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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten eines
Signals eines Sensors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der PCT-Anmeldung WO 01/22037 A1 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
großlen 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.
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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.
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Aus
der Druckschrift
DE
100 62 292 A1 ist eine Messanordnung zur Messung von Magnetfeldern
mit Hilfe von zwei Hallsensoren bekannt. Ein durch einen Modulator
gesteuerter, im spinning-Hall-Betrieb
eingesetzte Hallsensor liefert ein Ausgangssignal, das von einem
Modulatorblock moduliert und anschließend in einem Chopper-Verstärker verstärkt wird.
Eine Abtast-Halte-Schaltung demoduliert das verstärkte Signal
und eliminiert den Offset-Anteil durch Integration über eine
bestimmte Anzahl von Taktzyklen. Sämtliche angeführten Schaltungselemente
werden durch einen Taktgeber gesteuert. Abschließend werden im Tiefpassfilter
hohe Frequenzen des Signals ausgefiltert. Der zweite Hallsensor
wird zeitkontinuierlich betrieben. Die abgetastete Hallspannung
wird nach Verstärkung
im Verstärker
hochpassgefiltert mit dem Ausgangssignal des oben beschriebenen
Niederfrequenz-Messsystems zusammengeführt. Da
zur Elimination des Offset-Anteils
eine Integration über
einige Taktzyklen notwendig ist, weist die Messanordnung jedoch
u.a. den Nachteil auf, keine TPO-Funktionalität bieten zu können.
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In
der Druckschrift
DE
100 32 530 A1 wird eine Verstärkerschaltung vorgeschlagen,
die Offset-Komponenten eines Hall-Sensors kompensiert, indem das
Signal des im spinning-Hall-Betrieb eingesetzten, durch einen Modulator
gesteuerten Hallsensors in einem Verstärker verstärkt wird. Anschließend wird
der tieffrequente Anteil des Signals in einem Fehlersignal-Demodulator
verstärkt
und dem Verstärker
gegenpolig rückgekoppelt.
Damit soll erreicht werden, dass bereits nach wenigen Taktfrequenzen ein
Offset-freies Nutzsignal am Eingang des Demodulators DEM1 anliegt.
Nachteilig bei dem in der Druckschrift
DE 100 32 530 A1 offenbarten
Fehlersignal-Demodulator ist, dass er sich nicht zum Auffinden und
Einstellen von Umschaltpunkten eignet, so dass ein im Signal enthaltener
Phasenversatz nicht verringert oder sogar eliminiert werden kann.
Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung kann daher Fehler in
der phasengenauen Wiedergabe der Messgröße des Sensors enthalten.
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Des
Weiteren ist aus der Druckschrift
DE 199 64 002 A1 ein Sensor mit einer wandlereinrichtung zum
Umwandeln einer an dieser anliegenden physikalischen Größe in ein
elektrisches Meßsignals
sowie eine der wandlereinrichtung nachgeschalteten Schalteinrichtung
zur Offset-Kompensation und Mitteln zur frequenzabhängigen Betriebsmodusumschaltung
bekannt. Die Lehre der Druckschrift
DE 199 64 002 A1 weist jedoch im Wesentlichen
die gleichen Nachteile auf wie sie oben in Bezug auf die Druckschrift
DE 100 32 530 A1 besprochen
wurden; insbesondere eignet sich die Sensorvorrichtung gemäß Druckschrift
DE 199 64 002 A1 nicht
zum Auffinden und Einstellen von Umschaltpunkten.
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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.
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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.
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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.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Regelschleife können
auch Umschaltpunkte zwischen verschiedenen Signalzuständen des
Signals des Sensors eingestellt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um
eine hohe Störunterdrückung durch Gleichtaktstörungen zu
erzielen, werden die Sensorsignale vorzugsweise in Differentialtechnik
verarbeitet. Hierzu ist die Schaltungsanordnung vorzugsweise in
Differentialtechnik ausgebildet.
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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.
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Ferner
kann der Verstärker
ein Chopper-Verstärker
mit Fehlerrückkopplung
sein, wie er aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10032530 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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in einem Sensorsystem mit Hall-Sensoren zur Detektion der Stellung
eines Zahnrades eingesetzt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt.
Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
in Differentialtechnik zum Verarbeiten von Signalen eines Sensors,
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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
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
in Differentialtechnik zum Verarbeiten von Signalen eines Sensors,
bei welcher der Chopper-Verstärker
als Elektrometerverstärker
ausgebildet ist.
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Im
folgenden können
gleiche und funktional gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen
versehen sein.
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In 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Typischerweise
vertauscht der Chopper-Verstärker 12 mit
einer hohen Taktfrequenz beispielsweise von einigen 100kHz seine
Ein- und Ausgänge
gegenüber
dem Nutzsignal. Die gesamte in 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
Messignal erhalten wird.
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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.
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2 zeigt im wesentlichen
die in 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.
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Bei
der in 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 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.
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- 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