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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Sensorausleseschaltung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf eine Sensorausleseeinrichtung zur Verwendung mit einem Sensor, wobei die Sensorausleseeinrichtung das tatsächliche Signal von dem Sensor voraussagt.
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Sensorbauelemente sind Legion, und sie werden dazu verwendet, die interessierenden physikalischen Eigenschaften direkt oder indirekt zu messen. Bei einem Beispiel bilden Sensoren eine Schnittstelle mit einer physikalischen Eigenschaft und erzeugen ein analoges elektrisches Signal, das fur die Auswirkungen der physikalischen Eigenschaft auf den Sensor repräsentativ ist. Sensoren können Bewegung, Winkeldrehung, Temperatur, Druck und dergleichen messen. Kraftfahrzeugsensoren können Drucksensoren, Hall-Effekt-Sensoren, GMR-Sensoren (GMR = giant magnetoresistance, gigantischer magnetoresistiver Effekt) und so weiter umfassen, die ein bandbegrenztes analoges Ausgangssignal wie z. B. eine Spannung durch eine Widerstandsbrucke oder einen induktiven Sensor erzeugen können. Diese analogen Spannungen werden zum Zweck einer Weiterverarbeitung von Informationen, die Sensoren bezüglich der physikalischen Eigenschaft liefern können, oft in digitale Signale umgewandelt.
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Eine Sensorausleseschaltung wird an den Sensor angelegt, um den Sensor auf Aufforderung selektiv zu lesen und um das mit dem Sensor erzeugte analoge Signal zur Weiterverarbeitung in eine digitale Darstellung dieses Signals umzuwandeln. Eine typische Sensorausleseschaltung kann einen Multiplexer umfassen, der einen Eingang von einer Mehrzahl von Sensoren empfängt und einen ausgewählten Eingang an einen Analog/Digital-Wandler liefert. Beispielsweise sind mehrere Sensoren mit einem Multiplexer verbunden, wobei jeder Sensor einen eigenen, mit dem Multiplexer gekoppelten Signalkanal aufweist. Der Multiplexer wählt einen Signalkanal aus, um das entsprechende analoge Signal an den Analog/Digital-Wandler weiterzuleiten. Der Analog/Digital-Wandler empfängt das ausgewählte analoge Signal von dem Multiplexer und liefert einen Ausgang, der eine digitale Darstellung dieses Signals ist. Um diese Konfiguration zu implementieren, so einfach dies auch erscheinen mag, ist eine starke Berücksichtigung der Auswirkungen der beteiligten Schaltungsanordnung notwendig, so dass Zwischenschaltungen zwischen dem Multiplexer und dem Analog/Digital-Wandler eingesetzt werden.
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Bei typischen Sensorausleseschaltungen umfassen Sensoren als Signalquelle üblicherweise eine hohe Impedanz und sind sehr empfindlich in Bezug auf Lastströme. Ein Multiplexieren mehrerer Sensoren zu einem Analog/Digital-Wandler kann dazu führen, dass Sensoren durch derartige Lastströme beeinflusst werden. Ingenieure haben das Problem von Lastströmen gelöst, indem sie Vorverstärker verwenden, um die Sensoren von der Schaltung zu entkoppeln und um den analogen Eingang zu den Analog/Digital-Wandlern zu treiben. Analog/Digital-Wandler nehmen bereits relativ viel Fläche auf dem Halbleiter ein und erfordern für ihren Betrieb ein beträchtliches Maß an Leistung. Ungünstigerweise benötigen diese Vorverstärkerentkopplungsschaltungen oft ebenfalls dieselbe oder eine größere Leistung und Fläche. Der benötigte Eingangsstrom in den Analog/Digital-Wandler ist einfach zu hoch, um ein direktes Multiplexieren zwischen dem Analog/Digital-Wandler und dem Sensor zu ermöglichen. Somit sind bei den typischen Sensorausleseschaltungen Verbesserungen in Bezug auf die Größe und den Leistungsverbrauch begrenzt.
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Ansätze zur Vorhersage von Sensorausgangssignalen werden z. B. in der
US 2007/0 086 014 A1 , der
US 2003/0 035 499 A1 , der
US 2007/0 118 286 A1 , der
US 2006/0 165 139 A1 , der
US 2004/0 199 230 A1 , der
US 2003/0 065 409 A1 , und der
US 6 484 133 B1 beschrieben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, prädiktive Sensorausleseeinrichtungen, Verfahren sowie einen prädiktiven Winkelsensor mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die beiliegenden Zeichnungen sind enthalten, um ein besseres Verständnis von Ausführungsbeispielen zu vermitteln, und sie sind in die vorliegende Spezifikation integriert und stellen einen Bestandteil derselben dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien von Ausführungsbeispielen zu erläutern. Andere Ausführungsbeispiele und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsbeispielen werden mit zunehmendem Verständnis durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung ohne weiteres ersichtlich. Die Elemente der Zeichnungen sind in Bezug auf einander nicht unbedingt maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Halbleiterbauelements, das eine prädiktive Sensorausleseeinrichtung der vorliegenden Offenbarung aufweist;
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2 eine ausführlichere schematische Ansicht des Merkmals der prädiktiven Sensorausleseeinrichtung in dem Halbleiterbauelement der 1;
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3 eine schematische Ansicht eines Beispiels des Bauelements der 2;
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4 eine schematische Ansicht eines beispielhaften nichtrekursiven Filters (FIR-Filters, FIR = finite impulse response, begrenztes Ansprechen auf einen Impuls), das ein Beispiel eines Merkmals des Bauelements der 2 ist;
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5 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Sukzessive-Approximation-Register-Analog/Digital-Wandlers, der ein Beispiel eines Merkmals des Bauelements der 2 ist;
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6 eine schematische Ansicht einer Implementierung des Bauelements der 2; und
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7 eine schematische Ansicht einer weiteren Implementierung des Bauelements der 2.
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Die vorliegende Offenbarung sieht eine Sensorausleseeinrichtung vor, die bei einem Beispiel den den Sensoren entzogenen benötigten Eingangsstrom beträchtlich verringern kann. Dies kann ein direktes Multiplexieren zwischen dem Analog/Digital-Wandler und mehreren Sensoren ermöglichen. Somit können gegenuber typischen Sensorausleseschaltungen Flächen- und Leistungsverbrauchsverbesserungen der Sensorausleseeinrichtungen verwirklicht werden.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Bestandteil derselben bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, bei denen die Erfindung praktiziert werden kann, Bezug genommen. Diesbezüglich wird eine richtungsangebende Terminologie, z. B. „obere(r, s)”, „untere(r, s)”, „seitliche(r, s)”, usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der jeweils beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen positioniert sein können, wird die richtungsangebende Terminologie zu Veranschaulichungszwecken verwendet und stellt keinesfalls eine Einschränkung dar. Man muss verstehen, dass auch andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und dass strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Somit ist die folgende ausführliche Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Patentansprüche definiert.
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Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen exemplarischen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, wenn nicht konkret etwas anderes angegeben ist.
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Bauelemente, die eine prädiktive Sensorausleseeinrichtung aufweisen. Die Offenbarung, einschließlich der Figuren, beschreibt die Halbleiterbauelemente und ihre Arbeitsweise unter Bezugnahme auf mehrere veranschaulichende Beispiele. Jedoch konnte die vorliegende Erfindung auch bei anderen Bauelementen oder mit anderen Arbeitsweisen implementiert werden. Ferner kann die Arbeitsweise mit anderen Merkmalen oder in einer anderen Reihenfolge als der beschriebenen Arbeitsweise implementiert werden. Die vorliegende Erfindung ist lediglich zu Veranschaulichungszwecken unter Bezugnahme auf die in den Figuren veranschaulichten Beispiele beschrieben. Andere Beispiele werden in Betracht gezogen und werden hiernach erwähnt oder sind auf andere Weise für Fachleute vorstellbar. Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht auf die wenigen Beispiele, d. h. die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung, beschränkt. Vielmehr ist der Schutzumfang der Erfindung durch Bezugnahme auf die angehängten Patentansprüche definiert. An den Beispielen können Änderungen vorgenommen werden, einschließlich alternativer, nicht offenbarter Entwürfe, ohne dadurch den Schutzumfang der Patentansprüche zu verlassen.
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1 veranschaulicht eine allgemeine Übersicht über eine Umgebung eines Beispiels der vorliegenden Offenbarung. 1 veranschaulicht ein System 20, das einen oder mehrere Sensoren 22, eine Ausleseeinrichtung 24 und einen Prozessor 26 umfasst. Der Sensor 22 ist in der Lage, externe physikalische Eigenschaften wie Druck oder Magnetfelder zu messen, beispielsweise einer von vielen Kraftfahrzeugdrucksensoren oder Hall-Effekt-Sensoren. Die Ausleseeinrichtung 24 ist mit einer oder einer Mehrzahl von gleichen oder unterschiedlichen Sensorzellen gekoppelt, wobei die Ausleseeinrichtung in der Lage ist, die durch die Sensoren bereitgestellten Signale zu lesen, ohne die Sensorinformationen zu verfälschen, indem sie die Sensorausgange mit Eingangsstrom in die Ausleseeinrichtungskette lädt. Die Ausleseeinrichtung empfängt die Daten in analoger Form von den Sensoren und kann das analoge Signal, z. B. einen Spannungspegel, in eine digitale Darstellung des Signals umwandeln. Der Prozessor 26 kann eine beliebige Schaltung zum sinnvollen Transformieren oder Anlegen der digitalen Sensordaten sein und muss kein Mikroprozessor oder dergleichen sein. Der Prozessor empfängt die digitalen Informationen von der Ausleseeinrichtung 24 und bereitet die Signale auf eine Verwendung vor, was auch immer die geeignete Verwendung sein mag. Beispiele der Verwendung bestehen darin, das digitale Signal an eine Ausgangsschnittstelle zu liefern, eine Anwendung auf die Daten anzuwenden, oder in einer sonstigen Verwendung.
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2 veranschaulicht ein ausführlicheres Beispiel der Ausleseschaltung 24. Die Schaltung 24 umfasst Signalkanäle, wobei Sensoreingänge einem Multiplexer 28 bereitgestellt werden, der einen Kanal auswählt und den entsprechenden Eingang einem Analog/Digital-Wandler (ADC – analog-to-digital converter) 30 bereitstellt. Der ADC 30 wandelt das analoge Signal von dem Multiplexer 28 in ein digitales Signal um, das an eine Prädiktorschaltung 32 geliefert wird. Die Prädiktorschaltung 32 bestimmt eine Annäherung des nächsten Eingangs von dem Sensor und liefert die Annäherung an einen Digital/Analog-Wandler (DAC – digital-to-analog converter) 34. Der DAC 34 erzeugt einen analogen Ausgang, der dem digitalen Eingang von dem Prädiktor 32 entspricht. Der DAC 34 liefert das analoge Signal an eine Voreinstellschaltung 36, wodurch die Voreinstellschaltung 36 vorgeladen wird.
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Die Arbeitsweise der Schaltung 24 wird unter Bezugnahme zunächst auf 2 dargelegt. Die Arbeitsweise beschreibt ein Verfahren zum Liefern einer Signalquelle, beispielsweise an den Prozessor 26, mit einem System, das multiplexierte Signalkanäle aufweist, beispielsweise von einer Mehrzahl von Sensoren 22. Der Multiplexer kann weggelassen werden, wenn nur ein Sensor verwendet wird. Ein Signalkanal wird mit dem Multiplexer 28 ausgewählt und an den ADC 30 geliefert. Der ADC 30 weist zuvor abgetastete Signale von dem ausgewählten Sensor auf, der eine Mehrzahl von als Signalhistorie gespeicherten, zuvor digitalisierten Abtastwerten umfasst. Die Signalhistorie wird dazu verwendet, das tatsächliche Signal von dem Sensor vorauszusagen. Ein oder mehrere Signale werden dazu verwendet, ein geschätztes Sensorsignal zu bestimmen, was eine Voraussage des tatsächlichen Signals ist. Das geschatzte Signal wird an den DAC 34 geliefert, der das geschatzte Signal anschließend von einer digitalen Form in eine geschatzte Spannungsmenge umwandelt, die für das geschätzte Signal reprasentativ ist. Die geschätzte Spannungsmenge wird dazu verwendet, die Voreinstellschaltung 36 vorzuladen, um die benotigte Zeit und sonstige beteiligte Schaltungsanordnungen zu reduzieren, wenn das tatsächliche Signal ausgelesen wird. Der ADC 30 liefert ein digitales Signal, das für das tatsächliche Signal repräsentativ ist, als Ausgang 38.
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Bei einem Beispiel umfasst die Voreinstellschaltung 36 einen Kondensator, der auf eine geschätzte Spannungsmenge vorgeladen ist, so dass, wenn das tatsächliche Signal ausgelesen wird, die an der Kapazität benötigte Spannung lediglich die Differenz zwischen der geschätzten Spannungsmenge und der tatsächlichen Eingangsspannung ist. Diese Spannungsdifferenz ist relativ geringer im Vergleich zu einem Anlegen der tatsachlichen Spannung in der ersten Instanz an den Kondensator, der auf eine Spannung entladen oder geladen wird, die den nächsten Abtastwerte nicht voraussagt.
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3 veranschaulicht ein einfaches Beispiel der Ausleseschaltung 24, auf die in 1 Bezug genommen wird. Zusätzlich zu den in 2 beschriebenen Elementen umfasst 3 drei Schalter 40, 42, 44, und der Prädiktor 32 umfasst eine Prädiktionsmaschine 46 und eine Reihe von Registern 48. Die Voreinstellschaltung 36 wird durch einen Kondensator dargestellt, der mit einer Basisspannung wie z. B. Masse gekoppelt ist, und der Kondensator kann mit den Schaltern 40, 42, 44 von der gesamten oder von Teilen der Ausleseschaltung 24 isoliert werden. Der Schalter 40 koppelt den Multiplexer 28 mit dem Kondensator 36. Der Schalter 42 koppelt den Kondensator mit dem ADC 30. Der Schalter 44 koppelt den Kondensator mit dem DAC 34.
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Beim Betrieb dieses Beispiels wahlt der Multiplexer 28 einen von mehreren verschiedenen Sensorkanälen aus. Der Registerblock 48 enthält für jeden Eingangskanal einen Satz von Registern. Gleichzeitig wahlt der Pradiktor 32 den Satz von Registern in dem Prädiktor 32 aus, der dem ausgewählten Eingangskanal entspricht. Die Anzahl von Registern pro Kanal entspricht der Reihenfolge des Prädiktors. Die Register des ausgewählten Satzes werden mit den zuvor digitalisierten Abtastwerten dieses Kanals gefüllt. Die Prädiktionsmaschine 46 berechnet den Prädiktionswert für den zu nehmenden Abtastwert. Der vorausgesagte Wert wird durch den DAC 34 in ein analoges Signal umgewandelt, und der Kondensator 36 wird mittels des Schalters 44 auf den vorausgesagten Wert geladen. Alle anderen Schalter sind geöffnet. Nachdem der Schalter 44 geöffnet wird, wird der Schalter 40 geschlossen, und der Abtastkondensator wird mit dem Eingangsmultiplexer verbunden. Der Kondensator wird nun als Vorbereitung auf den Eingang vorgeladen. Die Ladungsmenge, die von dem Sensor benötigt wird, um die Spannung an dem Kondensator 36 zu verändern, hängt von der Genauigkeit der Voraussage ab. Bei einer guten Voraussage ist die Ladungsdifferenz sehr gering und kann ohne beträchtlichen Spannungsabfall und innerhalb einer kurzen Abtastzeit sogar durch einen Sensor mit einer sehr hohen Impedanz geliefert werden.
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Während des Vorabtastens sind alle anderen Schalter geoffnet. Nachdem der Schalter 40 wieder geoffnet wird, wird der Schalter 42 geschlossen, und der abgetastete Eingangswert, der an dem Kondensator gespeichert ist, wird in den digitalen Ausgangswert umgewandelt. Das Umwandlungsergebnis wird in dem ausgewählten Satz von Registern in dem Pradiktor für diesen Kanal als jüngster Abtastwert gespeichert, und der alteste Abtastwert fällt an dem anderen Ende der Registerkette heraus. Nun bleiben die Register unverändert, bis der Kanal das nächste Mal ausgewählt wird. Wenn andere Kanäle ausgewählt werden, erfolgt dieselbe Prozedur auf dieselbe Weise, jedoch mit einem anderen Eingang von dem Multiplexer und einem anderen Satz von Registern fur die Voraussage. Bei diesem Beispiel ist die Umwandlungssequenz aller Kanäle schnell genug, so dass jeder Kanal überabgetastet wird. Der Prädiktor erzeugt den vorausgesagten Eingang als digitales Signal, das anschließend durch den DAC als geschatzte Spannungsmenge umgewandelt wird. Der Schalter 44 ist geschlossen, wenn der DAC die geschätzte Spannungsmenge bereitstellt, um den Kondensator vorzuladen.
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Bei einer ausreichenden Überabtastrate beträgt die Eingangsspannungsdifferenz zwischen der Ausleseschaltung 24 und einer Sensorausleseeinrichtung des Standes der Technik bei einem Ausführungsbeispiel einen Faktor von einhundert oder mehr. Desgleichen wird der benötigte Ladestrom von dem Multiplexer 28 an den ADC 30 um denselben Faktor verringert, und das tatsächliche Signal von dem ausgewählten Sensor lädt die Spannungsdifferenz zwischen der geschätzten Spannungsmenge, mit der der Kondensator 36 vorgeladen ist, und der tatsächlichen Spannungsmenge in dem tatsächlichen Signal des Sensors. Bei einem ausreichend niedrigen Strom zwischen dem Multiplexer und dem Abtastkondensator kann das prädiktive Auslesesystem sogar dann in einer schnellen Sequenz multiplexiert werden, wenn die die Signale liefernden Quellen eine hohe Impedanz aufweisen, da der Großteil der Ladung, die benötigt wird, um den Kondensator auf den Spannungspegel eines anderen Kanals zu bringen, durch den internen DAC geliefert wird.
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4 veranschaulicht ein Beispiel einer Prädiktionsmaschine 46, die als nichtrekursives Filter (FIR-Filter) entworfen sein kann. Ein Eingangssignal 50 wird von dem ADC 30 bereitgestellt und wird durch den Registerblock 48 geleitet, der als Serie von Einheitsverzögerungselementen wie z. B. 52, 54, 56 und 58 fungieren kann. Das Ausgangssignal jedes der Verzögerungselemente wird an die Eingänge der als 60, 62, 64 und 66 veranschaulichten Koeffizientenelemente angelegt. Eine Summierung wird an einem Summierungspunkt 68 gebildet, was zu einem Ausgang 70 fuhrt, der dann an den DAC 34 geliefert werden kann.
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Das beispielhafte FIR-Filter ist ein linearer Pradiktor. Die Transferfunktion der beispielhaften Prädiktionsmaschine 46 führt zu H(z) = 4z–1 – 6z–2 + 4z–3 – z–4.
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Gemäß dieser Funktion liefert das Koeffizientenelement 60 das aus dem Verzögerungselement 52 ausgegebene Signal mit einem Multiplikator (4); das Koeffizientenelement 62 liefert das aus dem Verzögerungselement 54 ausgegebene Signal mit einem Multiplikator (–6); das Koeffizientenelement 64 liefert das aus dem Verzögerungselement 56 ausgegebene Signal mit einem Multiplikator (4); und das Koeffizientenelement 66 liefert das aus dem Verzögerungselement 58 ausgegebene Signal mit einem Multiplikator (–1). Die Anzahl von Koeffizientenelementen und Verzögerungseinheiten sowie der Multiplikator der Koeffizientenelemente können je nach der Transferfunktion, die verwendet wird, wenn der Prädiktor ein FIR-Filter ist, verändert werden.
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Die Transferfunktion kann auf die Genauigkeit des Pradiktors bezogen sein. Der einfachste Prädiktor, bzw. ein Prädiktor nullter Ordnung, verwendet lediglich den letzten Abtastwert als Schätzung für das tatsächliche Signal und weist eine Transferfunktion von z–1 auf. Falls das Signal mit einem OSR-Faktor (OSR = oversampling rate, Überabtastrate) stark überabgetastet wird und der ADC 30 trotzdem noch in der Lage ist, Signale derart schnell abzutasten, so betragt die maximale Differenz des tatsächlichen Signals und des vorherigen der Quantisierungsbereich geteilt durch die OSR. Die Pradiktoren einer höheren Ordnung können die geschätzten Werte verbessern, indem sie Ableitungen der vorherigen Abtastwerte umfassen. Die Signalhistorie kann die vorherigen Abtastwerte umfassen, so dass bei diesem Beispiel Prädiktoren einer höheren Ordnung verwendet werden können.
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5 veranschaulicht ein Abtastnetzwerk eines Vier-Bit-Sukzessive-Approximation-Register-Analog/Digital-Wandlers (SAR ADC – successive approximation register analog to digital converter), das ein Beispiel des Ruckkopplungspfades ist. Die Figur veranschaulicht und beschreibt der Einfachheit halber den „positiven” Pfad eines Differenznetzwerks. Der negative Pfad ist vollständig symmetrisch und wird Fachleuten einleuchten. Ein standardmäßiger SAR-Wandler 86 tastet eine Eingangsspannung (Vn) 88 mit Bezugnahme auf eine virtuelle Massespannung bzw. ein virtuelles Massepotential eines Komparators 90 ab, wobei Rückkopplungsschalter 99 und Abtastschalter 92 geschlossen sind. Danach werden die Abtastschalter 92 und die Rückkopplungsschalter 99 geöffnet, und die in der Voreinstellschaltung 94, beispielsweise einem Kondensatornetzwerk, gespeicherte kumulative Ladung wird nicht mehr geändert.
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Die Umwandlung des analogen Signals in ein digitales wird bewerkstelligt, indem die Schalter mit
, z. B. dem Schalter
96, verbunden werden und indem die Bits
88 nacheinander getestet werden, um zu bestimmen, welche(s) Bit(s) auf
geschaltet werden muss bzw. müssen, beispielsweise mit dem Schalter
98, um das Vorzeichen der Komparatoreingangsspannung umzukehren. Die Umwandlung beginnt mit dem höchstwertigen Bit. Dies wird für jedes Bit von dem höchstwertigen Bit bis zu dem niedrigstwertigen Bit wiederholt. Die Einstellungen der Auswahlschalter, z. B.
96 und
98, stellen das Umwandlungsergebnis dar. Beispielsweise stellt ein Auswahlschalter, der
für ein Bit angibt, ein digitales Signal von eins für dieses Bit dar. Ein Auswahlschalter, der
für ein Bit angibt, stellt ein digitales Signal von null für dieses Bit dar.
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Bei einem Beispiel wird das vorausgesagte tatsächliche Signal für eine zusätzliche Vorladephase an die Auswahlschalter angelegt. Während des Vorladens sind die Rückkopplungsschalter
99 an dem Komparator
90 geschlossen, und die Kondensatoren werden auf
Qvorausgesagt = (vorausgesagt)·C·Vref – (16-vorausgesagt)·C·Vref geladen, wobei Q Ladung ist, vorausgesagt der vorausgesagte Wert für das tatsächliche Signal ist, V
ref die Differenz
–
ist und C der Einheitskondensator ist.
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Nach der Vorladephase wird das Kondensatornetzwerk 94 zum Abtasten mit dem tatsächlichen Eingang verbunden, was auf dieselbe Weise erfolgt wie bei dem standardmäßigen SAR-Wandler. Der Unterschied besteht darin, dass die kumulative Ladung an dem Abtastkondensatornetzwerk auf Grund der Vorladephase bereits nahe bei dem endgültigen Wert liegt.
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6 veranschaulicht eine allgemeine Übersicht über eine beispielhafte Implementierung der Sensorausleseeinrichtung, die mit zumindest einem Winkelsensor verwendet wird, um eine Sensorschaltung 120 zu bilden. Ein analoges Messsignal bezüglich eines x-Werts 122 und ein analoges Messsignal bezüglich eines y-Werts 124 einer gegebenen Bahn werden von einem (nicht gezeigten) Feldsensor an einen Multiplexer 126 geliefert. Bei einem Beispiel ist die Bahn kreisförmig. Der Multiplexer wählt einen Wert aus und liefert ihn an einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 128. Bei einem beispielhaften Merkmal liefert der Multiplexer 126 abwechselnd einen x-Wert und einen y-Wert an den ADC 128.
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Der ADC 128 wandelt die Analogsignal-x- und -y-Werte 122, 124 in Digitalsignal-x- und -y-Komponenten um und liefert die x- und y-Komponenten anschließend an eine Linear/Winkel-Wandlerschaltung 130. Die Wandlerschaltung 130 empfangt die linearen Komponenten (x, y) und wandelt sie in digitale Signale mit entsprechenden Winkel- oder Kreiskomponenten (Winkel, Radius) um. Die Winkelkomponenten (a, r) werden an einen Prädiktor 132 geliefert, der den nächsten Punkt entlang der Bahn schätzt. Der Prädiktor 132 liefert vorausgesagte Winkel- und Radiuskomponenten (a', r') an einen Winkel/Linear-Wandler 134. Der Winkel/Linear-Wandler 134 empfängt die digitalen Winkel-Signalkomponenten der vorausgesagten Winkel- und Radiuskomponenten und andert sie zu digitalen Signalen mit entsprechenden vorausgesagten x- und y-Komponenten (x', y'). Die vorausgesagten x- und y-Komponenten werden an den ADC 128 geliefert, wo sie dazu verwendet werden, den von dem Multiplexer 126 gelieferten nächsten Wert vorauszuahnen. Tatsächliche Ausgänge aus der Sensorschaltung 120 können je nach dem Entwurf einer zusätzlichen Schaltungsanordnung in digitaler linearer oder Winkelform vorliegen.
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Der Linear/Winkel-Wandler 130 und der Winkel/Linear-Wandler 134 werden bei einem Beispiel statt eines direkten Voraussagens linearer Komponenten verwendet. Der Linear/Winkel-Wandler 130 empfängt die x- und y-Komponenten und wendet eine Funktion an, um entsprechende Arkustangens- und Radiuswerte als Teil der Umwandlung zu bestimmen. Desgleichen empfängt der Winkel/Linear-Wandler 134 vorausgesagte Winkel- und Radiuskomponenten und wendet eine Funktion an, um entsprechende Sinus- und Cosinus-Werte als Teil der Umwandlung zu bestimmen. Die Anwendung der Wandler 130, 134 kann die Effizienz des Prädiktors 32 verbessern. Gemessene Werte, einschließlich Sinus- und Cosinus, die bei linearen Messungen vorliegen, sind sogar dann stark nicht-linear, wenn die Winkeldrehung bei einer konstanten Geschwindigkeit erfolgt oder sich mit einer relativ langsamen Rate ändert. Diese zusatzliche Nicht-Linearität wird vermieden, wenn Winkel- und Radiusmessungen an den Pradiktor 32 geliefert werden. Für Winkelkomponenten mit identischer oder ähnlicher Genauigkeit der Voraussage kann ein einfacherer Prädiktor verwendet werden als für lineare Komponenten.
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Bei einem Beispiel kann man annehmen, dass sich der Radius eines Rotationsvektors der Bahn nicht oder nicht betrachtlich ändert, um den Prädiktor 132 weiter zu vereinfachen. Diese Annahme kann in Situationen wie beispielsweise bei Magnetfeldsensorbauelementen getroffen werden, bei denen der Radius die Feldstärke des Magneten, multipliziert mit der Sensibilität bezüglich einer Änderung, darstellt. Diese beiden andern sich lediglich mit einer Änderung der Umgebungstemperatur oder mit einem Altern und weisen somit eine relativ geringe Bandbreite auf. Falls diese Annahme bei einer bestimmten Schaltung angewendet wird, wird die Winkelkomponente und nicht der Radius an den Prädiktor geliefert. Bei diesem Beispiel kann der lineare Prädiktor einfacher gestaltet werden als wenn beide Winkelkomponenten bereitgestellt werden. Dieses Beispiel ist in 6 angegeben, bei der die radiusvorausgesagte Radiuskomponente gestrichelt dargestellt ist. Fachleute können eine Umwandlung der Radiuskomponente in den Wandlern 130, 134 belassen oder aus denselben herausnehmen und eine Radiusvoraussagemaschine in dem Prädiktor 132 belassen oder aus demselben herausnehmen.
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Bei manchen Beispielen wird der Multiplexer 126 mit analogen x- und y-Werten 122, 124 von einem einzigen Feldsensor versehen. Bei anderen Beispielen werden zwei Feldsensoren verwendet, wobei einer der Feldsensoren den x-Wert 122 liefert und der andere der Feldsensoren den y-Wert 124 liefert. Für den Fall zweier unterschiedlicher Sensoren stammen die Werte von x und y eigentlich von zwei unterschiedlich gemessenen Bahnen, wobei die Differenz bezüglich einer einzigen Messung als Versatz charakterisiert wird. Desgleichen könnten die zwei Sensoren jeweils unterschiedliche physikalische Charakteristika aufweisen und dadurch den Gewinn bei den gemessenen Werten beeinflussen. Diese Aspekte von Versatz und Gewinn können vor einer Voraussage korrigiert werden, um dazu zu führen, dass die x- und y-Komponenten dieselbe Amplitude und denselben Ursprung zu umfassen scheinen oder ansonsten von einem einzigen Sensor bereitgestellt zu sein scheinen.
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7 veranschaulicht eine Sensorschaltung 136, die eine Versatz- und Gewinnkorrektur umfasst. Die beispielhafte Schaltung 136 umfasst eine Versatz- und Gewinnkorrekturschaltung 138, die Versatz, Gewinn und andere Abweichungen von „rohen” digitalen x- und y-Komponenten korrigiert, so dass die angelegten x- und y-Komponenten von demselben Sensor zu stammen scheinen. Die Korrekturschaltung 138 kann je nach Präferenz des Entwerfers eine Korrektur auf eine Komponente oder auf beide anwenden. Bevor die vorausgesagten x- und y-Komponenten an den ADC 128 geliefert werden, werden die Komponenten an eine Inverser-Versatz- und -Gewinn-Korrekturschaltung 140 geliefert, die die Auswirkungen der Korrektur der Schaltung 138 rückgängig macht und ein vorausgesagtes digitales Signal erzeugt, das demselben Pegel entspricht wie die „rohen” digitalen x- und y-Komponenten.
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Der beispielhafte ADC 128 empfängt die vorausgesagten x- und y-Komponenten (x', y'), ob sie nun korrigiert sind oder nicht, je nach Entwurf, und wandelt die vorausgesagten Komponenten wieder in ein analoges Signal um. Das analoge Signal einer vorausgesagten Komponente wird anschließend von dem nächsten Eingang von dem Multiplexer 126 der entsprechenden Komponente subtrahiert. Die resultierende Differenz ist ein „Restfehler” bezüglich der Änderung des nächsten Eingangs von dem Multiplexer 126 und wird quantisiert. Je genauer die Voraussage, desto geringer der Rest und desto geringer der benotigte Quantisierungsbereich des ADC 128. Der digitale Ausgang des ADC 128 wird berechnet, indem die vorausgesagte Komponente zu dem quantisierten Rest hinzugefügt wird. Andere Beispiele sind bekannt oder können später entdeckt werden und sind dennoch in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung enthalten.
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Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben wurden, wird Fachleuten einleuchten, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen ersetzt werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausfuhrungsbeispiele abdecken. Deshalb ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung lediglich durch die Patentanspruche und deren Äquivalente beschränkt sei.
für ein Bit angibt, stellt ein digitales Signal von null für dieses Bit dar.
ist und C der Einheitskondensator ist.