EP1721129A2 - Sensor, insbesondere magnetfeldsensor, mit st örsignal-kompensation und verfahren zur st örsignal-kompensation eines sensors - Google Patents

Sensor, insbesondere magnetfeldsensor, mit st örsignal-kompensation und verfahren zur st örsignal-kompensation eines sensors

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Publication number
EP1721129A2
EP1721129A2 EP05700845A EP05700845A EP1721129A2 EP 1721129 A2 EP1721129 A2 EP 1721129A2 EP 05700845 A EP05700845 A EP 05700845A EP 05700845 A EP05700845 A EP 05700845A EP 1721129 A2 EP1721129 A2 EP 1721129A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
sensor
analog
output
interference signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05700845A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Rossmann
Colin Steele
Marcel Urban
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams AG
Original Assignee
Austriamicrosystems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Austriamicrosystems AG filed Critical Austriamicrosystems AG
Publication of EP1721129A2 publication Critical patent/EP1721129A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/036—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices

Definitions

  • the invention relates to a sensor, in particular a magnetic field sensor, with a sensor element that emits a sensor signal containing an interference signal, with an evaluation device that is connected to the sensor element and contains a subtractor that subtracts a compensation signal from the sensor signal.
  • the invention further relates to a method for interference signal compensation of a sensor.
  • both a sensor and its evaluation circuit with which the sensor signal is evaluated, have interference signals which are superimposed on the useful signal that is actually to be generated, the measurement signal.
  • this includes a superimposed DC signal, the offset, and its temperature dependence.
  • a Hall element emits a voltage signal in the magnetic field as a Hall signal when a current flows through it perpendicular to the magnetic field.
  • the Hall signal ie the Hall voltage
  • the Hall constant which indicates the sensitivity of the Hall element, depends on the material.
  • the useful signal of the Hall voltage from the Hall constant of the component, the vertical component of the magnetic flux density and the Hall current are overlaid by the offset, which is composed of the offsets of the Hall element and the subsequent evaluation device.
  • EP 0525235 B1 discloses a method and a magnetic field sensor with self-compensation through thermal and technological coupling of the Hall element and its supply devices. For this purpose, the corresponding elements are implemented together in an integrated circuit. An offset voltage is superimposed on the Hall voltage by means of a hysteresis circuit.
  • Another magnetic field sensor is known from DE 4431703 AI. There, a magnetic field sensor is proposed that allows greater accuracy, taking into account an offset of the Hall element.
  • EP 0916074 B1 specifies a magnetic rotation sensor in which a magnet mounted on an axis is arranged above a Hall element.
  • the Hall element itself consists of a number of individual sensor elements which are arranged in a specific geometric arrangement with respect to one another. Each arrangement with a subsequent preamplifier for the corresponding signal is called a channel.
  • the evaluation device downstream of the Hall element determines the angle of rotation of the axis from the Hall signals of the channels.
  • Each channel has an offset signal of the sensor arrangement and an offset of the preamplifier, to which the offset of the evaluation device is added. This falsifies the actual useful signal and determines an incorrect output value.
  • the invention is based on the object of specifying a sensor and a method which result in better interference signal behavior of the sensor.
  • the senor described at the beginning contains a filter device with which the interference signal, in particular the offset, is filtered out of the sensor signal and fed back to a subtractor in the output circuit of the sensor element.
  • Interference signal means that the interference signal is recovered and filtered out as far as possible as part of the (visual) technical implementation of the evaluation device and ideally completely in the feedback branch.
  • the invention makes it possible not only to reduce the interference signal component of the output signal to zero or to a minimum, but also to keep the operating point of the output amplifier of the sensor element in an optimal linear range.
  • the output signal of the sensor largely corresponds to the desired measurement signal.
  • the senor contains a chopper device, which alternately inverts the signal present at its input, and if a high-pass device connected downstream of the chopper filters out the interference signal.
  • the chopper is arranged in the sensor element or in the signal path as directly as possible behind the actual sensitive element, for example the Hall cell, and in front of the subtractor, both interference signal components of the sensor element and the evaluation device can be compensated for.
  • the chopper is arranged in the signal path behind the subtractor of the evaluation device, interference signal components of the evaluation device are compensated for. It will continue to be beneficial if the chopper device, which alternately inverts the signal present at its input, and if a high-pass device connected downstream of the chopper filters out the interference signal.
  • High-pass device controls a counter, the counter value of which corresponds to the value of the interference signal, and the counter is followed by a digital-to-analog converter, which converts the counter value into an analog signal.
  • the counter is to be regarded as an integrator.
  • the measurement signal can be digitally processed, for example in a computer, when the evaluation unit includes an analog-to-digital converter which digitizes the output of the subtracter.
  • the evaluation unit includes an analog-to-digital converter which digitizes the output of the subtracter.
  • the analog-digital converter is a first-order or higher-order sigma-delta modulator.
  • the digitized signal can thus be processed further as a simple sequence of pulses or bits.
  • a demodulator is connected downstream of the analog-digital converter.
  • the signal portion which is inverted during chopping is thus reversed or inverted again, and the original signal or, preferably, the signal derived therefrom, which can subsequently be filtered, is obtained.
  • the current signal of the sensor element can be converted into a voltage signal that is suitable for digital signal processing.
  • the interference signal is filtered out of the sensor signal and subtracted from the sensor signal at the output of the sensor element.
  • the invention is based on
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a sensor with an interference signal compensation
  • Figure 2 is a detailed schematic representation of a sensor with digital signal processing and interference signal compensation.
  • the sensor S contains a sensor element 1 which detects the measurement variable to be recorded.
  • the sensor signal SS is available at the output of the sensor element and is applied to an input of a subtractor 2 of the evaluation device 6.
  • the output signal of the subtractor reaches a filter device 3, which contains a chopper device 4.
  • the chopper alternately generates an inverted and a non-inverted partial signal from the input signal.
  • the chopper frequency is accordingly chosen higher than the highest signal frequency.
  • the chopper does not have to be an element of the evaluation device. If the chopper in that If the sensor element or in the signal path is arranged as directly as possible after the element sensitive to the measured variable, for example the Hall cell, or in front of the output amplifier of the sensor element, both interference signal components of the sensor element and the evaluation device can be compensated.
  • the output signal AS of the sensor S is available at the output of the filter device.
  • the output signal is fed to a high pass or a selective band pass 5, which is also contained in the filter device 3 and is connected to the subtraction input of the subtractor.
  • the high-pass device 5 filters out the interference components from the output signal, so that at the output of the feedback branch, i.e. the other output of the filter device is provided with the fault signal STS and is fed back to the second input of the subtractor 2.
  • the subtractor subtracts the interference signal from the sensor signal.
  • the interference components of the chopped signal e.g. of the offset, which are typically present in the low-frequency range and in particular also as a direct signal, are shifted to a high frequency range.
  • the more interference signal components can thus be shifted to high frequencies. These signal components can then be extracted with the high pass 5.
  • the interference signal component of the sensor is regulated to a minimum.
  • the output of the filter device therefore has the actual measurement signal AS essentially free of interference signals.
  • the feedback described enables the output operating point of an output amplifier contained in sensor element 1 to be kept in its optimal linear range.
  • the dynamic range of the evaluation device is also better utilized.
  • the dynamic interference signal compensation described with reference to FIG. 1 enables the setting of a working point of the sensor that is largely independent of temperature and process fluctuations. This makes it possible to meet high demands on the linearity of the entire sensor without the sensor having to be adjusted manually.
  • FIG. 2 shows a magnetic field sensor in which the sensor element 10 contains a Hall arrangement 11.
  • the Hall arrangement 11 is fed by a Hall current of a Hall current source 12 known per se.
  • the output signal of the Hall arrangement 11 is converted with the aid of an output amplifier 13 into the sensor signal SS, which is provided at the output of the sensor element 10.
  • the elements of the Hall arrangement 11 are arranged and operated such that two Hall signals shifted by 90 ° relative to one another can be generated with one channel of the Hall arrangement. In this way, the Hall arrangement 11 enables the use of the current spinning technique described at the beginning.
  • To two clocked switching elements 14 and 15 are provided at the input and the output of the sensor arrangement 11, respectively.
  • the Hall signals of the Hall arrangement provided at the output of the clocked changeover switch 15 are Hall voltages, which in the exemplary embodiment with the aid of the
  • Transconductance amplifier designed output amplifier 13 are converted into current signals. Each of the current signals forms the sensor signal SS.
  • the invention can also be correspondingly applied to multi-channel sensors.
  • the sensor signal SS is subject to interference, in particular due to an offset. This results, for example, because the supply current supplied by the current source 12 has a different size depending on the area of use and can also be temperature-dependent.
  • the clocked switch 15 serves, as it were, in a double function on the one hand as an element for the current spinning technology and on the other hand as a chopper, which alternately inverts the Hall signal present at the output of the Hall arrangement 11, which is supplied with the interference signal, at a frequency and not inverted.
  • the frequency chosen is so high that the interference signal can be separated from the useful signal with a high-pass or band-pass filter.
  • the output signal of the Hall arrangement is therefore both inverted and non-inverted.
  • the output amplifier of the sensor element is connected to the evaluation device 20.
  • this contains a subtractor 21, which receives the output signal of the amplifier 13 at an input.
  • the feedback signal At the other input of the subtractor is the feedback signal, which corresponds to the interference signal and which is subtracted from the sensor signal.
  • a load circuit 22 is connected downstream of the subtractor. The load circuit has the task of specifying the operating point of the evaluation device and converting the current output signal of the output amplifier 13 or of the subtractor 21 into a voltage.
  • An analog / digital converter (ADC) 23 is connected downstream of the load circuit 22.
  • the ADC 23 is provided as a sigma-delta modulator.
  • the sigma-delta modulator converts the input signal into a digital output signal and generates a high-frequency bit stream.
  • the digitized output signal of the ADC is processed digitally.
  • another clocked component 24, which performs demodulation is connected downstream of the ADC.
  • the demodulator 24 can be an EXOR, for example.
  • the useful signal or measurement signal is again present in digital form, in each case reduced or increased by the interference signal.
  • With a high pass filter or a band pass filter can then towards high frequencies shifted low frequency noise 'or DC signal is filtered out or reversed filtered out with a low assfilter the useful signal.
  • the clocked switch 15 which generates an inverting and a non-inverting signal from the output signal of the sensor, is arranged in the sensor element.
  • the chopper 15 can also be connected downstream of the sensor element, for example, as shown in FIG. 1, it can also be provided in the evaluation device and e.g. upstream of the ADC. In this case, only interference signal components of the evaluation device can be filtered.
  • the demodulator 24 is followed by a bandpass or highpass 25 with which the interference signal shifted into the high frequency range is filtered out.
  • the output signal of the high-pass filter is rectified synchronously and used to send an upward / To control down counter 26 with integrator function, which counts a clock present at another input. It is basically sufficient for this that the most significant bit of the output signal of the high-pass filter, ie the sign bit, is used as the input signal of the counter. This indicates to the counter 26 whether it should count up or down.
  • the counter value of the counter 26 is in turn fed to a digital-to-analog converter, which determines an analog output value in a manner known per se. In the exemplary embodiment, this is a current signal which is fed to the negative input of the subtractor 21.
  • This output signal of the DAC thus corresponds within the (circuit) technically realized accuracy to the analog interference signal which is subtracted in this feedback loop from the interference signal output signal of the ' sensor element 10.
  • the execution of the evaluation device with high pass device, counter and DAC stabilizes the control loop.
  • the demodulator 24 is followed by a digital filter 28 which contains a decimation filter.
  • the digital filter enables the high-frequency bit stream of the demodulator 24 to be filtered, for example decimation, with which the bit stream is converted into a more usable digital signal.
  • the decimation filter 28 is followed by a sampling arrangement 29 which stores its sample value for a predetermined time and passes it on to the high-pass device 25.
  • the scanner 29 can only each pass on the third sample to the high-pass device. The settling behavior of the decimation filter or the digital filter can thus be taken into account.
  • the output signal of the scanning device 29 is at the same time the output signal AS of the sensor arrangement, which can be processed further with downstream elements, for example a digital signal processor, not shown.
  • the clocked elements of the arrangement i.e. the clocked switches 14 and 15, the demodulator 24, the scanner 29 and the counter 26 are preferably clocked by the same clock frequency CLK in order to synchronize the elements.
  • the internal clock or counting frequency of the counter can be higher. This serves to better stabilize the control loop.
  • the closed control loop which feeds the interference signal, for example the offset, back to the input of the evaluation device 20, it is possible to control the interference signal to a minimum.
  • the output operating point of the output amplifier of the sensor element can work in an optimal linear range.
  • This dynamic interference signal compensation thus results in a stable setting of the operating point of the sensor with respect to interference signals, which compensates both the temperature-dependent variables and the process-dependent variables during sensor production. In this way, high demands on the linearity of the sensor can be implemented, so that manual adjustment of the sensor is not necessary.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Sensor, insbesondere einen Hallsensor, mit einem Sensorelement (1; 10), das ein ein Störsignal (STS) enthaltenes Sensorsignal (SS) abgibt, mit einer Auswerteeinrichtung (6; 20), die mit dem Sensorelement verbunden ist und einen Subtrahierer (2; 21) enthält, der das Störsignal von dem Sensorsignal subtrahiert, wobei der Sensor eine Filtereinrichtung enthält, die das Störsignal aus dem Sensorsignal herausfiltert. Der Sensor und das beanspruchte Verfahren ermöglichen eine Kompensation des Störsignals.

Description

Beschreibung
Sensor, insbesondere Magnetfeldsensor, mit Störsignal- Kompensation und Verfahren zur Störsignal-Kompensation eines Sensors
Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen Magnetfeldsensor, mit einem Sensorelement, das ein ein Störsignal enthaltendes Sensorsignal abgibt, mit einer Auswerteeinrichtung, die mit dem Sensorelement verbunden ist und einen Subtrahierer enthält, der ein Kompensationssignal von dem Sensorsignal subtrahiert . Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Störsignal-Kompensation eines Sensors .
Ganz allgemein haben sowohl ein Sensor als auch seine Auswerteschaltung, mit der das Sensorsignal ausgewertet wird, Störsignale, die sich dem eigentlich zu erzeugenden Nutzsignal, dem Messsignal, überlagern. Insbesondere zählen hierzu ein überlagertes Gleichsignal, der Offset, und dessen Temperaturabhängigkeit . Diese beeinflussen die Komponenten des Sensors und verfälschen das Messsignal als auch Linearität und Arbeitspunkt der Auswerteelemente.
Bekannte Anwendungsbeispiele für Sensoren beziehen sich auf Magnetfeldsensoren und insbesondere Hallsensoren mit Hai1elementen. Ein Hallelement gibt im Magnetfeld als Hallsignal ein Spannungssignal ab, wenn es von einem Strom senkrecht zum Magnetfeld durchflössen wird. Das Hallsignal, d.h. die Hallspannung, ist abhängig von dem Produkt aus der vertikalen Komponente der magnetischen Flussdichte, dem Hallstrom und der Hallkonstanten. Die Hallkonstante, die die Sensitivität des Hallelements angibt, ist materialabhängig. Im praktischen Betrieb überlagert sich dem Nutzsignal der Hallspannung aus Hallkonstante des Bauelements, der vertikalen Komponente der magnetischen Flussdichte und dem Hallstrom der Offset, der sich aus den Offsets des Hallelementes und der nachfolgenden Auswertereinrichtung zusammensetzt .
Aus der EP 0525235 Bl sind ein Verfahren und ein Magnetfeldsensor mit einer Selbstkompensation durch eine thermische und technologische Kopplung des Hallelementes und seiner Versorgungseinrichtungen bekannt. Dazu sind die entsprechenden Elemente in einer integrierten Schaltung gemeinsam ausgeführt. Mittels einer Hystereseschaltung wird der Hallspannung eine OffsetSpannung überlagert.
Ein weiterer Magnetfeldsensor ist aus der DE 4431703 AI bekannt. Dort wird ein Magnetfeldsensor vorgeschlagen, der unter Berücksichtigung eines Offsets des Hallelements eine größere Genauigkeit ermöglicht.
Aus der DE 196 50 184 AI ist ein getakteter Hallsensor mit einer Abtast- und Halteschaltung sowie Summierglied mit dynamischer Offset-Unterdrückung bekannt. Darin wird beschrieben, wie der Offset mit Hilfe zweier Signale, die aus senkrecht zueinander durch den Hallsensor fließenden Strömen erzeugt werden, mittels einer Summation eliminiert wird. Das Verfahren ist auch als „Spinning Current"-Technik bekannt.
Aus der US 2003/017 8989 AI ist ein Zahnrad-Detektor mit Offset-Kompensation eines Magnetfeldes bekannt, bei der das Sensorsignal am Ausgang der Auswerteschaltung zurückgewonnen und auf den Eingang der Auswerteschaltung rückgekoppelt wird, um den durch das magnetische Gleichfeld erzeugten Offset zu kompensieren. Obwohl der Detektor diesen Offset zum großen Teil eliminiert, beschreibt das Dokument, dass eine erhebliche Ungenauigkeit im Verhältnis Störsignal zu Nutzsignal verbleibt. Das Dokument führt weiter aus, dass eine Frequenzdiskriminierung zur Offset-Entfernung nicht ausreicht .
Als weiteres Anwendungsbeispiel gibt die EP 0916074 Bl einen magnetischen Drehsensor an, bei dem ein auf einer Achse montierter Magnet über einem Hallelement angeordnet ist. Das Hallelement selbst besteht aus einer Anzahl von einzelnen Sensorelementen, die in einer bestimmten geometrischen Anordnung zueinander stehen. Jede Anordnung mit nachfolgendem Vorverstärker für das entsprechende Signal wird als Kanal bezeichnet. Die dem Hallelement nachgeschaltete Auswertereinrichtung ermittelt aus den Hallsignalen der Kanäle den Drehwinkel der Achse. Jeder Kanal weist ein Offsetsignal der Sensoranordnung und einen Offset des Vorverstärkers auf, zu dem der Offset der Auswerteeinrichtung hinzukommt. Dadurch wird das eigentliche Nutzsignal verfälscht und ein falscher Ausgangswert ermittelt.
Ähnliches gilt, wenn das Hallsignal für Zwecke einer digitalen Weiterverarbeitung digitalisiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein Verfahren anzugeben, mit denen sich ein besseres Störsignalverhalten des Sensors ergibt.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor, insbesondere einen Hallsensor, und durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der eingangs beschriebene Sensor eine Filtereinrichtung enthält, mit der das Störsignal, insbesondere der Offset, aus dem Sensorsignal herausgefiltert und auf ein Subtrahierglied im Ausgangskreis des Sensorelements zurückgeführt wird. Dabei bedeutet „Störsignal", dass das Störsignal im Rahmen der (sehaltungs) technischen Realisierung der Auswerteeinrichtung so weit wie möglich und im Idealfall vollständig im Rückkopplungszweig zurückgewonnen und herausgefiltert wird.
Mit der Erfindung wird es möglich, nicht nur den Störsignalanteil des Ausgangssignals auf Null oder ein Minimum zu reduzieren, sondern auch den Arbeitspunkt des Ausgangsverstärkers des Sensorelements in einem optimalen linearen Bereich zu halten. Das Ausgangssignal des Sensors entspricht weitestgehend dem gewünschten Messsignal.
Es ist vorteilhaft, wenn der Sensor eine Zerhackereinrichtung (Chopper) enthält, die das an ihrem Eingang anliegende Signal abwechselnd invertiert, und wenn eine dem Chopper nachgeschaltete Hochpasseinrichtung das Störsignal herausfiltert. Wenn in einer bevorzugten Ausführungsform der Chopper in dem Sensorelement bzw. im Signalweg möglichst unmittelbar hinter dem eigentlichen sensitiven Element, z.B. der Hallzelle, und vor dem Subtrahierer angeordnet ist, können sowohl Störsignalanteile des Sensorelements als auch der Auswerteeinrichtung kompensiert werden. Wenn dagegen der Chopper im Signalweg hinter dem Subtrahierer der Auswerteeinrichtung angeordnet ist, werden Störsignalanteile der Auswerteeinrichtung kompensiert. Es ist für weiterhin vorteilhaft, wenn die
Hochpasseinrichtung einen Zähler steuert, dessen Zählerwert dem Wert des Störsignals entspricht, und dem Zähler ein Digital-Analog-Wandler nachgeschaltet ist, der den Zählerwert in ein Analogsignal wandelt. Der Zähler ist als Integrator anzusehen.
Insbesondere ' kann das Messsignal digital weiterverarbeitet werden, beispielsweise in einem Rechner, wenn die Auswerteeinrichtung einen Analog-Digital-Wandler enthält, der das Ausgangssignal des Subtrahierers digitalisiert. Damit lassen sich die Vorteile der Digitaltechnik auf den Sensor anwenden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist es, wenn der Analog- Digital-Wandler ein Sigma-Delta-Modulator erster oder höherer Ordnung ist. Damit kann das digitalisierte Signal als einfache Folge von Pulsen oder Bits weiter verarbeitet werden.
Es ist vorgesehen, dass ein Demodulator dem Analog-Digital- Wandler nachgeschaltet ist. Damit wird der beim Choppen invertierte Signalanteil wieder umgedreht bzw. nochmals invertiert und das ursprüngliche oder bevorzugt das daraus abgeleitete Signal gewonnen, das nachfolgend gefiltert werden kann.
Mit einer Lastschaltung, die dem Subtrahierer nachgeschaltet ist, lässt sich das Stromsignal des Sensorelements in ein Spannungssignal umwandeln, das sich für die digitale Signalverarbeitung eignet. Bei dem Verfahren zur Elimination des Störsignals ist vorgesehen, dass das Störsignal aus dem Sensorsignal herausgefiltert wird und am Ausgang des Sensorelements vom Sensorsignal subtrahiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen
Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Sensors mit einer Störsignalkompensation und
Figur 2 eine detaillierte schematische Darstellung eines Sensors mit digitaler SignalVerarbeitung und Störsignalkompensation.
Gemäß Figur 1 enthält der Sensor S ein Sensorelement 1, das die zu erfassende Messgröße detektiert. Am Ausgang des Sensorelements steht das Sensorsignal SS zur Verfügung, das an einen Eingang eines Subtrahierers 2 der Auswerteeinrichtung 6 gelegt ist. Das Ausgangssignal des Subtrahierers gelangt an eine Filtereinrichtung 3, die eine Zerhackereinrichtung (Chopper) 4 enthält. Der Chopper erzeugt aus dem Eingangssignal abwechselnd ein invertiertes und ein nichtinvertiertes Teilsignal. Die Chopperfrequenz wird entsprechend höher als die höchste Signalfrequenz gewählt.
Der Chopper muss nicht, wie in Figur 1 gezeigt, Element der Auswerteeinrichtung sein. Wenn der Chopper in dem Sensorelement bzw. im Signalweg möglichst unmittelbar nach dem messgrößen-sensitiven Element, z.B. der Hallzelle, bzw. vor dem Ausgangsverstärker des Sensorelements angeordnet ist, können sowohl Störsignalanteile des Sensorelements als auch der Auswerteeinrichtung kompensiert werden.
Das Ausgangssignal AS des Sensors S steht am Ausgang der Filtereinrichtung zur Verfügung. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal einem Hochpass bzw. einem selektiven Bandpass 5 zugeführt, der ebenfalls in der Filtereinrichtung 3 enthalten und mit dem Subtraktionseingang des Subtrahierers verbunden ist. Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis, dessen Ausgangssignal weitgehend frei von Störsignalen ist . Die Hochpasseinrichtung 5 filtert die Störanteile aus dem Ausgangssignal heraus, so dass am Ausgang des Rückkoppelzweiges, d.h. dem anderen Ausgang der Filtereinrichtung das Stδrsignal STS bereitgestellt und auf den zweiten Eingang des Subtrahierers 2 rückgeführt ist . Dabei subtrahiert der Subtrahierer das Störsignal von dem Sensorsignal .
Durch das Choppen werden die Störanteile des ge-choppten Signals, z.B. des Offsets, die typischerweise im niederfrequenten Bereich und insbesondere auch als Gleichsignal anliegen, in einen hohen Frequenzbereich verschoben. Je weiter vorne in der Messsignalkette das choppen erfolgt, desto mehr Störsignalanteile können damit nach hohen Frequenzen verschoben werden. Mit dem Hochpass 5 lassen sich diese Signalanteile dann extrahieren.
Aufgrund des geschlossenen Regelkreises, mit dem das Störsignal von dem Sensorsignal subtrahiert wird, wird der Störsignalanteil des Sensors auf ein Minimum geregelt. Am Ausgang der Filtereinrichtung steht deshalb das eigentliche Messsignal AS im wesentlichen störsignalfrei bereit.
Gleichzeitig ermöglicht die beschriebene Rückkopplung, dass der Ausgangsarbeitspunkt eines im Sensorelement 1 enthaltenen Ausgangsverstärkers in seinem optimalen linearen Bereich gehalten werden kann. Ebenso wird der Dynamikbereich der Auswerteeinrichtung besser ausgenutzt .
Die anhand von Figur 1 beschriebene dynamische Störsignalkompensation ermöglicht die Einstellung eines von Temperatur- und Prozessschwankungen weitgehend unabhängigen Arbeitspunktes des Sensors. Damit lassen sich hohen Anforderungen an die Linearitat des gesamten Sensors realisieren, ohne dass der Sensor manuell abgeglichen werden muss.
Das anhand der schematischen Darstellung der Figur 1 grundlegend erläuterte Prinzip der Erfindung wird nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 näher erläutert. Dabei zeigt Figur 2 einen Magnetfeldsensor, bei dem- das Sensorelement 10 eine Hallanordnung 11 enthält. Die Hallanordnung 11 wird von einem Hallström einer an sich bekannten HaiIstromquelle 12 gespeist. Das Ausgangssignal der Hallanordnung 11 wird mit Hilfe eines Ausgangsverstärkers 13 in das Sensorsignal SS umgesetzt, das am Ausgang des Sensorelements 10 bereitgestellt wird.
Die Elemente der Hallanordnung 11 sind so angeordnet und betrieben, dass sich mit einem Kanal der Hallanordnung zwei um 90° gegeneinander verschobene Hallsignale erzeugen lassen. Auf diese Weise ermöglicht die Hallanordnung 11 den Einsatz der eingangs beschriebenen current spinning Technik. Dazu sind zwei getaktete Umschaltelemente 14 und 15 jeweils am Eingang bzw. dem Ausgang der Sensoranordnung 11 vorgesehen. Die am Ausgang des getakteten Umschalters 15 bereitgestellten Hallsignale der Hallanordnung sind HallSpannungen, die im Ausführungsbeispiel mit Hilfe des als
TranskonduktanzVerstärkers ausgeführten Ausgangsverstärkers 13 in Stromsignale umgewandelt werden. Jedes der Stromsignale bildet das Sensorsignal SS .
An dem Summations- bzw. Subtrahierknotenpunkt können auch weitere Sensorelemente (Hallelemente) eines Arrays zusammengefasst werden und parallel kompensiert werden.
Grundsätzlich ist es in bekannter Weise möglich, mit der current spinning Technik und den getakteten Umschaltern 14 und 15 den Offset der Hallanordnung weitgehend zu eliminieren. Diese Kompensation genügt jedoch nicht höheren Anforderungen, insbesondere. auch, weil das Sensorsignal weiterverarbeitet werden muss und die nachfolgenden. Schaltungselemente des Sensors selbst Stδrsignale, z.B. Offset erzeugen. Die Erfindung führt deshalb weiter und bezieht auch nachfolgende Bauteile der Auswerteeinrichtung in die Störsignalkompensation mit ein, um eine weitere Verbesserung und ein lineares Verhalten des Sensors zu erreichen. •
Nachfolgend wird der Einfachheit halber nur die Störsignalkompensation eines der beiden geschilderten Hallsignale beschreiben. Es versteht sich von selbst, dass die Signalverarbeitung auch mit dem zweiten Hallsignal des Kanals durchgeführt wird.. Darüber hinaus ist die Erfindung auch auf mehrkanalige Sensoren entsprechend anwendbar. Das Sensorsignal SS ist störbehaftet, insbesondere durch einen Offset . Dieser ergibt sich beispielsweise, weil der von der Stromquelle 12 gelieferte Versorgungsstrom je nach Einsatzbereich eine unterschiedliche Größe hat und darüber hinaus temperaturabhängig sein kann.
Im Ausführungsbeispiel dient der getaktete Schalter 15 quasi in einer Doppelfunktion einmal als Element für die current spinning Technik und andererseits als Zerhacker (Chopper) , der das am Ausgang der Hallanordnung 11 anliegenden Hallsignal, das mit dem Störsignal beaufschlagt ist, mit einer Frequenz abwechselnd invertiert und nicht invertiert. Die Frequenz so hoch gewählt, dass das Störsignal mit einem Hochpass- oder Bandpassfilter vom Nutzsignal getrennt werden kann. Am Eingang des Ausgangsverstärkers 13 liegt deshalb das Ausgangssignal der Hallanordnung sowohl invertiert als auch nicht invertiert an.
Ausgangsseitig ist der Ausgangsverstärker des Sensorelements mit der Auswerteeinrichtung 20 verbunden. Diese enthält eingangsseitig einen Subtrahierer 21, der an einem Eingang das Ausgangssignal des Verstärkers 13 empfängt. Am anderen Eingang des Subtrahierers liegt das rückgekoppelte Signal, das dem Störsignal entspricht und das von dem Sensorsignal subtrahiert wird. Ausgangsseitig ist dem Subtrahierer eine Lastschaltung 22 nachgeschaltet . Die Lastschaltung hat die Aufgabe, den Arbeitspunkt der Auswerteeinrichtung vorzugeben und das Stromausgangssignal des Ausgangsverstärkers 13 bzw. des Subtrahierers 21 in eine Spannung zu wandeln.
Der Lastschaltung 22 nachgeschaltet ist ein Analog-/Digital- Wandler (ADC) 23. Grundsätzlich sind unterschiedliche Ausführungsformen des Analog-/Digital-Wandler möglich. Im Ausführungsbeispiel ist der ADC 23 als Sigma-Delta-Modulator vorgesehen. Der Sigma-Delta-Modulator wandelt das anliegende Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal um und erzeugt einen Bitstrom hoher Frequenz. Das digitalisierte Ausgangssignal des ADC wird digital verarbeitet .
Gemäß Figur 2 ist dem ADC ein weiteres getaktetes Bauelement 24 nachgeschaltet, das eine Demodulation ausführt. Der Demodulator 24 kann beispielsweise ein EXOR sein. Am Ausgang des getakteten Demodulators 24 liegt in digitaler Form wiederum das Nutzsignal bzw. Messsignal, jeweils vermindert oder erhöht um das Störsignal an. Mit einem Hochpassfilter oder einem Bandpassfilter kann danach das zu hohen Frequenzen hin verschobene niederfrequente Störsignal 'bzw. Gleichsignal herausgefiltert werden oder umgekehrt mit einem Tief assfilter das Nutzsignal herausgefiltert werden.
Grundsätzlich ist es bei Sensoren nicht notwendig, dass der getaktete Schalter 15, der aus dem Ausgangssignal des Sensors ein invertierendes und ein nicht invertierendes Signal erzeugt, im Sensorelement angeordnet ist. Vielmehr kann der Chopper 15 auch dem Sensorelement nachgeschaltet sein, beispielsweise kann er auch, wie in Figur 1 gezeigt, in der Auswerteeinrichtung vorgesehen und z.B. dem ADC.-vorgeschaltet sein. In diesem Fall können nur Störsignalanteile der Auswerteeinrichtung gefiltert werden.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist nun vorgesehen, dass dem Demodulator 24 ein Bandpass oder Hochpass 25 nachgeschaltet ist, mit dem das in den hohen Frequenzbereich hinein verschobene Störsignal herausgefiltert wird. Das Ausgangssignal des Hochpassfilters wird synchron gleichgerichtet und dazu genutzt, einen Aufwärts- /Abwärtszähler 26 mit Integratorfunktion anzusteuern, der einen an einem anderen Eingang anliegenden Takt zählt. Grundsätzlich ist es dazu ausreichend, dass als Eingangssignal des Zählers das höchstwertige Bit des Ausgangssignals des Hochpassfilters verwendet ist, d.h. das Vorzeichenbit. Dieses zeigt dem Zähler 26 an, ob er aufwärts oder abwärts zählen soll .
Der Zählerwert des Zählers 26 wiederum wird einem Digital- Analog-Wandler zugeführt, der in an sich bekannter Weise einen analogen Ausgangswert ermittelt. Im Ausführungsbeispiel ist das ein Stromsignal, das auf den negativen Eingang des Subtrahierers 21 geführt ist. Dieses Ausgangssignal des DAC entspricht somit im Rahmen der (schaltungs-) technisch realisierten Genauigkeit dem analogen Störsignal, das in dieser Rückkopplungsschleife vom Störsignal behafteten Ausgangssignal des 'Sensorelements 10 subtrahiert wird. Die Ausführung der Auswerteeinrichtung mit Hochpasseinrichtung, Zähler und DAC bewirkt eine Stabilisierung des Regelkreises.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Demodulator 24 ein digitales Filter 28 nachgeschaltet ist, das ein Dezimationsfilter enthält . Mit dem digitalen Filter ist eine Filterung des hochfrequenten BitStroms des Demodulators 24 möglich, beispielsweise eine Dezimierung, mit der der Bitstrom in ein besser verwertbares Digitalsignal gewandelt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass dem Dezimationsfilter 28 eine Abtastanordnung 29 nachgeschaltet ist, die ihren Abtastwert für eine vorgegebene Zeit speichert und an die Hochpasseinrichtung 25 weitergibt. Beispielsweise kann die Abtasteinrichtung 29 nur jeden dritten Abtastwert an die Hochpasseinrichtung weitergeben. Damit kann das Einschwingverhalten des Dezimationsfilters bzw. des digitalen Filters berücksichtigt werden.
Das Ausgangssignal der Abtasteinrichtung 29 ist gleichzeitig das Ausgangssignal AS der Sensoranordnung, das mit nachgeschalteten Elementen, beispielsweise einem nicht gezeigten digitalen Signalprozessor weiterverarbeitet werden kann.
Die getakteten Elemente der Anordnung, d.h. die getakteten Schalter 14 und 15, der Demodulator 24, die Abtasteinrichtung 29 und der Zähler 26 werden bevorzugt von derselben Taktfrequenz CLK getaktet, um die Elemente zu synchronisieren. Die interne Takt- bzw. Zählfrequenz des Zählers kann demgegenüber höher liegen. Dies dient zur besseren Stabilisierung des Regelkreises.
Mit dem geschlossenen Regelkreis, der das Störsignal, beispielsweise den Offset, auf den Eingang der Auswerteeinrichtung 20 zurückführt, ist es möglich, das Störsignal auf ein Minimum zu regeln. Gleichzeitig wird damit erreicht, dass der Ausgangsarbeitspunkt des Ausgangsverstärkers des Sensorelements in einem optimalen linearen Bereich arbeiten kann. Damit ergibt bei dieser dynamischen Störsignalkompensation eine stabile Einstellung des Arbeitspunktes des Sensors gegenüber Störsignalen, die sowohl die Temperatur abhängigen Größen als auch die Prozess abhängigen Größen bei der Sensorherstellung kompensiert. Auf diese Weise lassen sich hohe Anforderungen an die Linearität des Sensors umsetzen, so dass ein manueller Abgleich des Sensors nicht notwendig ist.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor, insbesondere Hallsensor, mit einem Sensorelement (1; 10) , das ein ein Storsignal (STS) enthaltendes Sensorsignal (SS) abgibt, mit einer Auswerteeinrichtung (6; 20) , die mit dem Sensorelement verbunden ist und einen Subtrahierer (2; 21) enthält, der das Störsignal von dem Sensorsignal subtrahiert, wobei der Sensor eine Filtereinrichtung (3) enthält, die das Störsignal aus dem Sensorsignal herausfiltert .
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Zerhackereinrichtung (Chopper, 15, 24) enthält, die das an ihrem Eingang anliegende Signal abwechselnd invertiert und nicht invertiert, und dass der Ausgang der Zerhackereinrichtung (Chopper) mit einem Demodulator (24) verbunden ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung eine Bandpass- oder eine. Hochpasseinrichtung enthält, die einen Zähler oder Integrator (26) steuert, dessen Zählwert/Summenwert dem Wert des Störsignals entspricht und dass dem Zähler/Integrator ein Digital-Analog-Wandler (27) nachgeschaltet ist, der den Zählerwert/Summenwert in ein Analogsignal wandelt.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung einen Analog-Digital-Wandler (23) enthält, der das Ausgangssignal des Subtrahierers digitalisiert.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler ein Sigma-Delta-Modulator ist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerhackereinrichtung (15) dem Analog-Digital-Wandler (23) vorgeschaltet ist.
7. Sensor nach einem Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Digital-Analog-Wandler der Filtereinrichtung ausgangsseitig mit dem Subtrahierer verbunden ist .
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Subtrahierer ausgangsseitig mit einer Lastschaltung (22) verbunden ist.
9. Verfahren zur Filterung eines Störsignals aus einem störsignalbehafteten Signal eines Sensors, insbesondere eines Hallsensors, bei dem das störsignalbehaftete Signal in einer Zerhackereinrichtung ' abwechselnd ge- choppt wird und bei dem aus dem Ausgangssignal der Zerhackereinrichtung das Störsignal mittels eines Hochpassfilters oder eines Bandpassfilters . herausgefiltert wird.
10. Verfahren zur Kompensation eines Störsignals, das in einem störsignalbehafteten Signal eines Sensors . enthalten ist, bei dem das störsignalbehaftete Signal mit einer Zerhackereinrichtung abwechselnd ge-choppt wird und danach mit einem Hochpass oder einem Bandpass das Ausgangssignal der Zerhackereinrichtung gefiltert wird, u ~ das Störsignal herauszufiltern, wobei das Störsignal von dem Sensorsignal subtrahiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Sensorelements in ein digitales Signal umgewandelt wird und das Ausgangssignal der Hochpass-/Bandpasseinrichtung in ein analoges Signal zurückgewandelt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal der Hochpasseinrichtung mit einem Zähler/Integrator (26) summiert wird, dessen Zähl-/Summenwert mit einem Digital-Analog-Wandler (27) in ein Analogsignal umgewandelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Analog- Digital-Wandlers dezimiert und abgetastet wird.
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