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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf magnetische Winkelsensoren und genauer auf unterschiedliche magnetische Winkelsensoren, die in einen Chip integriert sind.
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HINTERGRUND
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Heutzutage weisen Fahrzeuge zahlreiche Sicherheits-, Karosserie- und Antriebsstranganwendungen auf, die auf magnetische Positions- und Winkelsensoren angewiesen sind. Ein magnetischer Winkelsensor kann verwendet werden, um eine Rotationsposition oder Bewegung einer Welle oder eines anderen rotierbaren Objekts zu detektieren. Beispielsweise können in einer elektrischen Servolenkung (EPS; Electric Power Steering) magnetische Winkelsensoren verwendet werden, um Lenkwinkel und Lenkmoment für die Lenkrad-Erfassung zu messen. Moderne Antriebsstrangsysteme können auf magnetische Winkelsensoren für Nockenwelle, Kurbelwelle und Übertragungsanwendungen angewiesen sein.
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Zusätzlich ist funktionale Sicherheit von elektronischen Systemen in automotiven Personenkraftwagen ein wichtiger Punkt im Hinblick auf eine Erhöhung der Automatisierung und des Halbleitergehaltes moderner Automobile. Es ist erwünscht, eine zuverlässige und sichere Funktionalität für die sicherheitskritischen Teile zu haben, die in dem System eingesetzt werden.
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Eine Anforderung, die häufig bei solchen sicherheitskritischen Anwendungen existiert, ist, dass Funktionsstörungen eines Sensorbauelements durch das System detektierbar sein müssen, zum Beispiel durch eine Entität, die Signale von dem Sensorbauelement empfängt. Anders ausgedrückt muss es gemäß einer solchen Anforderung möglich sein, zu detektieren, ob ein Sensorbauelement fehlerhafte Werte liefert, z. B. aufgrund eines Fehlers des Sensorbauelements. Ein Ansatz, dies sicherzustellen, ist das Bereitstellen von Redundanz, zum Beispiel das Bereitstellen von zwei separaten Sensoren zum Messen derselben physikalischen Größe. Abweichungen zwischen Messungen der zwei Sensorbauelemente über einer Schwelle können eine Funktionsstörung von zumindest einem der zwei bereitgestellten Sensoren anzeigen.
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Währenddessen sind auch die Kosten ein Faktor. Funktionale Sicherheit sollte kosteneffektiv integriert werden. Es besteht ein Wunsch, die Integrationsdichte in einem System für die Kostenreduzierung zu erhöhen. Somit kann ein Integrieren von zwei Winkelsensoren in einem einzelnen Chip zum Bereitstellen von Redundanz wünschenswert sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für einen magnetischen Winkelsensor, ein magnetisches Winkelsensorsystem und ein Verfahren zum Bestimmen eines Ausrichtungswinkels eines Magnetfeldes.
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Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand von einem oder mehreren der Ansprüche erfüllt werden.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen magnetischen Winkelsensor, umfassend einen Halbleiterchip; ein Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen, integriert mit dem Halbleiterchip und jeweils ausgebildet, um vertikale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf ein auf dieselben auftreffendes Magnetfeld zu erzeugen; ein erstes Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, integriert mit dem Halbleiterchip und jeweils ausgebildet, um erste laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; ein zweites Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, integriert mit dem Halbleiterchip und jeweils ausgebildet, um zweite laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; und eine Sensorschaltung, integriert mit dem Halbleiterchip, wobei die Sensorschaltung ausgebildet ist zum: Bestimmen eines ersten Winkelwerts, entsprechend einer Ausrichtung des Magnetfeldes, basierend auf den vertikalen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen eines zweiten Winkelwerts, entsprechend der Ausrichtung des Magnetfeldes, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen und den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen einer Fehleranzeige unter einer Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Optional ist die Sensorschaltung ausgebildet zum Bestimmen einer Differenz zwischen dem ersten Winkelwert und dem zweiten Winkelwert, Vergleichen der Differenz mit einem vorbestimmten Schwellenwert und Bestimmen, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, unter einer Bedingung, dass die Differenz den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
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Wiederum optional ist die Sensorschaltung ausgebildet zum Erzeugen eines ersten differenziellen Messsignals, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen, Erzeugen eines zweiten differenziellen Messsignals, basierend auf den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, und Bestimmen des zweiten Winkelwerts, basierend auf dem ersten differenziellen Messsignal und dem zweiten differenziellen Messsignal.
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Optional umfasst die Sensorschaltung einen Mikrocontroller, der ausgebildet ist zum Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen der Fehleranzeige unter der Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Wiederum optional ist der Mikrocontroller ausgebildet zum Bestimmen des ersten Winkelwerts und des zweiten Winkelwerts.
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Optional umfasst der Mikrocontroller einen ersten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen des ersten Winkelwerts, einen zweiten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen des zweiten Winkelwerts, und einen dritten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen der Fehleranzeige unter der Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Wiederum optional ist der erste Verarbeitungskern ausgebildet zum Implementieren einer ersten Software zum Bestimmen des ersten Winkelwerts und der zweite Verarbeitungskern ist ausgebildet ist zum Implementieren einer zweiten Software zum Bestimmen des zweiten Winkelwerts, wobei die erste Software und die zweite Software im Hinblick aufeinander unterschiedlich sind.
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Optional umfasst der magnetische Winkelsensor ferner einen ersten Spannungsregler, integriert mit dem Halbleiterchip und gekoppelt mit einem ersten Integrierte-Schaltungs- (IC) Leistungsversorgungsstift des Halbleiterchips, wobei der erste Spannungsregler ausgebildet ist zum Erzeugen einer ersten Regelspannung; einen zweiten Spannungsregler, integriert mit dem Halbleiterchip und gekoppelt mit einem zweiten IC-Leistungsversorgungsstift des Halbleiterchips, wobei der zweite Spannungsregler ausgebildet ist zum Erzeugen einer zweiten Regelspannung; eine erste Hall-Spannungsversorgung, ausgebildet zum Empfangen der ersten Regelspannung von dem ersten Spannungsregler und Bereitstellen einer ersten Vorspannung an das Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen; und eine zweite Hall-Spannungsversorgung, ausgebildet zum Empfangen der zweiten Regelspannung von dem zweiten Spannungsregler und Bereitstellen einer zweiten Vorspannung an das erste Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen und an das zweite Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen.
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Wiederum optional umfasst die Sensorschaltung einen Mikrocontroller, der ausgebildet ist zum Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen der Fehleranzeige unter der Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und ist einer aus dem ersten Spannungsregler oder dem zweiten Spannungsregler mit dem Mikrocontroller gekoppelt und ausgebildet zum Bereitstellen jeweils der ersten Regelspannung oder der zweiten Regelspannung an den Mikrocontroller.
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Optional umfasst die Sensorschaltung ferner einen ersten digitalen Koordinatenrotations-Computer (CORDIC), ausgebildet zum Erzeugen des ersten Winkelwerts, basierend auf den vertikalen Hall-Sensor-Signalen, und Bereitstellen des ersten Winkelwerts an den Mikrocontroller; und einen zweiten CORDIC, ausgebildet zum Erzeugen des zweiten Winkelwerts, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen und den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, und Bereitstellen des zweiten Winkelwerts an den Mikrocontroller, wobei der erste Spannungsregler mit dem ersten CORDIC gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Bereitstellen der ersten Regelspannung an den ersten CORDIC, und wobei der zweite Spannungsregler mit dem zweiten CORDIC gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Bereitstellen der zweiten Regelspannung an den zweiten CORDIC.
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Wiederum optional umfasst der Mikrocontroller einen ersten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen des ersten Winkelwerts, einen zweiten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen des zweiten Winkelwerts, und einen dritten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind und Erzeugen der Fehleranzeige unter der Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Optional umfasst der magnetische Winkelsensor ferner einen dritten Spannungsregler, integriert mit dem Halbleiterchip und gekoppelt mit einem dritten IC-Leistungsversorgungsstift des Halbleiterchips, wobei der dritte Spannungsregler ausgebildet ist zum Erzeugen einer dritten Regelspannung, wobei die Sensorschaltung einen Mikrocontroller umfasst, der ausgebildet ist zum Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen der Fehleranzeige unter der Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und wobei der dritte Spannungsregler mit dem Mikrocontroller gekoppelt ist und ausgebildet ist, um die dritte Regelspannung an den Mikrocontroller bereitzustellen.
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Wiederum optional umfasst der Mikrocontroller einen ersten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen des ersten Winkelwerts, einen zweiten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen des zweiten Winkelwerts, und einen dritten Verarbeitungskern, ausgebildet zum Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen der Fehleranzeige unter der Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Optional umfasst das Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen ein erstes vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer ersten Magnetfeld-Komponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine erste Richtung, und ein zweites vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer zweiten Magnetfeld-Komponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine zweite Richtung orthogonal zu der ersten Richtung, umfasst das erste Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen ein erstes laterales Hall-Sensor-Element und ein zweites laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der ersten Magnetfeld-Komponente sind, und umfasst das zweite Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen ein drittes laterales Hall-Sensor-Element und ein viertes laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der zweiten Magnetfeld-Komponente sind.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein magnetisches Winkelsensorsystem, umfassend einen Magneten, ausgebildet, um um eine Rotationsachse zu rotieren, und ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen; einen Halbleiterchip; ein Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen, integriert mit dem Halbleiterchip und jeweils ausgebildet, um vertikale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; ein erstes Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, integriert mit dem Halbleiterchip und jeweils ausgebildet, um erste laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; ein zweites Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, integriert mit dem Halbleiterchip und jeweils ausgebildet, um zweite laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; und eine Sensorschaltung, integriert mit dem Halbleiterchip, wobei die Sensorschaltung ausgebildet ist zum: Bestimmen eines ersten Winkelwerts, entsprechend einer Ausrichtung des Magnetfeldes, basierend auf den vertikalen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen eines zweiten Winkelwerts, entsprechend der Ausrichtung des Magnetfeldes, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen und den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen einer Fehleranzeige unter einer Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Optional umfasst das Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen ein erstes vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer ersten Magnetfeld-Komponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine erste Richtung, und ein zweites vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer zweiten Magnetfeld-Komponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine zweite Richtung orthogonal zu der ersten Richtung, umfasst das erste Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen ein erstes laterales Hall-Sensor-Element und ein zweites laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der ersten Magnetfeld-Komponente sind, und umfasst das zweite Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen ein drittes laterales Hall-Sensor-Element und ein viertes laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der zweiten Magnetfeld-Komponente sind.
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Wiederum optional sind das erste laterale Hall-Sensor-Element und das zweite laterale Hall-Sensor-Element äquidistant von einer Erstreckung der Rotationsachse, sind das erste laterale Hall-Sensor-Element und das zweite laterale Hall-Sensor-Element äquidistant von der Erstreckung der Rotationsachse, und sind das dritte laterale Hall-Sensor-Element und das vierte laterale Hall-Sensor-Element äquidistant von der Erstreckung der Rotationsachse.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Ausrichtungswinkels eines Magnetfeldes, das Verfahren umfassend ein Erzeugen, durch ein Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind, von vertikalen Hall-Sensor-Signalen ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld; Erzeugen, durch ein erstes Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind, von ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen, ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld; Erzeugen, durch ein zweites Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind, von zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld; Bestimmen, durch eine Sensorschaltung, die mit dem Halbleiterchip integriert ist, eines ersten Winkelwerts, entsprechend einer Ausrichtung des Magnetfeldes, basierend auf den vertikalen Hall-Sensor-Signalen; Bestimmen, durch die Sensorschaltung, eines zweiten Winkelwerts, entsprechend der Ausrichtung des Magnetfeldes, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen und den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen; Bestimmen, durch die Sensorschaltung, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind; und Erzeugen, durch die Sensorschaltung, einer Fehleranzeige, unter einer Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Optional umfasst das Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen ein erstes vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer ersten Magnetfeld-Komponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine erste Richtung, und ein zweites vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer zweiten Magnetfeld-Komponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine zweite Richtung orthogonal zu der ersten Richtung, umfasst das erste Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen ein erstes laterales Hall-Sensor-Element und ein zweites laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der ersten Magnetfeld-Komponente sind, und umfasst das zweite Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen ein drittes laterales Hall-Sensor-Element und ein viertes laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der zweiten Magnetfeld-Komponente sind.
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Wiederum optional umfasst das Verfahren ein Bereitstellen, durch einen ersten Spannungsregler, der mit dem Halbleiterchip integriert ist, einer ersten Regelspannung an eine erste Hall-Spannungsversorgung; Bereitstellen, durch die erste Hall-Spannungsversorgung, die mit dem Halbleiterchip integriert ist, einer ersten Vorspannung an das Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen durch Verwenden der ersten Regelspannung; Bereitstellen, durch einen zweiten Spannungsregler, der mit dem Halbleiterchip integriert ist, einer zweiten Regelspannung an eine zweite Hall-Spannungsversorgung; und Bereitstellen, durch die zweite Hall-Spannungsversorgung, die mit dem Halbleiterchip integriert ist, einer zweiten Vorspannung an das erste Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen und an das zweite Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen durch Verwenden der zweiten Regelspannung.
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Ausführungsbeispiele richten sich auf ein Integrieren unterschiedlicher magnetischer Winkelsensoren in einem einzelnen Chip.
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Ausführungsbeispiele stellen ferner bereit einen magnetischen Winkelsensor, der einen Halbleiterchip umfasst; ein Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind und jeweils ausgebildet sind, um vertikale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf ein auf dieselben auftreffendes Magnetfeld zu erzeugen; ein erstes Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind und jeweils ausgebildet sind, um erste laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; ein zweites Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind und jeweils ausgebildet sind, um zweite laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; und eine Sensorschaltung, die mit dem Halbleiterchip integriert ist. Die Sensorschaltung ist ausgebildet zum: Bestimmen eines ersten Winkelwerts, der einer Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, basierend auf den vertikalen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen eines zweiten Winkelwerts, der der Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen und den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen einer Fehleranzeige unter einer Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Das Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen umfasst ein erstes vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer ersten Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine erste Richtung, und ein zweites vertikales Hall-Sensor-Element, das empfindlich ist gegenüber einer zweiten Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes, ausgerichtet in eine zweite Richtung orthogonal zu der ersten Richtung. Das erste Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen umfasst ein erstes laterales Hall-Sensor-Element und ein zweites laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der ersten Magnetfeldkomponente sind. Das zweite Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen umfasst ein drittes laterales Hall-Sensor-Element und ein viertes laterales Hall-Sensor-Element, die beide empfindlich gegenüber der ersten Magnetfeldkomponente sind.
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Ausführungsbeispiele stellen ferner bereit ein magnetisches Winkelsensorsystem, das einen Magneten umfasst, der ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse zu rotieren, und ausgebildet ist zum Erzeugen eines Magnetfeldes; eines Halbleiterchips; eines Paars von vertikalen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind und jeweils ausgebildet sind, um vertikale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; eines ersten Paars von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind und jeweils ausgebildet sind, um erste laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; eines zweites Paars von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind und jeweils ausgebildet sind, um zweite laterale Hall-Sensor-Signale ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld zu erzeugen; und einer Sensorschaltung, die mit dem Halbleiterchip integriert ist. Die Sensorschaltung ist ausgebildet zum: Bestimmen eines ersten Winkelwerts, der einer Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, basierend auf den vertikalen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen eines zweiten Winkelwerts, der der Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen und den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, Bestimmen, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und Erzeugen einer Fehleranzeige unter einer Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind.
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Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zum Bestimmen eines Ausrichtungswinkels eines Magnetfeldes bereit. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen, durch ein Paar von vertikalen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind, vertikaler Hall-Sensor-Elemente ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld; Erzeugen, durch ein erstes Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind, von ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen, ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld; Erzeugen, durch ein zweites Paar von lateralen Hall-Sensor-Elementen, die mit dem Halbleiterchip integriert sind, von zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen, ansprechend auf das auf dieselben auftreffende Magnetfeld; Bestimmen, durch eine mit dem Halbleiterchip integrierte Sensorschaltung, eines ersten Winkelwerts, der einer Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, basierend auf den vertikalen Hall-Sensor-Signalen; Bestimmen, durch die Sensorschaltung, eines zweiten Winkelwerts, der der Ausrichtung des Magnetfeldes entspricht, basierend auf den ersten lateralen Hall-Sensor-Signalen und den zweiten lateralen Hall-Sensor-Signalen; Bestimmen, durch die Sensorschaltung, ob der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereiches im Hinblick aufeinander sind; und Erzeugen, durch die Sensorschaltung, einer Fehleranzeige unter einer Bedingung, dass der erste Winkelwert und der zweite Winkelwert nicht innerhalb des akzeptablen Toleranzbereiches im Hinblick aufeinander sind.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
- 1 ist ein Blockdiagramm, das einen magnetischen Winkelsensor 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellt.
- 2 ist ein Diagramm, das ein magnetisches Winkelsensorsystem 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellt; und
- 3A-3C sind schematische Diagramme, die Sensorchips, die in einem magnetischen Winkelsensorsystem verwendet werden, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend werden Details ausgeführt, um eine ausführlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsbeispiele zu geben. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht und nicht im Detail gezeigt, um das Verunklaren der Ausführungsbeispiele zu vermeiden. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben.
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Ferner werden entsprechende oder gleiche Elemente oder Elemente mit entsprechender oder gleicher Funktionalität in der nachfolgenden Beschreibung mit entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Da den entsprechenden oder funktional entsprechenden Elementen in den Figuren dieselben Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind, weggelassen werden. Somit sind Beschreibungen für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen gegenseitig austauschbar.
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Es wird darauf hingewiesen, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ etc.).
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Bei Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt sind, kann irgendeine direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. Irgendeine Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischen liegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren dazwischen liegenden Elementen sein, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information im Wesentlichen beibehalten wird. Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können auch Abänderungen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme, und das Erhalten von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine physikalische Größe, die gemessen werden soll, in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Ein Sensorbauelement, wie hierin beschrieben ist, kann ein Winkelsensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und ähnliches sein.
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Ein Magnetfeldsensor umfasst beispielsweise ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die eine oder mehrere Charakteristika eines Magnetfeldes (z. B. eine Menge an Magnetfeldflussdichte, eine Feldstärke, einen Feldwinkel, eine Feldrichtung, eine Feldausrichtung, etc.) messen. Das Magnetfeld kann durch einen Magneten, einen stromtragenden Leiter (z. B. einen Draht), die Erde oder eine andere Magnetfeldquelle erzeugt werden. Jedes Magnetfeldsensorelement ist ausgebildet, ansprechend auf ein oder mehrere Magnetfelder, die auf das Sensorelement auftreffen, ein Sensorsignal (z. B. ein Spannungssignal) zu erzeugen. Somit ist ein Sensorsignal anzeigend für die Größe und/oder die Ausrichtung des Magnetfeldes, das auf das Sensorelement auftrifft.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Sensor“ und „Erfassungselement“ in dieser Beschreibung durchgehend synonym verwendet werden können, und die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messsignal“ in dieser Beschreibung durchgehend synonym verwendet werden können.
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Magnetische Sensoren, die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen bereitgestellt sind, umfassen laterale und vertikale Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Sensoren). Ein Hall-Effekt-Sensor ist ein Wandler, der seine Ausgangsspannung (Hall-Spannung) ansprechend auf ein Magnetfeld variiert. Er basiert auf dem Hall-Effekt, der die Lorentz-Kraft nutzt. Die Lorentz-Kraft lenkt bewegliche Ladungen in der Präsenz eines Magnetfeldes ab, das senkrecht zu dem Stromfluss durch den Sensor oder die Hall-Platte ist. Dabei kann eine Hall-Platte ein dünnes Stück Halbleiter oder Metall sein. Die Ablenkung verursacht eine Ladungstrennung, die ein elektrisches Hall-Feld verursacht.
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Dieses elektrische Feld wirkt auf die Ladung in der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die Lorentz-Kraft. Beide Kräfte gleichen einander aus und schaffen eine Potentialdifferenz senkrecht zu der Richtung des Stromflusses. Die Potentialdifferenz kann als eine Hall-Spannung gemessen werden und variiert in einer linearen Beziehung mit dem Magnetfeld für kleine Werte. Hall-Effekt-Sensoren können für Näherungsschalt-, Positionierungs-, Geschwindigkeitsdetektions- und Stromerfassungsanwendungen verwendet werden.
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Ein vertikaler Hall-Sensor ist ein Magnetfeldsensor, der mit dem Hall-Element senkrecht zu der Ebene des Chips konstruiert ist (z. B. sich von einer Hauptoberfläche des Chips in den Chipkörper erstreckend). Er erfasst Magnetfelder senkrecht zu seiner definierten empfindlichen Kante (oben, rechts oder links, relativ zu der Hauptoberfläche des Chips). Dies bedeutet im Allgemeinen, dass ein vertikaler Hall-Sensor empfindlich gegenüber einer Magnetfeldkomponente ist, die sich parallel zu ihrer Oberfläche und parallel oder in der Ebene zu der Hauptoberfläche des Chips erstreckt, in den der vertikale Hall-Sensor integriert ist. Insbesondere kann ein vertikaler Hall-Sensor sich von der Hauptoberfläche in den Chip erstrecken. Die Empfindlichkeitsebene kann hierin als „Empfindlichkeitsachse“ oder „Erfassungsachse“ bezeichnet werden und jede Erfassungsachse hat eine Referenzrichtung. Für vertikale Hall-Sensor-Elemente ändern sich Spannungswerte, die durch die Sensorelemente ausgegeben werden, gemäß der Magnetfeldstärke in der Richtung seiner Erfassungsachse.
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Andererseits wird ein lateraler (planarer) Hall-Sensor mit dem Hall-Element in derselben Ebene wie die Hauptoberfläche des Chips konstruiert. Er erfasst Magnetfelder senkrecht zu seiner planaren Oberfläche. Dies bedeutet, sie sind empfindlich gegenüber Magnetfeldern vertikal, oder außerhalb der Ebene, der Hauptoberfläche des Chips. Die Empfindlichkeitsebene kann hierin als „Empfindlichkeitsachse“ oder „Erfassungsachse“ bezeichnet werden und jede Erfassungsachse hat eine Referenzrichtung. Ähnlich zu vertikalen Hall-Sensor-Elementen ändern sich Spannungswerte, die durch laterale Hall-Sensor-Elemente ausgegeben werden, gemäß der Magnetfeldstärke in der Richtung seiner Erfassungsachse.
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Eine Magnetfeldkomponente kann beispielsweise eine x-Magnetfeldkomponente (Bx), eine y-Magnetfeldkomponente (By) oder eine z-Magnetfeldkomponente (Bz) sein, wobei die Bx- und By-Feldkomponenten in einer Ebene zu dem Chip sind und Bz außerhalb einer Ebene zu dem Chip in den bereitgestellten Beispielen ist.
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Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann sowohl eine Mehrzahl von Magnetfeldwinkelsensoren als auch eine Sensorschaltung in demselben Chip untergebracht (d. h. integriert) sein. Die Sensorschaltung kann als eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Signalkonditionierungsschaltung bezeichnet werden, die ein oder mehrere Signale (d. h. Sensorsignale) von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensorelementen in der Form von Rohmessdaten empfängt und aus dem Sensorsignal ein Messsignal herleitet, das das Magnetfeld repräsentiert.
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In einigen Fällen kann ein Messsignal ein differenzielles Messsignal sein, das aus Sensorsignalen hergeleitet wird, die durch zwei Sensorelemente, die die gleiche Messachse aufweisen (z. B. zwei Sensorelemente, die empfindlich gegenüber der gleichen Magnetfeldkomponente sind), erzeugt werden, unter Verwendung einer Differentialrechnung. Ein differenzielles Messsignal stellt eine Robustheit gegenüber homogenen externen Streumagnetfeldern bereit.
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Signalkonditionierung, nach hiesigem Gebrauch, bezieht sich auf das Manipulieren eines analogen Signals auf solche Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur weiteren Verarbeitung erfüllt. Signalkonditionierung kann das Umwandeln von analog zu digital (z. B. über einen Analog-zu-Digital-Wandler), Verstärkung, Filtern, Umwandeln, Vorspannen, Bereichsanpassung, Isolation und irgendwelche anderen Prozesse umfassen, die erforderlich sind, um eine Sensorausgabe nach der Konditionierung geeignet zur Verarbeitung zu machen.
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Somit kann die Sensorschaltung einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC; analog-to-digital converter) umfassen, der das analoge Signal aus dem einen oder den mehreren Sensorelementen in ein digitales Signal umwandelt. Die Sensorschaltung kann auch einen digitalen Signalprozessor (DSP; digital signal processor) umfassen, der eine Verarbeitung an dem digitalen Signal ausführt, wie nachfolgend erörtert wird. Daher kann ein Chip, der auch als eine integrierte Schaltung (IC; integrated circuit) bezeichnet werden kann, eine Schaltung umfassen, die das Kleinsignal des einen oder der mehreren Magnetfeldsensorelemente über Signal-Verarbeitung und/oder Konditionierung konditioniert und verstärkt.
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Ein Sensorbauelement, nach hiesigem Gebrauch, kann sich auf ein Bauelement beziehen, das einen Sensor und eine Sensorschaltung umfasst, wie vorangehend beschrieben wurde. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Halbleiter-Die (z. B. Silizium-Die oder Chip) integriert sein. Somit sind der Sensor und die Sensorschaltung auf demselben Halbleiter-Die angeordnet.
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1 ist ein Blockdiagramm, das einen magnetischen Winkelsensor 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellt. Der magnetische Winkelsensor 100 umfasst die Sensorelemente X und Y, die ausgebildet sind, um, ansprechend auf ein auf dieselben auftreffendes Magnetfeld, ein Sensorsignal zu erzeugen.
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Die Sensorelemente X und Y können derart angeordnet sein, dass das Sensorelement X und das Sensorelement Y um eine vorbestimmte Distanz voneinander entfernt eingestellt sind, sodass zwei Sensorsignale erzeugt werden, die um 90° zueinander phasenverschoben sind. In diesem Fall können das X-Sensorelement und das Y-Sensorelement beide laterale Hall-Sensorelemente oder beide vertikale Hall-Sensorelemente sein, sodass das Sensorelement X ausgebildet ist, um die Sinus-Winkelkomponente (z. B. x-Komponente) des Magnetfeldes zu erfassen, und das Sensorelement Y ausgebildet ist, um die Cosinus-Winkelkomponente (z. B. y-Komponente) des Magnetfeldes zu erfassen.
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Der magnetische Winkelsensor 100 umfasst auch eine Sensorschaltung 10, die die Sensorsignale von den Sensorelementen X und Y zum Verarbeiten und zum Erzeugen eines Winkel-Ausgangssignals empfängt. Die Sensorschaltung 10 umfasst zwei Signalpfade: einen X-Signalpfad und einen Y-Signalpfad. Das Signal-X auf dem X-Signalpfad kann in einer Form einer sinusförmigen (Sinus-) Wellenform sein, die eine Winkelausrichtung des Zielobjekts repräsentiert, und das Signal-Y auf dem Y-Signalpfad kann eine ähnliche Wellenform sein, die zu dem Signal-X um 90° verschoben ist. Das heißt, das Signal-Y ist eine sinusförmige (Cosinus-) Wellenform, die eine Winkelausrichtung des Zielobjekts repräsentiert. Es wird darauf hingewiesen, dass, während die Beispiele hierin die Sinus-Wellenform als verwendet als Signal-X und die Cosinus-Wellenform als verwendet als Signal-Y beschreiben, auch das Gegenteil zutreffen kann, solange die beiden Signale um 90° zueinander phasenverschoben sind.
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Die Signalpfade X und Y können jeweils einen ADC 1x und einen ADC 1y umfassen, die das Messsignal des jeweiligen Signalpfades in ein digitales Signal zur weiteren Verarbeitung durch einen verbleibenden Abschnitt der Sensorschaltung 10 umwandeln.
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Zusätzlich können eine Temperaturkompensation (TC; temperature compensation), eine Selbstkalibrierung und ein Filterblock 2 jedes der Messsignale X und Y empfangen und eine oder mehrere Signalkonditionierungsoperationen von denselben ausführen, bevor die Messsignale X und Y an den Signalumwandlungs-Algorithmus-Block 3 ausgegeben werden.
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Der Signalumwandlungs-Algorithmus-Block 3 ist ausgebildet, um Signal-X und Signal-Y zur weiteren Verarbeitung zu empfangen. Beispielsweise kann der Signalumwandlungs-Algorithmus-Block 3 einen oder mehrere Prozessoren und/oder Logikeinheiten umfassen, die verschiedene Signalkonditionierungsfunktionen ausführen, wie beispielsweise absolute Signalumwandlung, Normalisierung, Linearisierung, Frequenzerhöhung, und so weiter. Eine oder mehrere Signalkonditionierungsfunktionen können in Kombination mit einer Nachschlagtabelle (Look-Up-Tabelle) ausgeführt werden, die in einem Speicher 4 gespeichert ist. Dem Ausgang des Signalumwandlungs-Algorithmus-Blocks 3 ist ein Winkelprotokoll-Block 5 bereitgestellt, der ausgebildet ist, um ein Winkelsignal als Ausgangssignal zu erzeugen. Jeder „Block“ kann einen oder mehrere Prozessoren zur Verarbeitung eines oder mehrerer Signale umfassen.
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2 ist ein Diagramm, das ein magnetisches Winkelsensorsystem 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellt. Das magnetische Winkelsensorsystem 200 umfasst einen Magneten 20, der ausgebildet ist, um um eine Rotationsachse 21 zu rotieren. Der Magnet 20 ist ein diametral polarisierter Magnet, der ein Magnetfeld (B-Feld) erzeugt, dessen Ausrichtung rotiert, wenn der Magnet 20 um die Rotationsachse 21 rotiert. Der Magnet kann an einer drehbaren Welle (nicht dargestellt) angeordnet sein.
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Zusätzlich umfasst das magnetische Winkelsensorsystem 200 einen Sensorchip 30, der auf der Rotationsachse 21 und in der Nähe des Magneten 20 platziert ist. Der Sensorchip 30 ist im Hinblick auf den Magneten 20 drehfest, d. h. der Chip 30 dreht sich nicht. Alternativ kann der Sensorchip 30 ausgebildet sein, um um die Rotationsachse 21 zu rotieren, während der Magnet 20 drehfest ist. In beiden Fällen wird ein rotierendes Magnetfeld auf den Chip 30 projiziert, während der Magnet 20 im Hinblick auf den Chip 30 rotiert.
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Eine Mehrzahl von Hall-Sensorelementen ist zur Winkelmessung auf dem Chip 30 integriert. Insbesondere sind vier laterale Hall-Sensorelemente 31-34 und zwei vertikale Hall-Sensorelemente 35 und 36 bereitgestellt.
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Das laterale Hall-Sensorelement 31 (d. h. L-Hall X1) ist eine laterale Hall-Platte, die empfindlich gegenüber der x-Richtung ist. Das laterale Hall-Sensorelement 32 (d. h. L-Hall X2) ist auch eine laterale Hall-Platte, die empfindlich gegenüber der x-Richtung ist. Die lateralen Hall-Sensorelemente 31 und 32 bilden ein erstes differenzielles Sensorpaar, das durch die Sensorschaltungsanordnung verwendet wird, um ein erstes differenzielles Messsignal für eine x-Magnetfeldkomponente (Bx) des Magnetfeldes (B-Feld) zu erzeugen.
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Das laterale Hall-Sensorelement 33 (d. h. L-Hall Y1) ist eine laterale Hall-Platte, die empfindlich gegenüber der y-Richtung ist. Das laterale Hall-Sensorelement 34 (d. h. L-Hall Y2) ist auch eine laterale Hall-Platte, die empfindlich gegenüber der y-Richtung ist. Die lateralen Hall-Sensorelemente 33 und 34 bilden ein zweites differenzielles Sensorpaar, das durch die Sensorschaltungsanordnung verwendet wird, um ein zweites differenzielles Messsignal für eine y-Magnetfeldkomponente (By) des Magnetfeldes (B-Feld) zu erzeugen.
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Da das erste und zweite differenzielle Messsignal um 90° zueinander verschoben sind, kann daraus eine erste Winkelmessung hergeleitet werden.
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Zusätzlich ist das vertikale Hall-Sensorelement 35 (d. h. V-Hall X) eine vertikale Hall-Platte, die empfindlich gegenüber der x-Richtung ist, und das vertikale Hall-Sensorelement 36 (d. h. V-Hall Y) ist eine vertikale Hall-Platte, die empfindlich gegenüber der y-Richtung ist. Durch die vertikalen Hall-Sensorelemente 35 und 36 erzeugte Sensorsignale sind um 90° zueinander verschoben. Somit kann eine zweite Winkelmessung daraus abgeleitet werden, die getrennt und unabhängig von der ersten Winkelmessung ist, die unter Verwendung der lateralen Hall-Sensorelemente 31-34 gemacht wird.
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Wie im Folgenden beschrieben wird, sollten die erste Winkelmessung und die zweite Winkelmessung innerhalb einer akzeptablen Toleranzspanne (z. B. innerhalb von 5% voneinander) übereinstimmen oder im Wesentlichen übereinstimmen. Andernfalls kann ein Fehler in einer oder beiden Messungen vorliegen, der durch die Sensorschaltung markiert und/oder unterschieden werden kann.
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Ferner, während die Anordnung der Sensorelemente zeigt, dass die vertikalen Hall-Sensorelemente 35 und 36 „innerhalb“ eines Umfangs der lateralen Hall-Sensorelemente 31-34 platziert oder von denselben „umgeben“ sind, ist die Anordnung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise sind die vertikalen Hall-Sensorelemente 35 und 36 „außerhalb“ eines Umfangs der lateralen Hall-Sensorelemente 31-34 platziert. Stattdessen ist es unter der Annahme, dass die Rotationsachse 21 sich durch die Mitte des Magneten 20 erstreckt, wichtig, dass die vertikalen Hall-Sensorelemente 35 und 36 äquidistant von einer Erstreckung der Rotationsachse 21 platziert sind. Ähnlich sollten die lateralen Hall-Sensorelemente 31 und 32 äquidistant von einer Erstreckung der Rotationsachse 21 im Hinblick aufeinander platziert sein und die lateralen Hall-Sensorelemente 33 und 34 sollten äquidistant von einer Erstreckung der Rotationsachse 21 im Hinblick aufeinander platziert sein.
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Da die lateralen Hall-Platten und die vertikalen Hall-Platten unterschiedlich konstruiert sind, stellt der Chip 30 eine Redundanz von zwei verschiedenen Hall-basierten Messprinzipien bereit. Hier ermöglicht ein Verwenden beider Hall-basierter Messprinzipien in einem einzelnen Chip ein Diversifizieren der magnetischen Winkelmessung, was die funktionale Sicherheit erhöht. Die folgenden Figuren stellen dar, wie die verschiedenen Hall-Platten architektonisch in einen Chip-Entwurf integriert werden können.
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3A-3C sind schematische Diagramme, die Sensorchips darstellen, die in einem magnetischen Winkelsensorsystem verwendet werden, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Insbesondere sind die in den 3A-3C gezeigten Sensorchips schematische Variationen des Sensorchips 30, der in 2 gezeigt ist, während immer noch die spezifischen Platzierungsbeschränkungen der Hall-Platten 31-36 auf dem Chip 30 verwendet werden, wie in Bezug auf 2 beschrieben ist. Das heißt, 2 zeigt die Anordnung auf dem Chip 30, während 3A-3C verschiedene schematische Anordnungen zeigen.
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3A ist ein schematisches Diagramm des Sensorchips 30a, der die Hall-Sensorelemente 31-36 umfasst, die in zwei Sätze von Hall-Elementen aufgeteilt sind, wobei ein Satz den lateralen Hall-Sensorelementen 31-34 und der andere Satz den vertikalen Hall-Sensorelementen 35 und 36 entspricht.
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Der Chip 30a umfasst drei IC-Leistungsversorgungsstifte 41-43, die ausgebildet sind, um mit einer Spannungsversorgung gekoppelt zu sein. Zusätzlich umfasst der Chip 30a drei Spannungsregler 44-46 (d. h. Vreg, Vreg-V und Vreg-L), die jeweils mit einem jeweiligen IC-Leistungsversorgungsstift 41-43 gekoppelt sind.
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Der Chip 30a umfasst ferner eine Hall-Spannungsversorgung 47 und 48 für jeden Satz von Hall-Elementen, einen Multiplexer (MUX) 51 und 52 für jeden Satz von Hall-Elementen, einen ADC 53 und 54 für jeden Satz von Hall-Elementen und einen Mikrocontroller (MCU) 50.
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Jeder Spannungsregler 44-46 ist ausgebildet, um eine Spannung von seinem IC-Leistungsversorgungsstift zu empfangen und eine Regelspannung zu erzeugen, die an weitere Chip-Komponenten geliefert werden soll. Zum Beispiel stellt der Spannungsregler 44 eine Regelspannung an den MCU 50 bereit. Der Spannungsregler 45 stellt eine Regelspannung an die Hall-Spannungsversorgung (d. h. V-Vorspannung) 47, den MUX 51 und den ADC 53 bereit. Der Spannungsregler 46 stellt eine Regelspannung an die Hall-Spannungsversorgung (d. h. L-Vorspannung) 48, den MUX 52 und den ADC 54 bereit. Somit werden drei voneinander unabhängige Regelspannungen durch die Spannungsregler 44-46 geliefert. Verschiedene Spannungsregler werden verwendet, um die Hall-Platten-Vorspannung der verschiedenen Arten von Hall-Platten zu trennen. Somit erhöht eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsregler den Grad der funktionalen Sicherheit des Chips 30a.
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Die Hall-Spannungsversorgungen 47 und 48 sind ausgebildet, um eine Gleichspannung an jedes ihrer jeweiligen Hall-Sensorelemente zu liefern. Die gelieferte Gleichspannung erzeugt einen Strom, der durch jedes Sensorelement fließt und schließlich zu einer Hall-Spannung führt, die repräsentativ für eine Magnetfeldstärke des in der Erfassungsrichtung detektierten Magnetfeldes ist. Somit liefert die Hall-Spannungsversorgung 47 eine Vorspannung V-Vorspannung an die vertikalen Hall-Sensorelemente 35 und 36, während die Hall-Spannungsversorgung 48 eine Vorspannung L-Vorspannung an die lateralen Hall-Sensorelemente 31-34 liefert.
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Der Multiplexer 51 ist ausgebildet, um die Sensorsignale von den vertikalen Hall-Sensorelementen 35 und 36 zu empfangen und die Sensorsignale schaltbar an den ADC 53 auszugeben, der wiederum die Sensorsignale von analog nach digital wandelt. Die digitalen Signale 511 werden dann an den MCU 50 bereitgestellt. Alternativ könnte der MUX 51 entfernt werden und zwei ADCs, die jeweils zweckgebunden für eines der vertikalen Hall-Sensorelemente 35 und 36 sind, könnten bereitgestellt werden.
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Der Multiplexer 52 ist ausgebildet, um die Sensorsignale von den lateralen Hall-Sensorelementen 31-34 zu empfangen und die Sensorsignale schaltbar an den ADC 54 auszugeben, der wiederum die Sensorsignale von analog nach digital wandelt. Die digitalen Signale werden dann an den MCU 50 bereitgestellt. Alternativ könnte der MUX 52 entfernt werden und vier ADCs, die jeweils zweckgebunden für eines der lateralen Hall-Sensorelemente 31-34 sind, könnten bereitgestellt werden.
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Der MCU 50 umfasst einen ersten Winkelmesskern 55, einen zweiten Winkelmesskern 56 und einen Hauptverarbeitungskern 57. Der erste Winkelmesskern 55 ist ausgebildet, um digitale Sensorsignale von dem ADC 53 zu empfangen, die von den vertikalen Hall-Sensorelementen 35 und 36 hergeleitet sind, und der zweite Winkelmesskern 56 ist ausgebildet, um digitale Sensorsignale von dem ADC 54 zu empfangen, die von den lateralen Hall-Sensorelementen 31-34 hergeleitet sind. Jeder Winkelmesskern 55 und 56 umfasst eine Verarbeitungsschaltungsanordnung und Software (z. B. Software 1 oder Software 2) zum Ausführen der Winkelmessungen zum Berechnen von Winkelwerten, basierend auf den empfangenen digitalen Sensorsignalen. Speziell umfasst jeder Kern 55 und 56 seinen eigenen Satz von Verarbeitungsblöcken 2-5, die in 1 gezeigt sind. Somit führt jeder Kern 55 und 56 unter Verwendung seiner jeweiligen Blöcke 2-5 und Software Temperaturkompensation (TC), Selbstkalibrierung, Filterung und Winkelberechnungen aus und gibt die Winkelwerte an den Hauptverarbeitungskern 57 aus. Zusätzlich führt der Kern 56 Differentialrechnung zum Herleiten der differenziellen Messsignale aus.
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Um eine zusätzliche Diversitätsschicht hinzuzufügen, können die Software 1 und die Software 2 unterschiedlich voneinander sein. Das heißt, die Algorithmen, die in Software 1 und Software 2 zum Herleiten der Winkelwerte verwendet werden, können unterschiedlich sein, sodass die zwei Kerne 55 und 56 weniger wahrscheinlich anfällig für die gleiche Fehlerart sind.
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Der Hauptverarbeitungskern 57 ist ausgebildet, um die Winkelwerte von dem ersten Kern 55 und die Winkelwerte von dem zweiten Kern 56 zu empfangen und die zwei Sätze von Winkelwerten zu vergleichen, um zu überprüfen, ob sie innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind. Beispielsweise kann der Hauptverarbeitungskern 57 bestimmen, ob eine Differenz zwischen einem ersten Winkelwert von dem ersten Kern 55 und einem zweiten Winkelwert von dem zweiten Kern 56 geringer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Wenn dies der Fall ist, kann der Hauptverarbeitungskern 57 bestimmen, dass kein Fehler vorliegt und kein Fehlerindikator erzeugt wird. Wenn die bestimmte Differenz jedoch den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, kann der Hauptverarbeitungskern 57 bestimmen, dass ein Fehler vorliegt und dass ein möglicher Ausfall in einem der Sätze von Hall-Elementen vorliegt (d. h. in einem der lateralen Hall-Sätze der vertikalen Hall-Sätze). In diesem Fall erzeugt der Hauptverarbeitungskern 57 einen Fehlerindikator und gibt den Fehlerindikator über einen Ausgangsstift 58 aus.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Hauptverarbeitungskern 57 den Fehler diagnostizieren. Der Hauptverarbeitungskern 57 kann bestimmen, welcher Sensorpfad (d. h. der laterale Hall-Sensorpfad oder der vertikale Hall-Sensorpfad) fehlerhaft ist, und den fehlerhaften Sensorpfad deaktivieren oder ignorieren. Der Hauptverarbeitungskern 57 kann Informationen ausgeben, die den Ursprung des Fehlers über den Ausgangsstift 58 spezifizieren.
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3B ist ein schematisches Diagramm des Sensorchips 30b, der die Hall-Sensorelemente 31-36 umfasst, die in zwei Sätze von Hall-Elementen aufgeteilt sind, wobei ein Satz den lateralen Hall-Sensorelementen 31-34 entspricht und der andere Satz den vertikalen Hall-Sensorelementen 35 und 36 entspricht. Aspekte des Sensorchips 30b, der dem Sensorchip 30a ähnlich ist, werden der Kürze halber nicht wiederholt.
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Der Chip 30b umfasst zwei IC-Leistungsversorgungsstifte 42 und 43, die ausgebildet sind, um mit einer Spannungsversorgung gekoppelt zu sein. Zusätzlich umfasst der Chip 30b zwei Spannungsregler 45 und 46 (d. h. Vreg-V und Vreg-L), die jeweils mit einem jeweiligen IC-Leistungsversorgungsstift 42 und 43 gekoppelt sind. Somit ist der Chip 30b dem Chip 30a ähnlich, außer dass Stift 41 und Spannungsregler 44 entfernt wurden. Stattdessen liefert ein Spannungsregler Leistung sowohl an einen Satz von Hall-Elementen als auch an den MCU 50, und der andere Spannungsregler liefert Leistung an den anderen Satz von Hall-Elementen. Während gezeigt ist, dass der erste Spannungsregler 45 Leistung an den vertikalen Hall-Satz und den MCU 50 liefert, könnte es sein, dass der zweite Spannungsregler 46 stattdessen an den lateralen Hall-Satz und den MCU 50 liefert. Damit würde der erste Spannungsregler 45 nur noch Leistung an den vertikalen Hall-Satz und seine jeweiligen Komponenten liefern.
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Zusätzlich umfasst der MCU 50 keine separaten Kerne zum Ausführen der Winkelmessungen. Stattdessen können separate Winkelmessungen extern zu dem MCU 50 durch einen separaten Koordinatenrotations-Computer (CORDIC; COordinate Rotation DIgital Computer) ausgeführt werden, der auf jedem Sensorpfad bereitgestellt wird. Genauer gesagt ist ein CORDIC 61 zwischen dem ADC 53 und dem MCU 50 gekoppelt und empfängt digitale Sensorsignale von dem ADC 53, führt Arctan-Berechnungen, basierend auf den empfangenen digitalen Sensorsignalen aus und gibt einen Winkelwert an den MCU 50 aus. In ähnlicher Weise ist ein CORDIC 62 zwischen den ADC 54 und den MCU 50 gekoppelt und empfängt digitale Sensorsignale von dem ADC 54, führt Arctan-Berechnungen, basierend auf den empfangenen digitalen Sensorsignalen aus und gibt einen Winkelwert an den MCU 50 aus.
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Der Hauptverarbeitungskern 57 ist wiederum ausgebildet, um die Winkelwerte von dem CORDIC 61 und dem CORDIC 62 zu empfangen, die zwei Sätze von Winkelwerten zu vergleichen, um zu prüfen, ob sie innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und weitere Handlungen auszuführen, wie vorangehend beschrieben.
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Der durch den Chip 30b bereitgestellte Entwurf ist weniger divers und stellt somit im Vergleich zu Chip 30a weniger funktionale Sicherheit bereit. Der Entwurf führt jedoch zu geringerer Komplexität und Kosten.
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3C ist ein schematisches Diagramm des Sensorchips 30c, der die Hall-Sensorelemente 31-36 umfasst, die in zwei Sätze von Hall-Elementen aufgeteilt sind, wobei ein Satz den lateralen Hall-Sensorelementen 31-34 entspricht und der andere Satz den vertikalen Hall-Sensorelementen 35 und 36 entspricht. Aspekte des Sensorchips 30c, der den Sensorchips 30a und 30b ähnlich ist, werden der Kürze halber nicht wiederholt.
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Der Chip 30c umfasst zwei IC-Leistungsversorgungsstifte 42 und 43, die ausgebildet sind, um mit einer Spannungsversorgung gekoppelt zu sein. Zusätzlich umfasst der Chip 30c zwei Spannungsregler 45 und 46 (d. h. Vreg-V und Vreg-L), die jeweils mit einem jeweiligen IC-Leistungsversorgungsstift 42 und 43 gekoppelt sind. Somit ist der Chip 30c dem Chip 30b ähnlich, außer dass der Spannungsregler 46 nur für das Liefern von Leistung an eine Komponente (d. h. die Hall-Spannungsversorgung 48) verantwortlich ist.
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Zusätzlich umfasst der Chip 30c keine Multiplexer. Stattdessen ist ein ADC-Block 70 bereitgestellt, der dedizierte ADCs für jedes Hall-Sensorelement 31-36 umfasst. Somit umfasst der ADC-Block 70 sechs ADCs, die ausgebildet sind, um die analogen Sensorsignale in digitale Sensorsignale umzuwandeln und die digitalen Sensorsignale an den Hauptverarbeitungskern 57 des MCU 50 bereitzustellen.
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Der MCU 50 umfasst keine separaten Kerne zum Ausführen der Winkelmessungen. Stattdessen führt der Hauptverarbeitungskern 57 die Winkelmessung für die vertikalen Hall-Sätze und für die lateralen Hall-Sätze aus, vergleicht die zwei Sätze von Winkelwerten, um zu prüfen, ob sie innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs im Hinblick aufeinander sind, und führt weitere Handlungen aus, wie vorangehend beschrieben.
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Der durch den Chip 30c bereitgestellte Entwurf ist weniger divers und stellt somit im Vergleich zu den Chips 30a und 30b weniger funktionale Sicherheit bereit. Der Entwurf führt jedoch zu geringerer Komplexität und Kosten. Jeder Chip 30a-30c stellt eine Redundanz von zwei verschiedenen Hall-basierten Messprinzipien bereit. Hier ermöglicht ein Verwenden beider Hall-basierter Messprinzipien in einem einzelnen Chip ein Diversifizieren der magnetischen Winkelmessung, was die funktionale Sicherheit erhöht. Zusätzlich verwenden die Chips 30a-30c unterschiedliche Spannungsregler zum Trennen der Hall-Platten-Vorspannung der verschiedenen Arten von Hall-Platten. Somit erhöht eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsregler den Grad der funktionalen Sicherheit der Chips. Der Grad der funktionalen Sicherheit kann von dem Chip 30c zu dem Chip 30b zu dem Chip 30a weiter erhöht werden, indem zusätzliche Schichten der Diversität und Redundanz hinzugefügt werden.
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Während die obigen Ausführungsbeispiele in dem Kontext des Detektierens eines Wellenwinkels beschrieben sind, kann der Sensor verwendet werden, um den Winkel von irgendeinem rotierenden Bauglied oder Objekt zu detektieren, das sinusförmige Variationen bei einem Magnetfeld erzeugt, wenn es rotiert, und das durch einen Sensor erfasst werden kann.
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Ferner, während verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, ist es für Durchschnittsfachleute offensichtlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung möglich sind. Dementsprechend soll die Erfindung nicht eingeschränkt sein, außer im Hinblick auf die angehängten Ansprüche und ihre Entsprechungen. Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen ausgeführt werden (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) sollen die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, außer anderweitig angegeben, irgendeiner Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z. B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie strukturell nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion bei den hierin dargestellten exemplarischen Implementierungen der Erfindung ausführt.
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Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
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Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass in der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
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Ferner versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte umfassen oder in mehrere Teilschritte aufgeteilt sein. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
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Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können zumindest teilweise implementiert werden in Hardware, Software, Firmware oder irgendeiner Kombination derselben. Beispielsweise können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken implementiert werden innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren, umfassend einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren (DSPs; digital signal processors), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC; application specific integrated circuit), oder irgendeine andere äquivalente integrierte oder diskrete logische Schaltungsanordnung, sowie irgendeine Kombination solcher Komponenten. Das Wort „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltungsanordnung“ kann sich im Allgemeinen auf irgendeine Art der vorhergehend beschriebenen logischen Schaltungsanordnung beziehen, entweder allein oder in Kombination mit einer anderen logischen Schaltungsanordnung oder irgendeiner anderen äquivalenten Schaltungsanordnung. Eine Steuereinheit, die Hardware umfasst, kann auch eine oder mehrere der Techniken aus dieser Offenbarung ausführen. Solche Hardware, Software und Firmware kann innerhalb der gleichen Vorrichtung implementiert sein, oder innerhalb separater Vorrichtungen, um die verschiedenen Techniken zu unterstützen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind.
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Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, die einige der Vorteile der hierin offenbarten Konzepte erreichen werden, ohne von dem Wesen und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet ist es offensichtlich, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, passend eingesetzt werden können. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die Bezug nehmend auf eine spezielle Figur beschrieben werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in denen, die nicht explizit erwähnt werden. Solche Modifikationen des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts sollen von den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten abgedeckt sein.
