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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der
für tragbare
Videorekorder oder Fahrzeugsteuerungssysteme verwendet wird. Insbesondere
wird mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, die Startzeit eines
Winkelgeschwindigkeitssensors zu verkürzen.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
Beispiel einer Treiberschaltung für einen Winkelgeschwindigkeitssensor
ist auf den Seiten 30-31 der Zeitschrift Nippondenso Engineering
Society (Bd. 38, Nr. 3, 1994) bekannt gemacht.
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Die
Winkelgeschwindigkeitssensor-Treiberschaltung im Stand der Technik
umfasst ein Antriebsteil zum Übertragen
von Schwingungen auf einen Stimmgabeloszillator, einen Schwingungspegeldetektor
zum Erfassen eines Schwingungspegels des Oszillators; einen Corioliskraft-Detektor
zum Erfassen einer entsprechend der Winkelgeschwindigkeit erzeugten
Corioliskraft; einen ersten Verstärker zum Verstärken eines
Ausgangssignals des Schwingungspegeldetektors; eine Gleichrichterschaltung zum
Gleichrichten eines Ausgangssignals des ersten Verstärkers, um
eine Gleichspannung zu erhalten, einen Differenzverstärker zum
Vergleichen der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung und
einer Bezugsspannung sowie einen Verstärker mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor,
der ein 90° phasenverschobenes
Ausgangssignal des ersten Verstärkers verstärkt und
das Ausgangssignal zum Antriebsteil zurückführt, um die Amplitude des Stimmgabeloszillators
konstant zu steuern.
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Im
oben erwähnten
Stand der Technik wird, direkt nachdem die Spannungsquelle eingeschaltet ist,
die Verstärkung
des Verstärkers
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor
ein Maximum zwischen einigen die notwendige Bedingung erfüllenden
Verstärkungen.
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Und
das funktioniert so, dass die Amplitude des Stimmgabeloszillators
plötzlich
erhöht
wird und wenig Einfluss darauf hat, die Startzeit des Sensors zu
verkürzen.
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Weil
der veränderliche
Bereich der Verstärkung
des Verstärkers
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor
jedoch begrenzt ist und nicht groß genug gemacht werden kann,
ist eine bestimmte lange Zeit notwendig gewesen, bis die Amplitudenhöhe des Stimmgabeloszillators
einen vorgegebenen Wert erreicht.
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Wenn
der Maximalwert der Verstärkung
des Verstärkers
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor größer als
der vorgegebene Wert eingestellt wird, kann die Startzeit des Sensors
verkürzt
werden. Vom Standpunkt der Probleme insgesamt wie beispielsweise
die Sättigung
der Ausgangswellenform, das reduzierte Rauschen halten, die Stabilität, wenn
die Amplitude des Stimmgabeloszillators konstant gesteuert wird,
ist es jedoch schwierig, den Maximalwert der Verstärkung des
Verstärkers
mit veränderlicher
Verstärkung
größer als
den vorgegebenen Wert zu machen.
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Daher
ist es schwierig, die Zeit (Anlaufzeit) zur Konstanthaltung der
Schwingungsamplitude des Stimmgabeloszillators zu verkürzen, ohne
den Maximalwert der Verstärkung
des Verstärkers
mit veränderlicher
Verstärkung
größer als
einen vorgegebenen Wert zu machen.
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In
diesem Fall wie dem Stimmgabel-Quarzoszillator, der einen großen Schärfewert
Q (Schwingungsenergie pro eingegebene Energie) aufweist, ist es
schwierig, die zeitliche Konstante t = Q/2 f (f: Steuerfrequenz)
zu verkürzen,
ohne hervorragende Erhöhung
der Frequenz f. Folglich wird es zum großen Hindernis, den Maximalwert
der Verstärkung
des Verstärkers
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor nicht
größer als
einen vorgegebenen Wert machen zu können, um die Anlaufzeit zu
reduzieren.
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JP 09-033262 A offenbart
ein Verfahren, bei dem eine zusätzliche
Steuerschaltung für
einen Oszillator des Winkelgeschwindigkeitssensors zum Zweck einer
Verkürzung
der Anlaufperiode des Sensors hergestellt wird. Weil jedoch die
in Massenproduktion hergestellten Oszillatoren unterschiedliche Eigenschaften
hinsichtlich jedes Oszillators aufweisen, ist das Anpassen der Frequenz
und Phaseneigenschaft des Oszillators und die des zusätzlichen Schaltkreises
sehr schwer und eine sehr genaue Steuerung der Oszillatoramplitude
ist ebenfalls sehr schwierig.
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Das
US-Patent 4 956 618 offenbart
eine Anlaufschaltung für
einen Quarzoszillator, bei der eine „zweite Stromquelle" parallel zu der
ursprünglichen Stromquelle
geschaltet ist, um einen schnellen Anlauf zu gewährleisten. Jedoch wird der
Quarzoszillator nur zum Zweck der Erzeugung einer präzise gesteuerten
spezifischen Frequenz verwendet. Weil der Oszillator keine Schwingungsamplitude
steuern muss, gibt es keine Zitierung zum Steuern der Schwingungsamplitude,
und die zweite Stromquelle wird nur nach einem spezifischen Zeitintervall
unterbrochen.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Eine
Treiberschaltung für
einen Winkelgeschwindigkeitssensor nach der vorliegenden Erfindung
umfasst
- a) einen Antriebsteil zum Übertragen
von Schwingungen auf einen Oszillator;
- b) einen Schwingungspegeldetektor zum Erfassen eines Schwingungspegels
des Oszillators;
- c) einen Corioliskraft-Detektor zum Erfassen einer entsprechend
der Winkelgeschwindigkeit erzeugten Corioliskraft;
- d) einen ersten Verstärker
zum Verstärken
eines Ausgangssignals des Schwingungspegeldetektors;
- e) eine Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten eines Ausgangssignals
des ersten Verstärkers und
um eine Gleichspannung zu erhalten;
- f) einen Verstärker
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor,
der das Ausgangssignal des ersten Verstärkers empfängt und die Verstärkung der Ausgangsspannung
der Gleichrichterschaltung entsprechend verändert; und
- g) einen Spannungsverstärker,
der das Ausgangssignal des Verstärkers
mit veränderlichem Verstärkungsfaktor
empfangt und dem Antriebsteil das Ausgangssignal zuführt;
bei
der die Verstärkung
des Spannungsverstärkers durch
eine von dem Ausgangssignal einer Pegelbewertungsschaltung gesteuerte
Schalteinrichtung verändert
wird, die das Ausgangssignal der Gleichrichterschaltung und eine
Bezugsspannung vergleicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
das Blockdiagramm einer Treiberschaltung für einen Winkelgeschwindigkeitssensor nach
einer ersten beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
das Schaltsteuerungs-Zeitdiagramm eines Spannungsverstärkers, der
in der Treiberschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors nach der
ersten beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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3A zeigt
das Ausgangssignal eines Schwingungspegeldetektors und eine angelegte Spannung
auf einen Antriebsteil der in 1 gezeigten
Treiberschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors;
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3B zeigt
das Ausgangssignal einer Schwingungspegel-Detektionseinrichtung
und eine an einen Antriebsteil angelegte Spannung bei einer Treiberschaltung
des Winkelgeschwindigkeitssensors nach dem Stand der Technik;
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4 ist
das Blockdiagramm einer Treiberschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors
entsprechend einer zweiten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
ein Schaltsteuerungs-Zeitdiagramm eines Spannungsverstärkers, der
in der Treiberschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors nach der
zweiten beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNG
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Nachstehend
werden die Funktionen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben.
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Erste beispielhafte Ausführung
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1 ist
das Blockdiagramm einer Treiberschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors
entsprechend einer ersten beispielhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist Block 1 ein Winkelgeschwindigkeitssensor
mit einem Stimmgabeloszillator. Block 2 ist ein erster
Verstärker.
Block 3 ist ein Gleichrichter. Block 4 ist ein
Filterschaltkreis. Block 5 ist ein Verstärker mit
veränderlichem
Verstärkungsfaktor.
Block 6 ist ein Spannungsverstärker mit Folgestufe. Block 7 ist
ein zweiter Verstärker.
Block 8 ist ein Synchrondetektor. Block 9 ist
ein Tiefpassfilter. Teil 10 ist ein Antriebsteil, der zusammengesetzt wird,
indem ein piezoelektrisches Element auf das schwingende Element
geklebt wird.
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Teil 11 ist
ein Detektor, der durch Kleben eines piezoelektrischen Elements
auf das schwingende Element zusammengesetzt wird, und einen Schwingungspegel
detektiert. Die Teile 12 und 13 sind ein erster
und zweiter Detektor, die jeweils eine entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit
erzeugte Corioliskraft erfassen. Antriebsteil 10 und erster
Detektor 12 sind orthogonal verbunden. Schwingungspegeldetektor 11 und
zweiter Detektor 13 sind auch orthogonal verbunden. Antriebsteil 10 und
Schwingungspegeldetektor 11 sind mit einer Verbindungsplatte 14 verbunden,
die an einem Punkt durch einen Haltestab 15 getragen wird.
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Der
Winkelgeschwindigkeitssensor 1 mit einem Stimmengabeloszillator
ist aus dem ersten Detektor 12 bzw. dem zweiten Detektor 13,
dem Antriebsteil 10, dem Schwingungspegeldetektor 11,
der Verbindungsplatte 14 und dem Haltestab 15 zusammengesetzt.
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Eine
Winkelgeschwindigkeitssensor-Treiberschaltung nach dieser Ausführung umfasst:
den Schwingungspegeldetektor 11 zum Erfassen eines Schwingungspegels
eines durch den Antriebsteil 10 gesteuerten Stimmgabeloszillators,
den ersten Verstärker 2 zum
Verstärken
eines Ausgangsignals des Schwingungspegeldetektors 11,
den Gleichrichter 3 zum Gleichrichten eines Ausgangsignals
des ersten Verstärkers 2,
den Filterkreis 4 zum Filtern einer Ausgangspannungen des
Gleichrichters 3, den Verstärker 5 mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor,
um die Amplitude des Stimmgabeloszillators konstant zu steuern,
indem die Verstärkung
entsprechend der Ausgangspannung des Filterkreises 4 verändert wird,
und einen zwischen dem Verstärker 5 mit
veränderlichem
Verstärkungsfaktor
und dem Antriebsteil 10 vorgesehenen Spannungsverstärker 6.
Der Spannungsverstärker 6 hat
die Funktion, eine von der Amplitude des Stimmgabeloszillators erreichte
Zeit konstant einzustellen.
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Die
Signale des ersten Detektors 12 und des zweiten Detektors 13 werden
jeweils im Verstärker 7 verstärkt, mit
einer Frequenz des Stimmgabeloszillators im Synchrondetektor 8 erfasst
und werden zu einer der Winkelgeschwindigkeit proportionalen Spannung.
Anschließend
wird das Ausgangssignal des Synchrondetektors an der Schaltung 9 des
Tiefpassfilters verstärkt
und als ein Spannungssignal der Winkelgeschwindigkeit ausgesendet.
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Ein
an der hinteren Stufe vorgesehener Spannungsverstärker 6 besteht
aus den Widerständen 16, 17, 18,
der Schalteinrichtung 21, einem Operationsverstärker 23,
einem Bezugsspannungsgenerator 25 und einer Pegelbewertungsschaltung 26.
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Die
Widerstände 16, 17 und 18 besitzen
jeweils Widerstandwerte von 100, 10k und 100k Ohm. Wenn die Spannungsquelle
eingeschaltet ist, wird die Schalteinrichtung 21 entsprechend
einer Ladespannung des Kondensators 24, einem Signal von
der Pegelbewertungsschaltung 26 (eingestellte Spannung =
V1) und einem Zeitdiagramm der Schaltsteuerung, wie es in 2 dargestellt
ist, ein- oder ausgeschaltet.
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In
der ersten und der zweiten Stufe im Zeitdiagramm (2)
kann die Verstärkung
des Spannungsverstärkers 6 sehr
groß gemacht
werden (die ans Antriebsteil 10 angelegte Spannung kann
hoch gemacht werden), weil die Verstärkungen des Spannungsverstärkers 6 jeweils
1010 mal und 10 mal eingestellt sind. In der Anfangsstufe ist die
Amplitude des Stimmgabeloszillators klein (das Ausgangssignal der
Schwingungspegel-Erfassungseinrichtung 11 ist klein)
wie es in 3A dargestellt ist.
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Die
Verstärkung
des Spannungsverstärkers 6 wird
klein in der späteren
Halbstufe (die an den Antriebsteil 10 angelegte Spannung
wird gering), bei der sich die Amplitude des Stimmgabeloszillators
einem vorbestimmten Wert nähert
(das Ausgangssignal des Schwingungspegeldetektors 11 erreicht
einen vorgegebenen Wert).
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Die
Folge davon ist, dass die Startzeit des Winkelgeschwindigkeitssensors
hervorragend verkürzt
werden kann. Außerdem
wird die in der hinteren Stufe vorgesehene Verstärkung des Spannungsverstärkers 6 durch
Verwendung der Schalteinrichtung nur in einem gewünschten
Startzeitraum groß gemacht.
Der Maximalwert der Verstärkung
des Verstärkers 5 mit
veränderlichem
Verstärkungsfaktor kann
in einem normalen vorgegeben Wert zumindest nach Eintritt in die
letzte Steuerungsperiode gehalten werden.
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Deshalb
können
alle Probleme im Stand der Technik gelöst werden, die die Sättigung
der Wellenform der Ausgangsspannung, das Rauschen reduziert halten,
die Stabilität,
wenn die Amplitude des Stimmgabeloszillators so gesteuert wird,
dass sie konstant ist, usw. betreffen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, kann durch Einstellen einer Ladespannung
des Kondensators 24 und einer Einstellspannung V1 der Pegelbewertungsschaltung 26 auf
einen gewünschten
Wert und durch willkürliches
Einstellen der Verstärkung
jeder Stufe die Periode, in der die Amplitude des Stimmgabeloszillators
konstant wird, beliebig bestimmt werden.
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In
der ersten beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung wurde ein Beispiel der steuernden Schalteinrichtung 21 zum
Schalten der Verstärkung
des in der hinteren Stufe des Verstärkers 5 mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor
vorgesehenen Spannungsverstärkers 6 entsprechend
dem Ausgang der Pegelbewertungsschaltung 26 beschrieben.
Es kann jedoch auch möglich
sein, die Verstärkung
des Verstärkers
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor
durch die Schalteinrichtung zu steuern.
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3(b) zeigt eine Wellenform des Ausgangsignals
der Schwingungspegel-Detektionseinrichtung 11 und die Wellenform
einer angelegten Spannung an den Antriebsteil im Stand der Technik.
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Obwohl
in der ersten beispielhaften Ausführung nur ein Beispiel als
Stimmgabelschwingungs-Winkelgeschwindigkeitssensor erläutert wurde,
der durch Kleben eines piezoelektrischen Elements auf einen Oszillator
hergestellt wird, ist dieser nicht nur auf das oben erwähnte Beispiel
beschränkt. Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere in dem Fall am wirksamsten,
wenn ein Stimmgabel-Quarzoszillator mit einer hohen Schärfe der Frequenzkurve
Q eingesetzt wird. Außerdem
ist der in der vorliegenden Erfindung verwendete Oszillator nicht
immer auf einen herkömmlichen
Stimmgabel-Quarzoszillator beschränkt.
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Zweite beispielhafte Ausführung
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4 ist
das Blockdiagramm einer Treiberschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors
entsprechend einer zweiten beispielhaften Ausführung nach der vorliegenden
Erfindung. In 4 sind den Blöcken mit
den gleichen Funktionen wie die in 1 die gleichen
Bezugszahlen gegeben, ihre ausführlichen
Erläuterungen
weggelassen und es werden nur die unterschiedlichen Blöcke erläutert.
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In 4 besteht
der in der hinteren Stufe vorgesehene Spannungsverstärker 6 aus
den Widerstanden 16, 17, 18, 19, 20;
Schalteinrichtungen 21 und 22; einem Operationsverstärker 23 und
einer Zeitgeberschaltung 28 zur Ausgabe von Impulsen während einer
vorgegebenen Periode.
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Die
Widerstände 16, 17, 18, 19 und 20 besitzen
Widerstandswerte von jeweils 100, 10k, 100k 100 und 10k-Ohm. Nachdem
die Spannungsquelle 27 eingeschaltet ist und die Zeitgeberschaltung 28 zu Anfang
ausgelöst
wird, wenden die Schalteinrichtungen 21 und 22 so
gesteuert, dass sie wie in einem Schaltsteuerungs-Zeitdiagramm gemäß 5 ein- oder
ausgeschaltet sind.
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In
der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Stufe kann,
wenn die Verstärkung
des in der hinteren Stufe vorgesehenen Spannungsverstärker 6 jeweils
auf 1111 mal, 1011 mal, 11 mal und 10 mal eingestellt ist, an der
Anfangsstufe eine sehr hohe Verstärkung gehalten wenden. Die
Folge davon ist, dass die Anlaufzeit des Winkelgeschwindigkeitssensors
hervorragend verkürzt
werden kann.
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Andererseits
kann die Amplitude des Stimmgabeloszillators klein gehalten werden,
weil eine kleine Verstärkung
des Spannungsverstärkers 6 in
der späteren
Halbstufe, in der sich die Amplitude des Stimmgabeloszillators einem
vorbestimmten Wert nähert,
gehalten werden kann.
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Nach
der zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung kann die in der hinteren Stufe erzeugte Verstärkung des
Spannungsverstärkers 6 nur
während
einer gewünschten
Startperiode durch die Schalteinrichtung 21 und 22 groß gemacht
werden, wobei der Maximalwert der Verstärkung des Verstärkers 5 mit
veränderlichem
Verstärkungsfaktor
auf einem normalen vorgegebenen Wert zumindest nach dem Eintritt
in die letzte Steuerungsperiode gehalten werden kann.
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Darum
können
alle notwendigen Details wie Lösung
des Sättigungsproblems
der Wellenform der Ausgangspannung, das Rauschen reduziert halten, die
Stabilität,
wenn die Amplitude des Stimmgabeloszillators konstant gesteuert
wird, usw. hergestellt werden.
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Durch
Einstellen der Zeitgeberschaltung 28 und der Verstärkung des
Spannungsverstärkers 6 in jeder
Stufe, kann die Periode, in der die Amplitude des Stimmgabeloszillators
konstant wird, beliebig bestimmt werden.
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Folglich
wird die Verstärkung
des Spannungsverstärkers 6 gemäß der vorliegenden
Erfindung während
einer gewünschten
Startperiode durch eine Schalteinrichtung groß gemacht, und der Maximalwert
der Verstärkung
des Verstärkers
mit veränderlichem
Verstärkungsfaktor
kann auf einem normalen vorgegebenen Wert zumindest in der letzten Steuerungsstufe
gehalten werden.
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Es
wird möglich
gemacht, die Anlaufzeit des Winkelgeschwindigkeitssensors hervorragend
zu verkürzen,
was alle vorhergehenden Probleme löst.
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- 1
- Winkelgeschwindigkeitssensor
- 2
- erster
Verstärker
- 3
- Gleichrichter
- 4
- Filterkreis
- 5
- Verstärker mit
veränderlichem
Verstärkungsfaktor
- 6
- Spannungsverstärker
- 7
- zweiter
Verstärker
- 8
- Synchrondetektor
- 9
- Tiefpassfilter
- 10
- Antriebsteil
- 11
- Schwingungspegeldetektor
- 16,
17, 18, 19, 20 ..
- Widerstand
- 21,
22
- Schalteinrichtung
- 23
- Operationsverstärker
- 24
- Kondensator
- 25
- Bezugsspannungsgenerator
- 26
- Pegelbewertungsschaltung
- 27
- Zeitgeber