DE3801627A1 - Auswerteschaltung fuer magnetsensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für Magnetsensoren mit wenigstens zwei in einer Brücken- oder Halbbrückenschaltung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen.

Magnetsensoren dieser Art sind beispielsweise aus der Firmenzeitschrift Scientific Honeyweller, Band 6, Heft 1 (April 1985), Seiten 20/21 sowie Band 8, Heft 1 (Herbst 1987), Seiten 29 bis 34 bekannt. Nachteilig bei der Anwendung solcher Magnetsensoren war bisher, daß im Zuge der an die Brücken- bzw. Halbbrücken­ schaltung angeschlossenen Verstärker Koppelkondensatoren zwischen einzelnen Verstärkerstufen vorgesehen sind, die bei der Messung langsamer Magnetfeldänderungen entsprechend groß bemessen sein müssen. Dies führt zu großen Zeitkonstanten und damit zu langen Aktivierungs- und Einschwingzeiten der Ver­ stärker. Es ist nicht möglich, mit solchen Schaltungsanordnungen Magnetsensoren im Taktbetrieb zu betreiben, was andererseits zwecks Energieersparnis wünschenswert wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es folglich, eine Auswerteschaltung zu schaffen, welche ohne große Koppelzeitkonstanten arbeitet und sofort nach dem Einschalten meßbereit ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen. Infolge der schnellen Aktivierbarkeit des Magnetsensors und seiner Auswerteschaltung kann dieser getaktet betrieben, d. h. in vorgegebenem zeitlichen Abstand aktiviert und wieder deaktiviert werden, wenn beispielsweise langsame Änderungen eines Magnetfeldes, z. B. des erdmagnetischen Feldes überwacht werden sollen. Ein solcher Taktbetrieb ist strom­ sparend, so daß der Sensor autonom auch für lange Liegezeiten mit geringer Belastung der ihn speisenden Batterie geeignet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert.

Die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände RM 1 und RM 2 bilden zusammen mit den nachgeschalteten Abgleichwiderständen RA 1 bzw. RA 2 eine Halbbrücke und können beispielsweise nach Art der gedruckten Schaltungen in Dünnfilmtechnik aus mäanderförmig ausgestalteten Widerstandsbahnen bestehen. Als magnetfeldab­ hängiger Werkstoff eignet sich insbesondere Permalloy, dessen Eigenschaften jedoch stark temperaturabhängig sind. Aus diesem Grunde wird die Halbbrücke aus zwei die Temperaturabhängigkeit der magnetfeldabhängigen Widerstände RM 1 und RM 2 kompensierenden ebenfalls temperaturabhängigen Stromquellen Q 1 und Q 2 gespeist, die über einen elektronischen Schalter S 1 an die Versorgungs­ spannung von beispielsweise +5 V anschließbar sind. Die beiden Brückendiagonalpunkte D 1 und D 2 sind jeweils an den nicht invertierenden Eingang (+) eines ersten bzw. zweiten Operations­ verstärkers A 1 bzw. A 2 angeschlossen. Beide Operationsverstärker A 1 und A 2 sowie ein dem zweiten Operationsverstärker A 2 nachge­ schalteter dritter Verstärker A 3 erhalten ihre Versorgungs­ spannung über einen weiteren elektronischen Schalter S 2 aus einer stabilisierten Gleichspannungsquelle Vcc von beispiels­ weise 3 bis 5 V. Sie speist auch den Microprozessor MP und den ihm zugeordneten Analog/Digital-Umsetzer ADW.

Eine Widerstandskette R 1 bis R 6 ist zwischen eine Referenz­ spannung Vref und den ersten Eingang E 1 des A/D-Umsetzers ADW eingeschaltet. Die Referenzspannung Vref entspricht beispiels­ weise dem halben Wert der gesiebten Gleichspannung Vcc. Der erste Widerstand R 1 liegt zwischen der Referenzspannung und dem invertierenden Eingang (-) des ersten Operationsverstärkers A 1. Zwischen diesem Eingang und dem Ausgang befindet sich der zweite Widerstand R 2. Der dritte Widerstand R 3 liegt zwischen dem Ausgang des ersten Verstärkers A 1 und dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers A 2. Der vierte Widerstand ist ent­ sprechend dem Widerstand R 2 zwischen Ausgang und invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers A 2 eingeschaltet. Der fünfte Widerstand R 5 verbindet wiederum den Ausgang des zweiten Verstärkers A 2 mit dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers A 3, und der sechste Widerstand liegt wiederum zwischen dessen Ausgang und dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers A 3. Sein Ausgang steht mit dem genannten ersten Eingang E 1 des AG-Umsetzers ADW in Verbindung. Die Verstärkung der ersten beiden Verstärker A 1 und A 2 wird durch das Widerstandsverhältnis R 4/R 3 bestimmt. Durch Wahl der Widerstände R 1 = R 4 und R 2 = R 3 erreicht man, daß bei fehlendem Brückendifferenzsignal der Ausgang des Verstärkers A 2 die Referenzspannung Vref führt. Damit ist das Gleichtaktsignal der Brückenschaltung unterdrückt und der Arbeitspunkt der Verstärker durch die Vorgabe der Referenzspannung frei wählbar. Existiert hingegen zwischen den beiden Diagonalpunkten D 1 und D 2 eine Differenzspannung, weil das zu messende magnetische Feld auf die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände RM 1 und RM 2 auf Grund deren geometrischer Anordnung unterschiedlich einwirkt, so ist diese Differenzspannung zwischen den nicht invertierenden Eingängen der beiden Verstärker A 1 und A 2 gegenüber dem Referenzpotential wirksam, und am Ausgang des Verstärkers A 2 entsteht eine vom Referenzpotential abweichende Spannung, die über den Widerstand R 5 an den invertierenden Eingang des dritten Verstärkers A 3 gelangt. Dessen Verstärkung wird vom Verhältnis der Widerstände R 6/R 5 bestimmt. Sein Arbeitspunkt wird zum Teil durch den aus der stabilisierten Gleichspannung Vcc gespeisten Spannungsteiler R 7, R 8 bestimmt. Anstelle eines Spannungsteilers könnte auch ein Längswiderstand zur Referenzspannungsquelle Vref geschaltet sein. Die Referenzspannung steht wie oben erwähnt, in einem vorgegebenen Verhältnis, beispielsweise ½ zur stabilisierten Gleichspannung Vcc.

Für Messungen eines magnetischen Gleichfeldes, beispielsweise des Erdmagnetfeldes werden die unvermeidlichen Offsetspannungen der Verstärker multipliziert mit dem durch die ihm zugeordneten Widerstände vorgegebenen Verstärkungsfaktor dadurch abgeglichen, daß vom Microprozessor MP über ein R/2R Netzwerk N sowie einen Widerstand R 9 eine zusätzliche Abgleichspannung dem nicht invertierenden Eingang (+) des dritten Verstärkers A 3 zugeführt wird. Die erforderliche Abgleichspannung ist beim vorherigen Eichen der Schaltung ermittelt und im Speicher des Micro­ prozessors MP als digitaler Zahlenwert abgespeichert worden. Sollen nur Änderungen des Magnetfeldes, beispielsweise des Erdmagnetfeldes und nicht seine absolute Größe selbst gemessen werden, so kann im Microprozessor auch eine den statischen Mittelwert des Erdmagnetfeldes kennzeichnende Größe mit abge­ speichert und folglich in der geschilderten Weise mit abge­ glichen bzw. kompensiert werden.

Für dreiachsige Magnetsensoren kann zum Ausgleich der ver­ schiedenen Verstärkerkanäle zu den Eingängen E 2 und E 3 des A/D-Umsetzers ADW das gleiche Netzwerk N in Verbindung mit weiteren Abgleichwiderständen R 10 bzw. R 11 dienen, die über Abgleichleitungen L 2 bzw. L 3 an den jeweiligen dritten Verstärker A 3 des der jeweiligen Empfindlichkeitsachse zugeordneten Verstärkerkanals angeschlossen sind. Die Ausgänge dieser beiden anderen Verstärkerkanäle sind an die Eingänge E 2 und E 3 des A/D-Umsetzers ADW angeschlossen. Ein R/2R-Netzwerk besteht aus einem Längswiderstand R und einem Querwiderstand vom Wert 2R.

Über die beiden elektronischen Schalter S 1 und S 2 können einerseits die Meßbrücke und andererseits die Verstärker kurzfristig und kurzzeitig, z. B. periodisch an die zugehörige Betriebsspannung angeschlossen werden und brauchen jeweils nur solange in Betrieb zu sein, bis das Meßergebnis über den A/D-Umsetzer in einen dem Microprozessor MP zugeordneten Speicher eingegeben ist. Beim nächsten Meßzyklus wird ermittelt, ob und ggf. in welcher Richtung sich das Magnetfeld in den einzelnen Achsrichtungen des dreiachsigen Sensors geändert hat. Hieraus werden elektronisch entsprechende Schlüsse gezogen, beispielsweise die Annäherung eines Fahrzeugs an den Sensor. Das Fehlen von RC-Gliedern langer Zeitkonstante ermöglicht den Takt­ betrieb. Nach dem Einschalten der Sensoren und der Einspeisung der Abgleichwerte über die Leitungen L 1 bis L 3 in den jeweiligen Verstärkerkanal braucht nur noch die Einschwingzeit der Ver­ stärker selbst abgewartet zu werden; dann ist jeder Meßkanal aktiviert. Die Schaltungsanordnung hat ferner den Vorteil, daß der Arbeitspunkt der Verstärker A 1 und A 2 innerhalb ihres Arbeitsbereiches frei wählbar ist. Vom Prozessor aus kann der Arbeitspunkt des A/D-Umsetzers vorgewählt werden. Da die Schaltungsanordnung im abgeglichenen Zustand jegliche Brücken-Ausgangsgleichspannungen unterdrückt, haben auch etwaige temperaturbedingte Änderungen der Brückenausgangsgleichspannung keinen Einfluß auf das Meßergebnis des Magnetsensors.

Claims (6)

1. Auswerteschaltung für Magnetsensoren mit wenigstens zwei in einer Brücken- oder Halbbrückenschaltung angeordneten magnet­ feldabhängigen Widerständen (RM 1, RM 2), dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zwei Operationsverstärker (A 1, A 2) jeweils mit ihrem nicht invertierenden Eingang an einen Diagonalpunkt (D 1, D 2) der Brücke angeschlossen sind und dem zweiten Operationsverstärker (A 2) ein dritter Operationsverstärker (A 3) nachgeschaltet ist;
• b) zwischen dem invertierenden Eingang des ersten Operations­ verstärkers (A 1) und Bezugspotential (Vref) ein erster Widerstand (R 1) liegt;
  zwischen dem invertierenden Eingang des ersten Operations­ verstärkers und seinem Ausgang ein zweiter Widerstand (R 2) liegt;
  zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (A 1) und dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsver­ stärkers (A 2) ein dritter Widerstand (R 3) liegt;
  zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (A 2) und seinem Eingang ein vierter Widerstand (R 4) liegt;
  zwischen dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (A 2) und dem invertierenden Eingang des dritten Operations­ verstärkers (A 3) ein fünfter Widerstand (R 5) liegt; und
  zwischen dem invertierenden Eingang des dritten Operations­ verstärkers (A 3) und seinem Ausgang ein sechster Wider­ stand (R 6) liegt;
• c) einerseits der erste (R 1) und der vierte Widerstand (R 4) und andererseits der zweite (R 2) und der dritte Widerstand (R 3) gleich groß sind; und
• d) dem nicht invertierenden Eingang des dritten Operations­ verstärkers (A 3) eine seinen Arbeitspunkt bestimmende Gleichspannung zugeführt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des dritten Operationsverstärkers (A 3) an einen Eingang (E 1) eines dem Microprozessor (MP) zugeordneten Analog/digital-Umsetzers (ADW) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem nicht invertierenden Eingang des dritten Verstärkers (A 3) zugeführte Spannung einerseits aus einer mit der Referenz­ spannung (Vref) in vorgegebener Beziehung stehenden, bei­ spielsweise über einen Vorwiderstand oder einen Spannungs­ teiler (R 7, R 8) abgeleiteten, den Arbeitspunkt des Verstärkers bestimmenden Komponente und andererseits aus einer bei einem vorangehenden Nullabgleich gewonnenen und gespeicherten Abgleichspannung (R 9) besteht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichspannung in einem dem Microprozessor (MP) zugeordneten Speicher abge­ speichert ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung Q 1, Q 2, RM 1, RM 2) und die Operationsverstärker (A 1, A 2, A 3) über von einem Taktgeber (MP) betätigbare elektronische Schalter (S 1, S 2) an ihre Versorgungsspannungen anschließbar sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für einen mehrachsigen, vorzugsweise dreiachsigen Magnetsensor, dadurch gekennzeichnet, daß im Speicher des Microprozessors (MP) die Abgleichwerte für jeden der den einzelnen Achsen zugeordneten Verstärkerkanäle gespeichert sind und über ein Netzwerk (N) und entsprechende Entkopplungswiderstände (R 9, R 10, R 11) den nicht invertierenden Eingängen jeweils des dritten Verstärkers (A 3) jedes Kanals zugeführt werden.