DE19964002A1 - Sensor - Google Patents

Abstract

Der Sensor umfaßt eine Wandlereinrichtung (1, 2; 30; 50) zum Umwandeln einer an dieser anliegenden physikalischen Größe in ein entsprechendes elektrisches Meßsignal sowie eine der Wandlereinrichtung nachgeschaltete, eine Schalteinrichtung (5; 31, 33, 37; 51, 53, 57) zur Offsetkompensation und Mittel (8 bis 27; 41 bis 46; 61 bis 66) zur frequenzabhängigen Betriebsmodusumschaltung aufweisende Signalaufbereitungseinrichtung (3 bis 29; 31 bis 49; 50 bis 68), wobei die Schalteinrichtung (5; 31, 33, 37; 51, 53, 57) bei niedrigeren Frequenzen im geschalteten Betriebsmodus und bei hohen Frequenzen im kontinuierlichen Betriebsmodus betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einer Wandlereinrichtung zum Umwandeln einer an ihr anliegenden physikalischen Größe in ein entsprechendes elektrisches Meßsignal und einer der Wandlereinrichtung nachgeschalteten Signalaufbereitungseinrichtung zum Erzeu­ gen eines Ausgangssignals aus dem Meßsignal, wobei die Signalaufbereitungseinrichtung eine Schalteinrichtung zur Offsetkompensation aufweist.

Derartige Sensoren sind beispielsweise aus den Patentschriften DE 37 86 487 T2, US 4 951 236, US 4 982 351 und US 5 051 937 bekannt und zeichnen sich durch vielseitige Anwend­ barkeit, hohe Genauigkeit und geringen Herstellungsaufwand aus. Erreicht wird dies insbe­ sondere dadurch, daß der Wandlereinrichtung eine Signalaufbereitungseinrichtung nachge­ schaltet ist und daß anstelle einer erheblichen Aufwand erfordernden Eichung und Signal­ konditionierung bei der Wandlereinrichtung vorgesehen wird, Signalkonditionierung, Eichung und Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall bei der entsprechen ausgelegten Signal­ aufbereitungseinrichtung vorzunehmen. Signalaufbereitungseinrichtungen werden als elek­ tronische Schaltungen ausgeführt und können daher kostengünstig hergestellt und verhält­ nismäßig leicht an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Darüber hinaus können durch spezielle Maßnahmen bei der Signalaufbereitungseinrichtung unerwünschte Einflüsse (zum Beispiel Temperatureinfluß) kompensiert und Störungen des Meßsignals (zum Beispiel Rauschen) unterdrückt werden, wodurch eine höhere Genauigkeit erzielt wird.

Allerdings kann bei diesen Sensoren bedingt durch die der Erzeugung des Meßsignals nach­ folgenden Signalbearbeitung in der Signalaufbereitungseinrichtung eine Verfälschung des Meßsignals insbesondere im Hinblick auf die zeitliche Struktur auftreten. Dies führt beispiels­ weise bei periodischen oder quasiperiodischen Meßsignalen und/oder bei Auswertung des Meßsignals mittels Schwellwertvergleichs zu Ungenauigkeiten beim Umschaltpunkt und beim Phasenverhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu schaffen, der diese Nach­ teile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im unabhängigen Patentanspruch 1 genannten Merkmale ge­ löst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand ab­ hängiger Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Sensor zeichnet sich aus durch eine hohe Umschaltpunkt- und Pha­ sengenauigkeit bei dennoch geringem schaltungstechnischen Aufwand. Des Weiteren ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor eine Eichung ohne größeren Aufwand möglich.

Erreicht wird dies bei einem Sensor der eingangs genannten Art insbesondere dadurch, daß die Signalaufbereitungseinrichtung Mittel zur frequenzabhängigen Betriebsmodusumschal­ tung aufweist, wobei die Schalteinrichtung zur Erfassung niedrigerer Signal-Frequenzen nach dem Chupperprinzip im geschalteten Betriebsmodus und zur Erfassung hoher Fre­ quenzen im kontinuierlichen Betriebsmodus betrieben wird.

Wenn die Signalaufbereitungseinrichtung getaktete digitale Schaltungsteile umfaßt, erfolgt bevorzugt deren Taktung zur Erfassung niedriger Frequenzen durch ein Taktsignal mit kon­ stanter Frequenz und zur Erfassung hoher Frequenzen durch ein dem Ausgangssignal ent­ sprechendes Signal.

Es kann zudem vorgesehen werden, daß die Signalaufbereitungseinrichtung eine Schaltein­ richtung zum Umschalten der Phasenlage des Meßsignals aufweist. Insbesondere bei einem Umschalten zwischen null Grad und 180 Grad mit anschließender Mittelwertbildung können Offsetfehler vorteilhafterweise weitgehend eliminiert werden.

Bevorzugt hat mindestens eine der Schalteinrichtungen eine Hysterese, wobei die Hysterese durch ein Steuersignal einstellbar ist. Die Steuerung erfolgt bevorzugt durch eine mit der Sig­ nalaufbereitungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung, die aus dem aufbereiteten Meß­ signal das Steuersignal erzeugt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen werden, daß die Signalaufbereitungseinrichtung mit einem Offset beaufschlagt ist, der durch ein gesondertes oder das gleiche Steuersignal der Steuereinrichtung einstellbar ist.

Dabei kann ein Rampendetektor vorgesehen werden, der mit der Steuereinrichtung verbun­ den ist und der von dieser das Steuersignal erhält, um daraus ein weiteres Ausgangssignal zu erzeugen.

Die Steuereinrichtung kann das Steuersignal beispielsweise durch Mittelwertbildung aus dem Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung gewinnen. Alternativ kann dies auch dadurch er­ reicht werden, daß die Steuereinrichtung das Steuersignal durch Auswertung des Medians beim Ausgangssignal des Sensors, durch Auswertung der Minima und Maxima des Aus­ gangssignals, durch Auswertung des Tastverhältnisses beim Ausgangssignal und durch Aus­ wahl entsprechender Werte aus einer beispielsweise in einem Speicher abgelegten Tabelle erfolgen.

Die Signalaufbereitung der Meßsignale selbst kann dabei durch Mittelwertbildung oder gefil­ terte Spitzenwerterfassung vorgenommen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem digi­ talen Schaltungsteil,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei Schalteinrichtungen und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit ebenfalls zwei Schalteinrichtungen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors ist als Wandlereinrichtung eine aus einer Stromquelle 1 gespeiste Hall-Platte 2 zur Erfassung von Magnetfeldern vorgesehen. Der Hall-Platte 2 ist ein Verstärker 3 (zum Beispiel ein Operati­ onsverstärker oder ein Transkonduktanzverstärker) nachgeschaltet, der das Ausgangssignal der Hall-Platte 2 verstärkt und für eine Impedanzanpassung sorgt. Der Ausgang des Verstär­ kers 3 ist mit einem Eingang eines Komparators 4 gekoppelt, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang einer Schaltermatrix 5 verbunden ist. Der Komparators 4 steuert über das zwei Signalzustände umfaßende Signal an seinem Ausgang die Schaltermatrix 5 sowie einen Oszillator 6, einen Taktgeber 7 und einen Schaltverstärker 8. Die Steuerung des Oszillators 6 erfolgt dabei derart, daß bei hohen Frequenzen des Rechtecksignals am Ausgang des Kom­ parators 4 der Oszillator 6 abgeschaltet ist. Der zusätzlich auch von dem Oszillator 6 ange­ steuerte Taktgeber 7 wird durch den Komparator 4 so gesteuert, daß er bei hohen Frequen­ zen des Rechtecksignals am Ausgang des Komparators 4 einen Takt mit eben dieser hohen Frequenz erzeugt, während er bei niedrigen Frequenzen einen Takt mit der Frequenz des Oszillators 6 abgibt. Der Schaltverstärker 8 schließlich überträgt bei hohen Frequenzen des Rechtecksignals am Ausgang des Komparators 4 zu seinem Ausgang, während er bei nied­ rigen Frequenzen ein an ihm zudem anliegendes Direktschaltsignal, auf das später noch eingegangen wird, zu seinem Ausgang durchschaltet.

Darüber hinaus steuert der Komparator 4 zwei auf Basis des Thermometer-Codes operieren­ de Codierer 9, 10 und zwar derart, daß einer der beiden Codierer 9, 10 (zum Beispiel der Codierer 9) durch die steigenden Flanken und der andere der beiden Codierer 9, 10 (zum Beispiel der Codierer 10) durch die fallenden Flanken (oder umgekehrt) zurückgesetzt wird. Den Ausgängen der beiden Codierer 9, 10 ist eine digitale Rechenstufe 11 nachgeschaltet, die zwei identisch ausgeführte, jeweils den Codierern 9, 10 zugeordnete Signalzweige auf­ weist. Jeder dieser Signalzweige dient der digitalen Filterung und umfaßt ein mit dem Aus­ gangssignal des jeweiligen Codierers 9, 10 beaufschlagtes Verzögerungsglied 12 bzw. 13 sowie einen Addierer 14 bzw. 15, dessen einer Eingang jeweils an das Verzögerungsglied 12 bzw. 13 angeschlossen ist und dessen anderer Eingang mit dem Ausgangssignal des jewei­ ligen Codierers 9, 10 angesteuert wird. Den Addierern 14, 15 sind jeweils Koeffizientenglie­ der 16 bzw. 17 (mit beispielsweise jeweils einem Koeffizienten gleich 0,5) nachgeschaltet. Diese wiederum sind ausgangsseitig jeweils auf einen Eingang eines Addierers 18 bzw. 19 geführt, dessen jeweils anderer Eingang und dessen Ausgang unter Zwischenschaltung ei­ nes Verzögerungsglieds 20, 21 miteinander gekoppelt sind. Am Ausgang der Verzöge­ rungsglieder 20, 21 sind die Ausgangssignale der Rechenstufe 11 abgreifbar. Die Rechen­ stufe 11 führt dabei jeweils eine Differenzierung (Differentialbildung) mit anschließender ge­ wichteter Akkumulierung (Integralbildung) aus. In gleicher Weise sind aber auch eine Diffe­ renzierung mit anschließender Summierung, eine Differenzierung alleine oder eine Akkumu­ lierung alleine geeignet.

Die beiden Ausgangssignale der Rechenstufe 11 werden sowohl einer Differenzstufe 22 zur Bildung der Differenz beider Ausgangssignale als auch einer Addierstufe 23 zur Bildung der Summe beider Ausgangssignale zugeführt. Der Differenzstufe 22 ist dabei ein Digital-Analog- Umsetzer 24 direkt und der Addierstufe 23 ist unter Zwischenschaltung eines digitalen Tief­ paßfilters 135 ein Digital-Analog-Umsetzer 25 nachgeschaltet. Am Ausgang des Digital- Analog-Umsetzers 24 steht somit ein analoges Signal (Spannung oder Strom) zur Verfügung, das der Amplitude des von der Hall-Platte 2 bereitgestellten Signals entspricht, während das analoge Signal (Spannung oder Strom) am Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 25 dem überlagerten Offset entspricht. Von diesen beiden analogen Signalen und zudem in geeigne­ ter Weise von der Temperatur hängen nun Referenzsignale (in Form von Strömen oder Spannungen) ab, die von einer Referenzstufe 26 erzeugt werden.

Zwei der von der Referenzstufe 26 erzeugten Referenzsignale werden der Schaltermatrix 5 zugeführt und die restlichen Referenzsignale werden an jeweils einen Eingang mehrer Kom­ paratoren 27 angelegt, deren jeweils andere Eingänge mit dem Ausgang des Verstärkers 3 gekoppelt sind. Die Komparatoren 27 vergleichen das dem Ausgangssignal der Hall-Platte 2 entsprechende Ausgangssignal des Verstärkers 3 mit dem jeweiligen Referenzsignal und erzeugen davon abhängig an ihrem Ausgang einen von zwei möglichen logischen Signalzu­ ständen. Die Referenzsignale sind dabei derart ausgestaltet, daß sie im Hinblick auf die Komparatoren 27 in ihrer Wertigkeit von Komparator zu Komparator stetig ansteigen, wäh­ rend die beiden der Schaltermatrix 5 zugeführten Referenzsignale um den Mittelwert (d. h. oberhalb und unterhalb des Mittelwertes) des durch die übrigen Referenzsignale vorgegebe­ nen Bereichs angeordnet sind (zum Beispiel bei 3/8 und 5/8 des Maximalwertes).

Dabei sind die Ausgänge der Komparatoren 27, die Referenzsignale mit höherer Wertigkeit erhalten, mit den Eingängen des Codierers 9 und die Ausgänge der Komparatoren 27, die Referenzsignale mit niedriger Wertigkeit erhalten, mit den Eingängen des Codierers 10 ver­ bunden. Bei der Schaltermatrix 5 wird je nach logischem Zustand des Signals am Ausgang des Komparators 4 entweder das eine Referenzsignal (3/8) oder das andere Referenzsignal (5/8) auf den Ausgang aufgeschaltet. Die Schaltermatrix 5 kann darüber hinaus beim Ein­ schalten der Spannungsversorgung ein zusätzliches Steuersignal erhalten, mit dem bei­ spielsweise bestimmte Startbedingungen eingestellt werden.

Des Weiteren ist ein Digital-Analog-Umsetzer 28 vorgesehen, dessen Ausgangssignal dem Eingangssignal des Verstärkers additiv/subtraktiv überlagert wird. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzer 28 wird zum einen bestimmt durch einen in einem Speicher 29 ab­ gelegten Eichwert und zum anderen durch Überlaufsignale und Unterlaufsignale des digita­ len Tiefpaßfilters 24. Schließlich wird das Ausgangssignal (oder ein weiteres Ausgangssig­ nal) der Differenzstufe 22 dem Schaltverstärker 8 zugeführt, um diesen bei hohen Frequen­ zen damit direkt schalten zu können.

Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Sensors beruht darauf, daß ein von der Hall- Platte 2 erzeugtes Signal mittels des Verstärkers 3 verstärkt wird, wobei der Offset des Ver­ stärkers 3 durch den Digital-Analog-Umsetzer 28 und den Speicher 29 in Verbindung mit dem digitalen Tiefpaßfilter 135 zum einen fest eingestellt werden kann, um beispielsweise ei­ ne Grundeinstellung und/oder eine Anpassung an die Umgebung des Sensors zu erreichen. Zum anderen wird eine Offset-Regelung in einem gewissen Bereich um den festeingestellten Offset-Wert erzielt durch die Abhängigkeit des Offsets vom Zählerstand des digitalen Filters 135 erzielt. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, daß der Offset sich innerhalb eines optimalen, von dem Gesamtsystem beherrschbaren Bereichs bleibt. Eine addit­ ve/subtraktive Verknüpfung des Aussgangsignals der Hall-Platte 2 mit dem Aussgangsignals des Digital-Analog-Umsetzers 28 kann dabei zusätzlich oder alternativ auch am Ausgang des Verstärkers 3 erfolgen.

Das beliebig geformte Ausgangssignal wird danach durch Schwellwertvergleich mittels Kom­ parator 4 in ein entsprechendes Rechtecksignal umgewandelt. Mit diesem dem Ausgangs­ signal entsprechenden Signal erfolgt dann die Steuerung der Codierer 9 und 10, der Schal­ termatrix 5, des Oszillators 6, des Taktgebers 7 und des Schaltverstärkers 8. Komparator 4, Oszillator 6, Taktgeber 7 und Schaltverstärker 8 sorgen zusammen dafür, daß die Signalauf­ bereitungseinrichtung bei niedrigeren Frequenzen im geschalteten Betriebsmodus (Chopper- Modus)und bei hohen Frequenzen im zeitkontinuierlichen Betriebsmodus (Continous-Time- Modus) arbeitet. Der unterschiedliche Takt wirkt primär auf die Rechenstufe 11, die das Filter eines ansonsten nicht getakteten digitalen Spitzenwertdetektors bildet, welcher wiederum die nicht getakteten Komparatoren 27 und die nicht getakteten Codierer 9, 10 umfasst. Durch die Änderung der Taktfrequenz der Recheneinrichtung wird das Zeitverhalten der gesamten Signalaufbereitungseinrichtung verändert.

Durch getrennte Auswertung von Differenz- und Summensignal (Differential-Mode-Signal, Common-Mode-Signal) werden das eigentliche Meßsignal der Hall-Platte 2 und der Offset- Anteil voneinander getrennt und können so getrennt weiterverarbeitet werden. Die dabei ver­ wendeten Referenzsignale werden bevorzugt temperaturabhängig ausgestaltet derart, daß ihr Verhalten das Temperaturverhalten der restlichen Signalaufbereitungseinrichtung kom­ pensiert. Die Referenzsignale werden dann jeweils den zugehörigen parallelen Komparato­ ren 27 und der Schaltermatrix 5 zugeführt. Insgesamt wird also bei der Auswertung des von der Hall-Platte 2 gelieferten Signals eine hohe Amplituden- und Phasentreue erreicht und da­ mit eine hohe Umschaltpunkt- und Phasengenauigkeit insbesondere bei höherfrequenten Wechselsignalen wie beispielsweise bei der magnetischen Erfassung von Drehzahlen erzielt. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Hall-Plattenanordnung 30 vorge­ sehen mit einer einzigen Hall-Platte oder mit mehreren parallelgeschalteten Hall-Platten.

Durch eine Mehrzahl parallelgeschalteter Hall-Platten, deren Ausrichtung und/oder jeweilige Stromrichtung unterschiedlich ist, läßt sich die Genauigkeit erhöhen und der resultierende Offsetfehler verringern. Ferner werden auch richtungsabhängige Einflüsse durch das Kri­ stallgitter verkleinert. Bei der Hall-Plattenanordnung 30 dienen immer zwei Anschlüsse als Eingangsanschlüsse für den Hall-Versorgungsstrom und zwei Anschlüsse als Ausgangsan­ schlüsse. Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse sind jeweils mit einer Schalterma­ trix 31 verbunden. Die Schaltermatrix 31 bewirkt eine Umschaltung der Stromrichtung um 90 Grad innerhalb der angeschlossenen Hall-Platten. Es wären aber auch beispielsweise 180 Grad oder 360 Grad ebenso möglich. Dabei ist aber die Umschaltung der Stromrichtung um 90 Grad besonders zweckmäßig, weil sich die resultierenden Offsetfehler der Hall-Platten in der einen Stromrichtung zur Hall-Spannung addieren und in der um 90 Grad gedrehten Stromrichtung dagegen subtrahieren.

Die Schaltermatrix 31 hat einen symmetrischen Ausgang, dem ein Spannung-Strom-Um­ setzer 32 nachgeschaltet ist. Der symmetrische Ausgang des Spannung-Strom-Umsetzers 32 wiederum ist unter Zwischenschaltung eines Schalterpaares 33 mit dem symmetrischen Eingang eines Spannung-Strom-Umsetzers 35 gekoppelt. Der symmetrische Eingang des Spannung-Strom-Umsetzers 35 ist mit einem Kondensatorpaar 34 an ein Bezugspotential angeschlossen. Die symmetrischen Ausgänge der Spannung-Strom-Umsetzer 32 und 35 sind miteinander verschaltet und auf den symmetrischen Eingang eines Komparators oder Spannung-Verstärkers 36 geführt. Außerdem werden zwei Referenzströme über ein Schalterpaar 37 an die durch die symmetrischen Ausgänge der beiden Spannung-Strom- Umsetzer 32 und 35 sowie den symmetrischen Eingang des Spannungs-Verstärkers 36 ge­ bildeten Knotenpunkte geführt. Die beiden Referenzströme werden durch ein Stromquellen­ paar 38 erzeugt, wobei eine der Stromquellen durch eine Common-Mode-Steuerung 39 und die andere durch eine Differential-Mode-Steuerung 40 gesteuert wird. Dem Strom-Spannung- Umsetzer 36 folgt schließlich eine geschaltete Ausgangsstufe 41, an deren Ausgang das Ausgangssignal des Sensors abgreifbar ist.

Die Steuerung der Schalterpaare 33 und 37 erfolgt im Gegentakt durch das Ausgangssignal eines Komparators 42, dessen einer Eingang mit einem Referenzsignal 43 (zum Beispiel Re­ ferenzstrom oder Referenzpotential) beaufschlagt ist und dessen anderer Eingang ebenso wie ein Taktgeber 45 mit dem Ausgang eines Frequenz-Strom-Umsetzers 44 gekoppelt ist. Der Frequenz-Strom-Umsetzers 44 wird seinerseits durch das Ausgangssignal des Sensors, das am Ausgang der geschalteten Ausgangsstufe 41 abgreifbar ist, gesteuert. Die geschalte­ te Ausgangsstufe 41 ist mit dem Signal am Ausgang des Komparators 42 und einem von dem Taktgeber 45 erzeugten Taktsignal beaufschlagt. Der Taktgeber 45 steuert außerdem noch die Schaltermatrix 31 und erhält selbst das Signal am Ausgang des Komparators 42 sowie ein temperaturabhängiges Biassignal. Das Biassignal (zum Beispiel Strom oder Span­ nung) für den Taktgeber 45 wird von einer Biaseinheit 46 erzeugt, die zudem auch tem­ peraturabhängige Biassignale für die Schaltermatrix 31, den Frequenz-Strom-Umsetzer 44 und/oder den Komparator 42 sowie für einen Offset- und Hysteresesignalgenerator 47 gene­ riert. Der Offset- und Hysteresesignalgenerator 47 erzeugt ein durch ein Steuersignal verän­ derbares Offset- und Hysteresesignal für die Schaltermatrix 31 und gegebenfalls auch für den Komparator oder Spannungs-Verstärker 36. Das Steuersignal für den Offset- und Hyste­ resesignalgenerator 47 wird von einer Steuereinheit 48 aus dem am Ausgang der geschalte­ ten Ausgangsstufe 41 abgreifbaren Ausgangssignal des Sensors gewonnen. Die Steuerein­ heit 48 enthält einen löschbaren Permanentspeicher (EEPROM), in dem bei einer Eichung bestimmte Werte abgelegt worden sind, die bestimmten Werten des Ausgangssignals am Ausgang der geschalteten Ausgangsstufe 41 zugeordnet sind und die dem Ausgangsssignal (und der Eichung) entsprechend als Steuersignal an die Schaltermatrix 31 ausgeben werden. Gegebenfalls kann der Steuereinheit 41 zudem auch das Ausgangssignal des Komparators 42 zugeführt werden. Schließlich kann ein alternatives Ausgangssignal des Sensors erzeugt werden, indem das Steuersignal am Ausgang der Steuereinheit 41 dem Rampendetektor 49 zugeführt wird, der daraus das alternative Ausgangssignal erzeugt. Der Rampendetektor 49 kann dabei zusätzlich durch das Ausgangssignal des Komparators 42 gesteuert werden.

Die Funktionsweise der Ausführungsform nach Fig. 2 beruht darauf, daß durch die Hall- Platten 30 erzeugte Signale durch die anschließende Schaltermatrix 31 und Mittelwertbildung im seitlichen Mittel weitesgehend vom überlagerten Offset befreit werden. Die Anordnung zur Mittelwertbildung enthält die Spannung-Strom-Umsetzer 32 und 35, Schalterpaare 33 und 37, Kondesatorpaar 34, Spannung-Verstärker 36 und das Stromquellenpaar 38. Bei der An­ ordnung zur Mittelwertbildung auftretender Offset wird durch entsprechende Steuerung des Stromquellenpaares 38 mittels Common-Mode-Steuerung 39 und Differential-Mode- Steuerung 40 eliminiert. Der Taktgeber 45, der Frequenz-Strom-Umsetzer 44 sowie der Komparator 42 überwachen dabei die Frequenz des Ausgangssignals und schalten dement­ sprechend von einer Taktung mit einer festen Frequenz (erzeugt durch den Taktgeber 45) in ein permanentes Durchschalten der Ausgangsstufe 41 um derart, daß bei niedrigen Fre­ quenzen das Taktsignal und bei hohen Frequenzen das Ausgangssignal des Komparators 42 die Ausgangsstufe 41 steuert. Übersteigt der Strom am Ausgang des Frequenz-Strom- Umsetzers 44 das Referenzsignal 43 kippt der Komparator 42 um und trennt damit den Takt­ geber 45 von der Ausgangsstufe 41, die dann durch das Ausgangssignal des Komparators 42 permanent durchgeschaltet wird.

Schließlich werden die Biassignale bevorzugt temperaturabhängig so ausgestaltet, daß ihr Verhalten das Temperaturverhalten der übrigen Teile der Signalaufbereitungseinrichtung kompensiert. Um beispielsweise eine Grundeinstellung und/oder eine Anpassung an die Um­ gebung des Sensors zu erreichen, und zum anderen eine Offset-Regelung in gewissen Grenzen zu erzielen, wird zudem eine Offset-Regelung bestehend aus dem Offset- und Hy­ steresesignalgenerator 47 und der Steuereinheit 48 vorgesehen. Anstelle des Einsatzes ei­ nes Speichers kann auch eine Signalverarbeitungseinheit vorgesehen werden die beispiels­ weise eine Mittelwertbildung, eine Nullpunktdetektion, eine Minimum-Maximum-Auswertung oder eine Tastverhältnisauswertung durchführt und daraus das Steuersignal für den Offset- und Hysteresesignalgenerator 47. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, daß der Offset sich innerhalb eines optimalen, für das Gesamtsystem geeigneten Bereich bleibt. Ins­ gesamt wird also bei der Auswertung des von den Hall-Platten 30 gelieferten Signals eine hohe Amplituden- und Phasentreue erreicht und damit wiederum eine hohe Umschaltpunkt- und Phasengenauigkeit in einem weiten Frequenzbereich erzielt.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist wie bei den vorausgehenden Ausfüh­ rungsbeispielen vorteilhafterweise eine Hall-Plattenanordnung 50 mit mehreren (beispielsweise zwei) parallelgeschalteten Hall-Platten vorgesehen, um die Genauigkeit zu erhöhen und den resultierenden Offsetfehler zu verringern. Eine Schaltermatrix 51 bewirkt mittels einer Schalteinrichtung eine Umschaltung der Stromrichtung in 90 Grad-Schritten in­ nerhalb der angeschlossenen Hall-Platten.

Die Schaltermatrix 51 hat einen symmetrischen Ausgang, dem ein Spannung-Strom-Um­ setzer 52 nachgeschaltet ist. Der symmetrische Ausgang des Spannung-Strom-Umsetzers 52 wiederum ist unter Zwischenschaltung eines Schalterpaares 53 mit dem symmetrischen Eingang eines Spannung-Strom-Umsetzers 55 gekoppelt. Der symmetrische Eingang des Spannung-Strom-Umsetzers 55 ist mit einem Kondensatorpaar 54 an ein Bezugspotential geklemmt. Die symmetrischen Ausgänge der Spannung-Strom-Umsetzer 52 und 55 sind miteinander verschaltet und auf den symmetrischen Eingang eines Spannung-Verstärkers 56 geführt. Außerdem werden zwei Referenzströme über ein Schalterpaar 57 an die durch die symmetrischen Ausgänge der beiden Spannung-Strom-Umsetzer 52 und 54 sowie den symmetrischen Eingang des Komparators oder Spannung-Verstärkers 56 gebildeten Kno­ tenpunkte geführt. Die beiden Referenzströme werden durch ein Stromquellenpaar 58 er­ zeugt, wobei eine der Stromquellen durch eine Common-Mode-Steuerung 59 und die andere durch eine Differential-Mode-Steuerung 60 gesteuert wird. Dem Spannung-Verstärker 56 folgt schließlich eine geschaltete Ausgangsstufe 51, an deren Ausgang das Ausgangssignal des Sensors abgreifbar ist.

Die Steuerung der Schalterpaare 53 und 57 erfolgt im Gegentakt durch das Ausgangssignal eines Zeit-Frequenz-Komparators 62, bei dem ein erster Eingang mit einem Taktsignal an­ gesteuert wird, ein zweiter Eingang mit dem am Ausgang der Ausgangsstufe 51 abgreifbaren Ausgangssignal des Sensors beaufschlagt ist und der dritte Eingang mit dem Ausgang einer analogen Verzögerungseinrichtung 64 gekoppelt ist. Die analoge Verzögerungseinrichtung 64 wird ihrerseits durch das Ausgangssignal des Sensors, das am Ausgang der geschalteten Ausgangsstufe 61 abgreifbar ist, gesteuert. Die geschaltete Ausgangsstufe 61 ist mit dem Signal am Ausgang des Komparators 62 und zudem - wie auch der Zeit-Frequenz- Komparator 62 - mit dem von einem Taktgeber 65 erzeugten Taktsignal beaufschlagt. Der Taktgeber 65 steuert außerdem noch die Schaltermatrix 51 und wird selbst durch das Signal am Ausgang des Zeit-Frequenz-Komparators 62 sowie ein temperaturabhängiges Biassignal gesteuert. Das Biassignal (zum Beispiel Strom oder Spannung) für den Taktgeber 65 wird von einer Biaseinheit 66 erzeugt, die zudem auch temperaturabhängige Biassignale für die Schaltermatrix 51, den Frequenz-Strom-Umsetzer 64 und/oder den Komparator 62, die Common-Mode-Steuerung 59, die Differential-Mode-Steuerung 60 sowie für einen Offset- und Hysteresesignalgenerator 67 generiert. Der Offset- und Hysteresesignalgenerator 67 erzeugt ein durch ein Steuersignal veränderbares Offset- und Hysteresesignal für die Schal­ termatrix 51 und gegebenfalls auch für den Spannungs-Verstärker 56. Das Steuersignal für den Offset- und Hysteresesignalgenerator 67 wird von einer Steuereinheit 68 aus dem am Ausgang der geschalteten Ausgangsstufe 61 abgreifbaren Ausgangssignal des Sensors ge­ wonnen. Die Steuereinheit 68 enthält einen löschbaren Permanentspeicher (EEPROM), in dem bei einer Eichung bestimmte Werte abgelegt worden sind. Diese sind wiederum be­ stimmten Werten des Ausgangssignals am Ausgang der geschalteten Ausgangsstufe 61 zu­ geordnet und werden dem Ausgangssignal (und der Eichung) entsprechend als Steuersig­ nal an die Schaltermatrix 51 ausgeben werden. Gegebenfalls kann der Steuereinheit 61 zu­ dem auch das Ausgangssignal des Zeit-Frequenz-Komparators 62 zugeführt werden.

Die Funktionsweise der Ausführungsform nach Fig. 3 beruht darauf, daß wiederum die durch die Hall-Platten 50 erzeugten Signale durch die anschließende Schaltermatrix 51 und Mittelwertbildung weitestgehend vom überlagerten Offset befreit werden. Die Anordnung zur Mittelwertbildung enthält Spannung-Strom-Umsetzer 52 und 55, Schalterpaare 53 und 57, ein Kondesatorpaar 54, einen Spannung-Verstärker 56 und ein Stromquellenpaar 58. Ein bei der Anordnung zur Mittelwertbildung auftretender Offset wird durch entsprechende Steue­ rung des Stromquellenpaares 58 mittels Common-Mode-Steuerung 59 und Differential-Mo­ de-Steuerung 60 eliminiert. Der Taktgeber 65, das analoge Verzögerungseinrichtung 64 sowie der Zeit-Frequenz-Komparator 62 überwachen dabei die Frequenz des Ausgangs­ signals und schalten dementsprechend von einer Taktung mit einer festen Frequenz (erzeugt durch den Taktgeber 65) auf ein permanentes Durchschalten der Ausgangsstufe 61 um der­ art, daß bei niedrigen Frequenzen des Ausgangssignals das Taktsignal und bei hohen Fre­ quenzen des Ausgangssignals das Ausgangssignal des Komparators 62 die Ausgangsstufe 61 steuert. Übersteigt die Frequenz des Signals am Ausgang der Ausgangsstufe 61 das Taktsignal vom Taktgeber 65, kippt der Zeit-Frequenz-Komparator 62 um und trennt damit den Taktgeber 65 von der Ausgangstufe 61, die dann für das Ausgangssignal des Span­ nungs-Verstärkers 56 permanent durchgeschaltet und damit gleichsam "transparent" wird.

Schließlich werden die Biassignale bevorzugt temperaturabhängig so ausgestaltet, daß ihr Verhalten das Temperaturverhalten der übrigen Teile der Signalaufbereitungseinrichtung kompensiert. Um beispielsweise eine Grundeinstellung und/oder eine Anpassung an die Um­ gebung des Sensors zu erreichen, und zum anderen eine Offset-Regelung in gewissen Grenzen zu erzielen, wird zudem eine Offset-Regelung bestehend aus dem Offset- und Hy­ steresesignalgenerator 67 und der Steuereinheit 68 vorgesehen. Anstelle des Einsatzes ei­ nes Speichers kann wiederum auch eine Signalverarbeitungseinheit vorgesehen werden, die beispielsweise eine Mittelwertbildung, eine Nullpunktdetektion, eine Minimum-Maximum-Aus­ wertung oder eine Tastverhältnisauswertung durchführt und daraus das Steuersignal für den Offset- und Hysteresesignalgenerator 67 generiert. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, daß der Offset sich innerhalb eines optimalen, für das Gesamtsystem geeigneten Bereich bleibt. Insgesamt wird also bei der Auswertung des von den Hall-Platten 50 geliefer­ ten Signals eine hohe Amplituden- und Phasentreue erreicht und damit wiederum eine hohe Umschaltpunkt- und Phasengenauigkeit in einem zweiten Frequenzbereich erzielt.

Obwohl die Ausführungsbeispiele nur Hall-Platten als Wandlereinrichtungen verwenden kann in gleicher Weise jeder andere Typ von Wandlereinrichtung in gleicher Weise bei einem er­ findungsgemäßen Sensor verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Stromquelle

2

Hall-Platte

3

Verstärker

4

Komparator

5

Schaltermatrix

6

Oszillator

7

Taktgeber

8

Schaltverstärker

9

Codierer

10

Codierer

11

Rechenstufe

12

Verzögerungsglied

13

Verzögerungsglied

14

Addierer

15

Addierer

16

Koeffizientenglied

17

Koeffizientenglied

18

Addierer

19

Addierer

20

Verzögerungsglied

21

Verzögerungsglied

22

Differenzstufe

23

Addierstufe

24

Digital-Analog-Umsetzer

25

Digital-Analog-Umsetzer

26

Referenzstufe

27

Komparatoren

28

Digital-Analog-Umsetzer

29

Speicher

30

Hall-Plattenanordnung

31

Schaltermatrix

32

Spannung-Strom-Umsetzer

33

Schalterpaar

34

Kondensatorpaar

35

Spannung-Strom-Umsetzer

36

Verstärker des Komparators

37

Schalterpaar

38

Stromquellenpaar

39

Common-Mode-Steuerung

40

Differential-Mode-Steuerung

41

Ausgangsstufe

42

Komparator

43

Referenzsignal

44

Frequenz-Strom-Umsetzer

45

Taktgeber

46

Biaseinheit

47

Offset- und Hysteresesignalgenerator

48

Steuereinheit

49

Rampendetektor

50

Hall-Plattenanordnung

51

Schaltermatrix

52

Spannung-Strom-Umsetzer

53

Schalterpaar

54

Kondensatorpaar

55

Spannung-Strom-Umsetzer

56

Spannung-Verstärker oder Komparator

57

Schalterpaar

58

Stromquellenpaar

59

Common-Mode-Steuerung

60

Differential-Mode-Steuerung

61

Ausgangsstufe

62

Zeit-Frequenz-Komparator

64

Verzögerungseinrichtung

65

Taktgeber

66

Biaseinheit

67

Offset- und Hysteresesignalgenerator

68

Steuereinheit

135

Tiefpaßfilter

Claims (14)

1. Sensor mit einer Wandlereinrichtung (1, 2; 30; 50) zum Umwandeln einer an ihr an­ liegenden physikalischen Größe in ein entsprechendes elektrisches Meßsignal und einer der Wandlereinrichtung nachgeschalteten Signalaufbereitungseinrichtung (3 bis 29; 31 bis 49; 50 bis 68) zum Erzeugen eines Ausgangssignals aus dem Meßsignal, wobei die Signalaufbereitungseinrichtung mindestens eine Schalteinrichtung (5; 31, 33, 37; 51, 53, 57) zur Offsetkompensation aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungseinrichtung (3 bis 29; 31 bis 49; 50 bis 68) Mittel (8 bis 27; 41 bis 46; 61 bis 66) zur frequenzabhängigen Betriebsmodusumschaltung aufweist, wobei die Schalteinrichtung (5; 31, 33, 37; 51, 53, 57) bei niedrigeren Frequenzen im geschalteten Betriebsmodus und bei hohen Frequenzen im kontinuierlichen Be­ triebsmodus betrieben wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungseinrichtung getak­ tete Schaltungsteile umfaßt, deren Taktung bei niedrigen Frequenzen durch ein Takt­ signal mit konstanter Frequenz und bei hohen Frequenzen durch ein dem Ausgangs­ signal entsprechendes Signal erfolgt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungseinrichtung min­ destens eine Schalteinrichtung zum Umschalten der Phasenlage eines mit der Wandlereinrichtung verkoppelten Meßsignals aufweist.

4. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schalteinrichtung eine Hysterese hat,

• - daß die Hysterese durch ein Steuersignal einstellbar ist, und
• - daß eine mit der Signalaufbereitungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung vor­ gesehen ist, die aus dem Meßsignal das Steuersignal erzeugt.

5. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungseinrichtung mit einem Offset beaufschlagt ist, der durch ein Steuersignal einstellbar ist.

6. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Hysterese und Offset durch ein gemein­ sames Steuersignal einstellbar sind.

7. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rampendetektor vorgesehen ist, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist, der von dieser das Steuersignal erhält und der daraus ein weiteres Ausgangssignal erzeugt.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal durch Mittelwertbildung aus dem Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung erzeugt ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung das Steuersignal durch Auswertung des Medians beim Ausgangssignal der Auswerteeinrichtungs er­ zeugt.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung das Steuersignal durch Auswertung der Minima und Maxima beim Ausgangssignal der Auswerteein­ richtung erzeugt.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung das Steuersignal durch Auswertung des Tastverhältnisses beim Ausgangssignal der Auswerteeinrich­ tung erzeugt.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Steuersignals eine durch Eichung ermittelte Wertetabelle in der Steuereinrichtung abgelegt ist, wobei das Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung zur Auswahl der Werte in der Tabelle vor­ gesehen ist.

13. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbearbeitungseinrichtung Mittel zur Mittelwertbildung aufweist, die durch das Meßsignal angesteuert werden.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbearbeitungseinrichtung Mittel zur Spitzenwertdetektion aufweist, die durch das Meßsignal angesteuert werden.