DE102020211294A1

DE102020211294A1 - Sensorsystem, umfassend ein mikromechanisches Gyroskop, Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems

Info

Publication number: DE102020211294A1
Application number: DE102020211294.0A
Authority: DE
Inventors: Alexandru Negut; Andrea Visconti; Francesco DIAZZI
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2022-03-10

Abstract

Es wird ein Sensorsystem , umfassend ein mikromechanisches Gyroskop mit einer zu einer Schwingung anregbaren Masse, beansprucht
-- wobei das Sensorsystem eine Antriebsschaltung zum Antrieb der Masse umfasst, wobei die Antriebsschaltung eine Phasenregelschleife umfasst,
-- wobei das Sensorsystem eine analoge Erfassungsschaltung zur Erfassung eines Ausgabesignals des Gyroskops aufweist, wobei das Ausgabesignal des Gyroskops ein Nutzsignal und ein zum Nutzsignal phasenverschobenes Quadratursignal umfasst, wobei die analoge Erfassungsschaltung eine Demodulationsvorrichtung zum Extrahieren des Nutzsignals und des Quadratursignals aus dem Ausgabesignal umfasst, dadurch gekennzeichnet,
-- dass Schaltungsmittel zur Erzeugung eines sinusförmigen Oszillatorsignals vorgesehen sind, wobei die Schaltungsmittel so konfiguriert sind, dass Frequenz und Phase des sinusförmigen Oszillatorsignals durch die Phasenregelschleife der Antriebsschaltung vorgegeben werden, und
-- dass die Demodulationsvorrichtung so konfiguriert ist, dass das Extrahieren des Nutzsignals und des Quadratursignals aus dem Ausgabesignal mithilfe des sinusförmigen Oszillatorsignals erfolgt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem, umfassend ein mikromechanisches Gyroskop mit einer zu einer Schwingung anregbaren Masse, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mikromechanische Gyroskope sind allgemein bekannt und werden zur Messung von Drehraten in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen verwendet. Beispielsweise können sie als Teil von Nutzergeräten im Zusammenhang mit Indoor-Navigation, Augmented Reality oder in neuartigen Produkten wie Drohnen Anwendung finden.
In diversen Applikationen kann eine Umgebung, innerhalb derer das Gyroskop verwendet wird, anfällig für Vibrationen sein. Solche Vibrationen können beispielsweise von mechanischen Motoren, Lautsprechern, oder Kondensatoren hoher Dichte in mehrphasigen Stromrichtern herrühren.
Es ist daher wichtig, dass Gyroskope eine hohe Zurückweisung von externen Vibrationen aufweisen, um eine hohe Messqualität zu erreichen. Zur Erzielung einer solchen Zurückweisung von externen Vibrationen wird häufig die mechanische Struktur des Gyroskops angepasst. So ist es beispielsweise möglich, symmetrische Doppelmassestrukturen zu nutzen, die intrinsisch eine höhere Robustheit gegenüber Vibrationen aufweisen, oder die Steifigkeit der Struktur entlang der Vibrationsachse zu erhöhen.
Dennoch bleibt typischerweise ein störendes durch Vibrationen generiertes Restsignal am Eingang der elektronischen Erfassungsschaltung bzw. Ausleseschaltung bestehen. Das Signal kann dabei teilweise um ein Vielfaches über den gewünschten Signalen liegen. Selbst wenn ein solches störendes Signal außerhalb der Signal-Brandreite liegt, kann es die Messqualität nachteilig beeinflussen. Hierbei kommen insbesondere die folgenden Probleme bzw. Mechanismen infrage:
Da das Signal des Gyroskops typischerweise moduliert ist, kann es bei der Demodulation passieren, dass ein außerhalb des Bandes auftretendes Störsignal in die Signalbandbreite eingemischt wird. Der gleiche Effekt kann auch durch das Sampling, das innerhalb der Analog-zu-Digital Wandlung passiert, entstehen. Für sehr hohe Vibrationen, kann das Störsignal ferner zu einer Sättigung der elektronischen Erfassungsschaltung führen, was einen Verlust der Signalintegrität zur Folge hat.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem, umfassend ein Gyroskop bereitzustellen, mit dessen Hilfe negative Einflüsse von Vibrationen verringert werden können, vorzugsweise energie- und/oder kosteneffizient.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine robuste analoge Demodulation implementiert werden kann, die ein Einmischen bzw. Eintragen von Störsignalen in das Basisband der demodulierten Signale verhindert. Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, dass eine Tiefpassfilterung nach der Demodulation effektiver wird, da höhere Harmonische und Störsignale besser unterdrückt werden können. Entsprechend ist es erfindungsgemäß möglich, dass durch Vibrationen bedingte Störungen am analogen Front-End Ausgang der Erfassungsschaltung erheblich reduziert werden können, was wiederum das Risiko eines Eintragens von Störsignalen beim Sampling der Analog-Digital-Wandlung (ADC) reduziert.
Erfindungsgemäß kann ferner in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass es bei hohen Vibrationen zu einer Sättigung in der Erfassungsschaltung kommt.
Gegenüber einer Demodulation mithilfe eines sinusförmigen Signals in der digitalen Erfassungsschaltung (nach der Analog-Digital-Wandlung) ergibt sich erfindungsgemäß insbesondere auch der Vorteil, dass erfindungsgemäß kein besonders hoch-frequenter Clock für die Digitalisierung verwendet werden muss, um ein Einfalten/Eintragen von Störungen durch das Sampling der Analog-Digital-Wandlung zu verhindern. Somit ergibt sich erfindungsgemäß eine besonders vorteilhafte Energieeffizienz und ein vergleichsweise geringer Stromverbrauch.
Dadurch, dass es erfindungsgemäß möglich ist, dass mithilfe der Demodulationsvorrichtung im analogen Teil der Erfassungsschaltung ein Extrahieren des Nutzsignals und des Quadratursignals aus dem Ausgabesignal mithilfe des sinusförmigen Oszillatorsignals erfolgt, kann somit insgesamt die Robustheit gegenüber parasitären Vibrationen auf effiziente Weise verbessert werden und insbesondere ein Einmischen/Einfalten von out-of-band Störsignalen in ein Basisband unterbunden werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Phasenregelschleife zur Erzeugung und zur Ausgabe eines Rechtecksignals konfiguriert ist, und dass die Schaltungsmittel zur Erzeugung eines sinusförmigen Oszillatorsignals der Phasenregelschleife nachgeschaltet sind, so dass das sinusförmige Oszillatorsignal aus dem Rechtecksignal erzeugt wird, ist es vorteilhafterweise möglich, dass eine typische Phasenregelschleife verwendet werden kann, die ein Rechtecksignal ausgibt. Durch die Schaltmittel zur Erzeugung eines sinusförmigen Oszillatorsignals kann aus dem Rechtecksignal das sinusförmige Oszillatorsignal erzeugt werden, wodurch die vorteilhafte Extrahierung des Nutzsignals und des Quadratursignals mithilfe der Demodulationsvorrichtung erreichbar ist.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schaltungsmittel zur Erzeugung des sinusförmigen Oszillatorsignals eine Dreiecksignal-Schaltung und eine Sinusformer-Schaltung umfassen,

-- wobei die Dreiecksignal-Schaltung derart konfiguriert ist, dass mithilfe der Dreiecksignal-Schaltung aus dem Rechtecksignal ein Dreiecksignal erzeugt wird,
-- wobei die Sinusformer-Schaltung derart konfiguriert ist, dass mithilfe der Sinusformer-Schaltung aus dem Dreiecksignal das sinusförmige Oszillatorsignal erzeugt wird, ist es möglich, eine hochwertige und effiziente Erzeugung des sinusförmigen Oszillatorsignals bereitzustellen. Die hohe Qualität des sinusförmigen Oszillatorsignals kann sich besonders vorteilhaft auf die Unterdrückung des Eintragens von out-of-band Störsignalen in das Basisband auswirken.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Phasenregelschleife zur Ausgabe eines sinusförmigen Oszillatorsignals konfiguriert ist, ist es möglich, eine Phasenregelschleife zu verwenden, die bereits selbst ein sinusförmiges Signal ausgibt.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Phasenregelschleife zur Ausgabe des sinusförmigen Oszillatorsignals Schaltungsmittel zum Erzeugen eines Dreiecksignals und eine Sinusformer-Schaltung aufweist,

-- wobei die Sinusformer-Schaltung derart konfiguriert ist, dass mithilfe der Sinusformer-Schaltung aus dem Dreiecksignal das sinusförmige Oszillatorsignal erzeugt wird, ist es möglich, die Sinusformer-Schaltung zur Erzeugung des sinusförmigen Oszillatorsignals vorteilhafterweise in die Phasenregelschleife zu integrieren, so dass die Phasenregelschleife ein sinusförmiges Oszillatorsignal ausgibt.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schaltungsmittel einen Signal-Teiler umfassen, der aus dem sinusförmigen Oszillatorsignal ein erstes sinusförmiges Demodulationssignal für die Extraktion des Nutzsignals und ein entsprechend phasenverschobenes zweites sinusförmiges Demodulationssignal für die Extraktion des Quadratursignals erzeugt, ist es möglich, entsprechende sinusförmige Demodulationssignale zu erzeugen, die der Demodulationsvorrichtung zum Extrahieren des Nutzsignals und des Quadratursignals bereitgestellt werden. Insbesondere ist das erste sinusförmige Demodulationssignal um 90° phasenverschoben zum zweiten sinusförmigen Demodulationssignal. Insbesondere ist das erste sinusförmige Demodulationssignal um 90° phasenverschoben zum Antriebssignal und das zweite sinusförmige Demodulationssignal mit dem Antriebssignal in Phase.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Demodulationsvorrichtung einen ersten analogen Multiplizierer und einen zweiten analogen Multiplizierer umfasst, wobei die Demodulationsvorrichtung derart konfiguriert ist, dass das Nutzsignal mithilfe des ersten analogen Multiplizierers und des ersten sinusförmigen Demodulationssignals demoduliert wird und dass das Quadratursignal mithilfe des zweiten analogen Multiplizierers und des zweiten sinusförmigen Demodulationssignal demoduliert wird, ist eine vorteilhafte Demodulation im analogen Teil der Erfassungsschaltung möglich, insbesondere vor einer Analog-zu-Digital Wandlung der Signale.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die analoge Erfassungsschaltung einen ersten Tiefpassfilter und einen zweiten Tiefpassfilter umfasst, wobei der erste Tiefpassfilter zur Filterung des demodulierten Nutzsignals konfiguriert ist, wobei der zweite Tiefpassfilter zur Filterung des demodulierten Quadratursignals konfiguriert ist, ist es möglich, nach der Demodulation vorhandene hochfrequente Anteile vor der Digitalisierung herauszufiltern.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Sensorsystem einen ersten Analog-Digital-Wandler und einen zweiten Analog-Digital-Wandler umfasst, wobei der erste Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung des gefilterten demodulierten Nutzsignals konfiguriert ist, wobei der zweite Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung des gefilterten demodulierten Quadratursignals konfiguriert ist, ist es möglich, das Nutzsignal und das Quadratursignal zu digitalisieren und einer digitalen Erfassungsschaltung bereitzustellen nachdem bereits eine Demodulation mithilfe der sinusförmigen Demodulationssignale erfolgt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Demodulationsvorrichtung derart konfiguriert ist, dass mithilfe des ersten sinusförmigen Demodulationssignals und/oder des zweiten sinusförmigen Demodulationssignals ein Eintragen oder Einmischen eines in dem Ausgabesignal vorhandenen Störsignals in ein Basisband des Nutzsignals und/oder des Quadratursignals unterbunden wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems, umfassend ein mikromechanisches Gyroskop mit einer zu einer Schwingung anregbaren Masse,

-- wobei das Sensorsystem eine Antriebsschaltung mit einer Phasenregelschleife umfasst, wobei die Masse mithilfe der Antriebsschaltung zu einer Schwingung angetrieben wird,
-- wobei das Sensorsystem eine analoge Erfassungsschaltung zur Erfassung eines Ausgabesignals des Gyroskops aufweist, wobei das Ausgabesignal des Gyroskops ein Nutzsignal und ein zum Nutzsignal phasenverschobenes Quadratursignal umfasst, wobei die analoge Erfassungsschaltung eine Demodulationsvorrichtung zum Extrahieren des Nutzsignals und des Quadratursignals aus dem Ausgabesignal umfasst, dadurch gekennzeichnet,
-- dass ein sinusförmiges Oszillatorsignal erzeugt wird, dessen Frequenz und Phase durch die Phasenregelschleife der Antriebsschaltung vorgegeben werden, und
-- dass das Nutzsignal und das Quadratursignal mithilfe des sinusförmigen Oszillatorsignals aus dem Ausgabesignal extrahiert werden.

Für das Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems können dabei die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems beschrieben worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß dem Stand der Technik;
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Demodulation unter Verwendung eines Rechtecksignals;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Demodulation unter Verwendung eines sinusförmigen Oszillatorsignals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Das in 1 dargestellte Sensorsystems 1 gemäß dem Stand der Technik umfasst ein Gyroskop 2 mit einer schwingenden Masse 3. Das Gyroskop 2 weist Antriebsmittel 4 auf. Die Masse 3 des Gyroskops wird über die Antriebsmittel und mithilfe einer Antriebsschaltung zu einer Schwingung angetrieben. Die Antriebsschaltung umfasst hierfür eine Schaltung 18 zur Erzeugung eines lokalen Oszillators, umfassend eine Phasenregelschleife 11, sowie eine Amplitudenregulierung 17 zur Regelung einer Schwingungsamplitude der schwingenden Masse 3 und einen C/V-Converter 8.
Mithilfe des Gyroskops 2 kann ein Signal für eine Detektionsachse 5 erfasst werden. Das Gyroskop 2 kann jedoch auch als mehrachsiges Gyroskop ausgebildet sein. Entsprechend können beispielsweise drei Detektionsachsen 5, 6, 7 vorgesehen sein.
Das Sensorsystem umfasst eine analoge Erfassungsschaltung 20, die mit der Antriebsschaltung und der Masse 3 gekoppelt ist. Die analoge Erfassungsschaltung 20 umfasst einen C/V-Converter 9, mit dessen Hilfe ein Ausgabesignals des Gyroskops 2, für die analoge Erfassungsschaltung 20 bereitgestellt wird. das Ausgabesignal 100 des Gyroskops 2 umfasst ein Nutzsignal und ein zum Nutzsignal phasenverschobenes Quadratursignal. Zur Extrahierung des Nutzsignals und des Quadratursignals bzw. zur Demodulation umfasst die analoge Erfassungsschaltung 20 eine Demodulationsvorrichtung 30 mit zwei analogen Multiplizieren 31, 32. Für die Demodulation wird dabei in der Demodulationsvorrichtung 30 ein Rechtecksignal verwendet, das von der Phasenregelschleife 11 ausgegeben wird. Für die Demodulation des Quadratursignals wird das von der Phasenregelschleife ausgegeben Rechtecksignal hierfür vorher um 90° phasenverschoben. Nach der Demodulation kommen für die beiden Signale jeweils Tiefpassfilter 26, 27 zur Anwendung, um Anteile außerhalb der Basisbänder herauszufiltern, bevor eine Digitalisierung der Signale mithilfe von zwei Analog-Digital-Wandlern 28, 29 durchgeführt wird. Die so digitalisierten Signale werden einer digitalen Auswerte- bzw. Verarbeitungsschaltung 40 bereitgestellt. In diesem System kann ein durch Vibrationen erzeugtes Störsignal des Gyroskops durch die Schaltungen propagieren. Dies kann selbst dann passieren, wenn das Störsignal oberhalb der Grenzfrequenz der Tiefpassfilter 26, 27 liegt, wie in 2 näher erläutert.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Demodulation unter Verwendung eines Rechtecksignals als Demodulationssignal gezeigt.
Im oberen Teil der 2 ist das Eingangssignal der Demodulationsvorrichtung dargestellt, wobei die Frequenzanteile des Eingangssignals 300, 301 gegen die Frequenz f aufgetragen sind. Das Eingangssignal 300, 301 umfasst neben dem modulierten Messsignal 300 des mikroelektromechanischen Systems (MEMS), welches im Bereich um die Grundfrequenz f₀ des rechteckigen lokalen Oszillatorsignals 302 liegt, ferner ein hochfrequentes durch Vibrationen verursachtes Störsignal 301, welches eine Frequenz f_sp in der Nähe von 3f₀ aufweist, also im Bereich einer Harmonischen 302' des rechteckigen lokalen Oszillatorsignal 302, 302', 302".
Im mittleren Teil der 2 ist das rechteckige lokale Oszillatorsignal 302, 302', 302" dargestellt, das zur Demodulation des Eingangssignals 300, 301 verwendet wird. Neben einem Anteil 302 bei der Grundfrequenz f₀, weist das rechteckige lokale Oszillatorsignal 302, 302', 302'' auch höhere Harmonische 302', 302'' bei 3f₀, 5f₀ usw. auf.
Im unteren Teil der 2 ist Ausgangssignal 303, 303', 303'', 304, 304', 304" der Demodulationsvorrichtung dargestellt, das sich nach der Demodulation des Eingangssignals 300, 301 mithilfe des rechteckigen lokalen Oszillatorsignal 302, 302', 302" ergibt. Da die Demodulation unter Verwendung eines rechteckigen Signals 302, 302', 302" durgeführt wird, wird das Spektrum des Eingangssignals 300, 301 auch über die höheren Harmonischen 302', 302" umgesetzt. Über die Tiefpassfilterung 305 am Ausgang der Demodulationsvorrichtung bzw. am Ausgang des Mixers werden hochfrequente Anteile 303', 303", 304', 304" des Ausganssignals herausgefiltert. Dies betrifft im dargestellten Fall die Anteile 303', 303", 304', 304', so dass nur das Signal des Basisbandes passiert.
Da das Störsignal 301 im vorliegenden Beispiel mit seiner Frequenz f_sp jedoch in der Nähe der Harmonischen bei 3f₀ liegt, so dass |fsp - 3f₀| < BWbb (wobei BWbb die Bandbreite des Basisbandes ist), wird das Störsignal 301 durch das rechteckigen lokalen Oszillatorsignal 302, 302', 302" jedoch auch in das Basisband des Ausgangssignals gemischt, so dass ein Anteil 304 des Störsignals im Basisband des Ausgangssignals vorhanden ist. Dieser Effekt passiert immer, wenn ein Störsignal 301 nah an einer Harmonischen des rechteckigen lokalen Oszillatorsignal 302, 302', 302" liegt. Da der Anteil 304 des Störsignals im Basisband des Ausgangssignals liegt, kann der Anteil 304 des Störsignals auch nicht durch die Tiefpassfilterung 305 entfernt werden und verbleibt somit in nachteilhafter Weise im Ausgangssignal. Insbesondere dann, wenn die Frequenzen der Vibrationen, die zu den Störsignalen führen, unbekannt sind oder sich während dem Betrieb ändern (wie es beispielsweise bei mehrphasigen Stromrichtern der Fall ist), wird es immer schwieriger oder unmöglich die Störsignale herauszufiltern oder Designs für die mechanischen Strukturen zu implementieren, die die Störsignale genügend unterbinden.
Derartige Nachteile können mithilfe der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft verhindert werden.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Sensorsystem 1 umfasst ein Gyroskop 2 mit einer zu einer Schwingung anregbaren Masse 3. Das Gyroskop 2 weist eine Antriebsachse mit Antriebsmitteln 4 auf. Die Masse 3 des Gyroskops 2 wird im Betrieb mithilfe einer Antriebsschaltung zu einer Schwingung angetrieben. Die Antriebsschaltung umfasst hierfür eine Schaltung 18 zur Erzeugung eines lokalen Oszillators sowie eine Amplitudenregulierung 17 zur Regelung einer Schwingungsamplitude der schwingenden Masse 3 und einen C/V-Converter 8. Die Schaltung 18 umfasst die Phasenregelschleife 11, die zur Erzeugung und Ausgabe eines Rechtecksignals 103 eingerichtet ist. Ferner umfasst die Schaltung 18 Schaltungsmittel 50, die der Phasenregelschleife 11 nachgeschaltet sind. Die Schaltungsmittel 50 sind zur Erzeugung eines sinusförmigen Oszillatorsignals 104 aus dem Rechtecksignal 103 der Phasenregelschleife 11 konfiguriert. Hierfür umfassen die Schaltungsmittel 50 eine Dreiecksignal-Schaltung 12 und eine Sinusformer-Schaltung 13. Durch die Dreiecksignal-Schaltung 12 wird aus dem Rechtecksignal 103 ein Dreiecksignal 105 erzeugt. Die Sinusformer-Schaltung 13 ist der Dreiecksignal-Schaltung 12 nachgeschaltet und derart konfiguriert, dass durch die Sinusformer-Schaltung 13 aus dem Dreiecksignal 105 ein sinusförmiges Oszillatorsignal 104 erzeugt wird. Die Schaltungsmittel 50 umfassen ferner einen Signal-Teiler 14, der der Sinusformer-Schaltung 13 nachgeschaltet ist. Der Signal-Teiler 14 erzeugt aus dem sinusförmigen Oszillatorsignal 104 ein erstes sinusförmiges Demodulationssignal 111 und ein um 90° zu diesem phasenverschobenes zweites sinusförmiges Demodulationssignal 112. Das erste sinusförmige Demodulationssignal 111 und das zweites sinusförmiges Demodulationssignal 112 werden einer Demodulationsvorrichtung 30 einer analogen Erfassungsschaltung 20 bereitgestellt.
Mithilfe der analogen Erfassungsschaltung 20 wird ein Ausgabesignal 100 für eine Detektionsachse 5 des Gyroskops 2 erfasst. Das Gyroskop 2 kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch als mehrachsiges Gyroskop ausgebildet sein. Entsprechend können beispielsweise drei Detektionsachsen 5, 6, 7 vorgesehen sein, wobei jeweils ein Signal erzeugt wird, das der Bewegung der schwingenden Masse 3 und der entsprechenden Drehung des Gyroskops 1 bezüglich der jeweiligen Achse entspricht. Somit können mithilfe des Gyroskops 1 beispielsweise Signale für drei Kanäle erzeugt werden. Beispielsweise kann die Signalerfassung durch das Gyroskop 2 kapazitiv mithilfe von entsprechenden Elektrodenvorrichtungen erfolgen. Im Folgenden wird die Beschreibung auf einen der Kanäle bzw. eine Achse 5 beschränkt. Für die weiteren Kanäle bzw. Detektionsachsen 6, 7 können jedoch jeweils entsprechende Mittel und Methoden implementiert werden.
Die analoge Erfassungsschaltung 20 umfasst einen C/V-Converter 9, mit dessen Hilfe das Ausgabesignals 100 des Gyroskops 2 für die analoge Erfassungsschaltung 20 bereitgestellt wird. das Ausgabesignal 100 des Gyroskops 2 umfasst ein Nutzsignal 101 und ein zum Nutzsignal 101 phasenverschobenes Quadratursignal 102. Zur Extrahierung des Nutzsignals 101 und des Quadratursignals 102 bzw. zur Demodulation umfasst die analoge Erfassungsschaltung 20 eine Demodulationsvorrichtung 30. Die Demodulationsvorrichtung 30 weist einen ersten analogen Multiplizierer 31 und einen zweiten analogen Multiplizierer 32 auf. Der erste analoge Multiplizierer 31 demoduliert das Nutzsignal 101 unter Verwendung des ersten sinusförmigen Demodulationssignals 111, das von dem Signal-Teiler 14 bereitgestellt wird. Der zweite analoge Multiplizierer 32 demoduliert das Quadratursignal 102 unter Verwendung des zweiten sinusförmigen Demodulationssignal 112, welches ebenfalls von dem Signal-Teiler 14 bereitgestellt. Somit findet sowohl für das Nutzsignal 101 als auch für das Quadratursignal 102 eine vorteilhafte Demodulation mithilfe von sinusförmigen Demodulationssignalen 111, 112 statt. Hierdurch wird ein Eintragen bzw. Einmischen eines in dem Ausgabesignal 100 vorhandenen Störsignals in ein Basisband des demodulierten Nutzsignals 101' und des demodulierten Quadratursignals 102' verhindert.
Die analoge Erfassungsschaltung 20 umfasst ferner einen ersten Tiefpassfilter 26 und einen zweiten Tiefpassfilter 27. Der erste Tiefpassfilter 26 filtert das demodulierte Nutzsignal 101' und der zweite Tiefpassfilter 27 filtert das demodulierte Quadratursignals 102', so dass jeweils Frequenzanteile außerhalb des Basisbandes entfernt werden. Nach der Filterung wird das gefilterte demodulierte Nutzsignal durch einen ersten Analog-Digital-Wandler 28 digitalisiert und das gefilterte demodulierte Quadratursignal durch einen zweiten Analog-Digital-Wandler 29 digitalisiert. Die so digitalisierten Signale werden einer digitalen Auswerte- bzw. Verarbeitungsschaltung 40 bereitgestellt.
In 4 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind Schaltungsmittel 50 zur Erzeugung eines sinusförmigen Oszillatorsignals 104 eingerichtet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Phasenregelschleife 11 jedoch nicht zur Ausgabe eines Rechtecksignals 103 eingerichtet, sondern gibt selbst ein sinusförmiges Oszillatorsignal 104 aus. Die Phasenregelschleife 11 umfasst einen Phasendetektor 15, einen Tiefpassfilter 15' sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator 15" (voltage-controlled oscillator, VCO). Der spannungsgesteuerte Oszillator 15" gibt ein Rechtecksignal 103 aus. Die Phasenregelschleife 11 umfasst ferner eine Dreiecksignal-Schaltung 12 und eine Sinusformer-Schaltung 13. Die Dreiecksignal-Schaltung 12 ist dem spannungsgesteuerten Oszillator 15" nachgeschaltet und erzeugt aus dem Rechtecksignal 103 ein Dreiecksignals 105. Die Sinusformer-Schaltung 13 ist der Dreiecksignal-Schaltung 12 nachgeschaltet und erzeugt aus dem Dreiecksignals 105 das sinusförmige Oszillatorsignal 104, woraus der Signal-Teiler 14 das erste sinusförmige Demodulationssignal 111 und das zu diesem phasenverschobene zweite sinusförmige Demodulationssignal 112 erzeugt, die der Demodulationsvorrichtung 30 bereitgestellt werden. Auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Demodulation somit mithilfe von sinusförmigen Demodulationssignalen 111, 112.
In einer Alternative zum zweiten Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise auch denkbar, dass der spannungsgesteuerte Oszillator 15" anstatt eines Rechtecksignals 103 selbst ein Dreiecksignal 105 erzeugt. Somit kann auf die Dreiecksignal-Schaltung 12 verzichtet werden.
In 5 ist eine schematische Darstellung einer Demodulation unter Verwendung eines sinusförmigen Oszillatorsignals zur Erläuterung der vorstehenden Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Im oberen Teil der 5 ist das Eingangssignal der Demodulationsvorrichtung dargestellt, wobei die Frequenzanteile des Eingangssignals 400, 401 gegen die Frequenz f aufgetragen sind. Das Eingangssignal 400, 401 umfasst neben dem modulierten Messsignal 400 des mikroelektromechanischen Systems (MEMS), welches im Bereich um die Frequenz f₀ des sinusförmigen lokalen Oszillatorsignals 402 liegt, ferner ein hochfrequentes durch Vibrationen verursachtes Störsignal 401, welches eine Frequenz f_sp in der Nähe von 3f₀ aufweist.
Im mittleren Teil der 5 ist das sinusförmige lokale Oszillatorsignal 402 dargestellt, das zur Demodulation des Eingangssignals 400, 401 verwendet wird. Das sinusförmige lokale Oszillatorsignal 402 liegt bei der Frequenz f₀ und weist (im Idealfall) keine höheren Harmonischen auf.
Im unteren Teil der 5 ist das Ausgangssignal 403, 403', 404', 404" der Demodulationsvorrichtung dargestellt, das sich nach der Demodulation des Eingangssignals 400, 401 mithilfe des sinusförmigen lokalen Oszillatorsignal 402 ergibt. Da die Demodulation unter Verwendung eines sinusförmigen lokalen Oszillatorsignal 402 durgeführt wird, findet kein Eintrag des Störsignals 401 in das Basisband des Ausgangssignal statt. Somit ist im Basisband des Ausgangssignals lediglich das gewünschte Messsignal 403 vorhanden. Die bei höheren Frequenzen auftretenden Anteile 404', 404" des Störsignals im Ausgangssignal können mithilfe einer Tiefpassfilterung 405 entfernt werden.
Somit ist es in vorteilhafterweise möglich, dass sich durch die Verwendung eines sinusförmigen Demodulationssignals ein Eintragen bzw. Einmischen eines Störsignals in ein Basisband der demodulierten Signale (Nutzsignal und Quadratursignal) bei der Demodulation verhindert wird.

Claims

Sensorsystem (1), umfassend ein mikromechanisches Gyroskop (2) mit einer zu einer Schwingung anregbaren Masse (3), -- wobei das Sensorsystem (1) eine Antriebsschaltung zum Antrieb der Masse (3) umfasst, wobei die Antriebsschaltung eine Phasenregelschleife (11) umfasst, -- wobei das Sensorsystem eine analoge Erfassungsschaltung (20) zur Erfassung eines Ausgabesignals (100) des Gyroskops (2) aufweist, wobei das Ausgabesignal (100) des Gyroskops (2) ein Nutzsignal (101) und ein zum Nutzsignal (101) phasenverschobenes Quadratursignal (102) umfasst, wobei die analoge Erfassungsschaltung (20) eine Demodulationsvorrichtung (30) zum Extrahieren des Nutzsignals (101) und des Quadratursignals (102) aus dem Ausgabesignal (100) umfasst, dadurch gekennzeichnet, -- dass Schaltungsmittel (50) zur Erzeugung eines sinusförmigen Oszillatorsignals (104) vorgesehen sind, wobei die Schaltungsmittel (50) so konfiguriert sind, dass Frequenz und Phase des sinusförmigen Oszillatorsignals (104) durch die Phasenregelschleife (11) der Antriebsschaltung vorgegeben werden, und -- dass die Demodulationsvorrichtung (30) so konfiguriert ist, dass das Extrahieren des Nutzsignals (101) und des Quadratursignals (102) aus dem Ausgabesignal (100) mithilfe des sinusförmigen Oszillatorsignals (104) erfolgt.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenregelschleife (11) zur Erzeugung und zur Ausgabe eines Rechtecksignals (103) konfiguriert ist, und dass die Schaltungsmittel (50) zur Erzeugung eines sinusförmigen Oszillatorsignals (104) der Phasenregelschleife (11) nachgeschaltet sind, so dass das sinusförmige Oszillatorsignal (104) aus dem Rechtecksignal (103) erzeugt wird.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel (50) zur Erzeugung des sinusförmigen Oszillatorsignals (104) eine Dreiecksignal-Schaltung (12) und eine Sinusformer-Schaltung (13) umfassen, -- wobei die Dreiecksignal-Schaltung (12) derart konfiguriert ist, dass mithilfe der Dreiecksignal-Schaltung (12) aus dem Rechtecksignal (103) ein Dreiecksignal (105) erzeugt wird, -- wobei die Sinusformer-Schaltung (13) derart konfiguriert ist, dass mithilfe der Sinusformer-Schaltung (13) aus dem Dreiecksignal (105) das sinusförmige Oszillatorsignal (104) erzeugt wird.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenregelschleife (11) zur Ausgabe eines sinusförmigen Oszillatorsignals (104) konfiguriert ist.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenregelschleife (11) zur Ausgabe des sinusförmigen Oszillatorsignals (104) Schaltungsmittel (12, 15") zum Erzeugen eines Dreiecksignals (105) und eine Sinusformer-Schaltung (13) aufweist, -- wobei die Sinusformer-Schaltung (13) derart konfiguriert ist, dass mithilfe der Sinusformer-Schaltung (13) aus dem Dreiecksignal (105) das sinusförmige Oszillatorsignal (104) erzeugt wird.
Sensorsystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel (50) einen Signal-Teiler (14) umfassen, der aus dem sinusförmigen Oszillatorsignal (104) ein erstes sinusförmiges Demodulationssignal (111) für die Extraktion des Nutzsignals (101) und ein entsprechend phasenverschobenes zweites sinusförmiges Demodulationssignal (112) für die Extraktion des Quadratursignals (102) erzeugt.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulationsvorrichtung (30) einen ersten analogen Multiplizierer (31) und einen zweiten analogen Multiplizierer (32) umfasst, wobei die Demodulationsvorrichtung (30) derart konfiguriert ist, dass das Nutzsignal (101) mithilfe des ersten analogen Multiplizierers (31) und des ersten sinusförmigen Demodulationssignals (111) demoduliert wird und dass das Quadratursignal (102) mithilfe des zweiten analogen Multiplizierers (32) und des zweiten sinusförmigen Demodulationssignal (112) demoduliert wird.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die analoge Erfassungsschaltung (20) einen ersten Tiefpassfilter (26) und einen zweiten Tiefpassfilter (27) umfasst, wobei der erste Tiefpassfilter (26) zur Filterung des demodulierten Nutzsignals (101') konfiguriert ist, wobei der zweite Tiefpassfilter (27) zur Filterung des demodulierten Quadratursignals (102') konfiguriert ist.
Sensorsystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1) einen ersten Analog-Digital-Wandler (28) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (29) umfasst, wobei der erste Analog-Digital-Wandler (28) zur Digitalisierung des gefilterten demodulierten Nutzsignals konfiguriert ist, wobei der zweite Analog-Digital-Wandler (29) zur Digitalisierung des gefilterten demodulierten Quadratursignals konfiguriert ist.
Sensorsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulationsvorrichtung (30) derart konfiguriert ist, dass mithilfe des ersten sinusförmigen Demodulationssignals (111) und/oder des zweiten sinusförmigen Demodulationssignals (112) ein Eintragen oder Einmischen eines in dem Ausgabesignal (100) vorhandenen Störsignals in ein Basisband des Nutzsignals (101') und/oder des Quadratursignals (102') unterbunden wird.
Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems (1), umfassend ein mikromechanisches Gyroskop (2) mit einer zu einer Schwingung anregbaren Masse (3), -- wobei das Sensorsystem (1) eine Antriebsschaltung mit einer Phasenregelschleife (11) umfasst, wobei die Masse (3) mithilfe der Antriebsschaltung zu einer Schwingung angetrieben wird, -- wobei das Sensorsystem (1) eine analoge Erfassungsschaltung (20) zur Erfassung eines Ausgabesignals (100) des Gyroskops (2) aufweist, wobei das Ausgabesignal (100) des Gyroskops (2) ein Nutzsignal (101) und ein zum Nutzsignal (101) phasenverschobenes Quadratursignal (102) umfasst, wobei die analoge Erfassungsschaltung (20) eine Demodulationsvorrichtung (30) zum Extrahieren des Nutzsignals (101) und des Quadratursignals (102) aus dem Ausgabesignal (100) umfasst, dadurch gekennzeichnet, -- dass ein sinusförmiges Oszillatorsignal (104) erzeugt wird, dessen Frequenz und Phase durch die Phasenregelschleife (11) der Antriebsschaltung vorgegeben werden, und -- dass das Nutzsignal (101) und das Quadratursignal (102) mithilfe des sinusförmigen Oszillatorsignals (104) aus dem Ausgabesignal (100) extrahiert werden.