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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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Aus der
WO 99/47889 A1 ist ein Drehratensensorsystem zur Beeinflussung des Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeugs bekannt. Das Drehratensensorsystem besteht aus einer Sensor-Baueinheit, die einen elektrisch-mechanischen Wandler und einen mechanisch-elektrischen Wandler mit einem Signalaufnahmeverstärker aufweist. Die Sensor-Baueinheit ist über einen Ausgang mit einem A/D-Signalwandler und über einen Eingang mit einem D/A-Signalwandler einer Signalverarbeitungseinheit verbunden.
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Aus der
EP 1788351 A1 ist ein oszillierender Trägheitskraftsensor bekannt, der durch Verkürzen einer Zeitspanne von Einschalten bis zur stabilen Ausgabe eines Signals und, auch wenn die Messung in einem instabilen Zustand beginnt, ein Auftreten eine Messfehlers minimiert ist, umgehend mit der Messung beginnen kann.
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Aus der
WO 2009/023075 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die Zeitverzögerung und eine daraus resultierende Phasenverschiebung in einem Gyroskop Motorantriebssignal reduziert. Dabei stammt das Motorantriebssignal von einem numerisch gesteuerten Oszillator, dessen Ausgang mit einer vorbestimmten Rate abgetastet wird.
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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 werden, 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 240 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 Auswerteschaltung 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 340 ein digitales Filter mit einem Eingang aufweisen, der mit dem Ausgang 338 des Signalverarbeiters 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 mikromechanisches 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 Verarbeiten des 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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Bezugszeichenliste
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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
