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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Verfahren zum Verarbeiten von Signalen von einem Gyroskop sind allgemein bekannt.
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Die Verwendung von Sensoren, wie beispielsweise Gyroskope, in elektronischen Endgeräten und die Verwendung von Sensoren für Anwendungen wie beispielsweise Navigation in Gebäuden und erweiterte Realität wird immer beliebter.
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Um eine gute Leistung der Endgeräte bzw. der Anwendungen zu erreichen, müssen die verwendeten Gyroskope hohen Anforderungen bezüglich ihrer Langzeitstabilität und ihrer Robustheit gegenüber Drifts genügen. Unter einem Drift ist hierbei ein sich kontinuierlich in eine Richtung verändernder systematischer Effekt zu verstehen.
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Herkömmlich werden gute Leistungen dadurch erreicht, dass geschlossene Regelkreise bzw. elektrische Schaltungen mit Rückkopplung (Closed-Loop Architekturen) verwendet werden. Hierbei besteht jedoch ein Nachteil darin, dass die elektrischen Schaltungen mit Rückkopplung im Gegensatz zu elektrischen Schaltungen ohne Rückkopplung einen höheren Energieverbrauch aufweisen. Ein weiterer Nachteil von elektrischen Schaltungen mit Rückkopplung im Gegensatz zu elektrischen Schaltungen ohne Rückkopplung besteht darin, dass bei mikromechanischen Sensoren sowohl die MEMS-Einheit (microelectromechanical systems-Einheit) als auch die ASIC-Einheit (application-specific integrated circuit-Einheit bzw. Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) eine größere Fläche benötigen.
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Aufgrund dieser Nachteil von elektrischen Schaltungen mit Rückkopplung im Gegensatz zu elektrischen Schaltungen ohne Rückkopplung sowie einer geringeren Komplexität der elektrischen Schaltungen ohne Rückkopplung werden häufig elektrische Schaltungen ohne Rückkopplung für Benutzeranwendungen verwendet.
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Eine der Haupursachen für eine ungenügende Langzeitstabilität und ungenügende Robustheit gegenüber Drifts von Gyroskopen ist eine Änderung in dem Produkt aus Quadratursignal und Sinus des Fehlers in der Demodulationsphase. Unterschiedliche Lösungen für eine verbesserte Langzeitstabilität und ausreichende Robustheit gegenüber Drifts von Gyroskopen wurden bereits vorgeschlagen.
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Beispielsweise offenbaren die
US 7,290,435 B2 und die
US 2014/0190258 A1 , dass das Quadratursignal bereits im Frontend vor der Messung des von dem Gyroskop generierten Signals aus dem Signal herausgelöscht bzw. herausgerechnet wird. Des Weiteren offenbart
US 2015/0057959 A1 , dass das Quadratursignal gemessen wird und anschließend mit einem geeigneten Koeffizienten von dem Hauptsignal bzw. Inphasensignal subtrahiert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik alternatives Verfahren zum Verarbeiten von Signalen von einem Gyroskop bereitzustellen. Hierbei soll insbesondere mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Langzeitstabilität und Robustheit gegenüber Drifts von Gyroskopen auf eine ressourcenschonende, platzsparende und kostengünstige Weise ermöglicht werden.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
- – in einem zweiten Verfahrensschritt das Quadratursignal in einer Speichereinheit der Vorrichtung gespeichert wird, wobei
- – in einem dritten Verfahrensschritt während eines zweiten Zeitintervalls das modulierte Signal durch den Demodulator derart demoduliert wird, dass ein Inphasensignal generiert wird, wobei
- – in einem vierten Verfahrensschritt aus dem Inphasensignal ein Ausgangssignal zur Beschreibung einer Rotation des Gyroskops um eine definierte Sensierachse generiert wird.
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Hierdurch, insbesondere dadurch, dass in dem zweiten Verfahrensschritt das Quadratursignal in einer Speichereinheit der Vorrichtung gespeichert wird und somit für eine spätere Verwendung bereitgehalten wird, ist es vorteilhaft möglich auf Komponenten von analogen Schaltkreisen, wie beispielsweise trimmbare kapazitive Teiler, Analog-Digital-Umsetzer und Filter, zu verzichten. Hierdurch wird ein Verfahren bereitgestellt, wodurch eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Energieverbrauch und Fläche beispielsweise auf einem ASIC eines das Gyroskop umfassenden mikromechanischen Bauelements möglich ist, was insbesondere für die Entwicklung weiterer Generationen von Gyroskopen bzw. Gyroskope umfassenden mikromechanischen Bauelementen wesentlich ist.
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Eine Reduzierung der Komponenten von analogen Schaltkreisen ist insbesondere dadurch möglich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vorrichtung mit lediglich einem Sensierpfad für die definierte Sensierachse ermöglicht wird. Mit anderen Worten macht es das erfindungsgemäße Verfahren möglich, dass die Vorrichtung lediglich einen Sensierpfad pro definierter Achse umfasst. Hierbei wird über den einen Sensierpfad durch eine Zeiteinteilung, insbesondere durch eine Einteilung in das erste Zeitintervall und in das zweite Zeitintervall, sowohl das Quadratursignal als auch das Inphasensignal ausgelesen.
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Hierdurch wird ein gegenüber dem Stand der Technik alternatives Verfahren zum Verarbeiten von Signalen von einem Gyroskop bereitgestellt, wobei die Langzeitstabilität und Robustheit gegenüber Drifts von Gyroskopen auf eine ressourcenschonende, platzsparende und kostengünstige Weise ermöglicht werden. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren solchen Drifts von Ausgangsignalen von Gyroskopen entgegengewirkt werden, welche durch Änderungen von Quadratursignalen auftreten. Änderungen von Quadratursignalen sind hierbei häufig Ursache von Spannungen aufgrund von Fertigungsschritten, Lötschritten, Temperaturen oder Alterungserscheinungen, insbesondere während der Lebenszeit eines Gyroskops.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist das Gyroskop ein Gyroskop auf MEMS-basis bzw. ein MEMS-Gyroskop.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
- – in dem vierten Verfahrensschritt zur Generierung des Ausgangssignals eine Funktion auf das Quadratursignal und das Inphasensignal in einer Prozessoreinheit der Vorrichtung angewendet wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein Ausgangssignal zur Beschreibung der Rotation des Sonsorelements um die definierte Sensierachse im Wesentlichen quadraturbereinigt bereitgestellt wird ohne, dass ein Rückführen des Quadratursignals zu dem modulierten Signa nötig ist und somit Komponenten einer möglichen Rückführschleife eingespart werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
- – in einem fünften Verfahrensschritt zur Erzeugung des modulierten Signals eine weitere Funktion auf ein Rohsignal der Signale und das Quadratursignal in einem Sensorkanal der Vorrichtung angewendet wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein Ausgangssignal zur Beschreibung der Rotation des Sonsorelements um die definierte Sensierachse im Wesentlichen quadraturbereinigt bereitgestellt wird ohne, dass in einer Prozessoreinheit der Vorrichtung weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden müssen bzw. weitere Komponenten vorgesehen sein müssen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen, wobei die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass die Signale von einem Gyroskop der Vorrichtung generiert werden, wobei ein moduliertes Signal der Signale von dem Demodulator der Vorrichtung empfangen wird, wobei
- – in einem ersten Verfahrensschritt während eines ersten Zeitintervalls das modulierte Signal von dem Demodulator derart demoduliert wird, dass ein Quadratursignal generiert wird, wobei die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass
- – in einem zweiten Verfahrensschritt das Quadratursignal in einer Speichereinheit der Vorrichtung gespeichert wird, wobei
- – in einem dritten Verfahrensschritt während eines zweiten Zeitintervalls das modulierte Signal durch den Demodulator derart demoduliert wird, dass ein Inphasensignal generiert wird, wobei
- – in einem vierten Verfahrensschritt aus dem Inphasensignal ein Ausgangssignal zur Beschreibung einer Rotation des Gyroskops um eine definierte Sensierachse generiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass
- – in dem vierten Verfahrensschritt zur Generierung des Ausgangssignals eine Funktion auf das Quadratursignal und das Inphasensignal in einer Prozessoreinheit der Vorrichtung angewendet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass
- – in einem fünften Verfahrensschritt zur Erzeugung des modulierten Signals eine weitere Funktion auf ein Rohsignal der Signale und das Quadratursignal in einem Sensorkanal der Vorrichtung angewendet wird.
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Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung.
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3 und 4 zeigen in schematischen Darstellungen Vorrichtungen gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das Verfahren zum Verarbeiten von Signalen vorgesehen ist und die Signale von einem Gyroskop 1 einer Vorrichtung 200 generiert werden. Hierbei wird ein moduliertes Signal der Signale von einem Demodulator 5 der Vorrichtung 200 empfangen. Das Verfahren umfasst einen ersten Verfahrensschritt 101, einen zweiten Verfahrensschritt 102, einen dritten Verfahrensschritt 103 und einen vierten Verfahrensschritt 104. In dem ersten Verfahrensschritt 101 wird während eines ersten Zeitintervalls das modulierte Signal von dem Demodulator 5 derart demoduliert, dass ein Quadratursignal generiert wird. Außerdem wird in dem zweiten Verfahrensschritt 102 das Quadratursignal in einer Speichereinheit 7 der Vorrichtung 200 gespeichert. Des Weiteren wird in dem dritten Verfahrensschritt 103 während eines zweiten Zeitintervalls das modulierte Signal durch den Demodulator 5 derart demoduliert, dass ein Inphasensignal generiert wird. Schließlich wird in dem vierten Verfahrensschritt 104 aus dem Inphasensignal ein Ausgangssignal zur Beschreibung einer Rotation des Gyroskops 1 um eine definierte Sensierachse generiert.
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 200 dargestellt. In 3 und 4 sind schematische Darstellungen von Vorrichtungen 200 gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die Vorrichtung 200 umfasst ein Gyroskop 1, eine Prozessoreinheit 9 und einen Sensorkanal 11. Außerdem umfasst die Vorrichtung 200 einen weiteren Sensorkanal 13, einen dritten Sensorkanal 15, einen Kapazität-Spannungs-Wandler 17, einen Amplitudenregler 19, eine Phasenregelschleife 21 und einen Temperatursensor 23.
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Bei der Vorrichtung 200 ist das Gyroskop 1 ein Vibrationsgyroskop, wie beispielsweise ein MEMS-Gyroskop. Hierbei ist das Gyroskop 1 derart konfigurierte, dass eine Rotation des Gyroskops 1 um eine definierte Sensierachse 201, um eine definierte weitere Sensierachse 202 und um eine definierte dritte Sensierachse 203 detektierbar ist. Hierbei sind die Sensierachse 201, die weitere Sensierachse 202 und die dritte Sensierachse 203 im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet. Das Gyroskop 1 ist ferner derart konfiguriert, dass von dem Gyroskop 1 Signale generiert werden, wobei die Signale Rohsignale, bevorzugt modulierte Rohsignale, umfassen. Hierbei ist vorgesehen, dass die Signale Rohsignale bezogen auf die Bewegung einer vibrierenden Prüfmasse und bezogen auf eine Rotation des Gyroskops um die Sensierachse 201, die weitere Sensierachse 202 bzw. die dritte Sensierachse 203 umfassen.
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Außerdem umfasst das Gyroskop 1 einen Antrieb 25. Der Antrieb 25 ist derart konfiguriert, dass die der Sensierachse 201, der weiteren Sensierachse 202 und der dritten Sensierachse 203 jeweils zugeordneten Prüfmassen bei einer vorgegebenen Frequenz derart angeregt werden, dass bei einer Rotation des Gyroskops um die Sensierachse 201, die weitere Sensierachse 202 bzw. die dritte Sensierachse 203 Rohsignale aufgrund von auf die Prüfmassen wirkenden Kräften im Wesentlichen senkrecht zu den jeweiligen Antriebsrichtungen und Sensierachsen generiert werden. Hierfür empfängt der Antrieb 25 ein Antriebssignal um die jeweiligen Prüfmassen bei vorgegebenen Frequenzen in Schwingung zu versetzen.
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Der Sensorkanal 11 ist mit einem Ausgang der Sensierachse 201 elektrisch verbunden, sodass ein Rohsignal bezogen auf eine Kraftwirkung auf die vibrierende Prüfmasse der Sensierachse 201 von dem Ausgang der Sensierachse 201 zu dem Sensorkanal 11 übertragen wird. Der Sensorkanal 11 umfasst einen weiteren Kapazität-Spannungs-Wandler 27, wobei der weitere Kapazität-Spannungs-Wandler 27 derart konfiguriert ist, dass das Rohsignal von einem modulierten Kapazitäts-Ausgangssignal der Sensierachse 201 zu einem modulierten Voltsignal umgewandelt wird.
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Des Weiteren umfasst der Sensorkanal 11 einen I/Q-Demodulator, wobei der I/Q Demodulator einen Inphasendemodulator 29 und einen Quadraturphasendemodulator 31 umfasst. Hierbei sind der Inphasendemodulator 29 und der Quadraturphasendemodulator 31 mit einem Ausgang des Kapazität-Spannungs-Wandlers 27 elektrisch leitend verbunden, sodass das modulierte Voltsignal der Sensierachse 201 von dem Inphasendemodulator 29 und dem Quadraturphasendemodulator 31 empfangen wird. Außerdem sind der Inphasendemodulator 29 und der Quadraturphasendemodulator 31 derart als Wechselrichter ausgebildet, dass das modulierte Voltsignal der Sensierachse 201 als Antwort auf von der Phasenregelschleife 21 an den Inphasendemodulator 29 und den Quadraturphasendemodulator 31 übertragene Inphasentrackingsignale und Quadraturphasentrackingsignale demoduliert wird. Hierbei ist die Vorrichtung 200 derart ausgebildet, dass der Inphasendemodulator 29 mit einem Inphasenausgang der Phasenregelschleife 21 verbunden ist sodass das Inphasentrackingsignal von der Phasenregelschleife 21 an den Inphasendemodulator 29 übertragen wird und der Quadraturphasendemodulator 31 mit einem Quadraturphasenausgang der Phasenregelschleife 21 verbunden ist sodass das Quadraturphasentrackingsignal von der Phasenregelschleife 21 an den Quadraturphasendemodulator 31 übertragen wird. Hierbei ist das Inphasentrackingsignale und das Quadraturphasentrackingsignale um 90° zueinander phasenverschoben vorgesehen. Außerdem ist vorgesehen, dass das modulierte Voltsignal der Sensierachse 201 von dem Inphasendemodulator 29 derart demoduliert wird, dass eine Inphasenkomponente des modulierten Voltsignals bzw. das Inphasensignal generiert wird. Ferner ist vorgesehen, dass das modulierte Voltsignal der Sensierachse 201 von dem Quadraturphasendemodulator 31 derart demoduliert wird, dass eine Quadraturphasenkomponente des modulierten Voltsignals bzw. das Quadratursignal generiert wird.
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Des Weiteren umfasst der Sensorkanal 11 einen Analog-Digital-Umsetzer 33 und einen weiteren Analog-Digital-Umsetzer 35. Hierbei wird von dem Analog-Digital-Umsetzer 33 aus dem analogen Inphasensignal ein digitales Inphasensignal generiert. Außerdem wird von dem weiteren Analog-Digital-Umsetzer 35 aus dem analogen Quadratursignal ein digitales Quadratursignal generiert.
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Der weitere Sensorkanal 13 und der dritte Sensorkanal 15 sind bezogen auf die weitere Sensierachse 202 und die dritte Sensierachse 203 im Wesentlichen wie der Sensorkanal 11 bezogen auf die Sensierachse 201 ausgebildet bzw. konfiguriert.
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Der Antrieb 25 der Vorrichtung 200 empfängt das Antriebssignal von dem Amplitudenregler 19 der Vorrichtung 200. Hierbei kontrolliert bzw. bestimmt der Amplitudenregler 19 die Amplitude des Antriebssignals für den Antrieb des Antriebs 25 um die jeweiligen Prüfmassen bei vorgegebenen Frequenzen in Schwingung mit bestimmten Amplituden zu versetzen bzw. auf bestimmten Amplituden zu halten. Hierbei regeln der Amplitudenregler 19 und die Phasenregelschleife 21 den Antrieb 25 in einem geschlossenen Regelkreis. Ein Ausgangssignal des Antriebs 25 wird hierbei an den Kapazität-Spannungs-Wandler 17 übertragen. Der Kapazität-Spannungs-Wandler 17 generiert hieraus ein Spannungssignal, welches der Oszillation entlang einer Antriebsachse des Antriebs 25 entspricht. Das Spannungssignal wird von dem Kapazität-Spannungs-Wandler 17 an die Phasenregelschleife 21 übertragen. Aus dem Spannungssignal wird von der Phasenregelschleife 21 ein Trackingsignal zum Bestimmen der Frequenz und Phase des Antriebssignals generiert. Die Phasenregelschleife 21 generiert das zeitabhängige Trackingsignal, welches die Bewegung bzw. Schwingung einer oder mehrerer Prüfmassen des Gyroskops 1 beschreibt. Dieses Trackingsignal entspricht im Wesentlichen einem Inphasentrackingsignal, wobei das Inphasentrackingsignal von der Phasenregelschleife 21 an den Amplitudenregler 19 übertragen wird. Hierdurch wird der Amplitudenregler von der Phasenregelschleife 21 derart geregelt, dass Amplitude, Phase und Frequenz des Antriebssignals auf die tatsächliche Bewegung der jeweiligen Prüfmassen abgestimmt werden. Außerdem wird das Inphasentrackingsignal von der Phasenregelschleife 21 an den Inphasendemodulator 29 zum Regeln des Inphasendemodulators 29 übertragen. Die Phasenregelschleife 21 umfasst einen Phasenverschiebungsschaltkreis 37, wobei der Phasenverschiebungsschaltkreis 37 das von einer Phasenregelschleifeneinheit 39 der Phasenregelschleife 21 generierte Inphasentrackingsignal um 90° phasenverschiebt und somit ein Quadraturphasentrackingsignal zum Regeln des Quadraturphasendemodulators 31 umfasst.
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Der Antrieb 25, der Inphasendemodulator 29 und der Quadraturphasendemodulator 31 werden von Ausgangssignalen einer Phasenregelschleife 21 geregelt. Aufgrund von beispielsweise Temperatureinflüssen innerhalb des Gyroskops 1 entstehen Phasenverschiebungsfehler in dem modulierten Voltsignal und somit in dem Inphasensignal und in dem Quadratursignal.
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Von dem Temperatursensor 23 wird ein analoges Temperatursignal generiert, welches Informationen einer Temperatur des Gyroskops 1 umfasst. Das analoge Temperatursignal wird von dem Temperatursensor 23 zu einem dritten Analog-Digital-Umsetzer 41 übertragen und von dem dritten Analog-Digital-Umsetzer 41 in ein digitales Temperatursignal für eine weitere Verarbeitung in der Prozessoreinheit 9 umgewandelt. Hierdurch liefern der Temperatursensor 23 und der dritte Analog-Digital-Umsetzer 41 Temperaturdaten, wobei aus den Temperaturdaten ein Faktor für die Anwendung auf das Quadratursignal hergeleitet wird. Hierbei wird angenommen, dass der Phasenverschiebungsfehler bzw. der Betrag des Phasenverschiebungsfehlers von der Temperatur des Gyroskops abhängt.
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Die Vorrichtung 200 ist derart konfiguriert, dass digitale Inphasensignale von dem Analog-Digital-Umsetzer 33, digitale Quadratursignale von dem weiteren Analog-Digital-Umsetzer 35 und digitale Temperatursignale von dem dritten Analog-Digital-Umsetzer 41 durch die Prozessoreinheit 9 empfangen werden. Die Prozessoreinheit 9 ist außerdem derart konfiguriert, dass digitale Inphasensignale und digitale Quadratursignale von dem weiteren Sensorkanal 13 und von dem dritten Sensorkanal 15 um eine Rotation des Gyroskops 1 um eine definierte weitere Sensierachse 202 und eine definierte dritte Sensierachse 203 durch die Prozessoreinheit 9 empfangen werden.
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Die Prozessoreinheit 9 umfasst einen Tiefpassfilter 43, einen weiteren Tiefpassfilter 45 und einen dritten Tiefpassfilter 47. Hierbei wird der Tiefpassfilter 43 auf das digitale Temperatursignal zur Erzeugung eines gefilterten digitalen Temperatursignals, der weitere Tiefpassfilter 45 auf das digitale Inphasensignal zur Erzeugung eines gefilterten digitalen Inphasensignals und der dritte Tiefpassfilter 47 auf das digitale Quadratursignal zur Erzeugung eines gefilterten digitalen Quadratursignals angewendet. Hierdurch wird insbesondere ermöglicht, dass Mischprodukte mit doppelter Frequenz (im Vergleich zu der Trägerfrequenz) aus dem digitalen Inphasensignal und dem digitalen Quadratursignal ausgefiltert werden.
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Die Prozessoreinheit 9 multipliziert das gefilterte digitale Temperatursignal mit einer Konstante 49, beispielsweise Kontante c1, mithilfe eines Multiplizierers 51 und addiert anschließend das mit der ersten Konstante 49 multiplizierte gefilterte digitale Temperatursignal mit einer weiteren Konstante 53, beispielsweise Konstante c0, mithilfe eines Addierers 55. Hierbei sind die Konstante 49 und die weitere Konstante 53 in einem der Prozessoreinheit 9 zugeordneten weiteren Speichereinheit gespeichert.
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Des Weiteren umfasst die Prozessoreinheit einen weiteren Multiplizierer 57, wobei von dem weiteren Multiplizierer 57 der Ausgang des Addierers 55 bzw. der Faktor mit dem Ausgang des dritten Tiefpassfilters 47 bzw. mit dem gefilterten digitalen Quadratursignal zur Erzeugung eines skalierten gefilterten digitalen Quadratursignals multipliziert wird. Hierbei ist vorgesehen, dass der Multiplizierer 57 eine Multiplikation mit –1 umfasst, sodass ein negatives skaliertes gefiltertes digitales Quadratursignal von dem Multiplizierer 57 bereitgestellt wird.
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Außerdem umfasst die Prozessoreinheit 9 einen weiteren Addierer 59, wobei mithilfe des weiteren Addierers 59 das negative skalierte gefilterte digitale Quadratursignal und das gefilterte digitale Inphasensignal addiert werden und somit von dem weiteren Addierer 59 ein Ausgangssignal zur Beschreibung einer Rotation des Gyroskops 1 um eine definierte Sensierachse 201 generiert bzw. bereitgestellt wird. Hierdurch wird durch die Prozessoreinheit 9 der Faktor basierend auf der von dem Temperatursensor 23 gemessenen Temperatur und basierend auf Kalibrierungsdaten des Gyroskops 1 dynamisch angepasst um Veränderungen in dem Phasenverschiebungsfehler entgegenzuwirken bzw. den Einfluss von Phasenverschiebungsfehlern auf das Ausgangssignal zu minimieren. Mit anderen Worten wird ein durch den Phasenverschiebungsfehler hervorgerufener Anteil des Quadratursignals in dem gefilterten digitalen Inphasensignal aus dem Inphasensignal herausgerechnet, sodass ein Ausgangssignal zur Beschreibung der Rotation des Sonsorelements 1 um die definierte Sensierachse 201 im Wesentlichen quadraturbereinigt bereitgestellt wird.
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Die in 3 und in 4 dargestellte Vorrichtung 200 zum Verarbeiten von Signalen ist derart konfiguriert, dass die Signale von dem Gyroskop 1 der Vorrichtung 200 generiert werden und ein moduliertes Signal der Signale von dem Demodulator 5 der Vorrichtung 200 empfangen wird. Außerdem ist die Vorrichtung 200 derart konfiguriert, dass während eines ersten Zeitintervalls das modulierte Signal von dem Demodulator 5 derart demoduliert wird, dass das Quadratursignal generiert wird. Ferner ist die Vorrichtung 200 derart konfiguriert ist, dass das Quadratursignal in einer Speichereinheit 7 der Vorrichtung 200 gespeichert wird. Außerdem ist die Vorrichtung 200 derart konfiguriert, dass während eines zweiten Zeitintervalls das modulierte Signal durch den Demodulator 5 derart demoduliert wird, dass ein Inphasensignal generiert wird und aus dem Inphasensignal ein Ausgangssignal zur Beschreibung einer Rotation des Gyroskops 1 um eine definierte Sensierachse 201 generiert wird.
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Hierbei umfasst der in 3 und 4 dargestellte Sensorkanal 11 beispielhaft lediglich den Demodulator 5 und einen dritten Analog-Digital-Umsetzer 61. Außerdem umfasst die in 3 und 4 dargestellte Prozessoreinheit beispielhaft einen vierten Tiefpassfilter 63 und einen Controller 65.
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Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Vorrichtung 200 umfasst die in 3 und 4 beispielhaft dargestellte Vorrichtung 200 lediglich einen Sensierpfad jeweils für die definierte Sensierachse 201, die definierte weitere Sensierachse 202 und die definierte dritte Sensierachse 203. Mit anderen Worten kann mit der vorliegenden Erfindung beispielsweise in jedem Sensierpfad auf einen Demodulator, einen Analog-Digital-Umsetzer und einen Tiefpassfilter verzichtet werden. Hierbei wird in der in 3 und 4 beispielhaft dargestellten Vorrichtung 200 in einem Sensierpfad sowohl das Quadratursignal als auch das Inphasensignal ausgelesen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Vorrichtung 200 beispielsweise derart konfiguriert ist, dass der Demodulator 5 mit einem Inphasenausgang der Phasenregelschleife 21 und mit einem Quadraturphasenausgang der Phasenregelschleife 21 verbindbar ausgebildet ist. Die Vorrichtung 200 ist beispielsweise ferner derart konfiguriert, dass abwechselnd das Quadraturphasentrackingsignal, insbesondere während des ersten Zeitintervalls, von der Phasenregelschleife 21 an den Modulator 5 übertragen wird und das Inphasentrackingsignal, insbesondere während des zweiten Zeitintervalls von der Phasenregelschleife 21 an den Modulator 5 übertragen wird. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Vorrichtung 200 derart konfiguriert ist, dass der Controller 65 den Quadraturphasenausgang und den Inphasenausgang bzw. die Phasenregelschleife 21 schaltet. Dies ist beispielhaft durch einen Pfeil in 3 und 4 dargestellt.
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Beispielsweise ist bei der in 3 und 4 dargestellten Vorrichtung 200 vorgesehen, dass, jedes Mal wenn in dem ersten Verfahrensschritt 101 das Quadratursignal generiert wird, das Quadratursignal in der Speichereinheit 7, bevorzugt in einer digitalen Speichereinheit 7, der Vorrichtung 200 gespeichert wird. Beispielsweise wird hierbei das gespeicherte Quadratursignal zur Kompensation des Inphasensignals derart genutzt, dass ein Ausgangssignal zur Beschreibung der Rotation des Sonsorelements 1 um die definierte Sensierachse 201 im Wesentlichen quadraturbereinigt bereitgestellt wird.
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Beispielsweise ist die Vorrichtung 200 derart ausgebildet, dass in dem vierten Verfahrensschritt 104 zur Generierung des Ausgangssignals eine Funktion auf das Quadratursignal und das Inphasensignal in der Prozessoreinheit 9 der Vorrichtung 200 angewendet wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass
- – in einem sechsten Verfahrensschritt, bevorzugt durch den Controller 65, der Demodulator 5 mit dem Quadraturphasenausgang der Phasenregelschleife 21 verbunden wird. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass in dem sechsten Verfahrensschritt analoge Schaltkreise der Vorrichtung 200 derart konfiguriert werden, dass Quadratursignale bzw. Quadraturanteile des modulierten Signals mithilfe der analogen Schaltkreise übertragbar sind. Besonders bevorzugt wird der sechste Verfahrensschritt zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt 101 durchgeführt.
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Beispielsweise wird zeitlich nach dem sechsten Verfahrensschritt eine, bevorzugt eine einzige, Quadraturmessung durchgeführt bzw. der erste Verfahrensschritt 101 durchgeführt.
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Außerdem wird beispielsweise zeitlich nach dem ersten Verfahrensschritt 101 der resultierende Wert für jeden Kanal bzw. für den Sensorkanal 11, für den weiteren Sensorkanal 13 und für den dritten Sensorkanal 15 in der Speichereinheit 7, bevorzugt einer digitalen Speichereinheit 7, bzw. in den jeweiligen Sensorkanälen zugeordneten Speichereinheiten gespeichert bzw. der zweite Verfahrensschritt 102 durchgeführt.
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Außerdem ist erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, dass, bevorzugt zeitlich nach dem zweiten Verfahrensschritt 102
- – in einem siebten Verfahrensschritt, bevorzugt durch den Controller 65, der Demodulator 5 mit dem Inphasenausgang der Phasenregelschleife 21 verbunden wird. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass in dem siebten Verfahrensschritt analoge Schaltkreise der Vorrichtung 200 derart konfiguriert werden, dass Inphasensignale bzw. Inphasenanteile des modulierten Signals mithilfe der analogen Schaltkreise übertragbar sind. Besonders bevorzugt wird der siebte Verfahrensschritt zeitlich nach dem zweiten Verfahrensschritt 102 durchgeführt.
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Beispielsweise wird zeitlich nach dem siebten Verfahrensschritt eine Inphasenmessung, bevorzugt eine Vielzahl von Inphasenmessungen, durchgeführt bzw. der dritte Verfahrensschritt 103 durchgeführt wird.
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Des Weiteren ist beispielsweise auch vorgesehen, dass zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt ein Resultat der Inphasenmessung bzw. Resultate jeder der Vielzahl von Inphasenmessungen und der gespeicherte resultierende Wert der Quadraturmessung, bevorzugt ein mit einer Konstante, besonders bevorzugt mit einer ersten Konstante 49 und einer weiteren Konstante 53, modifizierter gespeicherter resultierender Wert der Quadraturmessung, addiert werden und somit das Ausgangssignal generiert wird bzw. der vierte Verfahrensschritt 104 durchgeführt wird. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Konstante und/oder die erste Konstante 49 und/oder die weitere Konstante 53 durch Messungen, Simulationen und/oder Berechnungen bestimmbar sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Konstante und/oder die erste Konstante 49 und/oder die weitere Konstante 53 durch Messungen, Simulationen und/oder Berechnungen jeweils in Abhängigkeit einer Temperatur, bevorzugt in Abhängigkeit einer durch den Temperatursensor gemessenen Temperatur, bestimmbar sind.
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Ferner ist vorgesehen, dass zeitlich nach dem vierten Verfahrensschritt in einem achten Verfahrensschritt das Ausgangssignal in einer dritten Speichereinheit der Vorrichtung 200 bzw. in einer der Vorrichtung 200 zugeordneten dritten Speichereinheit gespeichert wird. Bevorzugt ist die dritte Speichereinheit ein Ausgaberegister.
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Des Weiteren ist beispielsweise vorgesehen, dass die Quadraturmessung bzw. der erste Verfahrensschritt 101 lediglich während einer Startphase des Gyroskops 1 durchgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise jedoch auch vorgesehen, dass die Quadraturmessung bzw. der erste Verfahrensschritt 101 an unterschiedlichen, bevorzugt an aufeinander regelmäßig folgenden, Zeitpunkten während des Betriebs des Gyroskops 1 durchgeführt wird. Weiter alternativ oder zusätzlich ist jedoch beispielsweise auch vorgesehen, dass die Quadraturmessung bzw. der erste Verfahrensschritt 101 durch einen externen Einfluss, bevorzugt eine Temperaturänderung, getriggert wird. Schließlich ist jedoch alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen, dass die Quadraturmessung bzw. der erste Verfahrensschritt 101 benutzerinputabhängig oder wenn beispielsweise von einem Benutzer für angemessen gehalten, beispielsweise während eines Resets der Vorrichtung 200 oder des Gyroskops 1, durchgeführt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 100 ein mikromechanisches Bauelement 3 umfasst, wobei das mikromechanische Bauelement 3 das Gyroskop 1 und einen ASIC umfasst. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der ASIC den Sensorkanal 11, den weiteren Sensorkanal 13, den dritten Sensorkanal 15, den Kapazität-Spannungs-Wandler 17, den Amplitudenregler 19, die Phasenregelschleife 21, die Prozessoreinheit 9, den Temperatursensor 23 und den dritten Analog-Digital-Umsetzer 41 umfasst. Alternativ bevorzugt ist jedoch auch vorgesehen, dass der ASIC lediglich eine Teilmenge von Sensorkanal 11, weiteren Sensorkanal 13, dritten Sensorkanal 15, Kapazität-Spannungs-Wandler 17, Amplitudenregler 19, Phasenregelschleife 21, Prozessoreinheit 9, Temperatursensor 23 und dritten Analog-Digital-Umsetzer 41 umfasst. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren komplett in dem das Gyroskop 1 umfassende mikromechanische Bauelement 3 bzw. in dem ASIC des mikromechanischen Bauelements 3 oder zumindest teilweise in einer dem mikromechanischen Bauelement 3 bzw. dem ASIC des mikromechanischen Bauelements 3 zugeordneten externen Einheit, bevorzugt einem externen Controller, besonders bevorzugt einem externen Microcontroller, durchgeführt wird.
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Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass die Vorrichtung 200 derart konfiguriert ist, dass die Quadratur bzw. Quadratursignale bzw. Quadraturanteile des modulierten Signals mithilfe von Kraftsignalen in dem Gyroskop unterdrückt bzw. von dem modulierten Signal gelöscht werden. Beispielsweise ist jedoch auch vorgesehen, dass die Vorrichtung 200 derart konfiguriert ist, dass die Quadratur bzw. Quadratursignale bzw. Quadraturanteile des modulierten Signals mithilfe von elektrischen Kompensationen in dem Frontend der Vorrichtung von dem modulierten Signal kompensiert werden.
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Hierfür ist die in 4 beispielhaft dargestellte Vorrichtung 200 derart konfiguriert, dass
- – in einem fünften Verfahrensschritt zur Erzeugung des modulierten Signals eine weitere Funktion auf ein Rohsignal der Signale und das Quadratursignal in dem Sensorkanal 11 der Vorrichtung 200 angewendet wird. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung 200 derart konfiguriert, dass in dem fünften Verfahrensschritt das gespeicherte Quadratursignal von der Speichereinheit 7 zu einer Quadraturkompensationseinheit 67, bevorzugt einem Schaltkreis zur Quadraturkompensation, und von der Quadraturkompensationseinheit 67 über den weiteren Kapazität-Spannungs-Wandler 27 übertragen wird und dem Rohsignal im Sinne eines geschlossenen Regelkreises zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist die in 4 dargestellte Vorrichtung 200 derart konfiguriert, dass zeitlich nach dem fünften Verfahrensschritt eine Inphasenmessung, bevorzugt eine Vielzahl von Inphasenmessungen, durchgeführt bzw. der dritte Verfahrensschritt 103 durchgeführt wird. Schließlich ist in 4 dargestellt, dass die Vorrichtung 200 einen Antriebsregler 69 zum Regeln und Antreiben des Antriebs 25 umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7290435 B2 [0008]
- US 2014/0190258 A1 [0008]
- US 2015/0057959 A1 [0008]
