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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Ansteuern eines
Sensors, insbesondere einen Sigma-Delta-Modulator zum Ansteuern
eines kapazitiven gyroskopischen Sensors (Drehratensensor).
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Mikromechanische
gyroskopischen Sensoren gehören
neben Drucksensoren derzeit zu den am meisten in Silizium-Mikromechanik
hergestellten Sensoren. Mit modernen Technologien der Mikromechanik
ist eine entscheidende Reduzierung von Baugröße und Preis sowie eine Integration
mit der Sensorelektronik möglich.
Dadurch kann eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete erschlossen werden. Hierzu
zählen
die Bereiche Automobilindustrie, Biomechanik, Konsumgüterindustrie,
Industrieanwendungen, militärische
Anwendungen und Navigation. Airbag-Sensoren, elektronische Fahrdynamikregelung
(ESP), Stabilisierung von Videokameras, 3D-Maus und Lagesensoren
für Navigationsgeräte sind
nur wenige der ins Blickfeld der Entwicklungen gerückten Applikationen.
Derzeit größter Markt
für mikromechanische
Drehratensensoren ist die Automobilindustrie. Mit Hilfe dieser Sensoren
können
Beschleunigung und Drehbewegung eines Fahrzeugs erfasst werden,
um es in gefährlichen
Fahrsituationen durch Abbremsen einzelner Räder oder durch den Eingriff
in die Fahrzeugfederung am Umkippen oder Schleudern zu hindern.
Kommt es dennoch zur Unfallsituation, kann ein ”intelligentes” Auslösen der Front-
und Seitenairbags erfolgen.
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Das
Messprinzip geht auf das Foucault'sche Pendel zurück, das frei in einer Ebene
schwingend unter Einwirkung einer Drehbewegung eine Präzessionsbewegung
ausführt.
Für die
Messung der Drehrate (Winkelgeschwindigkeit, auch Gierrate) kann
ein „open
loop” oder
ein „closed-loop” Arbeitsprinzip
gewählt
werden. In beiden Fällen
ist es erforderlich, dass das „Pendel”, d. h.
der mikromechanische Drehratensensor mit einer Primärschwingung konstanter
Amplitude und Richtung angeregt wird.
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Im
Open-Loop-Betrieb erfolgt durch eine äußere Drehbewegung eine Energieübertragung
von der Schwingungsamplitude der Primärschwingung zu einer Sekundärschwingung.
Das Verhältnis
der Amplituden von Primär
und Sekundärschwingung
ist proportional zur Drehrate des Sensors. Im Closed-Loop-Betrieb
wird die Sekundärschwingung mit
Hilfe einer geschlossenen Regelschleife ausgeregelt und die dafür notwendige
Stellgröße (die
dafür notwendigen
Rückstellkräfte) des
Reglers ist ein Maß für die Sekundärschwingung.
Durch das Ausregeln der Sekundärschwingung
kann die Bandbreite des Drehratensensors wesentlich erhöht werden.
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Die
Primärschwingung
wird bei mikromechanischen Drehratensensoren, die typischerweise
die Form zweier schwingfähiger
Kondensatorplatten haben, mit Hilfe von elektrostatischen Kräften angeregt, d.
h. durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden
(d. h. die „Kondensatorplatten”) des Drehratensensors
werden diese in Schwingung versetzt. Die Amplitude und die Frequenz
der Primärschwingung
können
darüber
hinaus auch durch Regelschleifen auf bestimmte Werte (z. B. in einen
Frequenzbereich mechanischer Resonanz) geregelt sein. Der Drehratensensor
kann also einen mechanischen Resonator bilden. Dazu wird im Allgemeinen die
Information über
die aktuelle Stellung des Resonators, vereinfacht gesprochen die
Position der „Kondensatorplatten”, benötigt. Dazu
kann die Kapazität des
Sensors gemessen werden. Diese ist bei Plattenkondensatoren bekanntlich
ein Maß für den Plattenabstand.
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Für die Erzeugung
der Primärschwingung und
der Rückstellkräfte müssen in
aufwändiger
Weise analoge Steuerspannungen erzeugt werden. Wenn zum Anregen
der Primärschwingung
des Drehratensensors bzw. zum Ausregeln der Sekundärschwingung
und zum Messen der Position der jeweiligen Schwinger dieselben „Kondensatorplatten” verwendet
werden, dann müssen
darüber
hinaus diese analogen Steuerspannungen über Multiplexer umgeschaltet
werden, je nachdem, ob der Sensor gerade angeregt wird, oder ob
ein Messvorgang stattfindet, wobei das multiplexen der analogen
Signale mit der geforderten Genauigkeit ein Problem darstellt, dessen
Lösung
einen nicht unerheblichen schaltungstechnischen Aufwand nach sich
zieht. Die Druckschrift
DE
693 11 831 T2 beschreibt einen mikromechanischen Sensor
mit Kraftrückkopplung
der nach dem oben erläuterten
Prinzip arbeitet. Die Druckschriften
US
6,101,864 und
DE
10 2005 046 699 A1 zeigen jeweils eine Vorrichtung zum
ansteuern eines Sensors mit einem Sigma-Delta-Wandler.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltung zum Ansteuern
von Drehratensensoren zur Verfügung
zu stellen, die bei der geforderten Genauigkeit einen möglichst
geringer schaltungstechnischen Aufwand erfordern.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Delta-Sigma-Wandler gemäß Anspruch 1 und eine Sensoranordnung
gemäß Anspruch
12 gelöst.
Beispielhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung weist ein Sigma-Delta-Modulator zum Ansteuern eines
Sensorelements, insbesondere eines mikromechanischen Resonators,
folgende Komponenten auf: einem Vorwärtszweig, dem an einem Eingang
ein Eingangssignal zugeführt
ist und der einen Schleifenfilter, einen Quantisierer und einen
Ausgang zum Bereitstellen eines Ausgangssignals umfasst; einen Rückkoppelzweig,
der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal des Vorwärtszweiges
zumindest zeitweise an den Eingang des Vorwärtszweiges zurückzukoppeln;
eine Signalquelle, die dazu ausgebildet ist, ein Auslesesignal zu
erzeugen, das dem Spannungsverlauf am Sensor während eines Auslesevorgangs
entspricht, eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal
zu erzeugen, abhängig
von dem entweder das Ausgangssignal des Vorwärtszweiges oder das Auslesesignal der
Signalquelle an den Eingang des Vorwärtszweiges zurückgekoppelt
wird.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann der Rückkoppelzweig
des Sigma-Delta-Modulators einen Multiplexer aufweisen, der durch das
Steuersignal steuerbar ist. Dem Multiple xer ist das Ausgangssignal
des Vorwärtszweiges
und das Auslesesignal der Signalquelle zugeführt. Abhängig von dem Steuersignal wird
eines der beiden Signale von dem Multiplexer ausgegeben und dadurch
an den Eingang des Vorwärtszweiges
rückgekoppelt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann der Sigma-Delta-Modulator
einen Digital/Analog-Wandler aufweisen, dem das zurückgekoppelte
Signal zugeführt
ist. Der Ausgang des Digital/Analog-Wandlers ist zumindest indirekt
mit dem Sensorelement verbunden sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert:
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Sigma-Delta-Modulators zum Ansteuern eines mikromechanischen
Resonators zum Messen von Drehraten.
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2 zeigt Blockschaltbilder des Sigma-Delta-Modulators
mit zwei Multiplexer, wobei zwei unterschiedliche Schaltzustände (2a und 2b)
der Multiplexer dargestellt sind.
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3 zeigt
ein Zeitdiagram der wesentlichen Signalverläufe in dem Sigma-Delta-Modulator
aus 2.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild eines gyroskopischen Drehratensensors mit mikromechanischem
Sensorelement, Sigma-Delta-Modulators, Regler und Signalverarbeitung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten
bzw. gleiche Signale mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand eines Blockschaltbildes. Die dargestellte Schaltung ist
ein Sigma-Delta-Modulator 1, der als ”Endstufe” zum Ansteuern eines Sensors, insbesondere
eines mikromechanischen Drehratensensors verwendet wird. Dem Sigma-Delta-Modulator
ist ein Eingangssignal SIN zugeführt. Dieses
Eingangssignal ist typischerweise ein Digitalsignal und kann zum
Beispiel als ”Sollwert” für die Primärschwingung
des Sensorelementes (d. h. des mikromechanischen Resonators in Form
zweier paralleler Kondensatorplatten) oder als Stellgröße zum Ausregeln
der Sekundärschwingung
angesehen werden. Der Sigma-Delta-Modulator dient unter anderem dazu,
aus dem digitalen Eingangssignal SIN ein
analoges Ausgangssignal zu erzeugen, mit dessen Hilfe das Sensorelement
zum Schwingen angeregt werden kann. In dem oben erwähnten Closed-Loop-Betrieb
kann das Ausgangssignal jedoch auch die Stellgröße zum Ausregeln der Sekundärschwingung
darstellen. In diesem Fall wäre
das Eingangssignal SIN ein Maß für die notwendigen
Rückstellkräfte zur Kompensation
der Sekundärschwingung
und somit auch ein Maß für die Drehrate
selbst.
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Der
Sigma-Delta-Modulator umfasst einen Vorwärtszweig 10 mit einem
Schleifenfilter 11 und einem Quantisierer 12.
Der Vorwärtszweig
weist einen Eingang auf, dem das Eingangssignal SIN zugeführt ist,
und einen Ausgang, an dem ein Ausgangssignal SOUT des
Vorwärtszweiges
bereitgestellt wird. Der Sigma-Delta-Modulator
umfasst des Weiteren einen Rückkoppelzweig 20,
der dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal SOUT des
Vorwärtszweiges
zumindest zeitweise an den Eingang des Vorwärtszweiges zurückzukoppeln.
Dazu kann, zumindest zeitweise, das Ausgangssignal SOUT am
Eingang des Vorwärtszweiges 10 von
dem Eingangssignal SIN subtrahiert werden.
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Während das
Ausgangssignal SOUT des Vorwärtszweiges
an den Eingang des Vorwärtszweiges zurückgekoppelt
ist, entspricht die Funktion des Sigma-Delta-Modulators aus 1 der
eines konventionellen Sigma-Delta-Modulators auf dessen Funktion nicht
im Detail eingegangen wird. In diesem Zusammenhang sind lediglich
die Eigenschaften des Sigma-Delta-Modulators in Be zug auf Rauschformung (”noise shaping”) wichtig.
Bei entsprechender Überabtastung
(”over-sampling”) wird
bei einem Sigma-Delta-Modulator
die Rauschleistung des Quantisierungsrauschens zu Frequenzen außerhalb
des Frequenzbereiches eines Nutzsignals hin verschoben und somit
der Signal-Rausch-Abstand
des Ausgangssignals SOUT im Frequenzbereich
des Nutzsignals verbessert.
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Diese
Noise-Shaping-Eigenschaft des Sigma-Delta-Modulators ist ein wichtiger
Grund für
dessen Einsatz zur Ansteuerung mikromechanischer Sensorelemente.
Das Sensorelement 50 wird durch das Ausgangssignal SOUT des Vorwärtszweiges 10 zum
Schwingen angeregt. Wie eingangs bereits beschrieben ist es jedoch
auch notwendig, in regelmäßigen Abständen
die aktuelle Position des Sensorelementes 50 zu bestimmen.
Dies kann beispielsweise durch Messung der Kapazität des Sensorelementes
verwirklicht werden.
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Dazu
werden üblicherweise
die Elektroden des Sensorelementes zunächst auf eine definierte Spannung
aufgeladen und anschließend
die Ladung auf der Elektrode als Maß für die Kapazität ausgewertet.
Die Elektroden wieder dafür
auf eine weitere definierte Spannung entladen und die dabei von
den Elektroden abfließende
Ladung wird mit Hilfe eines Ladungsverstärkers gemessen. Aus der Differenz der
Spannung vor und nach dem Entladevorgang und der dabei abgeflossenen
Ladung kann die Kapazität
des Sensorelementes berechnet werden. Während eines solchen Messvorganges
liegt an den Elektroden des Sensorelementes 50 nicht das
Ausgangssignal SOUT, sondern ein Auslesesignal,
das den Spannungsverlauf an den Elektroden des Sensorelementes 50 während eines
Messvorganges repräsentiert.
Nach Abschluss eines Messvorganges ist den Elektroden des Sensorelementes 50 wieder
das Ausgangssignal SOUT des Vorwärtszweiges
zugeführt, um
das Sensorelement 50 wieder aktiv ansteuern zu können. Die
Funktionalität
eines derartigen Messvorganges ist in der Messschaltung 80 implementiert. Diese
stellt als Ausgangssignal ein Positionssignal SPOS zur
Ver fügung,
das die Auslenkung des mikromechanischen Resonators des Sensorelementes 50 repräsentiert.
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Ein
Messvorgang wird durch ein Steuersignal SSCHED einer
Steuereinheit (”scheduler”) 40 getriggert.
Die Wiederholrate der Messvorgänge übersteigt typischerweise
die Frequenz des Eingangssignals SIN und
die des Ausgangssignals SOUT um ein Vielfaches.
Beispielhafte Signalverläufe
werden weiter unten noch mit Bezugnahme auf 3 erläutert.
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Während eines
Messvorganges ist die Spannung an den Elektroden des Sensorelementes 50 nicht
durch das Ausgangssignal SOUT bestimmt,
sondern durch eine Messschaltung vorgegeben. Nach Abschluss des
Messvorganges unterscheidet sich im Allgemeinen die Spannung an
den Elektroden des Sensorelementes von der des Ausgangsignals SOUT, was zu einer ”Störung” in der Rückkoppelschleife (10, 20)
des Sigma-Delta-Modulators und zu einer Verschlechterung der Rauschformungseigenschaften führt.
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Die
Rauschformung (das Noise-Shaping) des Sigma-Delta-Modulators basiert
bekanntlich auf einer Fehlerrückführung, d.
h. durch die Rückkopplung
(im vorliegenden Fall eine Gegenkopplung) des Ausgangssignals SOUT auf das Eingangssignal SIN wird
ein Fehlersignal gebildet, das über
den Schleifenfilter 11 dem Quantisierer 12 zugeführt wird.
Um die wichtigen Rauschformungseigenschaften des Sigma-Delta-Modulators
zu erhalten und um eine Demodulation des zu hohen Frequenzen verschobenen
Rauschens in Frequenzbereiche des Eingangssignales zu verhindern,
wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung während
eines Messvorganges der Rückkoppelzweig 20 aufgetrennt
und statt des Ausgangssignales SOUT ein
Auslesesignal SSENSE an den Eingang des
Vorwärtszweiges
rückgekoppelt,
wobei das Auslesesignal SSENSE den Spannungsverlauf
an den Elektroden des Sensorelementes 50 während eines
Messvorganges darstellt. Dadurch wird in der Rückkoppelschleife der durch
den Messvorgang verursachte ”Fehler” der Elektrodenspannung
berücksichtigt
und die Rauschformungseigenschaften des Sigma-Delta-Modulators bleiben
trotz abweichender Elektrodenspannungen während eines Messvorganges erhalten.
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Zu
diesem Zweck kann der Rückkoppelzweig
einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen Multiplexer 21,
aufweisen, der durch das Steuersignal SSCHED derart
steuerbar ist, dass während
eines Messvorganges nicht das Ausgangssignal SOUT des
Vorwärtszweiges 10,
sondern das Auslesesignal SSENSE rückgekoppelt
ist. Der Sigma-Delta-Modulator weist eine Signalquelle 30 auf,
die das Auslesesignal SSENSE erzeugt. Das
Auslesesignal SSENSE repräsentiert
zumindest näherungsweise
den Spannungsverlauf an den Elektroden des Sensorelementes 50 während eines
Messvorganges. Die Steuereinheit 40 triggert sowohl die
Signalquelle 30 als auch den Multiplexer 21 zu
Beginn eines jeden Messvorganges.
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Es
gibt unterschiedliche Möglichkeiten,
das Sensorelement 50 mit dem Sigma-Delta-Modulator zu koppeln.
Eine Möglichkeit
ist in den 2a und 2b dargestellt,
die ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand eines Blockschaltbildes zeigen. Der Sigma-Delta-Modulator 1 aus 2a umfasst
sämtliche
Merkmale des Sigma-Delta-Modulators aus 1 und zusätzlich einen
Digital-/Analog-Wandler 60, einen weiteren Multiplexer 70 und eine
Messschaltung 80. Gegenüber
der Schaltung aus 1 ist die Anbindung des Sensorelementes 50 an
den Sigma-Delta-Modulator detaillierter dargestellt.
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Der
Digital-/Analog-Wandler 60 wandelt das rückgekoppelte
Signal (SOUT oder SSENSE)
in ein Analogsignal um, das dem Sensor über den weiteren Multiplexer 70 zugeführt ist.
Der weitere Multiplexer 70 wird ebenfalls durch das Steuersignal
SSCHED der Steuereinheit 40 angesteuert
und zwar derart, dass das Sensorelement 50 während eines
Messvorganges mit der Messschaltung 80 verbunden, während des übrigen Betriebes
jedoch mit dem DA-Wandler 60 verbunden ist. Die Schaltstellungen
des Multiplexers 21 und des weiteren Multiplexers 70 sind
voneinander nicht unabhängig.
Der weitere Multiplexer 70 ver bindet immer dann den DA-Wandler 60 mit dem
Sensorelement 50, wenn der Multiplexer 21 das Ausgangssignal
SOUT des Vorwärtszweiges 10 an dessen
Eingang rückkoppelt.
Umgekehrt verbindet der weitere Multiplexer 70 immer dann
das Sensorelement 50 mit der Messschaltung 80,
wenn das Auslesesignal SSENSE der Signalquelle 30 an
den Eingang des Vorwärtszweiges 10 gekoppelt
ist. Die 2a zeigt die Schaltstellungen
der Multiplexer 21 und 70 während des Normalbetriebes des
Sigma-Delta-Modulators.
Die ansonsten identische 2b zeigt
die Schaltstellung der Multiplexer 21 und 70 während eines
Messvorganges des Sigma-Delta-Modulators 1.
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Die
Signalquelle 30 erzeugt als Auslesesignal SSENSE ein
Signal, welches den Spannungsverlauf an den Elektroden des Sensorelementes 50 während eines
Messvorganges repräsentiert.
Dieses Signal kann durch die Signalquelle beispielsweise rechnerisch
mit Hilfe eines mathematischen Modells oder mit Hilfe tabellarisch
gespeicherter Werte der Lade- und Entladekurven der Elektrodenkapazität erzeugt werden.
Die Signalquelle muss nicht unbedingt das Auslesesignal SSENSE ”von
sich heraus” z.
B. mit Hilfe eines Modells erzeugen, sondern kann auch ein die Elektrodenspannung
am Sensorelement 50 repräsentierendes Signal während eines
Messvorganges an der Messschaltung abgreifen. In diesem Fall müsste die
Signalquelle 30 einen Analog/Digital-Wandler aufweisen,
der mit der Messschaltung 80 verbunden ist, sodass der
Analog/Digital-Wandler ein die tatsächliche Elektrodenspannung
am Sensorelement 50 repräsentierendes Digitalsignal
als Auslesesignal SSENSE zur Verfügung stellen
kann. Wird, wie oben erwähnt,
das Auslesesignal SSENSE rechnerisch erzeugt,
kann der gesamte Sigma-Delta-Modulator 1 mit
Ausnahme des Multiplexers 70 und des Digital/Analog-Wandlers 60 in
Digitaltechnik implementiert werden.
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In 3 sind
Zeitdiagramme der relevanten Signalverläufe der Schaltung aus 2 dargestellt. Das zweite Diagramm (3b) zeigt beispielhaft ein mögliches
Steuersignal SSCHED, das im vorliegenden Fall
auf das Intervall [0, 1] normiert dargestellt ist. Bei dem Steuersignal
SSCHED handelt es sich um ein Logiksignal.
Ein High-Pegel bedeutet eine Schalterstellung der Multiplexer 21 und 70 wie
in 2a dargestellt, ein Low-Pegel eine Schalterstellung
der Multiplexer 21 und 70 entsprechend der 2b.
Ein Messvorgang wird also durch einen Low-Pegel oder durch eine
fallende Flanke des Steuersignals SSCHED zu
einem Zeitpunkt t1 getriggert. Nach der
Beendigung eines Messvorganges zu einem Zeitpunkt t2 wechselt das
Steuersignal SSCHED wieder auf einen High-Pegel und
der Normalbetrieb des Sigma-Delta-Modulators wird fortgesetzt, d.
h. das Ausgangssignal SOUT des Vorwärtszweiges 10 des
Sigma-Delta-Modulators 1 ist
wieder an dessen Eingang zurückgekoppelt.
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Das
erste Zeitdiagramm (3a) zeigt das rückgekoppelte
Signal, d. h. das Ausgangssignal des Multiplexers 21, das
im vorliegenden Fall auf das Intervall [–1, 1] normiert dargestellt
ist. Dieses rückgekoppelte
Signal entspricht abschnittsweise dem Ausgangssignal SOUT des
Vorwärtszweiges 10 oder
dem Auslesesignal SSENSE. Solange das Steuersignal SSCHED einen High-Pegel aufweist, wird das
Ausgangssignal SOUT rückgekoppelt und der Sigma-Delta-Modulator
befindet sich im Normalbetrieb. Bei dem Beginn eines Messvorganges
zum Zeitpunkt t1 wird das Auslesesignal
SSENSE rückgekoppelt
und das rückgekoppelte
Signal zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 spiegelt die Spannung an den Elektroden
des Sensorelementes 50 während eines Messvorganges wider.
Die Elektroden werden zuerst auf einen bestimmten Spannungswert
(hier auf den normierten Wert 1) aufgeladen und anschließend auf
ein weiteres definiertes Potential (hier auf den normierten Wert –1) entladen.
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Das
in 3a dargestellte Signal entspricht im
Wesentlichen auch dem Spannungsverlauf an den Elektroden des Sensorelementes 50.
Der Signalverlauf aus 3a wurde für einen
6-Bit-Quantisierer ermittelt. Bei einem Sigma-Delta-Modulator werden üblicherweise
1-Bit-Quantisierer verwendet. Eine Quantisierung mit 6-Bit (64 Quantisierungsstufen) wurde
lediglich der besseren Darstellbarkeit wegen gewählt. In der Praxis wird natürlich auch
bei der vorliegenden Erfindung ein 1-Bit-Quantisierer verwendet.
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Das
der 3a entsprechende Signal bei Verwendung
eines 1-Bit-Quantisierers
ist in der 3c dargestellt. Während eines
Messvorganges entspricht der Spannungsverlauf an den Elektroden des
Sensorelementes 50 ebenfalls dem Auslesesignal SSENSE. Das Ausgangssignal SOUT des
Vorwärtszweiges
kann jedoch nur die Amplitudenwerte –1 und 1 annehmen. Der mittlere
Wert des Ausgangssignals SOUT aus 3c entspricht jedoch, abgesehen von Quantisierungsfehlern,
dem in 3a gezeigten Wert des Ausgangssignals
(rund 0,4). Aus diesem Grund kann bei der Verwendung eines 1-Bit
Quantisierers 12 der Digital/Analog-Wandler 60 durch
einen Tiefpass gebildet sein.
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In 4 ist
ein Blockschaltbild des Gesamtsystems eines gyroskopischen Drehratensensors dargestellt.
Dieses umfasst neben dem Sensorelement 50 zumindest einen
Sigma-Delta-Modulator 1 entsprechend
den 1 und 2, einen Filter 2,
einen Regler 3 und eine Signalverarbeitungseinheit 4.
Der Sigma-Delta-Modulator 1 dient zum Anregen des mikromechanischen
Resonators des Sensorelementes 50 mit einer Primärschwingung.
Zum Ausregeln einer Sekundärschwingung
des mikromechanischen Resonators können ein weiterer Sigma-Delta-Modulator (1'), ein weiterer
Filter (2')
und ein weiterer Regler (3') vorgesehen
sein.
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Der
Sigma-Delta-Modulator 1 versorgt die Elektroden des mikromechanischen
Resonators mit seinem (analog-gewandelten) Ausgangssignal SOUT zur Anregung der Primärschwingung und stellt auch das
Positionssignal SOUT zur Verfügung, das
die aktuelle Auslenkung der Primärschwingung
des mikromechanischen Resonators repräsentiert. Dieses Positionssignal
kann durch einen Filter 2 gefiltert werden. Das gefilterte
Signal ist dem Regler 3 zugeführt. Der Filter 2 ist
optional, dessen Funktionalität
könnte auch
im Regler 3 implementiert sein.
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Der
Regler 3 erzeugt – abhängig von
einem Sollwert – das
Eingangssignal Sin für den Sigma-Delta-Modulator.
Die gleiche Kette aus Sigma-Delta-Modulator 1', Filter 2' und Regler 3' kann für die Sekundärschwingung
noch einmal vorgesehen sein, die Funktionalität ist jedoch exakt die gleiche.
Lediglich die Sollwertvorgabe für
den Regler 3' ist
eine andere, da die Sekundärschwingung – im Gegensatz
zur Primärschwingung
auf – Null
geregelt werden soll. Mit den Reglern 3 und 3' ist eine Signalverarbeitungseinheit 4 verbunden,
welche aus den Informationen, die den Reglern zur Verfügung stehen
(tatsächliche
Auslenkung der Primärschwingung
und der Sekundärschwingung,
die aktuellen Stellgrößen der
Regler zur Beeinflussung der Primär- und der Sekundärschwingung,
sowie die Sollwerte), die aktuelle Drehrate des gyroskopischen Sensorelementes 50 bestimmen kann.
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Der
Großteil
des Sigma-Delta-Modulators 1 und 1' (siehe oben), die Filter 2, 2', die Regler 3, 3', sowie die
Signalverarbeitungseinheit 4 können in Digitaltechnik implementiert
sein. Bei der Verwendung einer geeigneten Fertigungstechnologie
für mikro-elektromechanische
Systeme (MEMS) kann der gesamte Sensor inklusive der zu dessen Betrieb
notwendigen Elektronik in einem einzigen Chip integriert sein.