DE102017200143A1 - Magnetometer - Google Patents

Abstract

Magnetometer (100), aufweisend:- einen Messwertaufnehmer (10), der einer ersten Verstärkereinrichtung (20) ein Signal (VB) zuführt,- ein Summationselement (22), wobei am Ausgang des Summationselements (22) ein Ausgangssignalbereich eines Ausgangssignals (I) der ersten Verstärkereinrichtung (20) definiert reduziert ist;- wobei ein Ausgangsignal des Summationselements (22) mittels einer zweiten Verstärkereinrichtung (21) definiert verstärkbar ist;- wobei ein Ausgangssignal der zweiten Verstärkereinrichtung (21) einem Tiefpassfilter (30) zugeführt ist;- wobei ein Ausgangssignal des Tiefpassfilters (30) einem Analog-Digital-Umsetzer (40) zugeführt ist;- wobei ein Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (40) einem Korrekturglied (50) zugeführt ist; wobei- zur Bildung eines Ergebnissignals (V) das Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (40) durch einen Korrekturfaktor (A*), der dem definierten Verstärkungsfaktor (A) der zweiten Verstärkereinrichtung (21) entspricht, dividiert wird, wobei zum daraus resultierenden Quotienten ein digitales Korrektursignal (V*) addiert wird, das in seinem Umfang der definierten Abschwächung des Ausgangssignals (I) der ersten Verstärkereinrichtung (20) entspricht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Magnetometer. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Auslesen eines Magnetometers.
• Stand der Technik
• In einem Magnetometer, in dem der magnetische Umsetzer als eine Wheatstone-Brücke implementiert ist, umfasst eine typische Auslesestufe einen Frontendverstärker, ein Anti-Alias-Filter einen Analog-Digital-Umsetzer und Digitalfilter für die Signalprozessierung.
• R. Schreier, G. Temes, „Understanding Delta-Sigma Data Converters“, Wiley Interscience, 2005 offenbart grundlegende Prinzipien von Delta-Sigma Wandlern.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hinsichtlich Rauschleistung verbessertes Magnetometer bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Magnetometer, aufweisend:
• - einen Messwertaufnehmer, der einer ersten Verstärkereinrichtung ein Signal zuführt,
• - ein Summationselement, wobei am Ausgang des Summationselements ein Ausgangssignalbereich eines Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung definiert reduziert ist;
• - wobei ein Ausgangsignal des Summationselements mittels einer zweiten Verstärkereinrichtung definiert verstärkbar ist;
• - wobei ein Ausgangssignal der zweiten Verstärkereinrichtung einem Tiefpassfilter zugeführt ist;
• - wobei ein Ausgangssignal des Tiefpassfilters einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt ist;
• - wobei ein Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers einem Korrekturglied zugeführt ist; wobei
• - zur Bildung eines Ergebnissignals das Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers durch einen Korrekturfaktor, der dem definierten Verstärkungsfaktor der zweiten Verstärkereinrichtung entspricht, dividiert wird, wobei zum daraus resultierenden Quotienten ein digitales Korrektursignal addiert wird, das in seinem Umfang der definierten Abschwächung des Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung entspricht.
• Durch die definierte Abschwächung des Eingangssignals wird der dynamische Bereich des Eingangssignals reduziert, wodurch vorteilhaft ermöglicht ist, das Restsignal in größerem Ausmaß zu verstärken. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Einfluss von Rauschleistung des Analog-Digital-Umsetzers auf das Ausgangssignal reduziert werden.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Auslesen eines Magnetometers, aufweisend die Schritte:
• - Zuführen eines Ausgangssignals eines Messwertaufnehmers an eine erste Verstärkereinrichtung;
• - Definiertes Reduzieren eines Bereiches eines Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung;
• - Definiertes Verstärken des reduzierten Bereiches des Ausgangssignals mittels einer zweiten Verstärkereinrichtung;
• - Entfernen von hochfrequenten Anteilen des verstärkten abgeschwächten Restsignals mittels eines Tiefpassfilters;
• - Umsetzen des gefilterten Signals mittels eines Analog-Digital-Umsetzers; und
• - Bilden eines Ergebnissignals mittels eines dem Analog-Digital-Umsetzer nachgeschalteten Korrekturglieds, wobei das verstärkte Restsignal durch einen Korrekturfaktor, der dem definierten Verstärkungsfaktor der zweiten Verstärkereinrichtung entspricht, dividiert wird, wobei zum daraus resultierenden Quotienten ein digitaler Korrekturwert addiert wird, der in seinem Umfang der definierten Abschwächung des Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung entspricht.
• Bevorzugte Ausführungsformen des Magnetometers sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung des Magnetometers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Summationselement zwischen einer ersten Stufe der ersten Verstärkereinrichtung und einer zweiten Stufe der ersten Verstärkereinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Aufteilung der Verstärkungswirkung der ersten Verstärkereinrichtung erreicht.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Magnetometers zeichnet sich dadurch aus, dass das Summationselement nach der ersten Verstärkereinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist das Signal bereits vollständig verstärkt, wenn es mittels eines von außen eingeprägten „künstlichen Offsets“ definiert geschwächt wird.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Magnetometers zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Verstärkereinrichtung zusätzlich zum Verstärkungswert eins einen weiteren parametrierbaren Verstärkungswert, vorzugsweise 2ⁿ bereitstellt. Dadurch werden zwei Verstärkungswerte bereitgestellt, mit denen zwei Typen von Ausleseschritten des Magnetometers durchgeführt werden, wobei ein Endergebnis mittels eines Anpassens eines Ergebnisses eines spezifischen Ausleseschritts durchgeführt wird.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Magnetometers sieht vor, dass die erste Verstärkereinrichtung funktional wenigstens teilweise in das Tiefpassfilter integriert ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Optimierung von Hardwareaufwand erreicht werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Magnetometers sieht vor, dass der Ausgangssignalbereich des Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung mittels eines elektrischen Korrekturstroms definiert reduziert ist. Dadurch wird eine einfache Methode bereitgestellt, das Eingangssignal in seinem Dynamikbereich abzuschwächen, damit es nachfolgend in erhöhtem Ausmaß verstärkt werden kann.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Magnetometers sieht vor, dass der elektrische Korrekturstrom in Abhängigkeit von einem Pegel des Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung gemäß einem Zahlenwert des Verstärkungsfaktors unterteilbar ist. Dadurch werden konkrete Designmaßnahmen zum definierten Abschwächen des Eingangssignals ermöglicht.
• Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
• Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Magnetometer in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Auslesen eines Magnetometers ergeben und umgekehrt.
• In den Figuren zeigt:
• 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Magnetometers;
• 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines vorgeschlagenen Magnetometers;
• 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des vorgeschlagenen Magnetometers;
• 4 eine Darstellung zum Erläutern eines dynamischen Abschwächens des Eingangssignals des Magnetometers; und
• 5 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Auslesen eines Magnetometers.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• 1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines herkömmlichen Magnetometers 100. Man erkennt einen Messwertaufnehmer 10 (engl. transducer), vorzugsweise in Form eines magnetischen Umsetzers für ein geomagnetisches Signal B, der das geomagnetische Signal B in eine elektrische Spannung V_B umsetzt. Der Messwertaufnehmer 10 ist in einer Wheatstone-Brücke verschaltet ist, deren Ausgangssignal V_B einer ersten Verstärkereinrichtung 20, vorzugsweise in Form eines Frontendverstärkers zugeführt wird. Der Ausgang der ersten Verstärkereinrichtung 20 ist mit einem Eingang eines Tiefpass-Filters 30 (z.B. ein Anti-Aliasing-Filter) verschaltet, der hochfrequente Anteile aus dem Eingangssignal herausfiltert. Ein Ausgang des Tiefpassfilters 30 ist mit einem Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers 40 verschaltet, der eine Umsetzung in ein digitales Ergebnissignal V durchführt. Dabei werden am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 40 die digitalen Daten mit einer von einem Anwender des Magnetometers 100 einstellbaren Ausgangsdatenrate ODR (engl. output data rate) ausgegeben.
• Abhängig von Erfordernissen betreffend Rauschen und Leistung kann der Fall eintreten, dass der Analog-Digital-Umsetzer 40 den größten Rauschleistungsanteil am Gesamtsignal liefert, wobei es allerdings wünschenswert wäre, dass der größte Rauschleistungsanteil vom Messwertaufnehmer 10 stammt. Die Elektronik des Magnetometers 100 verringert nämlich eine Leistungsfähigkeit des Messwertaufnehmers 10, die entsprechend intrinsischen Technologiebeschränkungen erreichbar ist, nicht in signifikanter Weise.
• Es ist möglich, die Rauschleistung des Analog-Digital-Umsetzers 40 durch Erhöhung der zugeführten elektrischen Leistung zu verringern. Allerdings muss zu diesem Zweck die elektrische Leistung verdoppelt werden, um im Effektivwert der Rauschleistung einen Reduktionsfaktor von $\sqrt{2}$

  

  zu erzielen. Im Spezialfall von Sigma-Delta-Wandlern können auch strukturelle Varianten betreffend eine Einzelbit-Quantisierer-Architektur betrachtet werden, diese erfordern aber in der Regel einen größeren Realisierungsaufwand.
• Für den Messwertaufnehmer 10 kann jegliche Wheatstone-Brücken-Technologie verwendet werden. Eine Version ist z.B. die TMR-Technologie (engl. tunneling magnetoresistance technology), wodurch zusätzlich ein 1/f-Rauschpegel beträchtlich reduziert ist.
• Ein Kerngedanke der Erfindung ist eine Verbesserung einer Effizienz einer Auslesestufe des Magnetometers 100, die im Folgenden näher erläutert wird.
• Dabei wird vorteilhaft eine beträchtliche Reduktion an Rauschleistung, die vom Analog-Digital-Umsetzer 40 stammt, mit einem relativ geringen Einsatz an Chipfläche und Leistung unter Ausnutzung einer spezifischen Charakteristik des geomagnetischen Eingangssignals realisiert. Das geomagnetische Eingangssignal des Erdmagnetfelds zeichnet sich dadurch aus, dass es einen relativ hohen, nur langsam veränderlichen Konstant-Anteil und einen vergleichsweise geringen variablen Anteil aufweist.
• 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines vorgeschlagenen Magnetometers 100. Erkennbar ist, dass die erste Verstärkereinrichtung 20 in zwei Stufen 20a, 20b aufgeteilt ist, wobei eine erste Stufe 20a als ein Transkonduktanzverstärker und eine zweite Stufe 20b als ein Transresistanzverstärker ausgebildet ist.
• Zwischen den beiden Stufen 20a, 20b wird an einem Summationselement 22 ein Korrekturstrom I_msb einer Signalquelle 60 subtraktiv zugeführt, wobei der Korrekturstrom I_msb einen definierten Anteil (z.B. 0, ±1/4, ±2/4, ±3/4) des vollen Eingangssignals I_FS repräsentiert, welches dem vollen Pegel des magnetischen Feldes B_FS entspricht. B_FS ist ein spezieller Pegelwert des magnetischen Eingangssignals B. Nach dem Summationselement 22 wird das verbleibende Restsignal mittels einer zweiten Verstärkereinrichtung 21 um einen definierten, änderbaren (z.B. programmierbaren) Verstärkungsfaktor A (engl. gain factor) verstärkt. Der Verstärkungsfaktor A kann zusätzlich zu einem Nominalwert 1 einen weiteren, definierten Wert annehmen, z.B. 4, 8 16, vorzugsweise 2ⁿ, wodurch eine Auslegung von erforderlicher Hardware erleichtert ist. Der Verstärkungsfaktor A repräsentiert einen physikalischen Wert in der analogen Domäne und enthält dadurch bedingt gewisse statistische Schwankungen.
• Der von der Signalquelle 60 bereitgestellte elektrische Korrekturstrom I_msb wird derart dimensioniert, dass ein resultierendes Restsignal (I - I_msb) mittels der zweiten Verstärkereinrichtung 21 vorteilhaft hoch verstärkt werden kann, wodurch ein Anteil an Rauschleistung des Analog-Digital-Umsetzers 40 an der Gesamtrauschleistung des Magnetometers 100 vorteilhaft wesentlich reduziert ist. Am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 40 wird mittels eines Korrekturglieds 50 in der digitalen Domäne der am Summationselement 22 subtrahierte Anteil wieder addiert und damit das Ergebnissignal V des Magnetometers 100 erhalten.
• Im Ergebnis ist auf diese Weise eine Auslesestufe für ein Magnetometer 100 realisiert, die in der analogen Domäne eine Subtraktion eines Korrekturstroms I_msb vornimmt, der nachfolgend in der digitalen Domäne funktional betrachtet wieder hinzugefügt wird.
• Im Folgenden werden die zu diesem Zweck während eines Auslesezyklus des Magnetometers 100 erforderlichen Schritte näher erläutert.
• Ein Auslesen des Magnetometers 100 wird in zwei funktional unterschiedlichen Ausleseschritten vorgenommen. In einem Ausleseschritt vom Typ 1 werden folgende Operationen durchgeführt: $$\text{Ausleseschritt Typ }1:\text{A}=\mathrm{1,}{\text{ I}}_{\text{msb}}=0$$

  

A ...

analoger Verstärkungsfaktor der ersten Verstärkereinrichtung 21

I_msb ...

elektrischer Korrekturstrom

• Beim Ausleseschritt Typ 1 erfolgt eine Verarbeitung des Signals ohne Abschwächung mittels des Korrekturstroms I_msb. Dabei wird ein erstes Ausgangssignal V₁ nach folgenden mathematischen Formeln ermittelt: $${\text{I=V}}_{\text{B}}{\text{/R}}_1$$

  

  $${\text{V}}_1={\text{R}}_2\times \text{I}$$

  

  mit den Parametern:

I ...

elektrischer Eingangsstrom des Summationselements 22

V_B ...

elektrische Ausgangsspannung des Messwertaufnehmers 10

R₁ ...

Widerstand des Transkonduktanzverstärkers 20a

R₂ ...

Widerstand des Transresistanzverstärkers 20b

$$\text{Ausleseschritt Typ }2:{\text{ I}}_{\text{msb}}=\text{k}\times {\text{I}}_{\text{FS}}\text{/A}$$

(z.B. für A = 4: I_msb = k x I_FS / 4 )

I_FS ...

Strom, der dem vollen magnetischen Eingangssignal entspricht

k ...

Faktor im Bereich von {0, ±1, ±2, ±3, ...±A-1}

• Als Resultat des Ausleseschritts vom Typ 2 wird in zweites Ausgangssignal V₂ durch folgende mathematischen Formeln ermittelt: $$\text{I}={\text{V}}_B{\text{/R}}_1$$

  

  $${\text{V}}_2=\text{A}\times {\text{R}}_2\times \left(\text{I}-{\text{I}}_{\text{msb}}\right)$$

  
• Man erkennt, dass im Ausleseschritt Typ 2 ein durch den elektrischen Korrekturstrom I_msb abgeschwächtes Signal mit dem zweiten definierten Wert des Verstärkungsfaktors A verstärkt wird.
• Mit Hilfe eines finalen Ausleseschritts wird eine spezifische Korrektur des Ergebnisses des Ausleseschritts vom Typ 2 mittels zweier Parameter A*, V_msb* vorgenommen, wodurch das Ergebnissignal V in folgender Weise ermittelt wird: $$\text{V}={\text{V}}_2/\text{A}*+{\text{V}}_{\text{msb}}*$$

  

  mit den Parametern:

A* ...

digitaler Korrekturfaktor während des Ausleseschritts Typ 2

V_msb* ...

digitaler Korrekturwert

• Die Operationen gemäß Gleichung (6) werden mittels des Korrekturglieds 50 in der digitalen Domäne durchgeführt, wobei A* einen festen Zahlenwert repräsentiert, der dem physikalischen Wert des Verstärkungsfaktors A der analogen Domäne bestmöglich entspricht. Vorzugsweise hat A* einen Zahlenwert von 4, 8, 16, usw., vorzugsweise 2ⁿ.
• Vorteilhaft kann auf diese Weise ein quadratischer Mittelwert der Rauschleistung, der vom Analog-Digital-Umsetzer 40 generiert wird, um einen Faktor A² (d.h. im Falle von A = 4 um das 16-fache) reduziert werden. Dazu ist es allerdings erforderlich, dass der digitale Korrekturwert V_msb* gemäß Gleichung (6) mit ausreichender Genauigkeit bereitgestellt wird.
• Zur Ermittlung des digitalen Korrekturwerts V_msb* sind zwei Ausleseschritte erforderlich, die in zyklischer Weise möglichst kurz nacheinander durchgeführt werden, wobei jeweils ein Ausleseschritt vom Typ 1 und ein Ausleseschritt vom Typ 2 durchgeführt wird. Dabei werden Summationen durchgeführt, die nachfolgend arithmetisch gemittelt werden. Die genannte mathematische Mittelung ist gemäß der unten stehenden Gleichung (7) mit spitzen Klammern ausgedrückt.
• Die genannte gemittelte Berechnung des digitalen Korrekturwerts V_msb* lässt sich mathematisch in folgender Weise darstellen: $$\begin{array}{l}{\text{V}}_{\text{msb}}*=<-{\text{V}}_2/\text{A}*+{\text{V}}_1>=1/\text{N}\times {\displaystyle {\sum }_{m=-N}^0\left(-{\text{V}}^{\text{tm}}{}_2/{\text{A*+V}}^{\text{tm}}{}_1\right)}\\ \begin{array}{c}\begin{array}{cc}& \end{array}\end{array}=1/\text{N}\times {\displaystyle {\sum }_{m=-N}^0\left({\text{V}}^{\text{tm}}{}_1\left(1-\text{A}/\text{A*}\right)+{\text{V}}_{\text{msb}}\left(\text{A/A*}\right)\right)}\end{array}$$

  

  mit den Parametern:

N ...

Anzahl an Samples, über die der Mittelwert von V_msb* gebildet wird

V^tm ₂ ...

Ergebnis von Ausleseschritt Typ 2 zum Zeitpunkt t_m

V^tm ₁ ...

Ergebnis von Ausleseschritt Typ 1 zum Zeitpunkt t_m

tm ...

Zeitpunkt

m ...

Index

V_msb ...

analoger Spannungs-Korrekturwert in Korrespondenz zu I_msb

• Die Zeitpunkte t_m sind gleichmäßig verteilt, vorzugsweise entsprechend der Ausgangsdatenrate ODR des Analog-Digital-Umsetzers 40, wobei dies aber nicht unbedingt erforderlich ist.
• Im Zeitmittel ergibt sich auf diese Weise eine gefilterte Größe des digitalen Korrekturwerts V_msb nach folgender Formel: $${\text{V}}_{\text{msb}}={\text{R}}_2\times {\text{I}}_{\text{msb}}$$

  
• Diese Art des differentiellen Ermittelns des digitalen Korrekturwerts V_msb* hat folgende Vorteile:
1. a) Das magnetische Signal ist beim jeweiligen Auslesen in den Signalen V₂ und V₁ anteilig vorhanden und wird mittels einer Subtraktion von V₂ und V₁ auf den analogen Korrekturwert V_msb reduziert. Somit ist der magnetische Anteil des Eingangssignals eliminiert, was ebenfalls durch die geringe Bandbreite des magnetischen Anteils möglich ist.
2. b) Temperaturabhängigkeiten werden aus dem Ausgangssignal V_msb vollständig entfernt, weil die Temperatur-Bandbreite viel geringer ist als die magnetische Bandbreite.
3. c) Der Eingang von 1/f-Rauschen wird aus dem Ausgangssignal V_msb teilweise entfernt, umso besser, je kürzer aufeinanderfolgend die Ausleseschritte Typ 1 und Typ 2 sind
4. d) Weißes Rauschen wird aus dem Ausgangssignal V_msb teilweise entfernt entsprechend der Zeitdauer der Mittelwertbildung von V_msb* oder der Bandbreite des Tiefpassfilters 30
• Zwar kann durch den analogen Korrekturstrom I_msb ein gewisses Ausmaß an Rauschen eingeführt werden, wobei es aber durch eine geeignete Dimensionierung möglich ist, dieses Rauschen ausreichend kleiner als das Rauschen aus vorhergehenden Stufen der Auslesestufe des Magnetometers 100 zu halten.
• Nachfolgend wird anhand von 3 eine alternative Ausführungsform einer vorgeschlagenen Auslesestufe für ein Magnetometer 100 erläutert, deren Funktionsweise aber prinzipiell der Funktionsweise der Anordnung von 2 entspricht.
• 3 zeigt in einem prinzipiellen Blockschaltbild eines Magnetometers 100, dass die Einprägung des analogen Korrekturstrom I_msb am Eingang der zweiten Verstärkereinrichtung 21 mit gleichem Verstärkungsfaktor A wie bei der Durchführung der oben genannten Ausleseschritte vom Typ 1 durchgeführt wird. Man erkennt innerhalb der Verstärkerelements 21 das Summationselement 22, an das drei Ohm'sche Widerstände R₂ angeschaltet sind. Denkbar wäre aber auch, dass Widerstände mit den Werten 0,5 x R₂ oder 2 x R₂ angeschaltet sind, weil dies aufgrund des Proportionalitätsfaktors nichts an der Verstärkungswirkung der zweiten Verstärkereinrichtung 21 ändert. In diesem Fall wird mittels der Signalquelle 60 eine elektrische Spannung V_msb bereitgestellt, die den elektrischen Strom I_msb in das Summationselement 22 treibt, wobei gilt: $${\text{V}}_{\text{msb}}={\text{R}}_{\text{2}}\times {\text{I}}_{\text{msb}}$$

  
• Ein Vorteil dieser alternativen Variante des Magnetometers 100 ist, dass die vollständige Verstärkung A bereits vor dem Einbringen von Rauschen im Zusammenhang mit dem Einprägen des elektrischen Korrekturstroms I_msb durchgeführt worden ist und dadurch ein Einfluss von Rauschleistung des Korrekturstroms I_msb vorteilhaft verringert ist.
• Die genannten Ausleseschritte vom Typ 1 werden vorzugsweise während ca. 10% der Periode der Ausgabedatenrate ODR des Analog-Digital-Umsetzers 40 durchgeführt, jene vom Typ 2 werden vorzugsweise während ca. 50 % bis ca. 60 % der Periode der Ausgabedatenrate ODR des Analog-Digital-Umsetzers 40 durchgeführt. Bei einer exemplarischen Periodendauer der Ausgabendatenrate ODR von 10 ms entspricht dies einem Durchführen der Ausleseschritte vom Typ 1 während ca. 1 ms und einem Durchführen der Ausleseschritte vom Typ 2 während ca. 5 ms bis ca. 6 ms.
• Die Bestimmung des analogen Korrekturstroms I_msb zur definierten Abschwächung des Eingangssignals I des Summationselements 22 wird nachfolgend näher erläutert:
• In einer initialen Phase wird das erste Ausgangssignal V₁ mittels eines Ausleseschritts Typ 1 ermittelt.
• Der Faktor k wird dabei derart festgelegt, dass folgende Bedingung erfüllt ist: $$\left|{\text{V}}_1-{\text{R}}_2\times \text{k}\times {\text{I}}_{\text{FS}}/4\right|\text{bzw}.\left|{\text{V}}_1-{\text{V}}_{\text{msb}}\right|=\text{min}$$

  
• V_msb = k x I_FS / 4 .... analoger Korrekturwert im Falle A = 4 Während des regulären Betriebs des Magnetometers 100 werden in Ausleseschritten vom Typ 1 Werte für das erste Ausgangssignal V1 ermittelt, wobei gilt: $$\begin{array}{l}\text{Falls}\left|{\text{V}}_1-{\text{R}}_2\times \text{k}*\times {\text{I}}_{\text{FS}}/4\right|<\Delta \\ \text{ gilt k}=\text{k}*\end{array}$$

  

  mit:

k* = k ± 1 ....

Nachbarwert von k

Δ ...

definierter Schwellwert des magnetischen Eingangssignals

• Im Ergebnis wird dadurch eine dynamische Ermittlung des Faktors k durchgeführt, wobei dieses dynamische Ermittlungsprinzip nachfolgend anhand von Fig. 4 näher erläutert wird.
• Auf der x-Achse von 4 ist ein elektrischer Eingangsstrom I in das Summationselement 22 skaliert, der auf ein magnetisches Eingangssignal des Magnetometers 100 abgebildet ist. Dies wird im Diagramm der 4 durch die auf der x-Achse dargestellte Abhängigkeit des elektrischen Eingangsstroms I von der magnetischen Flussdichte B angedeutet.
• Man erkennt, dass der maximal mögliche Pegel des Eingangsstromes I (bezeichnet als I_FS in 4) in drei gleichmäßig voneinander beabstandete Teilwerte I_FS/4, 2I_FS / 4, 3I_FS / 4 aufgeteilt ist, entsprechend den Zahlenwerten 1, 2, 3 des Faktors k.
• Man erkennt, dass um die genannten Teilwerte Kreise mit einem Radius Δ dargestellt sind. Bei einem Übergang des Eingangsstroms I in ein Kreisinneres wird eine Änderung des Zahlenwerts des Faktors k auf einen geänderten Zahlenwert vorgenommen und auf diese Weise die Größe des elektrischen Korrekturstroms I_msb gemäß der obigen Gleichung (3) geändert.
• In einem unteren Abschnitt von 4 ist ein zeitlich ansteigender Eingangsstrom I angedeutet, bei dem zeitlich nacheinander eine Änderung des Faktors k vom Wert 0 auf den Wert 1 (beim Übersteigen des Werts 2000 µT für das magnetische Eingangssignal), vom Wert 1 auf den Wert 2 (beim Übersteigen des Werts 4500 µT für das magnetische Eingangssignal) und vom Wert 2 auf den Wert 3 (beim Übersteigen des Werts 7000 µT für das magnetische Eingangssignal) vorgenommen wird. Der Wert I_FS = 10000µT entspricht dem vollen Pegel des magnetischen Eingangssignals, der definierte Schwellwert Δ beträgt in diesem Beispiel 500 µT.
• In einem oberen Abschnitt von 4 ist eine zeitliche Verringerung des Eingangsstroms I angedeutet, wodurch der Zahlenwert des Faktors k sukzessive von 3, danach auf 2 und danach auf 1 geändert wird.
• Im Ergebnis wird entsprechend dem jeweils geltenden Faktor k der Korrekturstrom I_msb dimensioniert, wodurch im finalen Ausleseschritt der digitale Korrekturwert V_msb* gemäß der obigen Gleichung (7) zyklisch ermittelt wird.
• Problematisch dabei kann sein, dass im Moment, in dem eine Änderung des Faktors k stattfindet, eine Mittelwertbildung des digitalen Korrekturwerts V_msb* gemäß Gleichung (7) einen fehlerhaften Wert übergibt. Dies lässt sich dadurch begründen, dass zu diesem Zeitpunkt der digitale Korrekturwert V_msb* noch nicht über die erforderlichen zahlreichen Ausleseschritte gemittelt worden ist, sondern nur ein einzelner Ausleseschritt durchgeführt wurde. Im Ergebnis kann dadurch ein unerwünschter Sprung im Bitstrom des Ausgangssignals V auftreten.
• Zur Behebung dieses Mangels kann vorgesehen sein, eine Anzahl von Ausleseschritten von Typ 1 innerhalb der Periode der Ausgangsdatenrate ODR zu erhöhen, in der die Umschaltung des Faktors k auftritt.
• Als eine weitere Möglichkeit zur Behebung dieses Mangels kann vorgesehen sein, einen zweiten Schwellwert Δ‘ zu definieren. Dabei werden bei einem Übergang von einem Wert des Faktors k auf den nächsten Wert innerhalb des zweiten definierten Schwellwerts Δ‘ zwar extern noch Werte des Ausgangssignals V, die mit dem Faktor k ermittelt wurden, ausgegeben, intern jedoch erfolgt eine Berechnung des digitalen Korrekturwerts V_msb* bereits mit dem geänderten Faktor k. Im Ergebnis bedeutet dies einen Neubeginn von Mittelwertbildungen gemäß der obigen Gleichung (7) zur Ermittlung der digitalen Korrekturgröße V_msb*.
• Exemplarisch ist in 4 ein Kreis mit einem Radius Δ‘ des genannten erhöhten Schwellwerts um den Wert des Eingangsstroms 2I_FS / 4 eingezeichnet. Sobald sich der Betrag des Eingangsstroms I zum Beispiel von rechts kommend verringert, wird dadurch eine Änderung des Faktors k von 3 auf 2 verursacht.
• Dabei werden aber bei einem Betrag des Eingangsstroms I innerhalb des Schwellwerts A‘und außerhalb des Schwellwerts Δ noch Ausgangssignale V mit dem Faktor k = 3 ermittelt, für interne Zwecke werden hingegen bereits Ausleseschritte vom Typ 2 mit dem Faktor k = 2 durchgeführt, um auf diese Weise eine ausreichende Anzahl an Mittelwertbildungen für den digitalen Korrekturwert V_msb* zu ermöglichen. Eine Verbesserung der digitalen Daten des Ausgangssignals V des Magnetometers 100 ist diese Weise vorteilhaft unterstützt.
• Mathematisch lässt sich der zweitgenannte Ansatz für den Fall A = 4 folgendermaßen darstellen: $$\left|{\text{V}}_1-{\text{R}}_2\times \text{k}*\times {\text{I}}_{\text{FS}}/4\right|<{\Delta }^{\prime }$$

  
• Im Falle der Erfüllung der Bedingung von Gleichung (12) wird der obengenannte Neubeginn der Mittelwertbildung des digitalen Korrekturwerts V_msb* vorgenommen.
• Aufgrund der spezifischen Charakteristik des geomagnetischen Signals bzw. des Signals des Erdmagnetfelds in einem typischen Anwendungsumfeld (z.B. Offset » 50 µT), das aus einem amplitudenmäßig geringen (ca. 50 µT) niederfrequenten Anteil (Frequenz ca. < 50 Hz), der einem großen, zeitlich nahezu konstanten Offsetanteil (Frequenz ca. < 1 Hz) überlagert ist, wird der erläuterte dynamische Übergang bei der Ermittlung des Faktors k in der Praxis selten vorkommen.
• Das vorgeschlagene Magnetometer 100 ist aufgrund der genannten spezifischen Charakteristik des Erdmagnetfelds zum Beispiel in mobilen Endgeräten (z.B. Mobiltelefone) für Kompass-Anwendungen einsetzbar.
• Das vorgeschlagene Magnetometer 100 kann aber auch zum Messen jedes anderen Eingangssignals verwendet werden, welches eine ähnliche Charakteristik aufweist, beispielsweise für ein Auslesen eines Gassensor-Signals zur Erfassung von Gaskonzentrationen, Gasbestandteilen, usw.
• 5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Auslesen eines Magnetometers 100.
• In einem Schritt 200 wird ein Ausgangssignal V_B eines Messwertaufnehmers 10 an eine erste Verstärkereinrichtung 20 zugeführt.
• In einem Schritt 210 wird ein definiertes Reduzieren eines Bereiches eines Ausgangssignals I der ersten Verstärkereinrichtung 20 durchgeführt.
• In einem Schritt 220 wird ein definiertes Verstärken des reduzierten Bereiches des Ausgangssignals I mittels einer zweiten Verstärkereinrichtung 21 durchgeführt.
• In einem Schritt 230 werden hochfrequente Anteile des verstärkten abgeschwächten Restsignals mittels eines Tiefpassfilters 30 entfernt.
• In einem Schritt 240 wird ein Umsetzen des gefilterten Signals mittels eines Analog-Digital-Umsetzers 40 durchgeführt.
• In einem Schritt 250 wird ein Ergebnissignal V mittels eines dem Analog-Digital-Umsetzer 40 nachgeschalteten Korrekturglieds 50 gebildet, wobei das verstärkte Restsignal durch einen Korrekturfaktor A*, der dem definierten Verstärkungsfaktor A der zweiten Verstärkereinrichtung 21 entspricht, dividiert wird, wobei zum daraus resultierenden Quotienten ein digitaler Korrekturwert V_msb* addiert wird, der in seinem Umfang der definierten Abschwächung des Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung 20 entspricht.
• Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (8)

1. Magnetometer (100), aufweisend: - einen Messwertaufnehmer (10), der einer ersten Verstärkereinrichtung (20) ein Signal (VB) zuführt, - ein Summationselement (22), wobei am Ausgang des Summationselements (22) ein Ausgangssignalbereich eines Ausgangssignals (I) der ersten Verstärkereinrichtung (20) definiert reduziert ist; - wobei ein Ausgangsignal des Summationselements (22) mittels einer zweiten Verstärkereinrichtung (21) definiert verstärkbar ist; - wobei ein Ausgangssignal der zweiten Verstärkereinrichtung (21) einem Tiefpassfilter (30) zugeführt ist; - wobei ein Ausgangssignal des Tiefpassfilters (30) einem Analog-Digital-Umsetzer (40) zugeführt ist; - wobei ein Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (40) einem Korrekturglied (50) zugeführt ist; wobei - zur Bildung eines Ergebnissignals (V) das Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers (40) durch einen Korrekturfaktor (A*), der dem definierten Verstärkungsfaktor (A) der zweiten Verstärkereinrichtung (21) entspricht, dividiert wird, wobei zum daraus resultierenden Quotienten ein digitales Korrektursignal (V_msb*) addiert wird, das in seinem Umfang der definierten Abschwächung des Ausgangssignals (I) der ersten Verstärkereinrichtung (20) entspricht.
2. Magnetometer (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Summationselement (22) zwischen einer ersten Stufe (20a) der ersten Verstärkereinrichtung (20) und einer zweiten Stufe (20b) der ersten Verstärkereinrichtung (20) angeordnet ist.
3. Magnetometer (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Summationselement (22) nach der ersten Verstärkereinrichtung (20) angeordnet ist.
4. Magnetometer (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verstärkereinrichtung (21) zusätzlich zum Verstärkungswert eins einen weiteren parametrierbaren Verstärkungswert, vorzugsweise 2ⁿ bereitstellt.
5. Magnetometer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verstärkereinrichtung (21) funktional wenigstens teilweise in das Tiefpassfilter (30) integriert ist.
6. Magnetometer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangssignalbereich des Ausgangssignals (I) der ersten Verstärkereinrichtung (20) mittels eines elektrischen Korrekturstroms (I_msb) definiert reduziert ist.
7. Magnetometer (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Korrekturstrom (I_msb) in Abhängigkeit von einem Pegel des Ausgangssignals (I) der ersten Verstärkereinrichtung (20) gemäß einem Zahlenwert des Verstärkungsfaktors (A) unterteilbar ist.
8. Verfahren zum Auslesen eines Magnetometers (100), aufweisend die Schritte: - Zuführen eines Ausgangssignals (V_B) eines Messwertaufnehmers (10) an eine erste Verstärkereinrichtung (20); - Definiertes Reduzieren eines Bereiches eines Ausgangssignals (I) der ersten Verstärkereinrichtung (20); - Definiertes Verstärken des reduzierten Bereiches des Ausgangssignals (I) mittels einer zweiten Verstärkereinrichtung (21); - Entfernen von hochfrequenten Anteilen des verstärkten abgeschwächten Restsignals mittels eines Tiefpassfilters (30); - Umsetzen des gefilterten Signals mittels eines Analog-Digital-Umsetzers (40); und - Bilden eines Ergebnissignals (V) mittels eines dem Analog-Digital-Umsetzer (40) nachgeschalteten Korrekturglieds (50), wobei das verstärkte Restsignal durch einen Korrekturfaktor (A*), der dem definierten Verstärkungsfaktor (A) der zweiten Verstärkereinrichtung (21) entspricht, dividiert wird, wobei zum daraus resultierenden Quotienten ein digitaler Korrekturwert (V_msb*) addiert wird, der in seinem Umfang der definierten Abschwächung des Ausgangssignals der ersten Verstärkereinrichtung (20) entspricht.

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