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Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1, insbesondere betrifft sie einen Sensor mit einer
Einrichtung zum Beseitigen von Rauschen, das in dem Sensor entsteht.
Ein Sensor dieser Art ist aus der US-A-60 53 044 bekannt.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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7 ist
ein Blockdiagramm einer herkömmlichen
Einrichtung zum Treiben und Detektieren eines Oszillators, wobei
außerdem
der Aufbau eines Teils eines Winkelgeschwindigkeitssensors dargestellt
ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor nach 7 besitzt als Sensoreinrichtung einen
Oszillator 1, einen Treibersteuerteil zum Anschwingen und
Treiben des Oszillators 1 mit einer vorbestimmten Treiberfrequenz,
einen Detektorsteuerteil zum Nachweisen einer von dem Oszillator 1 ausgegebenen
Winkelgeschwindigkeit, und einen Korrekturteil zur Empfindlichkeitseinstellung
und Offset-Einstellung des Oszillators 1, um die Temperaturschwankungen
auszugleichen.
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Der Oszillator 1 ist zum
Beispiel ein piezoelektrischer Oszillator oder ein Oszillator vom
Kapazitätstyp,
er besitzt mehrere Schwingungsschenkel (z.B. drei Schenkel), die
abzweigend an einem der Enden des sich in Längsrichtung erstreckenden Oszillators 1 ausgebildet
sind. Ein Paar Eingangselektroden, die sich in Längsrichtung erstrecken, sind
in einer der Stirnflächen
jedes der Oszillatorschenkel ausgebildet, und ein Paar Ausgangselektroden
ist auf der anderen (nicht gezeigten) Stirnseite ausgebildet. Wenn
in dem Oszillator 1 von einer Treibereinrichtung 6 auf
die Eingangselektroden jedes der Schwingungsschenkel ein Sinuswellen-Treibersignal gegeben
wird, werden die Schwingungs-Schenkel zum Schwingen gebracht und
werden in einer Richtung angetrieben, in der Schwingungsschenkel
fluchten. Wenn in diesem Zustand der Oszillator 1 auf der Längsachse
platziert wird, bewirkt eine Corioliskraft, die entsprechend dem
Umfang der Drehung entsteht, dass der Oszillator 1 in der
Richtung rechtwinklig zur Schwingungsrichtung ausgelenkt und verformt
wird. Im Zuge dieser Verformung gibt ein Paar der in der anderen
Stirnfläche
des Oszillators 1 ausgebildeter Ausgangselektroden Ausgangssignale
unterschiedlicher Phasen ab, die dem Betrag der Corioliskraft entsprechen.
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Der Treibersteuerteil besteht aus
einer PLL-Schaltung (Phasenregelschleife), bestehend aus einer Binärumsetzeinrichtung 2,
einem Phasendetektorteil 3, einem VCO (einem spannungsgesteuerten
Oszillator) 4, einem Frequenzteiler 5, und der Treibereinrichtung 6.
Wenn von der Treibereinrichtung 6 ein Treibersignal SD
ausgegeben und in den Oszillator 1 eingespeist wird, werden
von diesem Ausgangssignale S1, S2 ausgegeben.
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Der aus einem Phasendifferenz-Detektorteil 3 und
einem Tiefpassfilter 7 gebildete Phasendetektorteil gibt
ein Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal Sp aus, welches dem Betrag
der Corioliskraft entspricht, basierend auf der Phasendifferenz
zwischen den beiden Ausgangssignalen S1 und S2 des Oszillators 1.
Das von dem VCO gebildete Schwingungssignal wird von dem Frequenzteiler
in der Frequenz geteilt, und das resultierende Signal wird dann
als Referenzsignal Dref zu einer Ablaufsteuerung 9 auf der
Korrekturseite gegeben.
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Der Korrekturteil besteht aus einer
Korrektureinrichtung, der Ablaufsteuerung 9, einem E2PROM 10, einer E2PROM-Schnittstelle 11,
einem Schreib-/Lesespeicher oder RAM 12 und einem Temperatursensor 13.
Die Korrektureinrichtung 8 besitzt eine Korrekturschaltung 8A,
bestehend aus einer Empfindlichkeitskorrekturschaltung, einer Offset-Korrekturschaltung
und einer Temperaturkoeffizienten-Korrekturschaltung sowie einer
Verstärkungseinrichtung 8B.
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Der E2PROM 10 enthält verschiedene
Anfangs-Datenstücke
für die
Empfindlichkeitseinstellung, die Offset-Einstellung und den Koeffizienten des
Oszillators 1 bei einer gewissen Temperatur (von beispielsweise
20°C). In
der Korrektureinrichtung 8 werden die jeweiligen Anfangs-Datenwerte,
die in dem E2PROM gespeichert sind, zu vorbestimmten Zeitintervallen
basierend auf dem von dem Frequenzteiler 5 unter der Steuerung
der Ablaufsteuerung 9 kommenden Referenzsignal Dref über die E2PROM-Schnittstelle 11 zu dem RAM 12 gesendet. In
anderen Worten: der Inhalt des RAM 12 wird dauernd mit
Anfangsdatenwerten gleichen Inhalts überschrieben. Wenn die Inhalte
der An fangsdatenwerte, die in dem RAM 12 aufgezeichnet
werden, sich durch Rauscheinflüsse
zeitlich ändern,
lassen sich die ursprünglichen
Anfangsdatenwerte sofort wieder zurückerlangen.
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Die Korrekturschaltung 8A besitzt
in ihrem Inneren eine nicht dargestellte D/A-Wandlereinrichtung zum Umwandeln jedes
Anfangsdatenwerts in ein Analogsignal. Die Korrekturschaltung 8A empfängt außerdem einen
Temperaturdatenwert, der von dem Temperatursensor 13 erfasst
wird. Die Korrekturschaltung 8A wählt einen Empfindlichkeitskorrekturwert,
einen Temperaturkorrekturwert und einen Temperatureffizienten basierend
auf dem Temperatursensor 13 erfassten Temperaturdatenwert
aus und bestimmt das passende Offset-Maß.
Dieses Offset-Maß wird
an die Verstärkungseinrichtung 8B gegeben,
um die von dem Phasendetektorteil 3 ausgegebene Winkelgeschwindigkeit
Sp zu korrigieren. Der korrigierte Ausgangswert, dessen Hochfrequenz-Komponente
durch das Tiefpassfilter beseitigt wurde, wird als endgültiges Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal
Sp' ausgegeben.
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Die herkömmliche Vorrichtung zum Treiben und
Detektieren eines Oszillators weist folgende Probleme auf:
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Bei dem oben erläuterten Aufbau erfolgt die Binärumsetzung
in der Binärumsetzeinrichtung 2 beispielsweise
bei einer Frequenz, die erhalten wird, indem das Schwingungssignal
des VCO 4 in seiner Frequenz fünfmal zweigeteilt wird (1/32-mal)
und das Schreiben von dem E2PROM in den
RAM 12 bei einer Frequenz erfolgt, die erhalten wird, indem
das Schwingungssignal des VCO 4 durch Zweiteilung in der
Frequenz geteilt wird (die 1/2-fache Frequenz). In diesem Fall ist
der zeitliche Ablauf, mit dem die Ausgangssignale S1, S2 des Oszillators 1 von
der Binärumsetzeinrichtung 2 umgesetzt
werden, und der zeitliche Ablauf, bei dem die jeweiligen Anfangsdatenwerte
in dem E2PROM umgeschrieben werden in den
RAM 12 des Korrekturteils, bei jedem sechzehnten Mal einander
entsprechend.
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Wenn die jeweiligen Anfangsdatenwerte
des E2PROM 10 in den RAM 12 eingeschrieben
werden, kommt es leicht zu Rauschen.
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Wenn die zeitlichen Abläufe der
beiden Signale einander entsprechen, wird dem Eingangssignal der
Binärumsetzeinrichtung 2 (einem
Ausgangssignal des Oszillators 1 und/oder einem Schwellenwert für die Binärumsetzung
des Ausgangssignals) ein Whisker-Rauschen überlagert. Wenn der zeitliche Ablauf
der beiden Signale nicht übereinstimmt,
wird dem Eingangssignal überhaupt
kein Whisker-Rauschen überlagert.
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Wenn, wie oben ausgeführt, dem
Eingangssignal Whisker-Rauschen überlagert
ist, schwanken die Binärsignale
D1, D2 und die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen schwankt
aus diesem Grund ebenfalls. Daher schwankt die Steuerspannung für den VCO 4,
demzufolge das Schwingungssignal des VCO 4 ebenfalls variiert.
Dies bewirkt, dass die Signale der gesamten Treiber- und Detektoreinrichtung
schwanken. Da dieser Zustand sehr ähnlich dem Zustand ist, dass
das Treibersignale SD zum Treiben des Oszillators 1 FM-moduliert
ist, kann der Oszillator 1 nicht stabil betrieben werden.
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Die Binärsignale D1 und D2 selbst schwanken
bei einer relativ hohen Frequenz, allerdings schwankt das Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal
Sp, welches von dem Phasendifferenz-Detektorteil 3 ausgegeben
wird, mit niedriger Frequenz. Damit ist es schwierig, die Schwankung
mit Hilfe des Tiefpassfilters 7 in der nachgeordneten Stufe
zu beseitigen. Es kann kein Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal
Sp' mit hoher Genauigkeit
erfasst werden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung löst die obigen Probleme
im Stand der Technik und schafft einen Sensor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Der Sensor detektiert eine Winkelgeschwindigkeit
mit hoher Genauigkeit ohne abträgliche
Beeinflussung durch Rauschen.
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Erfindungsgemäß enthält eine Einrichtung zum Treiben
und Detektieren eines Oszillators einen Oszillator zum Ausgeben
von Ausgangssignalen verschiede ner Phasen, wenn eine gegebene Winkelgeschwindigkeit
vorhanden ist, einen Treibersteuerteil zum Treiben des Oszillators
und einen Detektorsteuerteil zum Detektieren des Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignals
basierend auf den Ausgangssignalen des Oszillators, wobei der Detektorsteuerteil eine
Binärumsetzeinrichtung
zum Umwandeln der beiden Ausgangssignale in der Amplitudenpolarität entsprechende
Binärsignale,
ein Phasendetektorteil zum Detektieren des Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignals
basierend auf der Phasendifferenzkomponente zwischen den beiden
Binärsignalen,
einen Korrekturteil zum Durchführen
einer Korrektur bezüglich
des Ausgangssignals des Phasendetektorteils entsprechend der Kennlinie
des Oszillators, und eine Datenhaltereinrichtung in dem Korrekturteil
aufweist, um den Inhalt des Speichers zu halten, der mit in dem
Datenspeicherteil gespeicherten Datenwerten überschrieben wird, wobei die
Arbeitsweise der Daten-Haltereinrichtung derart gesteuert wird,
dass das Überschreiben
des Speichers für
eine fixe Zeitspanne, die die Zeit zum Umschalten der Amplitudenpolaritäten in der
Binärumsetzeinrichtung
enthält,
vorübergehend
ausgesetzt wird.
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Erfindungsgemäß wird der Betrieb einer Rauschen
verursachenden Quelle (das ist hier die Daten-Haltereinrichtung)
für eine
fixe Zeitspanne vor und nach und einschließlich der Zeit zum Umschalten der
Binärumsetzeinrichtung
vorübergehend
angehalten. Damit kann verhindert werden, dass sich die Binärsignale,
die von der Binärumsetzeinrichtung
ausgegeben werden, Schwankungen aussetzt.
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Vorzugsweise enthält erfindungsgemäß die Einrichtung
zum Treiben und Detektieren eines Oszillators eine Steuerung zum
Steuern des Überschreibvorgangs
für den
Speicher in der Daten-Haltereinrichtung, wobei die Zufuhr eines
Zeitsteuersignals (Sc) als Betrieb-Referenzgröße der Steuerung für eine fixe
Zeitspanne angehalten wird, um dadurch das Überschreiben des Speichers
vorübergehend auszusetzen.
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Der Treibsteuerteil besitzt einen
spannungsgesteuerten Oszillator zum Steuern der Schwingungsfrequenz
basierend auf dem Ausgangssignal des Oszillators, und eine Frequenzteilereinrichtung zur
Frequenzteilung eines von dem span nungsgesteuerten Oszillator ausgegebenen
Signals, um ein Treibersignal für
den Oszillator zu bilden, wobei die Ausgangssignale von die Frequenzteilereinrichtung bildenden
Flipflops kombiniert werden und das Zeitsteuersignal (Sc) mit der
Aussetz-Zeitspanne zu erzeugen.
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Bei dem oben erläuterten Aufbau wird das in die
Frequenzteilereinrichtung eingegebene Signal mit einem der Ausgangssignale
von mehreren Flipflops, die die Frequenzteilereinrichtung bilden,
kombiniert. Damit läßt sich
die zeitliche Breite der Aussetzzeitspanne optional einstellen.
Da diese Aussetzzeitspanne Zeit vorab einrichten kann, kann der Aufbau
auch dann nicht abträglich
beeinflusst werden, wenn die Zeit zum Erzeugen von Rauschen etwas
verlängert
ist.
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Erfindungsgemäß kann der Oszillator ein piezoelektrischer
Oszillator oder ein Oszillator vom Kapazitätstyp sein.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, welches eine Einrichtung zum Treiben und Detektieren
eines Oszillators gemäß der Erfindung
sowie einen Teil des Aufbaus eines Winkelgeschwindigkeitssensors
zeigt;
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2 ist
eine Schaltungsskizze, welche den Aufbau der Binärumsetzeinrichtung zeigt;
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3 ist
eine Schaltungsskizze, die einen Phasendifferenz-Detektorteil zeigt;
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4 ist
ein Blockdiagramm einer Frequenzteilereinrichtung und einer Aussetzeinrichtung;
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5 ist
ein Impulsdiagramm, welches die Beziehung zwischen Ausgangssignalen
S1, S2, Binärsignalen
D1, D2, einem Referenzsignal Dref und Exklusiv- oder Ausgangssignale
EX1, EX2 zeigt;
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6 ist
ein Impulsdiagramm, das die Beziehung zwischen verschiedenen Signalen
in der Frequenzteilereinrichtung und der Aussetzeinrichtung zeigt;
und
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7 ist
ein Blockdiagramm einer herkömmlichen
Einrichtung zum Detektieren und Treiben eines Oszillators sowie
des Aufbaus eines Teils eines Winkelgeschwindigkeitssensors.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Einrichtung zum Treiben und Detektieren
eines Oszillators gemäß der Erfindung
sowie einen Teil des Aufbaus eines Winkelgeschwindigkeitssensors
zeigt.
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2 ist
eine Schaltungsskizze des Aufbaus der Binärumsetzeinrichtung.
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3 ist
eine Schaltungsskizze eines Phasendifferenz-Detektorteils.
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4 ist
ein Blockdiagramm einer Frequenzteilereinrichtung und Aussetzeinrichtung.
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5 ist
ein Impulsdiagramm, das die Beziehung zwischen Ausgangssignalen
S1, S2, Binärsignalen
D1, D2, dem Referenzsignal Dref und Exklusiv-Ausgangssignalen EX1,
EX2 zeigt.
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In dem in 1 gezeigten Blockdiagramm ist ein Treibersteuerteil
zum Treiben eines Oszillators 31 durch den Oszillator 31 selbst
als Hauptbestandteil, eine Binärumsetzeinrichtung 22,
einen Phasendetektorteil 23, eine Steuerspannungs-Erzeugungseinrichtung
(Tiefpassfilter) 41, einen VCO (einen spannungsgesteuerten
Oszillator) 42, eine Frequenzteilereinrichtung 43,
ein Sekundär-Tiefpassfilter 29 und eine
Treibereinrichtung 26 gebildet. Ein Detektorsteuerteil
zum Detektieren des Ausgangssignals (der Winkelgeschwindigkeit)
des Oszillators 21 enthält
einen Phasendetektorteil 23, einen Korrekturteil 28,
einen Temperatursensor 34 und ein Tiefpassfilter 27.
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Der Oszillator 21 ist z.
B. ein piezoelektrischer Oszillator oder ein Oszillator vom Kapazitätstyp. Ein
Ende des Oszillators 21 erstreckt sich in Längsrichtung
in verzweigter Weise, wobei mehrere Schwingungsschenkel oder -füße ausgebildet
sind. Ein Paar Eingangselektroden a und b erstrecken sich in Längsrichtung
parallel zueinander und sind an beiden Seiten einer der Stirnflächen der
Oszillatorschenkel ausgebildet, während in ähnlicher Weise Ausgangselektroden
c, d auf der anderen Stirnfläche des
Oszillators ausgebildet sind. In dem Oszillator 21 werden,
wenn ein Sinuswellen-Treibersignal SD von der Treibereinrichtung 26 an
die Eingangselektroden a, b jedes Schwingungsschenkels gelegt wird,
die Schwingungsschenkel angeschwungen und betrieben in Richtung,
in welcher die Schwingungsschenkel fluchten. Wenn in diesem Zustand
der Oszillator 21 auf der Längsachse in einem Drehsystem
platziert wird, ermöglicht
eine Corioliskraft, die entsprechend dem Ausmaß der Drehung erzeugt wird,
dass der Oszillator 21 in der Richtung rechtwinklig zur
Schwingungsrichtung ausgelenkt und verformt wird. Aus dieser Verformung
werden Ausgangssignale S1, S2 durch die Ausgangselektroden c, d,
die in dem Oszillator 21 ausgebildet sind, gebildet mit
einer Phasendifferenz λ entsprechend
dem Betrag der Corioliskraft. In anderen Worten: gegenüber dem
von einer der Ausgangselektroden (z.B. der Ausgangselektrode c)
erzeugten Ausgangssignal S1 ist das von der anderen Ausgangselektrode
(z.B. der Ausgangselektrode d) erzeugte Ausgangssignal S2 um eine
Phasendifferenz λ verzögert (vgl. 5).
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Wie in 2 gezeigt
ist, besitzt die Binärumsetzeinrichtung 22 ein
Paar I-U-Wandlereinrichtungen
(Strom-Spannungs-Wandler) 22a, 22a' und ein Paar Binärumsetzschaltungen 22b, 22b'. Die Ausgangssignale
S1, S2 des Oszillators 21 bilden ein elektrisches Sinus-Ausgangssignal.
Die I-U-Wandlereinrichtung (Strom-Spannungs-Einrichtung) 22a, 22a' wandelt jedes
der Ausgangssignale S1, S2 in ein Spannungs-Ausgangssignal um. Die
Binärumsetzschaltung 22b, 22b' besitzen einen
Vergleichen mit dem Mittelpunktpotential (Vcc/2) einer Versorgungsspannung
Vcc als Schwellenwert. Die Binärumsetzschaltungen 22b, 22b' wandeln das
Ausgangssignal (die Sinuswelle) der I-U-Wandlereinrichtung 22a, 22a' in Binärsignale
D1, D2 um, die eine Rechteckwelle (digitale Wellenform) im Verhältnis zu der
Impulsbreite aufweisen. Anders ausgedrückt: wie in 5 gezeigt ist, werden die Binärsignale
D1, D3 in ein Signal mit "N"- Pegel (beispielsweise) umgesetzt, wenn
die Ausgangssignale S1, S2 den Schwellenwert (Vcc/2) in der Richtung
von Negativ (0-Seite) zu Positiv (Vcc-Seite) schneiden, und werden in den Pegel "L" umgesetzt, wenn die Ausgangssignale
S1, S2 den Schwellenwert (Vcc/2) in der Richtung von Positiv nach
Negativ schneiden.
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Wie in 3 zu
sehen ist, besitzt der Phasendifferenz-Detektorteil 23 ein
Paar XOR-Schaltungen (Exklusiv-Oder-Schaltungen) 23a, 23a', ein Paar Tiefpassfilterteile 23b, 23b' und einen Differenzverstärker 23c.
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Einer der Eingangsanschlüsse der XOR-Schaltungen 23a, 23a' empfängt die
Binärsignale
D1, D2, der andere Eingangsanschluss empfängt ein Referenzsignal Dref.
Das Referenzsignal Dref ist ein Signal, welches gegenüber dem
Mittelpunkt der Phasendifferenz λ in
der Phase 90° verschoben
ist, wie weiter unten erläutert
wird.
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XOR-Ausgangssignale EX1, EX2 der XOR-Schaltungen 23a, 23a' sind Signale
einer Frequenz, die man durch Verdoppeln der Binärsignale D1, D2 erhält (vgl. 5). Der Phasendifferenz-Detektorteil 23 erzeugt
invertierte XOR-Signale EX1quer und EX2quer, die von Negatoren 23d, 23d' invertierte
Signale EX1 bzw. EX2 sind. Das XOR-Ausgangssignal EX2 und das invertierte
Ausgangssignal EX1quer sind über
einen Widerstand an den einen Tiefpassfilterteil 23b geschaltet.
Das XOR-Ausgangssignal EX1 und das invertierte Signal EX2quer sind
ebenfalls über
einen Widerstand an den anderen Tiefpassfilterteil 23b' gekoppelt.
In den Tiefpassfilterteilen 23b, 23b' werden ein
Signal, welches gewonnen wird durch Addieren des Ausgangssignals
EX2 und des invertierten Ausgangssignals EX1quer, und ein Signal,
welches gebildet wird durch Addieren des Ausgangssignals EX1 und
des invertierten Ausgangssignals EX2quer, durch Integrieren zu Glättungsspannungen
umgewandelt. Diese Glättungsspannungen
werden über
die Pufferschaltung in den Tiefpassfilterteilen 23b, 23b' an den Differenzverstärkerteil 23C gegeben,
der eine der Phasendifferenz λ entsprechende
Spannung als Winkelgeschwindigkeits-Signal Sp erfasst. Das Winkelgeschwindigkeits-Signal
Sp wird zu dem unten beschriebenen Korrekturteil 28 gesendet.
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Das XOR-Ausgangssignal EX1 und das XOR-Ausgangssignal
EX2 der XOR-Schaltungen 23a, 23a' werden über Widerstände R1,
R2 gleichen Widerstandswerts gegeben und von deren Verbindungspunkt
wird das Ausgangssignal an die Steuerspannungs-Erzeugerschaltung
(das Tiefpassfilter) 41 des Treibersteuerteils gegeben.
Die Steuerspannungs-Erzeugereinrichtung (das Tiefpassfilter) 41 wird
durch ein aktives Tiefpassfilter (Steuerspannungs-Erzeugungseinrichtung)
mit Hilfe einer Operationsverstärkereinrichtung
gebildet und erzeugt aus den XOR-Signalen EX1 und EX2 eine Steuerspannung
Vr, die gegenüber
dem Mittelpunktspotential Vcc/2 gemäß der Änderungen der Phase λ zwischen dem
Ausgangssignal S1 und dem Ausgangssignal S2 erhöht oder vermindert wird. Die
Steuerspannung Vr wird mit einer vorbestimmten Frequenz an den VCO 42 gegeben,
der frei schwingen kann. Eine Frequenz fv eines Schwingungssignals
Sv des VCO 42 wird gesteuert.
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Wie in 4 gezeigt,
ist der Ausgang des VCO 42 ausgangsseitig mit einer Frequenzteilereinrichtung 43 und
einer Aussetzeinrichtung 44 ausgestattet. Die Frequenzteilereinrichtung 43 enthält beispielsweise
eine Kaskade aus D-Flipflops (FF) X1, X2, X3, X4 und X5 in fünf Stufen,
wobei das Schwingungssignal Sv des VCO 42 an den Taktanschluss des
Flipflops X1 der ersten Stufe gegeben wird. Zwischen den Flipflops
X1, X2, X3, X4 und X5 wird das Ausgangssignal Q am nicht-invertierten
Ausgangsanschluss der vorausgehenden Stufe auf den Taktanschluss
der nachgeordneten Stufe gegeben, und das Ausgangssignal Qquer der
invertierten Ausgangsanschlüße wird
an den Daten-Eingang der eigenen Stufe gegeben. Ausgangssignale
Q1, Q2, Q3, Q4 und Q5 der nichtinvertierten Ausgangsanschlüsse der
Flipflops X1, X2, X3, X4 und X5 weisen 1/2; 1/4; 1/8; 1/16 bzw.
1/32 der Schwingungsfrequenz fv des VCO 42 auf. Das Ausgangssignal
Q5 des Endstufen-Flipflops X5 wird als Referenzsignal Dref an den
anderen Eingangsanschluss der XOR-Schaltungen 23a, 23a' des Sekundär-Tiefpassfilters 29 gegeben.
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Das Sekundär-Tiefpassfilter 29 erzeugt
ein Treibersignal SD, welches gegenüber dem vom Ausgang Q5 des
Flipflops X5 abgegebenen Referenzsignal Dref eine Phasenverschiebung
von 90° hat.
Die Treibereinrichtung 26 stellt den Pegel des Treibersignals
SD ein, welches dann an die Eingangselektroden a, b des Oszillators 21 gelegt
wird. Der Oszillator 21 empfängt das Treibersignal SD, um
anzuschwingen und betrieben zu werden.
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Das Referenzsignal Dref besitzt eine
Phase θ,
die um 90° gegenüber dem
Mittelpunkt der Binärsignale
D1, D2 verschoben ist, wobei die Binärsignale durch Digitalumsetzung
der Ausgangssignale S1, S2 des Oszillators 21 gebildet
werden (s. 5). In anderen
Worten: die Treiber- und Detektoreinrichtung bildet eine Phasenregelschleife
oder PLL-Schaltung, die von dem Referenzsignal Dref, dessen Phase θ gegenüber dem
Mittelpunkt der Phase λ zwischen
den Ausgangssignalen S1 und S2 gegenüber dem Mittelpunkt (λ/2 der Binärsignale
D1 und D2) stets um 90° verschoben
ist. Wenn das Treibersignal SD und die Ausgangssignale S1, S2 des
Oszillators 21 entgegengesetzte Phasen haben, werden die Ausgangssignale
S1, S2 einmal in der Phase um 180° gedreht,
um die oben erwähnte
Relation beizubehalten.
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Die Aussetzeinrichtung 44 besitzt
zwei D-Flipflops X6, X7 und ein UND-Gatter X1. Der Takteingang des
Flipflops X7 empfängt
das Ausgangssignal Qquer von dem Flipflop X3 der Frequenzteilereinrichtung 43,
und der Ausgang Q7quer des Flipflops X7 wird an den eigenen Dateneingang
geführt. Einer
der Eingangsanschlüsse
des UND-Gatters X8 empfängt
das Schwingungssignal Sv des VCO 42, der andere Anschluss
ist mit dem Ausgang Q7 des Flipflops X7 verbunden. Der Taktanschluss
des Flipflops X6 empfängt
das Ausgangssignal Q9 des UND-Gatters X8, und der Ausgang Q6quer
des Flipflops X6 ist an den eigenen Dateneingang zurückgeführt. Der
Ausgang Q6 des Flipflops X6 ist an eine Ablaufsteuerung CN geschaltet,
um ein Zeitsteuersignal Sc zum Steuern des Korrekturteils 28 zu
bilden.
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Der Korrekturteil 28 besitzt
eine Empfindlichkeitskorrekturschaltung 28A, eine Offset-Korrekturschaltung 28B und
eine Temperatureffizienten-Korrekturschaltung 28C, wie
aus 1 hervorgeht. Diese
justieren für
jede Temperatur die Empfindlichkeit und den Amplituden-Ausgabeversatz
des Oszillators 21, die sich temperaturabhängig ändern, ein.
Die jeweiligen Korrekturdatenwerte, welche diese Schaltungen empfangen,
werden in einem außerhalb
vorgese henen E2PROM (Datenspeicherteil)
abgespeichert. Die Empfindlichkeitskorrekturschaltung 28A, die
Offset-Korrekturschaltung 28B und die Temperaturkoeffizienten-Korrekturschaltung 28C lesen
die jeweiligen Anfangsdatenwerte unter Steuerung der Ablaufsteuerung
CN.
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Die Ablaufsteuerung CN generiert
einen Befehl aus Seriendatenwerten, die hierzu benötigt werden,
und sie verschiebt die jeweiligen Anfangsdatenwerte, die in dem
E2PROM 30 gespeichert sind, über die
Schnittstelle 31 zu einem RAM (Speicher) 33. Dieser
Vorgang wird synchron mit dem in die Ablaufsteuerung CN eingegebenen
Zeitsteuersignal Sc durchgeführt.
Die in den RAM 33 geschobenen Daten werden für eine fixe
Zeit zwischengespeichert, bis die nächsten Datenwerte eingeschoben
werden. Die aus dem E2PROM 30 in
den RAM 33 gesendeten Inhalte sind Anfangsdatenwerte, und
der Inhalt des RAM 33 wird von scheinbar gleichen Inhalten überschrieben.
Der E2PROM (der Datenspeicherteil) 30, der
RAM 33 und die Ablaufsteuerung CN bilden die Daten-Haltereinrichtung.
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Die Empfindlichkeitskorrekturschaltung 28A, die
Offsetkorrekturschaltung 28B und die Temperaturkoeffizienten-Korrekturschaltung 28C besitzen
jeweils eine nicht dargestellte D/A-Wandlereinrichtung. Wenn die
Korrekturdatenwerte des RAM 33 überschrieben werden, werden
die betreffenden Korrekturdatenwerte, die synchron damit zwischengespeichert
wurden, als Analogsignal bereitgestellt. Ein Temperatursensor 34
zum Messen der Innentemperatur befindet sich in der Nähe des Oszillators 21. Das
Ausgangssignal des Temperatursensors 34 wird in die Empfindlichkeitskorrekturschaltung 28A,
die Offsetkorrekturschaltung 28B bzw. die Temperaturkoeffizienten-Korrekturschaltung 28C gegeben.
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Der Temperatursensor 34 ist
z.B. mit einem Transistor zum Nachweisen der Temperatur in der Nähe des Oszillators 21 ausgestattet,
wodurch die Basis-Emitter-Spannung
des Transistors sich linear mit der Temperatur ändert.
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Die Empfindlichkeitskorrekturschaltung 28A, die
Offsetkorrekturschaltung 28B und die Temperaturkoeffizienten-Korrekturschaltung 28C bestimmen die
passenden Korrekturwerte basierend auf dem Temperaturdatenwert,
der von dem Temperatursensor 34 ermittelt wird, um das
von dem Phasendifferenz-Detektorteil 23 ausgegebene
Winkelgeschwindigkeits-Differenzsignal Sp zu korrigieren. Mit anderen
Worten: ein Spannungswert entsprechend den passenden Korrekturwerten
wird abgegeben, und die Verstärkung
der Verstärkungseinrichtung 28D in
dem Korrekturteil 28 wird so gesteuert, dass das Winkelgeschwindigkeitssignal
SP justiert wird.
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Im Folgenden wird die Arbeitsweise
der den Frequenzteiler der Phasenregelschleife bildenden Flipflops
X1-X7 beschrieben.
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6 ist
ein Impulsdiagramm, welches die Beziehung zwischen verschiedenen
Signalen in der Frequenzteilereinrichtung und der Aussetzeinrichtung
veranschaulicht. Beginnend bei der obersten Zeile in 6 zeigt diese Schwingungssignal
Sv des VCO 42, das Ausgangssignal Q1 des Flipflops X1, das
Ausgangssignal Q2 des Flipflops X2, das Ausgangssignal X3 des Flipflops
X3, das invertierte Ausgangssignal Q3quer des Flipflops X3, das
Ausgangssignal Q4 des Flipflops X4, das Ausgangssignal Q5 des Flipflops
X5 und das Referenzsignal Dref, das Ausgangssignal Q6 des Flipflops
X6, welches auch das Zeitsteuersignal Sc ist, welches den Korrekturteil 28 steuert,
das Ausgangssignal Q7 des Flipflops X7, das Ausgangssignal Q8 des
UND-Gatters X8, das Ausgangssignal des Sekundär-Tiefpassfilters 29 (das
gegenüber
dem Referenzsignal Dref um 90° in der
Phase verschobene Signal) Sd, das Treibersignal SD und die Ausgangssignale
S1, S2 des Oszillators 21.
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In 6 wird
der Zeitpunkt, zu dem Ausgangssignal Sd des Sekundär-Tiefpassfilters 29 vom Signal
mit Pegel N umschaltet in das Signal mit dem Pegel L oder umschaltet
vom Signal mit dem Pegel L auf ein Signal mit dem Pegel H, jeweils
mit t1, t2,... bezeichnet, wenn das Schwingungssignal SD den Schwellenwert
(Vcc/2) schneidet. Darüber
hinaus sind die Zeitpunkte, zu denen die Ausgangssignale S1, S2
des Oszillators 21 vom Pegel H umschalten oder vom Pegel
L umschalten, die Zeitpunkte (t1±λ/2,....) vor und nach den Zeitpunkten
t1, t2,..., und zwar um eine Phasendifferenz ±λ/2 (etwa ± 0,5 μs), erzeugt aufgrund der Corioliskraft.
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Die Zeitspanne vor und nach den Zeitpunkten
t1, t2,... ist mit einer Aussetzzeitspanne T ausgestattet, in der
das Ausgangssignal Q6 (das Zeitsteuersignal Sc) auf H-Pegel oder
auf L-Pegel innerhalb einer fixen Zeitspanne bleibt. Eine solche
Aussetzzeitspanne T wird in dem Ausgangssignal Q4 intermittierend
eingebaut (in das Zeitsteuersignal Sc).
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Während
der Aussetzzeitspanne T lässt
sich die Ablaufsteuerung CN in den Ruhezustand versetzen, da das
Zeitsteuersignal Sc nicht an die Ablaufsteuerung CN ausgegeben wird.
Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit,
eine Reihe von Operationen anzuhalten, bei denen die jeweiligen
Anfangsdatenwerte, die in dem E2PROM 30 gespeichert
sind, über die
Schnittstelle 31 in den RAM 33 verschoben werden.
Zumindest während
der Aussetzzeitspanne T ist es möglich,
Rauschen zu verhindern, welches leicht entsteht, wenn die jeweiligen
Anfangsdatenwerte aus dem E2PROM 30 in
den RAM 33 eingeschrieben werden.
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Man kann vermeiden, dass in den Ausgangssignalen
S1, S2 des Oszillators 21 Whisker-Rauschen enthalten ist.
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Die Binärumsetzeinrichtung 22 kann
verhindern, dass die Ausgangssignale S1, S2 oder der Schwellenwert
durch Rauscheinflüsse
Schwankungen unterzogen sind. Die Ausgangssignale S1, S2 können mit
hoher Genauigkeit in die Binärsignale
D1, D2 umgewandelt werden. Die Phasendifferenz kann präzise zu
sehr kurzen Zeitintervallen erfasst werden.
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Der Korrekturteil 28 schreibt
die Anfangsdatenwerte, die stets den gleichen Inhalt haben, in den RAM 33 ein.
Die vor der Aussetzzeit T überschriebenen
Anfangsdatenwerte werden in dem RAM 33 zwischengespeichert.
Selbst wenn, wie oben beschrieben wurde, die Aussetzzeitspanne T
gegeben ist und ein Zustand, in welchem ein Überschreiben des RAM 33 nicht
erfolgt, periodisch stattfindet, ermöglichen die Empfindlichkeitskorrekturschaltung 28A,
die Offsetkorrekturschaltung 28B und die Temperaturkoeffizienten-Korrekturschaltung 28C eine
Korrektur basierend auf den in dem RAM 33 zwischengespeicherten
Datenwerten. Der Einfluss auf das Winkelgeschwindigkeit-Signal Sp' nach der Korrektur
kann verringert werden.
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Bei der obigen Ausführungsform
setzen das Schwingungssignal Sv des Ausgangs Q3quer des Flipflops
X3 der Frequenzteilereinrichtung 43 und das Schwingungssignal
Sv des VCO 42 die Aussetzzeitspanne T, allerdings ist die
Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Wenn das Zeitsteuersignal Sc der Ablaufsteuerung CN des Korrekturteils
zuverlässig
angehalten werden kann vor oder nach den Zeitpunkten t1, t2,...,
können
andere Signale zum Einstellen der Aussetzzeitspanne T miteinander
kombiniert werden.
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Die Aussetzzeitspanne hat die Wirkung, Rauschen
der Schaltung dann zu beseitigen, wenn rauschempfindliche Zeiten
wiederholt auftreten. Beispielsweise kann eine analoge Verzögerungsschaltung
eingesetzt werden, um die Aussetzzeitspanne zu bilden.
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Erfindungsgemäß lässt sich ein Überschreiben
der Datenwerte des Korrekturteils für eine Zeitspanne vor und nach
der Signalumschaltung durch die Binärumsetzeinrichtung aussetzen.
Hierdurch lässt
sich eine Schwankung der Binärsignale
verhindern.
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Der Oszillator lässt sich stabil betreiben,
und die Winkelgeschwindigkeit lässt
sich mit hoher Genauigkeit erfassen.