DE10223767A1

DE10223767A1 - Schaltungsanordnung zum Verarbeiten eines Signals eines Sensors

Info

Publication number: DE10223767A1
Application number: DE10223767A
Authority: DE
Inventors: Mario Motz; Dieter Draxelmayr
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: DE10223767B4; US20030225539A1; US7492149B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten eines Signals eines Sensors (10) mit einem Verstärker (26) zum Verstärken des Signals des Sensors, das Umschaltpunkte zwischen verschiedenen Signalzuständen aufweist. Die Schaltungsanordnung ist derart ausgebildet, dass der Verstärker (26) und der Sensor (10) fortlaufend im Chopper-Betrieb arbeiten. Ferner ist eine Regelschleife (14) zum Ermitteln von Offset-Komponenten im Signal des Sensors (10) und Entfernen aus dem Signal des Sensors vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten eines Signals eines Sensors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei vielen ein elektrisches Signal liefernden Sensoren wird die Meßgenauigkeit durch Offset-Komponenten im Sensorsignal beeinträchtigt. Offset-Komponenten oder Signalanteile können zwar während des Meß- oder -Sensorbetriebs mittels Regelungen weitgehend eliminiert werden, jedoch dauert es nach der Inbetriebnahme eines Sensorsystems eine gewisse Zeit, bis die Regelung wirkt und das Meßsignal relativ genau die zu messende Größe wiedergibt. Insbesondere ist es bei vielen Sensorsystemen überhaupt nicht möglich, unmittelbar nach dem Einschalten bzw. der Inbetriebnahme ein genaues Meßsignal zu erhalten.

Bei Sensorsystemen zu Lagedetektion von mechanischen Elementen wie beispielsweise einem Hall-Sensor für Nockenwellenanordnungen ist es jedoch besonders wichtig, nach dem Einschalten der Betriebsspannung die Lage eines insbesondere stillstehenden mechanischen Elements zu erkennen, um genaue Messungen zu erzielen. Beispielsweise soll bei einem Hall-Sensor für Nockenwellenanwendungen kurz nach dem Einschalten der Betriebsspannung die Stellung eines Zahnrades einer Nockenwelle möglichst genau erkannt werden, d. h. ob dem Sensor eine Zahnlücke oder ein Zahn des Zahnrades gegenübersteht. Dies ist insbesondere für die korrekte Steuerung von elektromechanischen Einspritzventilen sowie für bestimmte Notlaufeigenschaften erforderlich, bei denen der Hall-Sensor nicht nur Nockenwelleninformationen, sondern auch Zündinformationen liefert. Ferner soll das vom Hall-Sensor während des laufenden Betriebs erzeugte Signal eine hohe Phasengenauigkeit bei der Erkennung der Zahnflanken bei Nockenwellensensoren aufweisen. Mit anderen Worten sollen Umschaltpunkte zwischen verschiedenen Zuständen eines Sensorsignals die Übergänge von einem Zahn zu einer Zahnlücke eines drehenden Zahnrads möglichst winkelgenau wiedergeben.

Zur Ermittlung dieser Umschaltpunkte nach dem Einschalten der Betriebsspannung liegen allerdings in der Regel noch keine Informationen beispielsweise über das Maximum, das Minimum und den Mittelwert des Sensorsignals vor. Zwar kann durch eine Regelschleife mit Minimum- und Maximumerkennung und Mittelwertbildung ein genaues Sensorsignal insbesondere durch Wegregelung von störenden Offset-Komponenten erzeugt werden, jedoch muß hierzu das Sensorssystem bereits für eine bestimmte Zeitdauer in Betrieb sein, um ausreichend Informationen über den Verlauf des Sensorsignals zum Auswerten zu haben.

Eine Speicherung von Informationen zur Offset- Kompensation im Sensorsystem erweist sich oftmals als nicht sinnvoll, da die Informationen im wesentlichen von instabilen mechanischen Stress-Spannungen des Sensors beeinflußt werden, die sich abhängig von verschiedenen Parametern wie beispielsweise der Temperatur ändern und daher schwanken. Derartige schwankende Einflüsse und die daraus resultierenden Offset-Komponenten können allerdings mittels Chopper- bzw. Zerhacker-Prinzipien kompensiert werden. Im Bereich der Hall- Sensoren sind die Chopper-Prinzipien auch unter den Begriffen Spinning-Hall-, Switched-, Active-Offset-Compensation oder Connector-Commutated Hall-Plate bekannt.

Insbesondere ermöglichen die Chopper-Prinzipien eine sogenannte TPO (True-Power-On)-Funktion des Sensors. Unter einer TPO-Funktion wird der präzise Meßbetrieb unmittelbar nach dem Einschalten der Betriebsspannung eines Sensorsystems verstanden, was beispielsweise für das präzise Erkennen der Stellung eines stillstehenden mechanischen Elements wie eines Zahnrads wichtig ist. Chopper-Prinzipien eignen sich für eine TPO-Funktion, da damit immer bereits nach dem Einschalten der Betriebsspannung eines Sensorsystems die Meßgenauigkeit beeinträchtigende Offset-Komponenten aus dem Sensorsignal im wesentlichen eliminiert werden können.

Die Chopper-Prinzipien bewirken allerdings eine Verzögerungszeit im Sensorsignal, die einen Phasenfehler mit sich bringt, der beispielsweise bei einem Zahnrad-Sensor drehzahlabhängig ist. Die Verzögerungszeit kommt dadurch zustande, dass normalerweise mindestens zwei zeitlich aufeinander folgende Phasen des Sensorsignals abgetastet, addiert oder gefiltert werden müssen, um die Offset- Komponenten eliminieren zu können. Dadurch ergibt sich bei einem Nockenwellensensor ein drehzahlabhängiger Phasenfehler zu d_Phi = _↔*f*360°._↔ ist hierbei die Filterzeit oder die notwendige Zeit zur Mittelwertbildung von mindestens zwei aufeinander folgenden Phasen zur Offset-Kompensation des Sensorsignals, f die Drehzahlfrequenz des sich drehenden Zahnrades des Nockenwellensensors und d_Phi der drehzahlabhängige Phasenfehler, der aus der Verzögerungszeit resultiert.

Zur Lösung dieser Problematik sind beispielsweise auf dem Gebiet der Hall-Sensoren statische Differentialsensoren in Verbindung mit Komplementär-Zahnrädern bekannt. Ein Beispiel eines derartigen Differentialsensors ist der differentielle Hall-Effekt-Sensor HAL320 der Micronas GmbH. Dieser Sensor wird nach einem Chopper-Prinzip betrieben, das mittels Sampling-Techniken realisiert ist. Dem Sensor wird ein sogenanntes Backbias-Feld überlagert, um Einflüsse durch Offset-Komponenten aus dem Sensorsignal zu eliminieren. Allerdings liefert der Sensor nur ein zeitdiskretes Ausgangssignal, das bei hohen Drehzahlen des Zahnrads einen großen Phasenfehler und -jitter erzeugt. Ferner erfordert der Sensor ein komplementäres Zahnrad, das im Aufbau komplizierter als herkömmliche Zahnräder ist und zudem bestimmte Einbaulagerichtungen des Sensors erfordert.

Aus der PCT-Anmeldung WO 01/22037 ist es bekannt, bei einem Hall-Sensorsystem von einem gechoppten auf einen ungechoppten Verstärker umzuschalten. Der gechoppte Verstärker wird für die Realisierung einer TPO-Funktion eingesetzt. Der ungechoppte Verstärker dient in Verbindung mit einer sogenannten Schaltpunkt-Regelschleife zum phasengenauen Schalten des Ausgangssignals des Sensors. Dieses Schalten kann verzögerungsarm erfolgen, da die zum Choppen sonst erforderlichen Filter oder Phasen- Additionsstufen im herkömmlichen Betrieb des Sensors, also lange nach dem Einschalten der Betriebsspannung, nicht benötigt werden. Allerdings treten bei der Umschaltung zwischen den Verstärkern Phasensprünge im Ausgangssignal des Sensorsystems auf, da die Signallaufzeiten in den Verstärkern optimiert sind. Zudem bedarf eine Integration des Sensors auf einem Chip einer großen Fläche. Aufgrund der Vielzahl von elektronischen Elementen weist diese Schaltung auch eine hohe Stromaufnahme auf. Ferner kann der ungechoppte Verstärker nicht voll ausgesteuert werden, da sich Offset-Komponenten und TPO-Signale zumindest nach dem Einschalten der Betriebsspannung überlagern.

Ferner ist es aus der US-Patentanmeldung Serial-No. 09/751,656 bekannt, zwischen einem gechoppten und einem ungechoppten Betrieb einer Hall-Platte als Sensor und eines Verstärkers oder Komparators umzuschalten. Allerdings können hierbei Signalsprünge beim Wiedereinschalten des Chopperbetriebs auftreten, da inzwischen die Offset- Komponenten thermisch gedriftet sein können. Zudem kann Flicker-Noise im ungechoppten Betrieb auftreten. Weiterhin sind aufwendige Vorrichtungen zum Umschalten zwischen beiden Betriebsarten zur Verhinderung von eventuellen Phasensprüngen durch unterschiedliche Signaldurchgangszeiten erforderlich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten eines Signals eines Sensors anzugeben, welche die eingangs genannten Probleme deutlich vermindert bzw. gänzlich vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten eines Signals eines Sensors mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Um Probleme wie Phasensprünge oder Signalsprünge im Ausgangssignal der Schaltungsanordnung zu vermeiden, werden bei der Erfindung ein Sensor und ein Verstärker zum Verstärken eines Signals des Sensors fortlaufend im Chopper- Betrieb betrieben. Dadurch können Offset-Komponenten im Signal des Sensors sowie eine Drift des Sensors und/oder Verstärkers während des gesamten Betriebs der den Sensor und Verstärker umfassenden Schaltungsanordnung unterdrückt werden. Ferner ist eine Regelschleife vorgesehen, um Offset- Komponenten im Signal des Sensors zu ermitteln und aus dem Signal des Sensors zu entfernen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Regelschleife können auch Umschaltpunkte zwischen verschiedenen Signalzuständen des Signals des Sensors eingestellt werden.

Ein im Signal des Sensors enthaltener Phasenversatz kann durch die Einstellung der Umschaltpunkte mittels der Regelung verringert, wenn nicht gar eliminiert werden. Dadurch gibt ein Ausgangssignal der Schaltungsanordnung relativ phasengenau die Meßgröße des Sensors wieder.

Insbesondere ist die Regelschleife zum Durchführen einer Minimum/Maximum-Detektion des Signals des Sensors ausgebildet. Vorzugsweise ermittelt die Regelschleife Minima und Maxima des Signals des Sensors und wertet diese zum Einstellen der Umschaltpunkte aus. Beispielsweise kann sie anhand der Minima und Maxima Mittelwerte des Signals des Sensors ermitteln, anhand derer Umschaltpunkte eingestellt werden können.

Vorzugsweise umfasst die Regelschleife einen Digitalteil, mit dem das Signal des Sensors gemäß einem vorgegebenen Algorithmus analysiert und verarbeitet wird. Ein Digitalteil kann im Gegensatz zu einer rein analogen Regelschleife das Signal des Sensors präziser analysieren und verarbeiten, insbesondere auswerten.

Vorzugsweise ist der Digitalteil derart ausgebildet, dass zwischen einem TPO- und einem Kalibrier-Modus umgeschaltet wird. Dies ist mittels Digitaltechnik im wesentlichen ohne Einfluß auf das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung durchführbar, wohingegen bei Analogtechnik ein Einfluß der Umschaltung auf das Ausgangssignal in Form von Signal- und/oder Phasensprüngen stattfinden kann.

Unter einem Kalibrier-Modus wird hierbei insbesondere ein Modus verstanden, in dem die Umschaltpunkte des Signals des Sensors eingestellt werden. Wird beispielsweise die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem Sensorsystem mit Hall-Sensoren zum Erkennen von Zähnen und Zahnlücken eines Zahnrades eingesetzt, dient der TPO-Modus zur genauen Erkennung der Stellung des Zahnrads unmittelbar nach Einschalten einer Betriebsspannung sowie bei stillstehendem Zahnrad. Der Kalibrier-Modus dient vorzugsweise zum Einstellen der phasengenauen Abbildung der Zahnflanken bei sich drehendem Zahnrad im Ausgangssignal der Schaltungsanordnung.

In einer bevorzugten, insbesondere stromsparenden Ausführungsform der Schaltungsanordnung arbeitet die Regelschleife während des Kalibrier-Modus und wird nach Abschließen des Kalibrier-Modus abgeschaltet bzw. die Regelgeschwindigkeit, die Regelschrittweite oder der Regelbereich wird geändert.

Ein Signal zum Einstellen der Umschaltpunkte des Signals des Sensors, das von der Regelschleife erzeugt wird, kann an einem dafür vorgesehenen Eingang des Verstärkers eingespeist werden. Durch die Einspeisung des Signals zum Einstellen der Umschaltpunkte kann das Aussteuersignal am Ausgang des Verstärkers gering gehalten werden. Offset-Komponenten und TPO-Signale werden dadurch bereits am Eingang des Verstärkers kompensiert und führen somit zu keiner zusätzlichen Aussteuerung am Ausgang des Verstärkers. Dadurch kann die Signal-Verstärkung des Verstärkers groß gewählt werden. Offset-Komponenten darauf folgender Signalverarbeitungsstufen wirken dann nur noch soweit, als sie durch die hohe Verstärkung unterdrückt sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Regelschleife einen Analog-Digital-Wandler, dem ein digitaler Signalprozessor nachgeschaltet ist. Dem digitalen Signalprozessor ist wiederum ein Digital-Analog-Wandler nachgeschaltet, der das Signal zum Einstellen der Umschaltpunkte in den Verstärker eingangsseitig einspeist. Hierbei führt der digitale Signalprozessor ein Programm zum Analysieren und Verarbeiten des Signals des Sensors aus. Eine derartige digitale Signalverarbeitung ist im Gegensatz zu einer analogen Signalverarbeitung weniger störanfällig und in der Regel präziser.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist diese Regelschleife, insbesondere der digitale Signalprozessor beispielsweise durch das Programm ausgebildet, um mittels einer Minimum/Maximum-Detektion des Signals des Sensors ein Signal zum Einstellen der Umschaltpunkte des Signals des Sensors zu ermitteln. Ein Vorteil der digitalen Signalverarbeitung der Regelschleife besteht insbesondere darin, dass sehr geringe Eingangsfrequenzen möglich sind, da das Signal zum Einstellen der Umschaltpunkte aufgrund der digitalen Signalverarbeitung auf Flanken anstatt auf Frequenzen wie bei einer Analogsignalverarbeitung reagiert.

Um eine hohe Störunterdrückung durch Gleichtaktstörungen zu erzielen, werden die Sensorsignale vorzugsweise in Differentialtechnik verarbeitet. Hierzu ist die Schaltungsanordnung vorzugsweise in Differentialtechnik ausgebildet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Digital-Analog-Wandler mit zwei Ausgängen in der Regelschleife vorgesehen sein. Ein erster Ausgang des Digital-Analog-Wandlers kann mit einem Stromspiegel verbunden sein, dessen Ausgang mit einem Eingang des Verstärkers verbunden ist. Ein zweiter Ausgang des Digital-Analog- Wandlers ist dann direkt mit einem Eingang des Verstärkers verbunden. Hierdurch kann eine symmetrische Aussteuerung bei Differentialtechnik erzielt werden, was wiederum einen größeren Aussteuerbereich und eine höhere Genauigkeit ermöglicht.

Ferner kann der Verstärker ein Chopper-Verstärker mit Fehlerrückkopplung sein, wie er aus der deutschen Patentanmeldung DE 100 32 530 A1 bekannt ist. Ein derartiger Verstärker weist eine kurze Verzögerungszeit auf, da das gechoppte Signal nur geringfügig gefiltert werden muss. Die Filter-Gruppenlaufzeit kann hierbei so gering gewählt werden, dass lediglich ein Mehrfaches der Chopper-Frequenz als Grenzfrequenz eines Filters in der Schaltungsanordnung eingestellt werden muss.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Verstärker auch ein Elektrometerverstärker sein, der invertierende Eingänge für die Zuführung des Signals zum Regeln der Umschaltpunkte aufweist. Ein derartiger Verstärker ist flächensparend und eignet sich daher idealerweise für eine Integration der Schaltungsanordnung auf einem Halbleiterchip. Hierbei können Anzapfungen von Gegenkopplungswiderständen des Elektrometerverstärkers den Zusatzeingang des Verstärkers bilden. Diese Methode ist ebenfalls flächensparend und ermöglicht eine Anpassung an Ströme eines Digital-Analog- Wandlers, die zur Kompensation von Störsignalen in den Verstärker eingespeist werden. Alternativ können Anzapfungen der Kollektorwiderstände einer Bipolar-Differenz-Stufe den Zusatzeingang für das Signal zum Regeln der Umschaltpunkte des Verstärkers bilden. Schließlich können in einer weiteren Alternative die Ein- und Ausgänge von Gegenkopplungs-OTAs (Operational Transconductance Amplifier) eines Gm-Gm- Verstärkers den Zusatzeingang zum Regeln der Umschaltpunkte des Verstärkers bilden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch den ständigen Chopper-Betrieb Flicker-Noise des Verstärkers unterdrückt wird. Dadurch können Eingangstransistoren des Verstärkers flächenmäßig klein ausgebildet werden, was insbesondere bei einer Integration der Schaltungsanordnung auf einem Halbleiterchip Vorteile aufweist.

Durch das Einspeisen des Signals zum Einstellen der Umschaltpunkte an einen Zusatzeingang des Verstärkers muss dieser an seinem Ausgang nur noch ein Fehlersignal und ein Nutzsignal aussteuern können, nicht jedoch ein TPO-Signal. Wird ferner eine Fehlersignalrückkopplung beim Verstärker eingesetzt, muss nur noch das Nutzsignal am Verstärkerausgang ausgesteuert werden können. Insgesamt werden durch den durchgängigen Chopper-Betrieb aufwendige und hinsichtlich einer Integration auf einem Halbleiterchip flächenmäßig große Umschalt- und Anpassschaltungen vermieden.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem Sensorsystem mit Hall-Sensoren zur Detektion der Stellung eines Zahnrades eingesetzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Differentialtechnik zum Verarbeiten von Signalen eines Sensors,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Differentialtechnik zum Verarbeiten von Signalen eines Sensors, bei welcher der Chopper-Verstärker eine Fehler-Rückkopplungsschleife umfasst, und
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Differentialtechnik zum Verarbeiten von Signalen eines Sensors, bei welcher der Chopper-Verstärker als Elektrometerverstärker ausgebildet ist.
Im folgenden können gleiche und funktional gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
In Fig. 1 ist eine Messschaltung zur Magnetfeldmessung dargestellt. Sie umfasst eine Hall-Platte 10 als Sensor, einen der Hall-Platte 10 nachgeschalteten (differentiellen) Chopper-Verstärker 12, einen dem Chopper-Verstärker 12 nachgeschalteten Komparator 30 und eine (differentielle) Regelschleife 14 des Chopper-Verstärkers 12.
Die Hall-Platte 10 weist vier Klemmen auf. In zwei gegenüberliegende Klemmen wird ein Erregungsstrom für die Hall-Platte 10 eingeprägt. An den anderen zwei gegenüberliegenden Klemmen wird die Hall-Spannung abgegriffen. Die Hall-Platte 10 wird nach dem Spinning-Hall- Prinzip betrieben, wie durch den Pfeil dargestellt. Nach diesem Prinzip werden die Anschlüsse der Hall-Platte zyklisch in einem vorgegebenen Takt vertauscht, d. h. der Erregungsstrom wird während einer Taktperiode an einem ersten Klemmenpaar und während einer darauf folgenden Taktperiode an einem zweiten, zum ersten Klemmenpaar in einem Winkel von etwa 90° angeordneten zweiten Klemmenpaar eingeprägt. Entsprechend werden die Anschlüsse zum Abgreifen der Hall- Spannung vertauscht. Insbesondere durch Addition der in aufeinanderfolgenden Taktperioden abgegriffenen Hall- Spannungen können Offset-Komponenten im Signal der Hall- Platte 10, insbesondere Wechselspannungsfehlersignale, reduziert werden.
Die Hall-Platte 10 dient zum Messen der Drehung eines nicht dargestellten Zahnrads, das Teil eines Nockenwellensensors ist. Wichtig ist hierbei insbesondere, dass das Ausgangssignal des Komparators 30 phasengenau die Bewegung des Zahnrads wiedergibt. D. h. Signalflanken oder Übergänge zwischen verschiedenen Signalzuständen im Ausgangssignal des Komparators 30 sollen möglichst zeitgenau einen Übergang von einem Zahn zu einer Zahnlücke des Zahnrads oder umgekehrt wiedergeben.
Die Hall-Platte 10 ist an einen ersten Modulator 24 des Chopper-Verstärkers 12 angeschlossen. Über den ersten Modulator 24 werden die Anschlüsse der Hall-Platte 10 gemäß dem Spinning-Hall-Prinzip gedreht. Hierzu wird der erste Modulator 24 mit einem Chopper-Takt betrieben. Der Chopper- Takt gibt die Frequenz des Vertauschens der Anschlüsse der Hall-Platte 10 vor. Der erste Modulator 24 ist als Umschalter ausgebildet.
Die Ausgangssignale des ersten Modulators 24, die sowohl Nutzsignale der Hall-Platte 10 als auch Offset-Komponenten aufweisen, werden einem Verstärker 26 des Chopper-Verstärkers 12 eingangsseitig zugeführt. Die zugeführten Signale werden vom Verstärker 26 verstärkt und einem dem Chopper-Verstärker 12 nachgeschalteten Demodulator 28 zugeführt. Der Demodulator 28 demoduliert die zugeführten Signale gemäß dem Spinning- Hall-Prinzip und führt die so demodulierten Signale einerseits dem Komparator 30 und andererseits der Regelschleife 14 zu. Hierzu wird der Demodulator 28, der ähnlich wie der erste Modulator 24 ein Umschalter ist, ebenfalls mit dem Chopper-Takt betrieben.
Die Regelschleife 14 weist einen Analog-Digital-Wandler 32 auf, der die vom Demodulator 28 zugeführten Signale in digitale Signale umsetzt und einem digitalen Signalprozessor 16 der Regelschleife 14 zuführt. Der digitale Signalprozessor 16 ermittelt aus dem zugeführten, digitalisierten Signal die optimalen Umschaltpunkte im Signal des Sensors 10 durch eine Minimum/Maximum-Detektion. Durch die digitale Signalverarbeitung in der Regelschleife 14 sind geringe Eingangsfrequenzen ausreichend, da auf Signalflanke anstatt auf Frequenzen wie bei einer Analogsignalverarbeitung reagiert wird.
Aus ermittelten Umschaltpunkten generiert der digitale Signalprozessor 16 ein Signal zum Einstellen der Umschaltpunkte, das einem Digital-Analog-Wandler 34 zugeführt wird, der es in ein analoges Signal umsetzt. Das analoge Signal wird vom Digital-Analog-Wandler 34 einem zweiten Modulator 22 zugeführt, der mit dem Chopper-Takt betrieben wird. Er moduliert daher das zugeführte Signal zum Einstellen der Umschaltpunkte entsprechend dem Spinning-Hall-Prinzip, mit dem die Hall-Platte 10 betrieben wird, und führt es speziellen Verstärkereingängen für Regelschleifensignale 18 und 20 des Verstärker 26 zu, so dass die im Signal der Hall- Platte 10 enthaltenen unerwünschten Signalkomponenten reduziert werden, insbesondere die Offset-Komponenten.
Typischerweise vertauscht der Chopper-Verstärker 12 mit einer hohen Taktfrequenz beispielsweise von einigen 100 kHz seine Ein- und Ausgänge gegenüber dem Nutzsignal. Die gesamte in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung wird ausschließlich im Chopper-Betrieb betrieben. Die Ermittlung des Offset- Signalanteils im Ausgangssignal der Hall-Platte 10 erfolgt insbesondere auf digitale Art und Weise durch den digitalen Signalprozessor 16, wodurch eine präzises Meßsignal erhalten wird.
Der ständige Chopper-Betrieb ermöglicht die Elimination von Offset-Komponenten im Signal der Hall-Platte 10. Dies ermöglicht wiederum eine TPO-Funktion. Im normalen Meßbetrieb kann die Regelschleife 14 abgeschalten oder die Regelgeschwindigkeit herabgesetzt werden, wodurch Strom gespart werden kann und Störungen durch die Regelung verringert werden. Die Abschaltung erfolgt vorzugsweise nachdem durch die Regelschleife 14 die Offset-Komponenten aus dem Signal der Hall-Platte 10 entfernt und die Umschaltpunkte im Signal der Hall-Platte 10 präzise eingestellt worden sind, so dass das Ausgangssignal des Komparators 30 ein phasengetreue Abbildung der Drehung des nicht dargestellten Zahnrades ist. Die Einstellung der Umschaltpunkte erfolgt vorzugsweise während eines Kalibrier-Modus.
Fig. 2 zeigt im wesentlichen die in Fig. 1 dargestellte Messschaltung mit dem Unterschied, dass der Verstärker 26 zusätzlich eine Fehlerrückkopplung 58 aufweist, über die störende Offset-Signale sowohl der Hall-Platte 10 als auch des Verstärkers 26 mittels Integration weggeregelt werden. Die Fehler-Rückkopplung umfasst einen Integrierer 36 zum Integrieren des Ausgangssignal des Verstärkers 26. Dem Integrierer 36 ist ein Spannungs-Strom-Wandler 38 nachgeschaltet, der die Ausgangsspannung des Integrierers 36 in einen Strom wandelt, der als Fehlersignal 40 den Verstärkereingängen 18 und 20 des Verstärkers 26 zur weiteren Offset-Kompensation zugeführt wird.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Messschaltung wird anstelle eines normalen Verstärkers ein Elektrometerverstärker 46 eingesetzt. Ferner ist ein Chopper- Stromspiegel 44 vorgesehen, um ein erstes Ausgangssignal des zweiten Modulators 22 in einem präzisen Strom umzuwandeln, der in den Elektrometerverstärker 46 eingespeist wird. Das zweite Ausgangssignal des zweiten Modulators 22 wird direkt in dafür vorgesehene Eingänge des Elektrometerverstärkers 46 eingespeist. Die Einspeisung sowohl des ersten als auch zweiten Ausgangssignals erfolgt hierbei über einen Fühlwiderstand 56, welcher die beiden invertierenden Eingänge eines ersten und zweiten Verstärkers 48 bzw. 50 des Elektrometerverstärkers 46 verbindet. Die beiden Verstärker 48 und 50 sind jeweils über einen Rückkopplungswiderstand 52 bzw. 54 rückgekoppelt. Die beiden Verstärker 48 und 50 sind Präzisions-Operationsverstärker mit einer niedrigen Temperaturdrift, geringem Rauschen und einer hohen Gleichtaktunterdrückung sowie kleinen Eingangsströmen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Messschaltung ist ferner dem Komparator 30 ein Ausgangsfilter 42 vorgeschaltet, das unerwünschte Signalkomponenten aus dem Ausgangssignal der gesamten Schaltungsanordnung filtert, insbesondere Spikes, die aufgrund des Chopper-Betriebs auftreten können. Bezugszeichenliste 10 Hallplatte
12 Chopper-Verstärker
14 Regelschleife
16 Digitaler Signalprozessor
18 Verstärkereingang für Regelschleifensignal
20 Verstärkereingang für Regelschleifensignal
22 zweiter Modulator
24 erster Modulator
26 Verstärker
28 Demodulator
30 Komparator
32 Analog-Digital-Wandler
34 Digital-Analog-Wandler
36 Integrierer
38 Spannungs-Strom-Wandler
40 Fehlersignal
42 Ausgangsfilter
44 Chopper-Stromspiegel
46 Elektrometerverstärker
48 erster Verstärker
50 zweiter Verstärker
52 Rückkopplungswiderstand
54 Rückkopplungswiderstand
56 Fühlwiderstand
58 Fehler-Rückkopplung

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Verarbeiten eines Signals eines Sensors (10) mit einem Verstärker (26) zum Verstärken des Signals des Sensors, das Umschaltpunkte zwischen verschiedenen Signalzuständen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass der Verstärker (26) und der Sensor (10) fortlaufend im Chopper-Betrieb arbeiten, und eine Regelschleife (14) zum Ermitteln von Offset-Komponenten im Signal des Sensors (10) und Entfernen aus dem Signal des Sensors vorgesehen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife zum Einstellen der Umschaltpunkte des Signals des Sensors (10) ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife (14) zum Durchführen einer Minimum/Maximum-Detektion des Signals des Sensors (10) ausgebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife (14) einen Digitalteil (16) umfasst, mit dem das Signal des Sensors (10) gemäß einem vorgegebenen Algorithmus analysiert und verarbeitet wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Digitalteil (16) zwischen einem TPO- und einem Kalibrier-Modus der Schaltungsanordnung umgeschaltet werden kann.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kalibrier-Modus die Umschaltpunkte des Signals des Sensors (10) eingestellt werden.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife (14) derart ausgebildet ist, dass sie während des Kalibrier-Modus arbeitet und nach Abschließen des Kalibrier-Modus abgeschaltet, die Regelgeschwindigkeit, die Regelschrittweite oder der Regelbereich geändert wird.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (26) einen Eingang (18, 20) aufweist, der zum Einspeisen eines Signals zum Einstellen der Umschaltpunkte des Signals des Sensors (10) vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife (14) einen Analog-Digital-Wandler (32), einen digitalen Signalprozessor (16) und einen Digital- Analog-Wandler (34) umfaßt und der digitale Signalprozessor (16) ein Programm zum Analysieren und Verarbeiten des Signals des Sensors (10) ausführt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Signalprozessor (16) ausgebildet ist, um mittels einer Minimum/Maximum-Detektion des Signals des Sensors (10) ein Signal zum Einstellen der Umschaltpunkte des Signals des Sensors (10) zu ermitteln.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Differentialtechnik ausgebildet ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife (14) einen Digital-Analog-Wandler (34) mit zwei Ausgängen umfasst, wobei ein erster Ausgang mit einem Stromspiegel (44) verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Eingang des Verstärkers (46) verbunden ist, und ein zweiter Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (34) direkt mit einem Eingang des Verstärkers (46) verbunden ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ein Chopper-Verstärker mit Fehlerrückkopplung (58) ist.

14. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ein Elektrometerverstärker (46) ist, der invertierende Eingänge für die Zuführung eines Signals zum Einstellen der Umschaltpunkte des Signals des Sensors (10) aufweist.

15. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in einem Sensorsystem mit Hall- Sensoren zur Detektion der Stellung eines Zahnrades.