DE102011081290A1

DE102011081290A1 - Method for processing / evaluating useful signals in sensors and associated sensor

Info

Publication number: DE102011081290A1
Application number: DE201110081290
Authority: DE
Inventors: Jochen Beuss; Stefan Lichterfeld; Christian Östreich; Sven Schröder
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-02-21
Also published as: WO2013026793A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verarbeitung/Auswertung von Nutzsignalen in Sensoren beschrieben. Ein von einem Sensorelement des Sensors erzeugtes Nutzsignal wird einem Signalverarbeitungs/auswertebereich des Sensors zugeführt und dort verarbeitet/ausgewertet. Die im Sensor eingesetzten sensorinternen Arbeitsfrequenzen werden einer Frequenzmodulation durch Frequenzspreizung unterzogen, um auf diese Weise die Störanfälligkeit des Sensors zu reduzieren. Ferner wird ein Sensor mit einem Sensorelement und einem Signalverarbeitungs/auswertebereich erörtert, der einen Frequenzmodulator für die Signalverarbeitungskette besitzt, welcher eine Frequenzspreizung der sensorinternen Arbeitsfrequenzen durchführt.A method for processing / evaluating useful signals in sensors is described. A useful signal generated by a sensor element of the sensor is fed to a signal processing / evaluation area of the sensor where it is processed / evaluated. The sensor internal operating frequencies used in the sensor are subjected to a frequency modulation by frequency spreading, in order to reduce the susceptibility of the sensor. Furthermore, a sensor having a sensor element and a signal processing / evaluation area is discussed, which has a frequency modulator for the signal processing chain, which performs a frequency spread of the sensor internal operating frequencies.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung/Auswertung von Nutzsignalen in Sensoren, bei denen ein von einem Sensorelement des Sensors erzeugtes Nutzsignal einem Signalverarbeitungs/auswertebereich des Sensors zugeführt und dort verarbeitet/ausgewertet wird.The present invention relates to a method for processing / evaluating useful signals in sensors, in which a useful signal generated by a sensor element of the sensor is fed to a signal processing / evaluation region of the sensor and processed / evaluated there.

Bei der Entwicklung der verschiedenartigsten Sensoren, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren, wurde festgestellt, dass sich derartige Sensoren bei den sensorinternen Arbeitsfrequenzen leicht stören lassen. Die Störempfindlichkeit der Sensoren tritt hier typisch in sehr schmalen Frequenzbereichen auf und wird insbesondere durch einen Aliasing-Effekt hervorgerufen. Bei Störfrequenzen nahe dem Vielfachen der Takt- oder Abtastfrequenzen kann es so zu Schwebungen oder zu konstanten Signalabweichungen kommen.In the development of a wide variety of sensors, especially in the automotive sector, such as acceleration sensors, it has been found that such sensors can easily be disrupted at the sensor internal operating frequencies. The susceptibility of the sensors typically occurs here in very narrow frequency ranges and is caused in particular by an aliasing effect. With disturbing frequencies close to the multiple of the clock or sampling frequencies, beats or constant signal deviations may occur.

Eine Störung eines Sensors kann beispielsweise durch folgende Einflüsse erfolgen: Störfrequenzen auf der Spannungsversorgung, elektromagnetische Störfeldeinstrahlung, mechanische Schwingungen. Zur Verbesserung der Störfestigkeit hat man beispielsweise eine Filterung der Versorgungsleitung, eine HF-Schirmung der Sensoren oder eine mechanische Entkopplung der Sensoren durchgeführt.A disturbance of a sensor, for example, by the following influences: interference frequencies on the power supply, electromagnetic interference field radiation, mechanical vibrations. To improve immunity to interference, for example, a filtering of the supply line, an RF shielding of the sensors or a mechanical decoupling of the sensors has been carried out.

Insbesondere ergibt sich bei speziellen Messverstärkeranordnungen, die in den Signalverarbeitungs/auswertebereichen von Sensoren Verwendung finden, durch die üblicherweise sehr kurzen Sampling-Intervalle ein zugehöriges Linienspektrum, auf dessen vielfachen Einzelfrequenzen unerwünschte Aliasing-Mischprodukte entstehen. Je kürzer das Tastintervall, desto höher ist die Ordnung der Harmonischen, die signifikant auftreten.In particular, in the case of special measuring amplifier arrangements which are used in the signal processing / evaluation ranges of sensors, the usually very short sampling intervals result in an associated line spectrum on whose multiple individual frequencies undesired aliasing mixed products are formed. The shorter the sampling interval, the higher the order of harmonics that occur significantly.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich die Störempfindlichkeit von Sensoren auf besonders signifikante Weise reduzieren lässt.The present invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with which the susceptibility of sensors can be reduced in a particularly significant manner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass wenigstens eine der im Sensor eingesetzten sensorinternen Arbeitsfrequenzen einer Frequenzmodulation durch Frequenzspreizung unterzogen wird.This object is achieved in a method of the specified type in that at least one of the sensor internal operating frequencies used in the sensor is subjected to a frequency modulation by frequency spreading.

Die Problematik hinsichtlich der Störfestigkeit des Sensors wurde bereits vorstehend erörtert. Beispielsweise kann sich die durch den Aliasing-Effekt entstehende Schwebung mit dem Nutzsignal mischen und innerhalb der schmalen Auswertebandbreite zu den erwähnten Signalabweichungen führen. Erfindungsgemäß wird nunmehr die sensorinterne Arbeitsfrequenz, beispielsweise die Taktfrequenz, so moduliert, dass eine Frequenzspreizung stattfindet, so dass die Vielfachen der Frequenz ein Frequenzband überstreichen, das deutlich größer als die Auswertebandbreite werden kann. Das Linienspektrum wird daher aufgeweitet. Es tritt nunmehr keine ausgeprägte konstante Überlagerung mit Signalabweichung auf. Insgesamt wird daher der Sensor unempfindlicher gegen interne Mischprodukte durch eingekoppelte, schmalbandige HF-Störungen.The problem with respect to the immunity of the sensor has already been discussed above. For example, the beating resulting from the aliasing effect can mix with the useful signal and lead to the mentioned signal deviations within the narrow evaluation bandwidth. According to the invention, the sensor-internal operating frequency, for example the clock frequency, is modulated in such a way that a frequency spread takes place so that the multiples of the frequency sweep over a frequency band which can be significantly larger than the evaluation bandwidth. The line spectrum is therefore widened. There is now no pronounced constant superposition with signal deviation. Overall, therefore, the sensor is less sensitive to internal mixing products by coupled, narrow-band RF interference.

Erfindungsgemäß wird somit eine Frequenzmodulation mit entsprechender Frequenzspreizung innerhalb der Signalverarbeitungskette eines Sensors durchgeführt, um dessen Störfestigkeit ohne externe Maßnahmen zu erhöhen. Diese auf der Spreizspektrum-Methode basierende Vorgehensweise erleichtert die Grenzwerteinhaltung sowohl bei der Störfestigkeit als auch bei der Störaussendung.According to the invention, a frequency modulation with a corresponding frequency spread is thus carried out within the signal processing chain of a sensor in order to increase its interference immunity without external measures. This procedure, which is based on the spread spectrum method, makes it easier to comply with limit values, both in terms of noise immunity and interference emission.

Erfindungsgemäß kann daher mit geringem Schaltungsaufwand die Störfestigkeit von Sensoren, beispielsweise in Bezug auf EMV und mechanische Vibrationen, erhöht werden. Dies ist insbesondere für Sensoren in Kraftfahrzeugen von Bedeutung, da diese besonders starken Störeinflüssen ausgesetzt sind, beispielsweise Hochfrequenzeinstrahlungen, Vibrationen durch Ventilansteuerung, einzuhaltende Restwechselspannungen (beispielsweise Lichtmaschine) etc. Demgegenüber sind bekannte Sensoren sehr empfindlich gegen schmalbandige Hochfrequenzstörungen und können in bestimmten Anwendungsbereichen nicht zum Einsatz kommen.According to the invention, therefore, the immunity of sensors, for example with respect to EMC and mechanical vibrations, can be increased with little circuit complexity. This is particularly important for sensors in motor vehicles, as they are exposed to particularly strong interference, such as high-frequency radiation, vibration by valve control, to be maintained residual AC voltages (eg alternator), etc. In contrast, known sensors are very sensitive to narrow-band radio frequency interference and can not be used in certain applications come.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise nicht mit einer konstanten Arbeitsfrequenz, sondern einer sich ständig verändernden Arbeitsfrequenz innerhalb eines Sweep-Bereiches operiert.According to the invention, it is preferable not to operate with a constant operating frequency, but rather an ever-changing operating frequency within a sweep range.

Der hier verwendete Begriff „sensorinterne Arbeitsfrequenz“ ist vorzugsweise breit auszulegen und betrifft sämtliche Arbeitsfrequenzen des Sensors, insbesondere Systemfrequenzen, Ansteuerfrequenzen, Auswertefrequenzen und sonstige Arbeitsfrequenzen. Insbesondere werden erfindungsgemäß Abtastfrequenzen, Ansteuerfrequenzen, Frequenzen der analogen Signalkonditionierung, Frequenzen der A/D-Konverter-Samplingstufe moduliert. Dabei kommt das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Modulation in der Systemtaktfrequenz und zur Beeinflussung der Ansteuerung oder Auswertung einer analogen/digitalen Signalverarbeitung zum Einsatz. Externe Isolationsmaßnahmen können vermieden werden, und die Störempfindlichkeit kann insgesamt reduziert werden. Es ist zweckmäßig, dass sämtliche der im Sensor eingesetzten sensorinternen Arbeitsfrequenzen einer Frequenzmodulation durch Frequenzspreizung unterzogen werden.The term "internal sensor operating frequency" used here is preferably to be interpreted broadly and relates to all operating frequencies of the sensor, in particular system frequencies, control frequencies, evaluation frequencies and other operating frequencies. In particular, according to the invention, sampling frequencies, drive frequencies, frequencies of the analog signal conditioning, frequencies of the A / D converter sampling stage are modulated. In this case, the method according to the invention is used in particular for modulation in the system clock frequency and for influencing the triggering or evaluation of an analog / digital signal processing. External isolation measures can be avoided, and the susceptibility to interference can be reduced overall. It is expedient that all of the sensor internal operating frequencies used in the sensor are subjected to frequency modulation by frequency spreading.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Sensor mit einem Sensorelement und einem Signalverarbeitungs/auswertebereich, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen Frequenzmodulator für die Signalverarbeitungskette besitzt, der eine Frequenzspreizung der sensorinternen Arbeitsfrequenzen durchführt. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann es sich hierbei bei der sensorinternen Arbeitsfrequenz um eine Systemfrequenz, Ansteuerfrequenz, Abtastfrequenz, Frequenz der analogen Signalkonditionierung, Frequenz der A/D-Konverter-Samplingstufe etc. handeln.The present invention further relates to a sensor having a sensor element and a signal processing / evaluation area, which is characterized in that it has a frequency modulator for the signal processing chain, which performs a frequency spread of the sensor internal operating frequencies. As already mentioned above, the sensor-internal operating frequency may be a system frequency, drive frequency, sampling frequency, frequency of the analog signal conditioning, frequency of the A / D converter sampling stage, etc.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Sensors.The invention will be explained below with reference to an embodiment in conjunction with the drawings in detail. The single figure shows a block diagram of a sensor.

Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Beschleunigungssensor eines Kraftfahrzeuges handeln, wobei konstruktionsmäßige Einzelheiten eines derartigen Sensors hier nicht gezeigt sind und für die Erfindung keine Rolle spielen. Auch das eigentliche Sensorelement ist nicht dargestellt. Vielmehr ist der Signalverarbeitungs/auswertebereich des Sensors im Blockschaltbild gezeigt.The sensor may, for example, be an acceleration sensor of a motor vehicle, construction details of such a sensor not being shown here and not playing any role for the invention. Also, the actual sensor element is not shown. Rather, the signal processing / evaluation range of the sensor is shown in the block diagram.

Eine Einheit 1 stellt die Taktfrequenz für die Signalverarbeitung/auswertung des Sensors zur Verfügung, wobei dieser Einheit 1 ein erster Frequenzmodulator 2 zugeordnet ist, welcher eine Frequenzspreizung durchführt. Mit 4 ist der Analogteil des Sensors bezeichnet, wobei Sensor und Verstärker mit 3 gekennzeichnet sind. Die entsprechend modulierte Taktfrequenz findet für die Signalverarbeitung in der Analog-Stufe 4 Verwendung. Das verstärkte Nutzsignal gelangt über einen Tiefpassfilter 5 zu einer A/D-Konverter-Samplingstufe 7 und wird digitalisiert. Eine entsprechende Digital-Stufe mit einem Tiefpassfilter 10 ist bei 6 dargestellt.One unity 1 provides the clock frequency for the signal processing / evaluation of the sensor, this unit 1 a first frequency modulator 2 is assigned, which performs a frequency spread. With 4 is the analog part of the sensor labeled, with sensor and amplifier with 3 Marked are. The correspondingly modulated clock frequency takes place for the signal processing in the analog stage 4 Use. The amplified useful signal passes through a low-pass filter 5 to an A / D converter sampling stage 7 and is digitized. A corresponding digital stage with a low-pass filter 10 is at 6 shown.

Zum Modulieren der Frequenz der A/D-Konverter-Samplingstufe 7 findet ein weiterer Frequenzmodulator 8 Verwendung, der mit dem Modulator 2 abgestimmt ist und mit einem Modulationssignal 9 beaufschlagt wird, um die Sample-Frequenz zu spreizen.To modulate the frequency of the A / D converter sampling stage 7 finds another frequency modulator 8th Use with the modulator 2 is tuned and with a modulation signal 9 is applied to spread the sample frequency.

Claims

Method for processing / evaluating useful signals in sensors, in which a useful signal generated by a sensor element of the sensor is fed to a signal processing / evaluation area of the sensor and processed / evaluated there, characterized in that at least one of the internal sensor operating frequencies used in the sensor frequency modulation by frequency spreading be subjected.

A method according to claim 1, characterized in that it is not operated with a constant operating frequency, but a constantly changing working frequency within a sweep range.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the sampling frequency is modulated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the control of the sensor element is modulated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the analog signal conditioning is modulated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the A / D converter sampling stage is modulated.

Sensor having a sensor element and a signal processing / evaluation, characterized in that it has a frequency modulator for the signal processing chain, which performs a frequency spread of the sensor internal operating frequencies.

Sensor according to claim 7, characterized in that the frequency modulator is associated with an A / D converter sampling stage.

Sensor according to claim 7, characterized in that the frequency modulator modulates the clock frequency of the sensor.