers
- 610
- Gyroskop
- 612
- Anregungsresonanzkreis
- 614
- Detektionsresonanzkreis
- 616
- Anderer
Resonanzkreis
- 620
- Anregungsregler
- 622
- PLL
- 624
- Digital-Analog-Wandler
- 626
- Analog-Digital-Wandler
- 628
- Digitales
Filter
- 630
- Detektionsregler
- 632
- Digital-Analog-Wandler
- 634
- Analog-Digital-Wandler
- 636
- Digitales
Filter
- 640
- IQ-Demodulator
und Signalverarbeiter
- 710
- Ausschnitt
eines Delta-Sigma-Wandlers
- 715
- Schleifenfilter
- 720
- Kapazitätskaskade
- 730
- PLL
- 735
- Kapazitätskaskade