DE102019212233B4

DE102019212233B4 - Sensoranordnung und Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102019212233B4
Application number: DE102019212233.7A
Authority: DE
Inventors: Amin JEMILI; David Slogsnat
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2019-08-15
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2039-08-16
Also published as: DE102019212233A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung (1), wobei die Sensoranordnung (1) mindestensa. ein Sensorelement (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) zum Erfassen einer Messgröße (3) und zum Wandeln dieser Messgröße (3) in ein elektrisches analoges Sensorsignal (4),wobei das analoge Sensorsignal (4) innerhalb eines Wertebereichs variiert, der einem Messbereich (19) des Sensorelements (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) entspricht,b. eine A/D-Wandlereinrichtung (5) mit einem definierten Dynamikbereich (20) und einer definierten Auflösung für diesen Dynamikbereich (20), undc. eine der A/D-Wandlereinrichtung (5) vorgeschaltete Vorverarbeitungseinrichtung (7) für das analoge Sensorsignal (4), umfasst, wobei das Verfahren• vorab mindestens zwei unterschiedliche Messbereiche (19, 25, 28, 29) für das Sensorelement (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) definiert, und• ein aktueller Messbereich (19, 25, 28, 29) aus der Menge der vorab definierten Messbereiche (19, 25, 28, 29) auswählt und• die Vorverarbeitungseinrichtung (7) in Abhängigkeit vom aktuellen Messbereich (19, 25, 28, 29) konfiguriert, so dass das analoge Sensorsignal (4) entsprechend dem aktuellen Messbereich (19, 25, 28, 29) vorverarbeitet wird, und• auf der Basis des aktuellen analogen Sensorsignals (4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9, 4-10) ein Messbereich (19, 25, 28, 29) aus der Menge der vorab definierten Messbereiche (19, 25, 28, 29) als geeigneter aktueller Messbereich (19, 25, 28, 29) bestimmt, und• den Signalpegel des analogen Sensorsignals (4-7, 4-8, 4-9, 4-10) überwacht und mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert (35, 36) vergleicht, wobei der Schwellwert (35, 36) mindestens zweien der vorab definierten Messbereiche (28, 29) zugeordnet ist, und• das Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts (35, 36) einer Entscheidung zwischen diesen mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) zugrunde legt, und• bei der Entscheidung zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) eine vorgebbare Dauer und/oder eine vorgebbare Häufigkeit des Über- bzw. Unterschreitens des Schwellwerts (35, 36) berücksichtigt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, mindestens umfassend

a. ein Sensorelement zum Erfassen einer Messgröße und zum Wandeln dieser Messgröße in ein elektrisches analoges Sensorsignal, wobei das analoge Sensorsignal innerhalb eines Wertebereichs variiert, der einem Messbereich des Sensorelements entspricht,
b. eine A/D-Wandlereinrichtung mit einem definierten Dynamikbereich und einer definierten Auflösung für diesen Dynamikbereich, und
c. eine der A/D-Wandlereinrichtung vorgeschaltete Vorverarbeitungseinrichtung für das analoge Sensorsignal.

Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung,
Stand der Technik
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein für die Auswertung beliebiger Sensorelemente anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Sensorelemente in Form von Drucksensoren erläutert.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein für beliebige Schaltungsanordnungen mit einer beliebigen Anzahl von Sensorelementen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Brückenschaltungen mit Sensorelementen erläutert.
Drucksensoren, beispielsweise in Form von piezoresistiven Sensorelementen oder kapazitativen Sensorelementen, finden in Geräten wie Smartphones, Smartwatches, Fitnesstrackern und anderen tragbaren elektronischen Geräten, oder auch im Zusammenhang mit dem sogenannten „Internet der Dinge“, Internet of Things, kurz „IoT“, Verwendung. Bei bekannten Verfahren und Schaltungsanordnungen zum Auswerten von Drucksensoren wird durch Skalierung, also durch eine Verstärkung beziehungsweise durch Einstellen eines „Gain“, und/oder durch Verschiebung, also durch lineares Versetzen beziehungsweise durch Einstellen eines „Offset“, ein Messbereich des Drucksensors derart auf einen Ausgabesignalbereich abgebildet, dass eine weitere Verarbeitung des Ausgabesignals zur Auswertung des Sensors möglich ist.
Durch Steigern der Anzahl von aktiven Sensorelementen auf einer Membran eines Drucksensors und Überlagern der Messwerte - beispielsweise im Falle einer Wheatstone'schen Messbrücke - kann der Messbereich einer Messgröße des Sensors manipuliert werden. Ein derartiges Verfahren zum Auswerten eines Drucksensors ist beispielsweise aus der WO 00 / 37 913 A1 bekannt geworden.
Insbesondere in den genannten Anwendungen von tragbaren elektronischen Geräten oder loT-Anwendungen bestehen Anforderungen dahingehend, die Sensorauswertung möglichst fehlerfrei, rauscharm, energiesparend und auf geringem Bauraum zu verwirklichen.
Nachdem im Bereich der Drucksensortechnik in der Vergangenheit in erster Linie piezoresistive Sensoren Verwendung fanden, werden derzeit vermehrt kapazitive Sensoren verwendet. Dadurch sinken der Energieverbrauch und das Rauschen des Sensorelements. Infolgedessen hängen Energieverbrauch und insbesondere das Rauschen nunmehr hauptsächlich von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltungsanordnung (ASIC) und insbesondere von der A/D-Wandlereinrichtung ab. Darüber hinaus stellt der für das analoge Frontend zur Verfügung stehende Bauraum einen einschränkenden Faktor dar.
Offenbarung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Sensoranordnung bereit. Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens

a. ein Sensorelement zum Erfassen einer Messgröße und zum Wandeln dieser Messgröße in ein elektrisches analoges Sensorsignal,
b. wobei das analoge Sensorsignal innerhalb eines Wertebereichs variiert, der einem Messbereich des Sensorelements entspricht,
c. eine A/D-Wandlereinrichtung mit einem definierten Dynamikbereich und einer definierten Auflösung für diesen Dynamikbereich, und
d. eine der A/D-Wandlereinrichtung vorgeschaltete Vorverarbeitungseinrichtung für das analoge Sensorsignal,

In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung bereit. Das Verfahren umfasst mindestens

Der Begriff „Messbereich“ ist im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung auf den gesamten technisch möglichen Messbereich eines Sensorelements oder auch selbst nur auf ein Teil des gesamten technisch möglichen Messbereichs.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass das Sensorelement durch das Vorverarbeiten des Sensorsignals mittels der Vorverarbeitungseinrichtung in mehreren unterschiedlich definierten Messbereichen betreibbar ist. Das analoge Sensorsignal kann also mittels der Vorverarbeitungseinrichtung an den Messbereich angepasst werden, innerhalb dessen die Messgröße zu erfassen ist. Insgesamt ist die Sensoranordnung auch weniger anfällig für externe Versorgungsstörungen, beispielsweise für Schwankungen der Versorgungsspannung.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Vorverarbeitungseinrichtung so umkonfigurierbar, dass durch die Vorverarbeitung des analogen Sensorsignals der dem aktuellen Messbereich entsprechende Wertebereich des analogen Sensorsignals auf den gesamten Dynamikbereich der A/D-Wandlereinrichtung abgebildet wird. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass durch die Vorverarbeitung des analogen Sensorsignals die Auflösung des Messbereichs auf dem Dynamikbereich der A/D-Wandlereinrichtung erhöht wird. Aufgrund der gesteigerten Genauigkeit verbessert sich das Verhältnis von Energieverbrauch und Rauschen und ermöglicht eine Optimierung hinsichtlich Energieverbrauch und Rauschen im Verhältnis zur Auflösung. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Linearität des Zusammenhangs zwischen Messgröße und Sensorsignal steigt, je kleiner der Messbereich gewählt wird.
Der Energieverbrauch der A/D-Wandlereinrichtung sinkt dabei um den Faktor ${(\frac{M_{G}}{M_{kI}})}^{2},$
wobei M_G die Größe des gesamten technisch möglichen Messbereichs eines Sensorelements ist, und M_kl die Größe des kleiner gewählten Messbereichs ist. Die Linearitätsanforderung für einen Sensorauswerteschaltkreis sowie die Anfälligkeit für externe Versorgungsstörungen werden um den Faktor $(\frac{M_{G}}{M_{kI}})$
verringert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist mindestens ein Speicher für unterschiedliche Konfigurationsparametersätze der Vorverarbeitungseinrichtung vorgesehen, wobei jeder der Konfigurationsparametersätze einem der vorab definierten Messbereiche zugeordnet ist, und es sind Schaltungsmittel vorgesehen zum Auswählen des aktuellen Messbereichs aus der Menge der vorab definierten Messbereiche und zum Umkonfigurieren der Vorverarbeitungseinrichtung auf Basis des zugeordneten Konfigurationsparametersatzes. Auf diese Weise kann vergleichswese schnell zwischen verschiedenen Messbereichen umgeschaltet werden. In Abhängigkeit von der gewünschten Messung können Konfigurationsparametersätze bereits an typische Messbereiche angepasst werden, um innerhalb dieser Messbereiche eine gewünschte Auflösung bereitstellen. Ist beispielsweise eine Messung von Drücken im Bereich von 10 kPa bis 130 kPa beabsichtigt, und werden insbesondere Messwerte für Drücke im Bereich von 80 kPa bis 110 kPa erwartet, so kann ein Messbereich von 80 kPa bis 110 kPa definiert und die Vorverarbeitungseinrichtung auf Basis des zugeordneten Konfigurationsparametersatzes für diesen Messbereich vorverarbeitet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorverarbeitungseinrichtung mindestens einen Vorverstärker, wobei die Konfigurationsparametersätze jeweils eine Verstärkungskennlinie, einen Verstärkungsfaktor und/oder einen Offset-Wert umfassen. Auf diese Weise kann der Messbereich des analogen Sensorsignals linear oder gemäß einer Kennlinie skaliert und/oder auch linear verschoben werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Sensorelement in Form eines MEMS-Sensorelements ausgebildet, insbesondere in Form eines Drucksensorelements, eines Beschleunigungssensorelements oder eines Drehratensensorelements. Vorteil hiervon ist, dass die Sensoranordnung für Anwendungen von tragbaren elektronischen Geräten oder Anwendungen im „Internet der Dinge“ verwendet werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das analoge Sensorsignal so vorverarbeitet, dass der dem aktuellen Messbereich entsprechende Wertebereich des analogen Sensorsignals auf den gesamten Dynamikbereich der A/D-Wandlereinrichtung abgebildet wird. Somit wird der Dynamikbereich der A/D-Wandlereinrichtung vollständig ausgenutzt und eine maximale Auflösung wird bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die mindestens zwei unterschiedlichen Messbereiche als Teilbereiche des bauteilbedingten Messbereichs des Sensorelements definiert, wobei diese unterschiedlichen Messbereiche so definiert werden, dass sich zumindest zwei dieser Messbereiche überlappen. Damit wird ein häufiges Umschalten den Messbereichen vermieden, wenn Sensorsignale an einer Grenze zwischen dem einen Messbereich und einem anderen Messbereich gemessen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der aktuelle Messbereich von einem Nutzer ausgewählt und für eine vorgebbare Dauer beibehalten, so dass das Umschalten zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen des Sensorelements vom Nutzer initiiert wird. Mit anderen Worten kann der Nutzer den aktuellen Messbereich auf flexible weise wählen und einstellen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird auf der Basis des aktuellen Sensorsignals ein Messbereich aus der Menge der vorab definierten Messbereiche als geeigneter aktueller Messbereich bestimmt. Wenn also mit anderen Worten das aktuelle Sensorsignal nicht oder nicht mehr innerhalb des aktuellen Messbereichs liegt, allerdings ein anderer geeigneter Messbereich vorhanden ist, innerhalb dessen das aktuelle Sensorsignal liegt, wird von dem aktuellen Messbereich auf den geeigneten Messbereich umgeschaltet, wodurch dieser geeignete Messbereich zum aktuellen Messbereich wird. Auf diese Weise kann das Sensorelement auch mit drei, vier oder beliebig vielen unterschiedlich definierten Messbereichen betreibbar sein, wobei die Vorverarbeitungseinrichtung das analoge Sensorsignal jeweils für denjenigen Messbereich vorverarbeitet werden kann, der für die gewünschte Messung geeignet scheint, beispielsweise für einen Messbereich von 80 kPa bis 110 kPa.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Signalpegel des Sensorsignals überwacht und mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert verglichen, wobei der Schwellwert mindestens zweien der vorab definierten Messbereiche zugeordnet ist, und wobei das Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts einer Entscheidung zwischen diesen mindestens zwei vorab definierten Messbereichen zugrunde gelegt wird. Je nach Anwendungsfall können Messungen im Bereich der Grenzen von benachbarten oder überlappenden Messbereichen ungenau werden. Deshalb kann es sinnvoll sein, das analoge Sensorsignal mittels der Vorverarbeitungseinrichtung bereits an den benachbarten oder jenseits des aktuellen Messbereichs liegenden geeigneten Messbereich anzupassen, wenn der Signalpegel des analogen Sensorsignals noch innerhalb eines Schwellwerts an der Grenze des aktuellen Messbereichs liegt, und nicht erst, wenn der Signalpegel des analogen Sensorsignals außerhalb des Schwellwerts an der Grenze des aktuellen Messbereichs liegt. Somit ist es möglich, dass der Signalpegel des analogen Sensorsignals zwar noch innerhalb des aktuellen Messbereichs liegt und auf den Sensorsignalbereich abgebildet werden kann. Da der Signalpegel des analogen Sensorsignals jedoch bereits innerhalb des Schwellwerts dieses Messbereichs liegt, wird trotzdem auf den benachbarten oder jenseits liegenden Messbereich umgeschaltet. Wenn eine hinreichende Genauigkeit von Messungen im Bereich der Grenzen des aktuellen Messbereichs gewährleistet werden kann, ist auch denkbar, dass der Messbereich um einen Schwellwert vergrößert wird, um ein unnötiges Umschalten zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden bei der Entscheidung zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen eine vorgebbare Dauer und/oder eine vorgebbare Häufigkeit des Über- bzw. Unterschreitens des Schwellwerts berücksichtigt. Unabhängig davon, ob sich Messbereiche überlappen oder an den Grenzen mit Schwellwerten versehen sind, kann durch eine vorgebbare Dauer und/oder eine vorgebbare Häufigkeit des Verlassens des aktuellen Messbereichs - mit oder ohne Schwellwert - ebenfalls ein häufiges Umschalten zwischen den Messbereichen verhindert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der vorab definierte Messbereich, der als geeigneter aktueller Messbereich bestimmt worden ist, dem Nutzer mitgeteilt, so dass der Nutzer diesen Messbereich als aktuellen Messbereich auswählen kann und so ggf. ein Umschalten zwischen zwei vorab definierten Messbereichen des Sensorelements initiieren kann. Auf diese Weise hat der Nutzer jederzeit die Kontrolle über die Sensoranordnung und über die Messungen bzw. über die Art der Vorverarbeitung des analogen Sensorsignals.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der vorab definierte Messbereich, der als geeigneter aktueller Messbereich bestimmt worden ist, automatisch als aktueller Messbereich ausgewählt, so dass automatisch zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen des Sensorelements umgeschaltet wird. Auf diese Weise muss der Nutzer sich nicht mit der Auswahl und ggf. einem Umschalten zwischen den Messbereichen befassen. Durch das automatische Auswählen des aktuellen Messbereichs wird ferner sichergestellt, dass anhand vorgegebener Faktoren sinnvoll umgeschaltet und die Sensoranordnung stets in einem geeigneten aktuellen Messbereich betrieben wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Figurenliste
Dabei zeigt in schematischer Form

1 eine Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung einer Sensoranordnung für einen Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung einer Sensoranordnung für einen Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 Schritte eines bekannten Verfahrens zum Abbilden eines Messbereichs eines Sensorelements auf einen Dynamikbereich einer A/D-Wandlereinrichtung;
7 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ein Sensorelement 2 zum Erfassen einer Messgröße 3 und zum Wandeln dieser Messgröße 3 in ein elektrisches analoges Sensorsignal 4. Das analoge Sensorsignal 4 variiert dabei innerhalb eines Wertebereichs, der einem Messbereich des Sensorelements 2 entspricht. Das Sensorelement 2 ist in Form eines MEMS-Sensorelements ausgebildet, insbesondere in Form eines Drucksensorelements, eines Beschleunigungssensorelements oder eines Drehratensensorelements.
Die Sensoranordnung 1 umfasst weiter eine A/D-Wandlereinrichtung 5 mit einem definierten Dynamikbereich und einer definierten Auflösung für diesen Dynamikbereich. Die A/D-Wandlereinrichtung 5 gibt ein digitales Signal 6 zur weiteren Bearbeitung aus.
Die Sensoranordnung 1 umfasst weiter eine der A/D-Wandlereinrichtung 5 vorgeschaltete Vorverarbeitungseinrichtung 7 für das analoge Sensorsignal 4, die das analoge Sensorsignal 4 in ein vorverarbeitetes analoges Sensorsignal 8 umwandeln kann, bevor es von der A/D-Wandlereinrichtung 5 in ein digitales Signal 6 umgewandelt wird.
Die Vorverarbeitungseinrichtung 7 ist mittels eines oder mehrerer Konfigurationsparameter 9 beziehungsweise einer Einrichtung 9 umkonfigurierbar, die den oder die Konfigurationsparameter zur Verfügung stellt oder erzeugt, so dass das analoge Sensorsignal 4 entsprechend eines jeweils gewünschten Messbereichs vorverarbeitet werden kann.
2 zeigt eine Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorverarbeitungseinrichtung 7 ist mittels mehrerer Konfigurationsparametersätze 9-1 bis 9-n beziehungsweise einer oder mehrerer Einrichtungen 9-1 bis 9-n zur Bereitstellung oder Erzeugung von Konfigurationsparametersätze umkonfigurierbar, wobei jeder der Konfigurationsparametersätze 9-1 bis 9-n jeweils einem der definierten Messbereiche zugeordnet ist. Ferner sind Schaltungsmittel 10 vorgesehen, die ein Auswählen eines aktuellen Messbereichs aus der Menge der vorab definierten Messbereiche und ein Umkonfigurieren der Vorverarbeitungseinrichtung 7 auf Basis des zugeordneten Konfigurationsparametersatzes 9-1 bis 9-n ermöglichen.
3 zeigt eine Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Sensoranordnung 1 umfasst einen Speicher 11 für die unterschiedliche Konfigurationsparametersätze 9-1 bis 9-n der Vorverarbeitungseinrichtung 7. Die Vorverarbeitungseinrichtung 7 umfasst weiter einen Vorverstärker 12 und die Konfigurationsparametersätze 9-1 bis 9-n umfassen jeweils eine Verstärkungskennlinie, einen Verstärkungsfaktor und/oder einen Offset-Wert. Die Auswahl des Konfigurationsparametersatzes 9-1 bis 9-n beziehungsweise des Messbereichs mittels der Schaltungsmittel 10 kann anhand einer Nutzereingabe 13 erfolgen. Ferner ist eine Zeitschaltuhr 14, beispielsweise ein Zeitgeber oder dergleichen, vorgesehen, so dass bei der Entscheidung zwischen den mindestens zwei Messbereichen - also zwischen zwei Konfigurationsparametersätzen 9-1 bis 9-n - eine vorgebbare Dauer berücksichtigt werden kann. Ferner wird das digitale Signal 6 als Messgröße eines Signalpegels des analogen Signals 4, 8 zu dem Schaltungsmittel 10 rückgeführt 6-1, um einen Vergleich mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert zu ermöglichen. Alternativ kann auch das analoge Signal 4 oder das vorverarbeitete analoge Sensorsignal 8 rückgeführt werden, um eine Messgröße des Signalpegels für das Schaltungsmittel 10 bereitzustellen. Auf diese Weise kann der Signalpegel überwacht werden, wobei das Über- beziehungsweise Unterschreiten des Schwellwerts einer Entscheidung zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen zugrunde gelegt werden kann.
4 zeigt eine Darstellung einer Sensoranordnung für einen Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein analoges Frontend 1-1 der Sensoranordnung 1 ist mit einem Sensorelement 2 verbunden, das vier Kapazitäten 2-11, 2-12, 2-21, 2-22 aufweist, die in einer Brückenschaltung 15-1 verschaltet sind. Die Brückenschaltung 15-1 wird von einem Brücken-Treiber 15 angesteuert. Mindestens eine der vier Kapazitäten 2-11, 2-12, 2-21, 2-22 ist eine drucksensitive Messkapazität, die weiteren Kapazitäten sind Referenzkapazitäten. Die Differenz zwischen dem Signal 4-1 der Kapazitäten 2-11, 2-21 und dem Signal 4-2 der Kapazitäten 2-12, 2-22 bildet das analoge Sensorsignal. Denkbar sind auch Ausführungsformen mit Halbbrückenschaltungen oder resistiven Messverfahren, beispielsweise mit Beschleunigungssensorelementen oder Drehratensensorelementen.
5 zeigt eine Darstellung einer Sensoranordnung für einen Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Sensoranordnung 1 ist beispielhaft eine weitere Messgröße - hier die Temperaturmessung mittels einer T-Diode 16 über einen Diodenregler bzw. V/q-Wandler 17- durch einen der Vorverarbeitungseinrichtung 7 vorgeschalteten Multiplexer 18 mit der Druckmessung mittels der Brückenschaltung 15-1 der vier Kapazitäten 2-11, 2-12, 2-21, 2-22 gebündelt.
6 zeigt Schritte eines bekannten Verfahrens zum Abbilden eines Messbereichs eines Sensorelements auf einen Dynamikbereich einer A/D-Wandlereinrichtung.
In 6 ist links schematisch ein Messbereich 19 einer Messgröße 3 gezeigt. Die Messgröße 3 kann mittels eines Sensorelements in ein analoges Sensorsignal 4 umgewandelt werden, wobei das analoge Sensorsignal 4 innerhalb eines Wertebereichs variiert, der dem Messbereich 19 des Sensorelements entspricht.
Infolge der Einwirkung der Messgröße 3 - bei einem Drucksensor der Druck - auf das Sensorelement wird auf diese Weise ein analoges Sensorsignal 4 im Messbereich 19 erzeugt. Der Messbereich 19 erstreckt sich von einem kleinsten messbaren analogen Sensorsignal 4-3 - beispielsweise bei einem Druck von 10 kPa oder 30 kPa - bis zu einem größten messbaren Sensorsignal 4-4 - beispielsweise bei einem Druck von 125 kPa, 130 kPa oder 200 kPa. Da das Sensorsignal 4 mittels einer Vorverarbeitungsvorrichtung 7 und einer A/D-Wandlereinrichtung 5 in ein digitales Signal 6 umgewandelt wird, ist der dem Messbereich 19 des analogen Sensorsignals 4-3, 4-4 auf einen gesamten Dynamikbereich 20 der A/D-Wandlereinrichtung 5 mit definierter Auflösung abgebildet. Der Dynamikbereich 20 erstreckt sich von einem unteren Ende 23, beispielsweise bei -1 V - bis zu einem oberen Ende 24 - beispielsweise bei +1 V. Die durchgezogenen Linien 21, 22 zeigen weiter, dass der gesamte Messbereich 19 auf den Dynamikbereich 20 abgebildet wird.
7 zeigt Schritte des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt im Wesentlichen Schritte des Verfahrens in der Ausführungsform der 6. Im Unterschied zu 6 ist in 7 nun ein zweiter Messbereich 25 gezeigt, der vorab definiert ist und sich von dem Messbereich 19 unterscheidet. Die Messbereiche 19, 25 überlappen sich. Mit anderen Worten liegt der zweite Messbereich 25 innerhalb des Messbereichs 19. Die Vorverarbeitungseinrichtung 7 ist derart umkonfigurierbar, dass das analoge Sensorsignal entsprechend dem jeweils aktuellen Messbereich 19, 25 vorverarbeitet wird.
Je nachdem, welchen Konfigurationsparametersatz die Vorverarbeitungseinrichtung 7 verwendet, kann entweder der Messbereich 19 oder der Messbereich 25 der geeignete aktuelle Messbereich sein. Der aktuelle Messbereich kann von einem Nutzer ausgewählt und für eine vorgebbare Dauer beibehalten werden, so dass das Umschalten zwischen den Messbereichen 19, 25 des Sensorelements vom Nutzer initiiert wird. Alternativ kann das Umschalten automatisiert werden, beispielsweise durch Schaltungsmittel, die auf der Basis des aktuellen analogen Sensorsignals 4 einen Messbereich aus der Menge der vorab definierten Messbereiche 19, 25 als geeigneten aktuellen Messbereich bestimmen können.
Wenn beispielsweise ein analoges Sensorsignal 4-5 innerhalb eines Bereichs 19-1, 19-2 des Messbereichs 19 gemessen wird, der nicht zugleich Teil des Messbereichs 25 ist, passt die Vorverarbeitungseinrichtung 7 das vorverarbeitete analoge Sensorsignal an den Messbereich 19 an, so dass der Messbereich 19 der aktuelle Messbereich ist, dargestellt anhand der durchgezogenen Linien 21, 22. Wenn jedoch ein analoges Sensorsignal 4-6 innerhalb des Messbereichs 25 gemessen wird, passt die Vorverarbeitungseinrichtung 7 das vorverarbeitete analoge Sensorsignal an den Messbereich 25 an, so dass der Messbereich 25 der aktuelle Messbereich ist, dargestellt anhand der gestrichelten Linien 26, 27. Auf diese Weise wird lediglich der Messbereich 25 auf den Dynamikbereich 20 der A/D-Wandlereinrichtung 5 mit definierter Auflösung abgebildet. Dabei ist die Auflösung innerhalb des Messbereichs 25 höher und die Messung damit insgesamt genauer.
8 zeigt Schritte des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt im Wesentlichen Schritte des Verfahrens in der Ausführungsform der 7. Im Unterschied zu 7 sind in 8 zusätzlich zu dem Messbereich 19 zwei vorab unterschiedlich definierte Messbereiche 28, 29 anstelle des Messbereichs 25 gezeigt. Die Messbereiche 28, 29 sind als Teilbereiche des bauteilbedingten Messbereichs 19 des Sensorelements definiert.
Für die Verwendung mit einem Drucksensor kann der Messbereich 28 zwischen 30 kPa und 85 kPa liegen und der Messbereich 29 kann zwischen 80 kPa und 110 kPa liegen.
Wenn ein analoges Sensorsignal 4-7 innerhalb eines Messbereichs 28 gemessen wird, passt die Vorverarbeitungseinrichtung 7 das vorverarbeitete analoge Sensorsignal 8 an den Messbereich 28 an, so dass der Messbereich 28 der aktuelle Messbereich ist, dargestellt anhand der gestrichelten Linien 30, 31. Wenn jedoch ein analoges Sensorsignal 4-8 innerhalb eines Messbereichs 29 gemessen wird, passt die Vorverarbeitungseinrichtung 7 das vorverarbeitete analoge Sensorsignal 8 an den Messbereich 29 an, so dass der Messbereich 29 der aktuelle Messbereich ist, dargestellt anhand der durchgezogenen Linien 32, 33.
Zudem überlappen sich die zwei vorab unterschiedlich definierten Messbereiche 28, 29 teilweise in dem Überlappungsbereich 34. Dies verhindert ein unnötig häufiges Umschalten zwischen dem Messbereich 28 und dem Messbereich 29, wenn das analoge Sensorsignal 4-9 im Überlappungsbereich 34 - also zwischen einer unteren Grenze 29-1 des Messbereichs 29 und einer oberen Grenze 28-2 des Messbereichs 28 - gemessen wird. Eine untere Grenze 28-1 des Messbereichs 28 und eine obere Grenze 29-2 des Messbereichs 29 entsprechen in dieser beispielhaften Ausführungsform den Grenzen des Messbereichs 19, also dem kleinsten messbaren analogen Sensorsignal 4-3 und dem größten messbaren analogen Sensorsignal 4-4.
Die den Überlappungsbereich 34 definierenden Grenzen 28-2, 29-1 der Messbereiche 28, 29 können zusätzlich mit Schwellwerten 35, 36 versehen werden. Dann kann der Signalpegel des analogen Sensorsignals 4 überwacht werden und mit den Schwellwerten 28, 29 verglichen werden.
Die Schwellwerte 35, 36 sind jeweils beiden vorab definierten Messbereichen 28, 29 zugeordnet. Das Über- bzw. Unterschreiten eines Schwellwerts 35, 36 kann einer Entscheidung darüber zugrunde gelegt werden, welcher der Messbereich 28, 29 als aktueller Messbereich ausgewählt wird.
Die Vorverarbeitungseinrichtung 7 kann das analoge Sensorsignal an den Messbereich 28 anpassen, wenn beispielsweise ein analoges Sensorsignal 4-7 in dem Messbereich 28 gemessen wird. Wenn daraufhin das analoges Sensorsignal 4-9 gemessen wird, das im Überlappungsbereich 34 der Messbereiche 28, 29 liegt, bleibt das vorverarbeitete analoge Sensorsignal 8 an den Messbereich 28 angepasst. Im Bereich des Schwellwerts 35 an der oberen Grenze 28-2 des Messbereichs 28 kann eine Messung eines analogen Sensorsignals 4-10 unter Umständen schlechtere Ergebnisse liefern als eine Messung des analogen Sensorsignals 4-10 unter Verwendung des Messbereichs 29, denn das analoge Sensorsignal 4-10 liegt oberhalb der unteren Grenze 29-1 des Messbereichs 29 und das analoge Sensorsignal 4-10 liegt nicht innerhalb des Bereichs dessen Schwellwerts 36. Wird somit das analoge Sensorsignal 4-10 im Bereich des oberen Schwellwerts 35 des Messbereichs 28 gemessen, passt die Vorverarbeitungseinrichtung 7 passt das vorverarbeitete analoge Sensorsignal 8 bereits an den Messbereich 29 an, um eine bestmögliche Messung zu gewährleisten, obwohl das analoge Sensorsignal 4-10 noch innerhalb des Messbereichs 28 liegt. Der vorab definierte Messbereich 29, der auf diese Weise als geeigneter aktueller Messbereich bestimmt worden ist, kann alternativ dem Nutzer mitgeteilt werden, so dass der Nutzer diesen Messbereich 29 als aktuellen Messbereich auswählen kann und so ggf. ein Umschalten von dem Messbereich 28 auf den Messbereich 29 initiieren kann. Alternativ kann der Messbereich 29, der als geeigneter aktueller Messbereich bestimmt worden ist, automatisch als aktueller Messbereich ausgewählt werden, so dass automatisch zwischen den Messbereichen 28, 29 des Sensorelements umgeschaltet wird. Auf dieselbe Weise kann auch zwischen drei, vier, fünf, zehn oder beliebig vielen Messbereichen in Abhängigkeit von dem analogen Sensorsignal 4 umgeschaltet werden
Bei der Entscheidung zwischen den zwei Messbereichen 28, 29 - mit anderen Worten bei der Wahl des Konfigurationsparametersatzes für die Vorverarbeitungseinrichtung 7 - können zudem eine vorgebbare Dauer und/oder eine vorgebbare Häufigkeit des Über- bzw. Unterschreitens eine Schwellwerts 35, 36 berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise wiederholt gemessen wird und das analoge Sensorsignal 4-10 in dem Bereich des Schwellwerts 35 gemessen wird, kann zunächst für eine Dauer von beispielsweise 100 ms weitergemessen werden, ohne von dem Messbereich 28 auf den Messbereich 29 zu wechseln. Erst wenn innerhalb dieser Dauer kein analoges Sensorsignal 4 wieder innerhalb des Messbereich 28 - und erforderlichenfalls unterhalb des Schwellwertbereichs 35 - gemessen wird, wird die Tendenz des analogen Sensorsignals 4 hinreichend eindeutig gewertet, und es wird auf den Messbereich 29 umgeschaltet. Alternativ oder zusätzlich kann anstelle der vorgegebenen Dauer eine vorbestimmte Anzahl von Messungen abgewartet werden, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, zehn oder beliebig vielen Messungen nach dem ein analoges Sensorsignal innerhalb des Bereichs des Schwellwerts 35 gemessen wurde.
Der Messbereich 19, die Messbereiche 25, 28 und 29, die Dauer, die Grenzen 28-1, 28-2, 29-1, 29-2 und/oder die Schwellwerte 35, 36 können manuell von einem Benutzer vorgegeben und/oder automatisch angepasst werden.
Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:

- Verbesserte Messauflösung durch Optimierung von Energieverbrauch und Rauschen.
- Transparentes Umschalten zwischen Messbereichen, manuell und/oder automatisch.
- Vermeidung von unnötig häufigem Umschalten zwischen Messbereichen.
- Höhere Linearität des Zusammenhangs zwischen Messgröße und Sensorsignal.
- Geringere Anfälligkeit für externe Versorgungsstörungen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung (1), wobei die Sensoranordnung (1) mindestens a. ein Sensorelement (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) zum Erfassen einer Messgröße (3) und zum Wandeln dieser Messgröße (3) in ein elektrisches analoges Sensorsignal (4), wobei das analoge Sensorsignal (4) innerhalb eines Wertebereichs variiert, der einem Messbereich (19) des Sensorelements (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) entspricht, b. eine A/D-Wandlereinrichtung (5) mit einem definierten Dynamikbereich (20) und einer definierten Auflösung für diesen Dynamikbereich (20), und c. eine der A/D-Wandlereinrichtung (5) vorgeschaltete Vorverarbeitungseinrichtung (7) für das analoge Sensorsignal (4), umfasst, wobei das Verfahren • vorab mindestens zwei unterschiedliche Messbereiche (19, 25, 28, 29) für das Sensorelement (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) definiert, und • ein aktueller Messbereich (19, 25, 28, 29) aus der Menge der vorab definierten Messbereiche (19, 25, 28, 29) auswählt und • die Vorverarbeitungseinrichtung (7) in Abhängigkeit vom aktuellen Messbereich (19, 25, 28, 29) konfiguriert, so dass das analoge Sensorsignal (4) entsprechend dem aktuellen Messbereich (19, 25, 28, 29) vorverarbeitet wird, und • auf der Basis des aktuellen analogen Sensorsignals (4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9, 4-10) ein Messbereich (19, 25, 28, 29) aus der Menge der vorab definierten Messbereiche (19, 25, 28, 29) als geeigneter aktueller Messbereich (19, 25, 28, 29) bestimmt, und • den Signalpegel des analogen Sensorsignals (4-7, 4-8, 4-9, 4-10) überwacht und mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert (35, 36) vergleicht, wobei der Schwellwert (35, 36) mindestens zweien der vorab definierten Messbereiche (28, 29) zugeordnet ist, und • das Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts (35, 36) einer Entscheidung zwischen diesen mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) zugrunde legt, und • bei der Entscheidung zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) eine vorgebbare Dauer und/oder eine vorgebbare Häufigkeit des Über- bzw. Unterschreitens des Schwellwerts (35, 36) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Sensorsignal (4) so vorverarbeitet wird, dass der dem aktuellen Messbereich (19, 25, 28, 29) entsprechende Wertebereich des analogen Sensorsignals (4) auf den gesamten Dynamikbereich (20) der A/D-Wandlereinrichtung (5) abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei unterschiedlichen Messbereiche (28, 29) als Teilbereiche des bauteilbedingten Messbereichs (19) des Sensorelements (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) definiert werden und dass diese unterschiedlichen Messbereiche (28, 29) so definiert werden, dass sich zumindest zwei dieser Messbereiche (28, 29) überlappen (34).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Messbereich (19, 25, 28, 29) von einem Nutzer ausgewählt wird (13) und für eine vorgebbare Dauer beibehalten wird, so dass das Umschalten zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (19, 25, 28, 29) des Sensorelements (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) vom Nutzer initiiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorab definierte Messbereich (28, 29), der als geeigneter aktueller Messbereich (28, 29) bestimmt worden ist, dem Nutzer mitgeteilt wird, so dass der Nutzer diesen Messbereich (28, 29) als aktuellen Messbereich (28, 29) auswählen kann (13) und so ggf. ein Umschalten zwischen zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) des Sensorelements (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) initiieren kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorab definierte Messbereich (28, 29), der als geeigneter aktueller Messbereich (28, 29) bestimmt worden ist, automatisch als aktueller Messbereich (28, 29) ausgewählt wird, so dass automatisch zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) des Sensorelements (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) umgeschaltet wird.
Sensoranordnung (1), derart ausgebildet, dass zum Betreiben der Sensoranordnung (1) ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt wird, wobei die Sensoranordnung (1) mindestens a. ein Sensorelement (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) zum Erfassen einer Messgröße (3) und zum Wandeln dieser Messgröße (3) in ein elektrisches analoges Sensorsignal (4), wobei das analoge Sensorsignal (4) innerhalb eines Wertebereichs variiert, der einem Messbereich (19) des Sensorelements (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) entspricht, b. eine A/D-Wandlereinrichtung (5) mit einem definierten Dynamikbereich (20) und einer definierten Auflösung für diesen Dynamikbereich (20), und c. eine der A/D-Wandlereinrichtung (5) vorgeschaltete Vorverarbeitungseinrichtung (7) für das analoge Sensorsignal (4), umfasst, wobei das Sensorelement (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) • alternativ mit einem von mindestens zwei vorab unterschiedlich definierten Messbereichen (19, 25, 28, 29) betreibbar ist und dass die Vorverarbeitungseinrichtung (7) umkonfigurierbar ist, so dass das analoge Sensorsignal (4) entsprechend dem jeweils aktuellen Messbereich (19, 25, 28, 29) vorverarbeitet wird, und • auf der Basis des aktuellen analogen Sensorsignals (4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9, 4-10) ein Messbereich (19, 25, 28, 29) aus der Menge der vorab definierten Messbereiche (19, 25, 28, 29) als geeigneter aktueller Messbereich (19, 25, 28, 29) bestimmt, und • den Signalpegel des analogen Sensorsignals (4-7, 4-8, 4-9, 4-10) überwacht und mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert (35, 36) vergleicht, wobei der Schwellwert (35, 36) mindestens zweien der vorab definierten Messbereiche (28, 29) zugeordnet ist, und • das Über- bzw. Unterschreiten des Schwellwerts (35, 36) einer Entscheidung zwischen diesen mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) zugrunde legt, und • bei der Entscheidung zwischen den mindestens zwei vorab definierten Messbereichen (28, 29) eine vorgebbare Dauer und/oder eine vorgebbare Häufigkeit des Über- bzw. Unterschreitens des Schwellwerts (35, 36) berücksichtigt.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitungseinrichtung (7) so umkonfigurierbar ist, dass durch die Vorverarbeitung des analogen Sensorsignals (4) der dem aktuellen Messbereich (19, 25, 28, 29) entsprechende Wertebereich des analogen Sensorsignals (4) auf den gesamten Dynamikbereich (20) der A/D-Wandlereinrichtung (5) abgebildet wird.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Speicher (11) für unterschiedliche Konfigurationsparametersätze (9-1 bis 9-n) der Vorverarbeitungseinrichtung (7) vorgesehen ist, wobei jeder der Konfigurationsparametersätze (9-1 bis 9-n) einem der vorab definierten Messbereiche (19, 25, 28, 29) zugeordnet ist, und dass Schaltungsmittel (10) vorgesehen sind zum Auswählen des aktuellen Messbereichs (19, 25, 28, 29) aus der Menge der vorab definierten Messbereiche (19, 25, 28, 29) und zum Umkonfigurieren der Vorverarbeitungseinrichtung (7) auf Basis des zugeordneten Konfigurationsparametersatzes (9-1 bis 9-n).
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitungseinrichtung (7) mindestens einen Vorverstärker (12) umfasst und dass die Konfigurationsparametersätze (9-1 bis 9-n) jeweils eine Verstärkungskennlinie, einen Verstärkungsfaktor und/oder einen Offset-Wert umfassen.
Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2, 2-11, 2-12, 2-22, 2-23) in Form eines MEMS-Sensorelements ausgebildet ist, insbesondere in Form eines Drucksensorelements, eines Beschleunigungssensorelements oder eines Drehratensensorelements.