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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Korrektur eines Sensorsignals, ein Verfahren zur Korrektur eines Sensorsignals sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Durch eine Nichtlinearität in der Kraftrückkopplung eines mikroelektronischen Sensors (MEM-Sensors) reduziert sich die Rauschperformance bei einem solchen kraftkompensierten Sensor. Nichtlinearitäten können durch verschiedene Effekte entstehen, zum Beispiel bei Verwendung von mehreren Rückkoppelelektroden oder auch bei Spannungsrückkopplung mit mehreren Spannungswerten bei einem kapazitiven Wandlerelement. Dies wird bei kapazitiven Wandlern im Allgemeinen dadurch umgangen, indem PWM-Rückkopplung (PWM = Pulsweiten-Modulation) anstatt Spannungsrückkopplung verwendet wird. Dadurch gibt es nur zwei Kraftzustände, welche natürlich immer einen linearen Zusammenhang aufweisen. Dieser Ansatz besitzt aber den Nachteil, dass bei einer benötigten hohen Quantisierung die Zeitschritte sehr klein sein müssen. Sollte zum Beispiel die Rückkoppelkraft mit 10 Bit quantisiert sein, so müsste, bei einer Abtastrate von 400 kHz, der Untertakt ca. 400 MHz betragen. Dies ist technologisch nicht sinnvoll und beschränkt die Quantisierung in der Rückkopplung bei PWM auf wenige Bit.
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In der Dissertation „Dynamische Regelung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) mit Hilfe kapazitiver Signalwandlung und Kraftrückkopplung“ von Martin Handtmann, eingereicht bei der TU München am 1.Oktober 2002 werden unterschiedliche Ansätze zur dynamischen Regelung mikroelektromechanischer Systeme vorgestellt.
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Aus der
DE 102 29 804 A1 ist eine Vorrichtung zum Linearisieren eines nicht-linearen Spannungs-Strom-Ausgangssignalverlaufs eines Sensors bekannt, wobei die Korrektur des nicht-linearen Spannungs-/Stromkennlinienverlaufs mittels Oversampling-A/D Umsetzung und nichtlinearer Rückkopplung erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Korrektur eines Sensorsignals, weiterhin ein Verfahren zur Korrektur eines Sensorsignals sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Korrektur eines Sensorsignals, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
- - eine Sensorschnittstelle, die ausgebildet ist, um ein Sensorsignal einzulesen, das eine physikalische Größe repräsentiert;
- - eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Sensorsignals ein Verarbeitungssignal zu ermitteln;
- - einer Rückkopplungseinheit, die ausgebildet ist, um ein Rückkopplungssignal an den Sensor auszugeben, wobei die Rückkopplungseinheit ferner ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignal auf der Basis einer nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift und dem Verarbeitungssignal bereitzustellen; und
- - eine Signalkorrektureinheit, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Verarbeitungssignals ein korrigiertes Signal zu ermitteln, wobei die Signalkorrektureinheit ferner ausgebildet ist, um das korrigierte Signal unter Verwendung der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift oder einer von der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift abgeleiteten Verarbeitungsvorschrift zu ermitteln.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Korrektur eines Sensorsignals, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Einlesen eines Sensorsignals von einer Schnittstelle, wobei das Sensorsignal eine physikalische Größe repräsentiert;
- - Verarbeiten des Sensorsignals durch eine Signalverarbeitungseinheit, um unter Verwendung des Sensorsignals ein Verarbeitungssignal zu ermitteln;
- - Ausgeben eines Rückkopplungssignals durch eine Rückkopplungseinheit an den Sensor, wobei die Rückkopplungseinheit ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignal auf der Basis einer nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift und dem Verarbeitungssignal bereitzustellen; und
- - Korrigieren des Verarbeitungssignals mittels einer Signalkorrektureinheit, um ein korrigiertes Signal unter Verwendung des Verarbeitungssignals zu ermitteln, wobei die Signalkorrektureinheit ausgebildet ist, um das korrigierte Signal ferner unter Verwendung der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift oder einer von der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift abgeleiteten Verarbeitungsvorschrift zu ermitteln.
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Somit schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das auf einer entsprechenden Vorrichtung zur Korrektur eines Sensorsignals ausgeführt werden kann, wobei die Vorrichtung entsprechende Einrichtungen aufweist, um die Schritte des Verfahren durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Unter einer nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift kann ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen einem zu verarbeitenden und einem verarbeiteten Signal verstanden werden. Das korrigierte Signal kann dabei als Korrektur des Sensorsignals verstanden werden. Unter einer physikalischen Größe kann beispielsweise eine Spannung, ein Strom, eine Kraft, eine Beschleunigung, eine Drehrate oder eine andere zu messende Größe verstanden werden, die von einem Sensor erfasst werden kann und wobei der Sensor einer dieser zu messenden Größen entsprechendes Sensorsignal ausgeben kann.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass nun durch die Verwendung der Korrektureinheit, welche unter Verwendung der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift oder einer von der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift abgeleiteten Verarbeitungsvorschrift das korrigierte Signal ermittelt, eine schnelle und effiziente Kompensation der Nichtlinearität möglich ist, die durch die Rückkopplung in den Regelungskreis der Rückkopplung eingefügt wurde. Auf diese Weise kann einerseits eine aufwändige Entzerrung des Signals in der Verarbeitungseinheit vermieden werden und andererseits kann vorteilhaft auf die Verwendung von hohen Frequenzen bei einer Pulsweitenmodulation verzichtet werden, wodurch eine geringere Verlustleistung und zugleich eine höhere Auflösung realisierbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Rückkopplungseinheit und/oder die Signalkorrektureinheit eine nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift oder eine von der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift abgeleiteten Verarbeitungsvorschrift verwenden, die auf einem quadratischen Zusammenhang einer Eingangsgröße mit einer Ausgangsgröße basiert. Beispielsweise kann bei einer kapazitiven Rückkopplung die nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift den quadratischen Spannungsverlauf eines Sensors entsprechend abbilden, bei dem bei Einwirkung einer physikalischen Größe das Sensorsignal durch eine Änderung seiner Kapazität bedingt ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine einfache nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift zur Verbesserung der Auflösung verwendet werden kann, welche auch in Digitaltechnik einfach zu implementieren ist.
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Günstig ist es ferner, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet ist, das Verarbeitungssignal als zeit- und/oder wertdiskretes Signal zu ermitteln. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil der Verwendung einer digital implementierten Korrektureinheit, welche durch die bereits verfügbaren Ansätze eines Filterentwurfs einfach zu konfigurieren ist.
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Besonders robust und zuverlässig arbeitet die Vorrichtung zur Korrektur des Sensorsignals dann, wenn die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet ist, das Verarbeitungssignal ferner unter Verwendung des Verarbeitungssignals selbst bereitzustellen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verarbeitung einer Information in der Verarbeitungseinheit, die möglichst direkt vor Anwendung der nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift zur Verfügung steht.
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Günstig ist es ferner, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Signalverarbeitungseinheit ein digitales Filter und einen dem digitalen Filter im Signalfluss nachgelagerten Quantisierer aufweist. Durch die Anordnung des Quantisierers nach dem digitalen Filter bietet sich eine sehr gute Möglichkeit, das Verarbeitungssignal bereitzustellen, welches der Rückkopplungseinheit zugeführt wird, in welcher die nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift ausgeführt wird.
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Besonders einfach lässt sich die Signalkorrektureinheit implementieren, wenn gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Signalkorrektureinheit als durch ein digitales Filter gebildet ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass sich auch eine nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift oder eine von der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift abgeleitete Verarbeitungsvorschrift sehr einfach und kostengünstig implementieren lässt.
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Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein Sensor vorgesehen ist, der mit der Schnittstelle und der Rückkopplungseinheit gekoppelt ist, wobei der Sensor ausgebildet ist, um das Sensorsignal unter Einwirkung der physikalischen Größe und dem Rückkopplungssignal bereitzustellen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass der Sensor und die Rückkopplungseinheit, speziell in der Rückkopplungseinheit verwendete nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift aufeinander abgestimmt werden können.
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Insbesondere dann, wenn der Sensor ausgebildet ist, um eine Bewegung eines mikromechanischen Elementes zu erfassen, insbesondere um durch eine Erfassung einer Änderung einer Kapazität das Sensorsignal bereitzustellen, lassen sich die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes vorteilhaft realisieren.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Vorrichtung;
- 2 ein Diagramm zur Darstellung eines Simulationsergebnisses der Signalqualität bei unterschiedlichen Frequenzen bei einer Ausführungsform ohne Anwendung des hier vorgestellten Ansatzes zur Korrektur des Sensorsignals;
- 3 ein Diagramm zur Darstellung eines Simulationsergebnisses der Signalqualität bei unterschiedlichen Frequenzen bei einer Ausführungsform unter Einsatz des hier vorgestellten Ansatzes zur Korrektur des Sensorsignals; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren zur Korrektur des Sensorsignals.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Vorrichtung 100 zur Korrektur eines Sensorsignals. Die Vorrichtung 100 zur Korrektur des Sensorsignals umfasst eine Schnittstelle 110 zum Einlesen des Sensorsignals x, welches von einem Sensor 120 empfangen wird. Der Sensor 120 kann beispielsweise ein Drehratensensor im Automobil- oder Konsumgüterelektronikbereich sein und ferner einen Transducer umfassen, um das Sensorsignal in einer digital verarbeitbaren Form bereitzustellen. Von der Schnittstelle 110 wird das Sensorsignals x einer Verarbeitungseinheit 130 zugeführt, wobei das Sensorsignal x zunächst einem digitalen Filter 133 der Verarbeitungseinheit 130 zugeführt wird, was dann durch das digitale Filter 133 gefilterte Sensorsignal enem Quatisierer 135 zugeführt wird, um am Ausgang des Quantisierers 135 das Verarbeitungssignal v zu erhalten. Das digitale Filter 133 dient dem Zweck der Stabilisierung des Regelkreises und der Rauschformung im interessierenden Signalband. Der Quantisierer 135 hat die Funktion das Signal des digitalen Filters 133 zu digitalisieren, d.h. zeitdiskret und wertediskret zu wandeln. Zusammen mit dem digitalen Filter wird das Quantisierungsrauschen, welches bei der Digitalisierung entsteht, im interessierenden Signalband unterdrückt und dadurch ein sehr hoher Signal-Rausch-Abstand am Ausgang des Wandlers erreicht. Das Verarbeitungssignal v wird nachfolgend einerseits wieder dem digitalen Filter 133 der Verarbeitungseinheit 130 sowie andererseits einer Rückkopplungseinheit 140 zugeführt. In der Rückkopplungseinheit 140 wird auf das Verarbeitungssignal v eine nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift angewandt, um ein Rückkopplungssignal y zu erhalten, welches über eine weitere Schnittstelle 150 an den Sensor 120 ausgegeben wird. Das Rückkopplungssignal y kann dabei beispielsweise auf der Basis eines quadratischen Zusammenhangs zwischen dem Verarbeitungssignal v als Eingangssignal der Rückkopplungseinheit 140 und dem Rückkopplungssignal y als Ausgangssignal der Rückkopplungseinheit 140 bestimmt werden. In dem Transducer des Sensors 120 wird dann das Rückkopplungssignal y verwendet, um eine Messwertaufnahme für eine physikalische Größe u (wie beispielsweise eine Beschleunigung, eine Kraft oder eine Drehrate) zu beeinflussen. Wenn der Sensor 120 beispielsweise ein mikromechanischer Sensor zur kapazitiven Erfassung einer Bewegung einer kleinen Schwingmasse ist, kann das Rückkopplungssignal dazu verwendet werden, die Schwingmasse kapazitiv, d.h. elektrostatisch vorzuspannen, um eine Resonanzfrequenz der Schwingmasse zu verändern und hierdurch eine Auflösung von bestimmten auszuwertenden Schwingungsfrequenzbereichen der Schwingmasse zu optimieren. Durch den nicht-linearen Zusammenhang, insbesondere den quadratischen Zusammenhang zwischen einer Kapazität und einer Spannung kann hierdurch ein als Spannungssignal vorliegendes Verarbeitungssignal v durch die Rückkopplungseinheit 140 in das Rückkopplungssignal y überführt werden, welches dann zur Aufladung der Kapazität des Sensors 120 verwendet wird. Das Sensorsignal x wird durch die Wirkung des Rückkopplungssignals y jedoch nicht-linear verzerrt.
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Um nun diese nicht-lineare Verzerrung des Sensorsignals x durch die Einwirkung des Rückkopplungssignals y zu kompensieren, wird nun entgegen dem Stand der Technik nicht eine besondere Auslegung des digitalen Filters 133 und/oder dem Quantisierer 135 vorgeschlagen, sondern die Verwendung einer Korrektureinheit 160, die gemäß dem in 1 dargestellten Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als digitales Filter implementiert ist. Dieser Korrektureinheit 160 wird das Verarbeitungssignal v zugeführt, welches unter Verwendung der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift oder einer von der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift abgeleiteten Verarbeitungsvorschrift in der Korrektureinheit 160 in ein korrigiertes Signal v gewandelt wird. Dabei ist zu beachten, dass die in der Korrektureinheit 160 verwendete Verarbeitungsvorschrift der in der Rückkopplungseinheit 140 verwendeten nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift oder einer von dieser nicht-linearen Vorschrift abgeleiteten Verarbeitungsvorschrift entsprechen sollte, um eine möglichst gute Entzerrung des Sensorsignals x bzw. des Verarbeitungssignals v in das korrigierte Signal v zu erreichen. Liegt beispielsweise eine nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift in der Form eines quadratischen Zusammenhangs zwischen dem Eingangssignal v der Rückkopplungseinheit 140 und dem Ausgangssignal y der Rückkopplungseinheit 140 vor, sollte auch die Verarbeitungsvorschrift der Korrektureinheit 160 in einem quadratischen Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal v der Korrektureinheit 160 und dem Ausgangssignal v der Korrektureinheit 160 oder ein inverser quadratischen Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal v der Korrektureinheit 160 und dem Ausgangssignal v der Korrektureinheit 160 als nicht-lineare Verarbeitungsvorschrift der Korrektureinheit 160 implementiert werden. Auf diese Weise kann die durch das Rückkopplungssignal y in das Sensorsignal x eingefügte Nichtlinearität sehr gut kompensiert und ein korrigiertes Signal v ermittelt werden.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn nicht nur der Rückkoppeleinheit 140 mit dem Verarbeitungssignal v beaufschlagt wird, sondern das Verarbeitungssignal v auch der Verarbeitungseinheit 130 selbst, insbesondere dem digitalen Filter 133 zugeführt wird. Auf diese Weise steht der Verarbeitungseinheit 130 nicht nur das durch die Wirkung des Rückkopplungssignals y durch das nicht-lineare verzerrte Sensorsignal x zur Verfügung, sondern auch das Verarbeitungssignal v selbst, so dass eine größere Menge an Informationen zur Kompensation der nicht-linearen Rückkopplung zur Verfügung stehen.
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1 zeigt somit ein Systemmodell unter Verwendung einer Vorrichtung zur Korrektur eines Sensorsignals, wobei das Systemmodell einen Sensor 120, ein Filter 133, eine nichtlineare Rückkopplung 140, einen Quantisierer 135 und ein digitales Korrekturfilter 160. Das Filter 133 kann Werte ausgeben, die zeitkontinuierlich, zeitdiskret und/oder wertdiskret sind. Das digitale Korrekturfilter 160 berechnet aus dem Ausgangssignal v des Quantisierers 135 das korrigierte Signal v.
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Modellhaft können der Sensor 120, die Verarbeitungseinheit 130 und die Rückkopplungseinheit 140 sowie deren Anordnung im Signalfluss als Delta-Sigma-Wandler verstanden werden. Bei einem Delta-Sigma-Wandler entspricht der Ausgang des Quantisierers v normalerweise dem Eingangssignal u = v im interessierenden Signalband. Durch eine Nichtlinearität in der Rückkopplung 140 entspricht der Ausgang des Quantisierers v nicht mehr dem Eingang f(v) = u. Da aber in der nachfolgenden Signalverarbeitung nur das Verarbeitungssignal v zur Verfügung steht, entstehen hierbei Fehler, welche entscheidend die Performance des Sensors reduzieren. Dieser Fehler kann aber digital korrigiert werden, indem eine korrigierte Größe v = f(v) bestimmt wird, so dass die korrigierte Größe wieder dem Eingangssignal u = v entspricht.
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Beispielhaft wird dies im Folgenden für einen MEM-Sensor 120 mit kapazitiver Rückkopplung detaillierter gezeigt, wobei dieser Ansatz auch auf beliebige Nichtlinearitäten und/oder zufällige Prozesse erweitert werden kann. In 1 wurde das Blockschaltbild des Gesamtsystems, bestehend aus Sensor 120, Filter 133, Quantisierer 135, nichtlinearer Rückkopplung 140 und digitalem Korrekturfilter 160 dargestellt. Dabei sind alle Variablen (die Signalen entsprechen) in skalierter Form gegeben. Die Eigenschaft einer kapazitiven Rückkopplung (die in der Rückkopplungseinheit 140 implementiert ist) ist die quadratische Abhängigkeit von der Spannung (beispielsweise des Signals v). Dies führt dazu, dass die Rückkopplung entsprechend dem Zusammenhang f(v) = v2 vorliegt, wobei als DAC-Übertragungsverhalten eine lineare Charakteristik und zwei separate Elektroden zur Realisierung des Vorzeichens (beispielsweise im Sensor 120) angenommen werden. Durch die große Schleifenverstärkung im Vorwärtspfad (des Regelungskreises bestehend aus den Einheiten Sensor 120, Filter 133, Quantisierer 135, und Rückkopplungseinheit 140) innerhalb des interessierenden Signalbandes, kann angenommen werden, dass die Rückkopplung f(v)=v2 dem Eingangssignal u = v2 entspricht. Um das eigentliche Eingangssignal u zu bestimmen, sollte daher der Ausgang v des Quantisierers 135 mit derselben nichtlinearen Übertragungsfunktion v = v2 = u korrigiert werden. Somit wird durch den digitalen Korrekturfilter 160 die (Korrektur-) Funktion f(x) = x2 realisiert.
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2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Simulationsergebnisses der Signalqualität bei unterschiedlichen Frequenzen bei einer Ausführungsform ohne Anwendung des hier vorgestellten Ansatzes, wobei ein MEM-Sensor mit quadratischer Rückkoppelkraft zugrunde gelegt wurde. Dabei wurde für die Darstellung aus 2 die Signalqualität für einen kapazitiven Wandler mit quadratischer Abhängigkeit der Kraftkennlinie simuliert und das Ausgangssignal (d.h. das Signal v am Ausgang des Quantisierers) spektral dargestellt. Wie aus der 2 ersichtlich ist, besitzt das unkorrigierte Ausgangssignal v ein stark erhöhtes IBN im interessierenden Signalband 200 bei der Frequenz 210 wobei das Messsignal (d.h. das Sensorsignal x, welches gemäß der 2 eine nichtlineare Kraftkennlinie repräsentiert) im interessierenden Frequenzband 210 stark verzerrt ist.
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3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Simulationsergebnisses der Signalqualität bei unterschiedlichen Frequenzen bei einer Ausführungsform unter Einsatz des vorstehend vorgestellten Ansatzes einer digitalen Korrektur v des Ausgangssignals v des Quantisierers, wobei wiederum der MEM-Sensor mit quadratischer Rückkoppelkraft zugrunde gelegt wurde, wie er auch für die Simulation aus 2 angenommen wurde. Das korrigierte Signal v = v2 besitzt das gleiche IBN, wie ein Wandler ohne nichtlineare Rückkopplung, und die Signalleistung entspricht dem eingeprägten Signal u von -10 dBFS. Wie sehr gut zu erkennen ist, führt die digitale Korrektur v des Ausgangssignals v des Quantisierers zu einer dramatischen Verbesserung des IBN, welche in diesem Fall bei 40 dB liegt.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 400 zur Korrektur eines Sensorsignals. Das Verfahren 400 umfasst einen Schritt des Einlesens 410 eines Sensorsignals von einer Schnittstelle, wobei das Sensorsignal eine physikalische Größe repräsentiert. Weiterhin umfasst das Verfahren 400 einen Schritt des Verarbeitens 420 des Sensorsignals durch eine Signalverarbeitungseinheit, um unter Verwendung des Sensorsignals ein Verarbeitungssignal zu ermitteln. Ferner umfasst das Verfahren 400 einen Schritt des Ausgebens 430 eines Rückkopplungssignals durch eine Rückkopplungseinheit an den Sensor, wobei die Rückkopplungseinheit ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignals auf der Basis einer nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift und dem Sensorsignal und/oder dem Verarbeitungssignal bereitzustellen. Schließlich umfasst das Verfahren 400 einen Schritt des Korrigierens 440 des Verarbeitungssignals mittels einer Signalkorrektureinheit, um ein korrigiertes Signal unter Verwendung des Verarbeitungssignals zu ermitteln, wobei die Signalkorrektureinheit ausgebildet ist, um das korrigierte Signal ferner unter Verwendung der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift oder einer von der nicht-linearen Verarbeitungsvorschrift abgeleiteten Verarbeitungsvorschrift zu ermitteln.
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Der vorstehend vorgestellt Ansatz dient somit dem Ziel, eine Korrektur eines digitalisierten Signals bezüglich Nichtlinearitäten in der Rückkopplung vorzunehmen, welche deterministisch (zum Beispiel bei Spannungsrückkopplung mit einem kapazitiven Wandler) und/oder zufällig (zum Beispiel durch Prozessstreuungen und auch bekannte zufällige Variationen) sein können. Dadurch kann zum Beispiel auf eine PWM-Rückkopplung bei kapazitiven Wandlern verzichtet und die Quantisierung der Rückkoppelkraft auf 6-10 Bit erhöht werden.
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Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Verwendung einer Korrektureinheit, (beispielsweise eines digitalen Korrekturfilters), welche die Nichtlinearitätsfunktion im Digitalbereich abbildet, zum Beispiel bei kapazitiver Rückkopplung den quadratischen Spannungsverlauf. Dadurch ist es möglich auf die hohen Frequenzen bei einer PWM-Rückkopplung zu verzichten, wodurch (Sensor-) Systeme mit geringerer Verlustleistung oder höhere Auflösung realisierbar sind. Andererseits kann auch auf komplizierte DACs (DAC = Digital-Analog-Converter = Digital-Analog-Wandler) mit Wurzelübertragungsfunktion verzichtet werden, welche eine sehr große Fläche und Verlustleistung besitzen. Ein weiterer Vorteil des hier vorgeschlagenen Ansatzes ist die Möglichkeit zur Korrektur von zufälligen Variationen, falls sie entweder bekannt oder nicht veränderlich sind, welche ansonsten das IBN (IBN = In-Band Noise = Rauschen innerhalb des Signalbandes) erhöhen können.
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Die vollständig digitale Implementierung einer Korrektur einer Nichtlinearität, die sich durch den hier vorgestellten Ansatz realisieren lässt, vereinfacht den analogen Schaltungsentwurf und ermöglicht Kostenvorteile durch Skalierung mit zukünftigen ASIC-Prozessen. Zusätzlich ist der Ansatz durch die digitale Implementierung unabhängig von Prozessstreuungen.
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Alternativ zur vorstehend vorgestellten Vorgehensweise kann auch eine Kompensation von systematischen Fehlern bei PWM-Rückkopplung durchgeführt werden. Auch kann eine Anpassung des digitalen Korrekturfilters am Bandende vorgenommen werden. Schließlich ist auch die Verwendung eines adaptiven Lernalgorithmus zur Online- / Offline-Bestimmung des digitalen Korrekturfilters denkbar.
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Es können die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ferner ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
