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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Bereitstellen eines aufbereiteten Messsignals. Ein Sensor gibt üblicherweise ein Messsignal ab, das zuerst weiterzuverarbeiten ist, ehe mit Hilfe eines aufbereiteten Messsignals eine Aktion ausgelöst oder eine Information gespeichert werden kann. Umfasst beispielsweise der Sensor ein Hall-Element, so stellt das Hall-Element eine Hall-Spannung bereit, die eine Offsetkomponente aufweisen kann, deren Einfluss zu reduzieren ist.
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DE 10 2004 010 362 A1 beschreibt einen Sensor, insbesondere einen Hallsensor, mit einer Auswerteeinrichtung, die mit dem Sensor verbunden ist und einen Subtrahierer enthält, der das Störsignal von dem Sensorsignal subtrahiert. Der Sensor umfasst eine Hallstromquelle, erste getaktete Umschaltelemente, eine Hallanordnung und zweite getaktete Umschaltelemente. Die zweiten getakteten Umschaltelemente sind über einen Ausgangsverstärker mit einem ersten Eingang des Subtrahierers verbunden. Ein Digital-Analog-Wandler der Auswerteeinrichtung ist ausgangsseitig an einen zweiten Eingang des Subtrahierers angeschlossen.
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DE 10 2006 059 421 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verarbeitung von Offset-behafteten Sensorsignalen. Dabei wird ein Sensor in aufeinander folgenden Phasen unterschiedlich angesteuert. Der Sensor kann ein Hall-Sensor sein.
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US 2008/0094055 A1 ist ein getakteter Hall-Sensor angegeben. Dabei moduliert ein Schaltkreis eine Hall-Offsetkomponente oder eine magnetische Signalkomponente.
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Im Wikipedia-Beitrag ”Successive approximation ADC”, Version vom 27.01.2009, ist ein Blockdiagramm eines Analog-Digital-Wandlers gezeigt. Eine Eingangsspannung wird über eine Abtast- und Halteschaltung einem ersten Eingang eines Komparators zugeleitet. Ein Ausgang des Komparators ist über ein Successive Approximation Register und einen Digital-Analog-Wandler mit einem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt.
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EP 1297349 B1 erläutert eine Verstärkerschaltung mit Offset-Kompensation. Ein Hallsensor ist über einen Modulator und einen Addierer mit einem Operationsverstärker gekoppelt. Ein Ausgang des Operationsverstärkers ist über ein Tiefpassfilter und einen weiteren Verstärker mit einem Eingang des Addierers verbunden. Eine Offsetkomponente der Messsignale wird vom Tiefpassfilter aus den Messsignalen ausgekoppelt und verstärkt an den Operationsverstärkereingang gegengekoppelt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Bereitstellen eines aufbereiteten Messsignals anzugeben, mit dem ein Einfluss einer Störgröße in einem Messsignal verringert werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 und dem Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Gegenstands des Patentanspruchs 1 sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Schaltungsanordnung einen Signaleingang, eine Summierschaltung, eine Steuereinheit und einen Digital/Analog-Wandler. Der Signaleingang ist zum zuführen eines Messsignals, das ein an den Signaleingang ankoppelbarer Sensor bereitstellt, realisiert. Die Summierschaltung weist einen ersten, einen zweiten Eingang und einen Ausgang auf. Der erste Eingang der Summierschaltung ist mit dem Signaleingang gekoppelt. Die Steuereinheit umfasst einen Eingang sowie einen ersten und einen zweiten Ausgang. Der Eingang ist mit dem Ausgang der Summierschaltung gekoppelt. An dem ersten Ausgang ist ein aufbereitetes Messsignal abgreifbar. Der Digital/Analog-Wandler ist eingangsseitig mit dem zweiten Ausgang der Steuereinheit und ausgangsseitig mit dem zweiten Eingang der Summierschaltung gekoppelt.
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Mit Vorteil leitet die Steuereinheit ein Analogsignal mittels des Digital/Analog-Wandlers der Summierschaltung zu, so dass eine Störgröße im Messsignal verringert werden kann.
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Die Summierschaltung gibt an ihrem Ausgang ein Summensignal ab. Die Steuereinheit stellt an ihrem zweiten Ausgang ein Digitalsignal bereit. Die Steuereinheit kann als digitale Signalverarbeitungseinrichtung, abgekürzt DSP, realisiert sein. Die Steuereinheit kann einen Mikrocontroller umfassen.
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Die Steuereinheit umfasst einen dritten Ausgang, der mit dem Sensor koppelbar ist. Der dritte Ausgang ist zum Versetzen des Sensors in einen ersten und in einen zweiten Betriebszustand vorgesehen. Der erste Betriebszustand des Sensors unterscheidet sich vom zweiten Betriebszustand des Sensors.
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In einer Ausführungsform weist das Messsignal einen ersten Wert im ersten Betriebszustand und einen zweiten Wert in einen zweiten Betriebszustand auf. Der erste Wert kann vom zweiten Wert verschieden sein. Beispielsweise kann der erste Wert eine Signalkomponente, die von der mittels des Sensors zu bestimmenden Größe abhängt, und eine Offsetkomponente aufweisen. Weiter kann beispielsweise der zweite Wert ausschließlich die Offsetkomponente aufweisen. Somit kann mittels der Steuereinheit die Offsetkomponente bestimmt werden und über den Digital/Analog-Wandler ein Analogsignal an den. zweiten Eingang der Summierschaltung abgegeben werden, mit dem die Offsetkomponente korrigiert werden kann. Die Korrektur kann derart erfolgen, dass das Summensignal am Ausgang der Summierschaltung im ersten und im zweiten Betriebszustand unabhängig von einem Offset im Messsignal ist. Eine Drift der Offsetkomponente kann von der Steuereinheit erfasst werden, so dass über den Digital/Analog-Wandler ein verändertes Analogsignal dem zweiten Eingang der Summierschaltung bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung einen Analog/Digital-Wandler. Der Analog/Digital-Wandler ist an einem Eingang mit dem Ausgang der Summierschaltung verbunden. Der Analog/Digital-Wandler ist an einem Ausgang an den Eingang der Steuereinheit angeschlossen. Somit kann das am Ausgang der Summierschaltung bereitgestellte Summensignal mittels des Analog/Digital-Wandlers digitalisiert werden und das digitalisierte Summensignal der Steuereinheit zugeleitet werden. Durch die Verringerung des Offseteinfluss auf das Summensignal ist es nicht mehr erforderlich, einen großen Bereich für zulässige Eingangsspannungen des Analog/Digital-Wandlers zu spezifizieren. Der Aufwand für die Realisierung des Analog/Digital-Wandlers kann somit gering gehalten werden.
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In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit das Digitalsignal derart erzeugen, dass die Offsetkomponente des Messsignals kompensiert wird, welche im ersten und im zweiten Betriebszustand vorhanden ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Offsetkomponente näherungsweise konstant und unabhängig von den Betriebszuständen des Sensors, so dass das Digitalsignal näherungsweise konstant ist. Das Digitalsignal kann sich jedoch im Fall einer Drift des Offsetsignals ändern.
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Des Weiteren umfasst die Schaltungsanordnung einen Komparator. Der Komparator ist an einem Eingang mit dem Ausgang der Summierschaltung gekoppelt. An einem Ausgang ist der Komparator an den Eingang der Steuereinheit angeschlossen. Der Komparator stellt an seinem Ausgang das digitalisierte Summensignal bereit. Mit Vorteil kann mittels eines Komparators eine aufwandsarme Bewertung des Summensignals durchgeführt werden.
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Die Steuereinheit stellt das Digitalsignal derart bereit, dass das Messsignal im ersten und im zweiten Betriebszustand nachgebildet wird. Die Steuereinheit erzeugt ein derartiges Digitalsignal, das vom Digital/Analog-Wandler in ein Analogsignal umgewandelt wird, dass das Summensignal null wird. Zur Bewertung des Summensignals ist somit ein einfacher Komparator ausreichend. Ein Schwellwert des Komparators kann beispielsweise den Wert null Volt oder null Mikroampere aufweisen.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung einen weiteren Komparator. Der Komparator weist einen ersten Schwellwert und der zweite Komparator einen weiteren Schwellwert auf. Der Schwellwert und der weitere Schwellwert sind voneinander verschieden. Der Schwellwert kann größer als der weitere Schwellwert sein. Somit kann mittels des Komparators und des weiteren Komparators bestimmt werden, ob das Summensignal einen Wert, der größer als der Schwellwert des Komparators ist, oder einen Wert, der kleiner als der weitere Schwellwert des weiteren Komparators ist, oder einen Wert zwischen dem weiteren Schwellwert und dem Schwellwert aufweist. Der Komparator und der weitere Komparator bilden somit eine Fensterkomparatoranordnung. Mit Vorteil kann mittels der zwei Komparatoren festgestellt werden, ob das Summensignal konstant ist oder zu größeren oder zu kleineren Werten hin driftet. Der Schwellwert kann einen positiven Wert und der weitere Schwellwert einen negativen Wert aufweisen. Ein Betrag des Schwellwertes kann gleich einem Betrag des weiteren Schwellwertes sein. Beispielsweise kann der Schwellwert 0,1 Volt und der weitere Schwellwert –0,1 Volt betragen.
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In einer alternativen, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist anstelle des Komparators ein Nullpunktdetektor vorgesehen. Der Nullpunktdetektor kann ein Signal ausgangsseitig bereitstellen, welches angibt, ob das Summensignal näherungsweise null beträgt oder von null abweicht. In einer Ausführungsform stellt der Nullpunktdetektor ausgangsseitig ein Signal bereit, das angibt, ob das Summensignal aus einem Bereich zwischen einem ersten und einem zweiten Schwellwert ist oder ob das Summensignal größer als der erste beziehungsweise kleiner als der zweite Schwellwert ist. Der erste Schwellwert kann größer als der zweite Schwellwert sein. Der erste Schwellwert kann einen positiven Wert und der zweite Schwellwert einen negativen Wert aufweisen. Ein Betrag des ersten Schwellwertes kann gleich einem Betrag des zweiten Schwellwertes sein. Beispielsweise kann der erste Schwellwert 0,1 Volt und der zweite Schwellwert –0,1 Volt betragen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung einen Verstärker, der zwischen den Signaleingang und den ersten Eingang der Summierschaltung geschaltet ist. Der Verstärker konvertiert das Messsignal in ein verstärktes Messsignal. Der Verstärker kann als Zerhacker-Verstärker, englisch chopper amplifier, realisiert sein. Der Verstärker ist auf geringes Rauschen ausgelegt. Der Verstärker kann als analoge Verstärkerkette ausgebildet sein. Mit Vorteil kann mittels des Verstärkers die Erzeugung des Messsignals von der Verarbeitung des Messsignals entkoppelt werden.
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Des Weiteren umfasst die Summierschaltung ein Filter. Das Filter kann als Tiefpass implementiert sein. Das Filter kann als Anti-Aliasing Filter realisiert sein.
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Des Weiteren ist die Summierschaltung ausgebildet, Stromsignale zu addieren. Der Digital/Analog-Wandler kann ausgangsseitig das Analogsignal als Stromsignal bereitstellen. Der Verstärker kann als Transkonduktanzverstärker, englisch Operational Transconductance Amplifier, abgekürzt OTA, implementiert sein.
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In einer alternativen, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Summierschaltung ausgebildet, Spannungssignale zu addieren. Der Digital/Analog-Wandler kann ausgebildet sein, ausgangsseitig das Analogsignal als Spannungssignal bereitzustellen. Der Verstärker kann als Operationsverstärker, englisch Operational Amplifier, abgekürzt OP, realisiert sein.
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Des Weiteren umfasst die Schaltungsanordnung den Sensor. Der Sensor gibt das Messsignal ab. Der Sensor ist ausgangsseitig mit dem Signaleingang verbunden.
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Der Sensor kann nicht erfindungsgemäß nicht erfindungsgemäß ein lichtempfindliches Element, insbesondere eine Photodiode, aufweisen. Die Offsetkomponente im Messsignal kann durch eine Hintergrundbeleuchtung verursacht sein. Hingegen kann die vom lichtempfindlichen Element zu messende Größe das Licht einer Leuchtquelle sein, die in einem ersten Betriebszustand angeschaltet und in einem zweiten Betriebszustand ausgeschaltet ist.
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Der Sensor kann ein Druck-, ein Beschleunigungs-, ein Rotations- oder ein Kraftsensorelement umfassen.
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Erfindungsgemäß weist der Sensor einen Magnetfeldsensor auf. Der Sensor umfasst ein Hall-Element. Alternativ kann der Sensor mehrere Hall-Elemente umfassen. Das Hall-Element kann vier Anschlüsse aufweisen. In einer Weiterbildung kombiniert die Schaltungsanordnung somit ein oder mehrere Hall-Elemente, einen Verstärker und eine Steuereinheit.
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In einer Ausführungsform kann im Hall-Element periodisch die Stromrichtung geändert werden. Im Englischen wird dies als Current Spinning bezeichnet.
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In einer Ausführungsform kann in einem ersten Betriebszustand die Hall-Spannung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss des Hall-Elements abgegriffen werden und als Messsignal am Signaleingang bereitgestellt werden. Im ersten Betriebszustand kann zwischen einem dritten und einem vierten Anschluss eine Betriebsspannung an das Hall-Element angelegt werden. Alternativ kann im ersten Betriebszustand über den dritten Anschluss ein Versorgungsstrom dem Hall-Element zugeleitet werden, der über den vierten Anschluss des Hall-Elements abgeführt wird.
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Im zweiten Betriebszustand kann zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss die Hall-Spannung abgegriffen werden und als Messsignal am Signaleingang bereitgestellt werden. Dabei kann im zweiten Betriebszustand zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss die Betriebsspannung angelegt werden. Alternativ kann im zweiten Betriebszustand über den ersten Anschluss der Versorgungsstrom zugeleitet werden, der über den vierten Anschluss abgeleitet wird.
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In einer alternativen Ausführungsform wird zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss des Hall-Elements eine Betriebsspannung angelegt. Alternativ kann über den dritten Anschluss ein Versorgungsstrom zum Betrieb des Hall-Elements zugeführt werden, der über den vierten Anschluss abgeleitet wird. Die Betriebsspannung beziehungsweise der Versorgungsstrom sind konstant und ändern sich nicht in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Betriebszustand. Eine Hall-Spannung wird zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss des Hall-Elements abgegriffen. Der Sensor gibt als Messsignal im ersten Betriebszustand die Hall-Spannung und im zweiten Betriebszustand eine invertierte Hall-Spannung ab. Die invertierte Hall-Spannung wird durch Umpolen der Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einerseits und dem Signaleingang andererseits erzeugt. Durch das Umpolen kann sich die Polarität des Messsignals bei einem Wechsel vom ersten zum zweiten Betriebszustand beziehungsweise vom zweiten zum ersten Betriebszustand ändern.
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In einer Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung einen weiteren Signaleingang. Der Verstärker kann einen weiteren Eingang aufweisen. Die Hall-Spannung und damit das Messsignal liegen im Allgemeinen als differentielles Signal vor. Der Verstärker kann das differentielle Signal, das zwischen seinem Eingang und seinem weiteren Eingang anliegt, in ein verstärktes Messsignal konvertieren. Das verstärkte Messsignal kann ein auf ein Bezugspotential bezogenes Spannungssignal sein.
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Die Schaltungsanordnung kann für einen Joystick, eine Winkeldetektion oder für eine Detektion einer Position auf einem linearen Maßstab, englisch Linear Encoder, verwendet werden. Mit der Schaltungsanordnung kann die Position eines Magneten bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen eines aufbereiteten Messsignals ein Zuführen eines Messsignals. Ein Analogsignal und das Messsignal oder alternativ ein vom Messsignal abgeleitetes Signal werden zu einem Summensignal summiert und das Summensignal abgegeben. Das aufbereitete Messsignal und ein Digitalsignal werden in Abhängigkeit des Summensignals bereitgestellt. Das Digitalsignal wird in das Analogsignal gewandelt.
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In einer Ausführungsform sind mehrere Sensoren mit der Summierschaltung verbunden. Mehrere Sensoren arbeiten auf den Summierknoten.
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In einer Ausführungsform wird das Messsignal verstärkt und als vom Messsignal abgeleitetes Signal ein verstärktes Messsignal eingesetzt.
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In einer Ausführungsform kombiniert das Verfahren eine Offsetkompensation mit einer Analog/Digitalwandlung. Aufgrund der Kombination der Offsetverringerung und der Analog/Digitalwandlung kann die Schaltungsanordnung auf einer kleinen Fläche auf einem Halbleiterkörper realisiert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungselemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
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1A bis 1C beispielhafte Ausführungsformen einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2A bis 2D beispielhafte Signalverläufe in einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 eine beispielhafte Ausführungsform eines Sensors nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
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4A bis 4C beispielhafte Ausführungsformen einer Summierschaltung.
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1A zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Signaleingang 11, eine Summierschaltung 12, eine Steuereinheit 16, und einen Digital/Analog-Wandler 20, abgekürzt DAC. Die Summierschaltung 12 umfasst einen ersten und einen zweiten Eingang 13, 14 sowie einen Ausgang 15. Der Signaleingang 11 ist mit dem ersten Eingang 13 der Summierschaltung 12 gekoppelt. Der Ausgang 15 der Summierschaltung 12 ist mit einem Eingang 17 der Steuereinheit 16 gekoppelt. Die Steuereinheit weist einen ersten und einen zweiten Ausgang 18, 19 auf. Der zweite Ausgang 19 der Steuereinheit 16 ist am Eingang 21 des Digital/Analog-Wandlers 20 angeschlossen. Ein Ausgang 22 des Digital/Analog-Wandlers 20 ist mit dem zweiten Eingang 14 der Summierschaltung 12 verbunden. Ein weiterer Ausgang 22 des Digital/Analog-Wandlers 20 ist mit einem weiteren zweiten Eingang 14' der Summierschaltung 12 verbunden. Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung 10 einen Analog/Digital-Wandler 23, abgekürzt ADC. Der Ausgang 15 der Summierschaltung 12 ist mit einem Eingang 24 des Analog/Digital-Wandlers 23 verbunden. Ein Ausgang 25 des Analog/Digital-Wandlers 23 ist an den Eingang 17 der Steuereinheit 16 angeschlossen.
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Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 10 einen Verstärker 26. Der Signaleingang 11 ist mit einem Eingang 27 des Verstärkers 26 verbunden. Ein Ausgang 28 des Verstärkers 26 ist mit dem ersten Eingang 13 der Summierschaltung 12 verbunden. Ein weiterer Ausgang 28' des Verstärkers 26 ist an einen weiteren ersten Eingang 13' der Summierschaltung 12 angeschlossen. Der weitere erste Eingang 13' und der weitere zweite Eingang 14' der Summierschaltung 12 sind mit einem Bezugspotentialanschluss 32 verbunden. Der erste und der zweite Eingang 13, 14 der Summierschaltung 12 sind an einen Knoten 33 der Summierschaltung 12 angeschlossen. Der Knoten 33 ist ebenfalls an den Ausgang 15 der Summierschaltung 12 angeschlossen. Der Knoten 33 ist über ein Filter 29 mit dem Bezugspotentialanschluss 32 verbunden. Das Filter 29 umfasst einen Kondensator 31 und einen Widerstand 30. Der Kondensator 31 und der Widerstand 30 sind parallel zueinander geschaltet. Somit sind der Kondensator 31 und der Widerstand 30 jeweils zwischen den Knoten 33 und den Bezugspotentialanschluss 32' geschaltet.
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Ein Sensor 40 ist ausgangsseitig an den Signaleingang 11 angeschlossen. Der Sensor 40 umfasst ein Hall-Element 41. Das Hall-Element 41 ist ausgangsseitig mit dem Signaleingang 11 verbunden. Weiter umfasst der Sensor 40 einen Modulator 42 und eine Hall-Versorgungsquelle 43. Die Hall-Versorgungsquelle 43 ist über den Modulator 42 mit dem Hall-Element 41 verbunden. Die Hall-Versorgungsquelle 43 ist als Stromquelle ausgebildet. Ein Anschluss der Hall-Versorgungsquelle 43 ist an den Bezugspotentialanschluss 32 angeschlossen. Ein weiterer Anschluss der Hall-Versorgungsquelle 43 ist über den Modulator 42 mit dem Hall-Element 41 verbunden. Ein Steuerausgang 44 der Steuereinheit 16 ist mit einem Steuereingang des Modulators 42 verbunden. Die Steuereinheit 16 umfasst einen Speicher 37.
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Der Sensor 40 stellt ausgangsseitig ein Messsignal VH bereit. Das Messsignal VH wird dem Signaleingang 11 zugeleitet. Der Verstärker 26 wandelt das Messsignal VH in ein verstärktes Messsignal SH. Der Verstärker 26 ist als Transkonduktanzverstärker ausgebildet. Während das Messsignal VH als Spannungssignal vorliegt, liegt das verstärkte Messsignal SH als Stromsignal vor. Das verstärkte Messsignal SH wird über den ersten Eingang 13 der Summierschaltung 12 zugeführt. Am Ausgang der Summierschaltung 12 liegt ein Summensignal VS bereit. Das Summensignal VS wird dem Eingang 24 des Analog/Digital-Wandlers 23 zugeleitet. Der Analog/Digital-Wandler 23 generiert aus dem Summensignal VS ein digitalisiertes Summensignal DS. Das digitalisierte Summensignal DS wird vom Analog/Digital-Wandler 23 dem Eingang 17 der Steuereinheit 16 zugeführt. Die Steuereinheit 16 erzeugt aus dem digitalisierten Summensignal DS ein aufbereitetes Messsignal AM, das am ersten Ausgang 18 bereitgestellt wird. Weiter stellt die Steuereinheit 16 am zweiten Ausgang 19 ein Digitalsignal SD bereit. Das Digitalsignal SD wird dem Eingang 21 des Digital/Analog-Wandlers 20 zugeführt. Der Digital/Analog-Wandler 20 generiert aus dem Digitalsignal SD ein Analogsignal SAN. Das Analogsignal SAN wird dem zweiten Eingang 14 der Summierschaltung 12 zugeleitet. Die Summierschaltung 12 bildet am Knoten 33 eine Summe aus dem verstärkten Messsignal SH und dem Analogsignal SAN. Die Summe der beiden Ströme nämlich aus dem verstärkten Messsignal SH und dem Analogsignal SAN fließt über das Filter 29 zum Bezugspotentialanschluss 32 und erzeugt dabei das Summensignal VS. Das Summensignal VS ist der Spannungsabfall, der von den Strömen SH und SAN am Filter 29 erzeugt wird.
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Die Steuereinheit 16 stellt am Steuerausgang 44 ein Taktsignal CL bereit, das dem Steuereingang des Modulators 42 zugeleitet wird. Die Steuereinheit 16 bildet mit Hilfe des digitalisierten Summensignals DS jeweils aktuelle Werte des aufbereiteten Messsignals AM sowie aktuelle Werte des Digitalsignals SD, welches dem Digital/Analog-Wandler 20 zugeleitet wird. Der Sensor 40 wird so entsprechend dem Taktsignal CL in einer ersten Taktphase A in einen ersten Betriebszustand AA und in einer zweiten Taktphase B in einem zweiten Betriebszustand BB eingestellt. Die erste und die zweite Taktphase A, B wechseln sich periodisch ab. Das Digitalsignal SD ist näherungsweise konstant. Das Digitalsignal SD ändert sich nicht notwendigerweise mit dem Wechsel von der ersten zur zweiten Taktphase oder von der zweiten zur ersten Taktphase. Das Digitalsignal SD ist unabhängig davon, ob sich der Sensor 40 im ersten oder im zweiten Betriebszustand AA, BB befindet. Das Digitalsignal SD ändert sich, wenn die Steuereinheit 16 mit Hilfe des Speichers 34 und des digitalisierten Summensignals DS einen neuen Wert für die Offsetkomponente des verstärkten Messsignals SH berechnet. Die Hall-Versorgungsquelle 43 ist als Stromquelle realisiert und gibt einen Strom I ab.
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Das Magnetfeld wird mittels des Sensors 40 unter Verwendung einer Zweiphasenstromumkehrtechnik, englisch Two Phase Current Spinning Technique, detektiert. Das Messsignal VH ergibt sich somit gemäß folgender Gleichung: VH = VOffset ± VSignal, wobei VOffset die Offsetkomponente der Hall-Spannung VHall und VSignal die Signalkomponente der Hall-Spannung VHall sind. Das Pluszeichen gilt in der ersten Taktphase A und das Minuszeichen in der zweiten Taktphase B. Der Verstärker 26 ist als Operational Transconductance Amplifier realisiert. Mittels des Verstärkers 26 wird eine Spannungs-/Stromwandlung durchgeführt. Der Verstärker 26 ist für geringes Rauschen ausgelegt. Das verstärkte Messsignal SH ergibt sich somit gemäß folgender Gleichung: SH = gm·VH, wobei gm die Steilheit des Verstärkers 26 ist. Der Offset der analogen Kette wird mittels des Digital/Analog-Wandlers 20 kompensiert. Die Kompensation erfolgt auf der Stromebene. Der durch das Filter 29 fließende Strom ergibt sich somit aus der Addition des verstärkten Messsignals SH und des Analogsignals SAN. Da das Analogsignal SAN negative Werte annimmt, ist der Betrag des durch das Filter 29 fließenden Stromes kleiner als der Betrag des verstärkten Messsignals SH. Das Summensignal VS ergibt sich gemäß folgender Gleichung: VS = Z·(SH + SAN) beziehungsweise VS = Z·(SH – |SAN|), wobei Z die Impedanz des Filters 29 ist. Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich das Summensignal VS gemäß folgender Gleichung: VS = R·(SH + SAN) beziehungsweise VS = R·(SH – |SAN|), wobei R der Widerstandswert des Widerstands 30 ist.
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Der Analog/Digital-Wandler 23 führt die Analog/Digital-Wandlung des Summensignals VS durch. Die Steuereinheit 16 führt eine digitale Signalverarbeitung durch, um die Signalkomponente VSignal und die Offsetkomponente VOffset der Hall-Spannung VHall aus dem Wert des digitalen Signals DS in der ersten Betriebsphase AA und in der zweiten Betriebsphase BB zu bestimmen. Dabei berechnet die Steuereinheit 16 die Bewegung des Magneten und kompensiert den Offset.
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Mit Vorteil kann mittels des Digital/Analog-Wandlers 20 ein Analogsignal SAN bereitgestellt werden, mit dem bereits im analogen Teil der Schaltungsanordnung 10 die Offsetkomponente, welche sich im verstärkten Messsignal SH befindet, korrigiert werden kann. Somit ist ein möglicher Spannungsbereich des Summensignals VS kleiner verglichen mit einem Fall ohne Offsetkompensation. Der Analog/Digital-Wandler 23 kann somit für einen kleineren Spannungsbereich für eine Spannung am Eingang 24, nämlich die Summenspannung VS, spezifiziert werden. Dadurch sinkt mit Vorteil der Aufwand für die Realisierung der Schaltungsanordnung 10 verglichen mit einer Anordnung ohne Offsetkompensation.
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Die Anordnung, umfassend die Summierschaltung 12, den Analog/Digital-Wandler 23, die Steuereinheit 16 und den Digital/Analog-Wandler 20, bildet einen Regelkreis.
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Mit der Schaltungsanordnung 10 kann auch ein großes Offset des Sensors 40 von dem Nutzsignal getrennt werden. Der Digital/Analog-Wandler 20 dient der Offsetkompensation. Vom verstärkten Messsignal SH wird die Offsetkomponente abgezogen. Die Summenspannung VS ist ein offsetfreies Signal. Ein dynamischer Eingangsbereich des Analog/Digital-Wandlers 23 kann mit Vorteil effizient eingesetzt werden. Das digitalisierte Summensignal DS wird von der Steuereinheit 16 verwendet, um die Magnetposition und die Offsetkomponente im verstärkten Messsignal SH zu bestimmen. Das Digitalsignal SD, welches einen digitalen Kompensationscode darstellt, wird von der Offsetkomponente des verstärkten Messsignals SH berechnet und zum Digital/Analog-Wandler 20 zurückgekoppelt.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann zwischen der Summierschaltung 12 und dem Analog/Digital-Wandler 23 ein Abtast- und Halteglied vorgesehen sein.
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1B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung 10' umfasst den Signaleingang 11, die Summierschaltung 12, die Steuereinheit 16 und den Digital/Analog-Wandler 20. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 10' einen Komparator 34, welcher zwischen die Summierschaltung 12 und die Steuereinheit 16 geschaltet ist. Der Ausgang 15 der Summierschaltung 12 ist mit einem Eingang 35 des Komparators 34 verbunden. Ein Ausgang 36 des Komparators 34 ist an den Eingang 17 der Steuereinheit 16 angeschlossen.
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Der Verstärker 26 ist als Operationsverstärker ausgebildet. Der Verstärker 26 gibt an seinem Ausgang 28 das verstärkte Messsignal SH als Spannungssignal ab. Ebenfalls gibt der Digital/Analog-Wandler 20 das Analogsignal SAN am Ausgang 22 als Spannungssignal ab. Die Summierschaltung 12 ist dazu ausgelegt, das verstärkte Messsignal SH und das Analogsignal SAN zu addieren. Dabei erhält einer der beiden Summanden ein negatives Vorzeichen. Das am Ausgang 15 der Summierschaltung 12 abgreifbare Summensignal VS gibt sich somit aus folgender Gleichung: VS = SH – SAN, wobei SH das verstärkte Messsignal und SAN das Analogsignal sind. Das verstärkte Messsignal SH, das Analogsignal SAN und das Summensignal VS sind Spannungssignale, die auf ein am Bezugspotentialanschluss 32 anliegendes Bezugspotential bezogen sind. Der Komparator 34 vergleicht das Summensignal VS mit einem Komparatorschwellwert. Der Komparatorschwellwert ist auf 0 Volt eingestellt. Ist der Wert des verstärkten Messsignals SH größer als das Analogsignal SAN, so gibt der Komparator 34 als digitalisiertes Summensignal DS den Wert 1 ab. Ist hingegen der Wert des verstärkten Messsignals SH kleiner oder gleich dem Wert des Analogsignals SAN, so gibt der Komparator 34 den Wert –1 oder alternativ den Wert 0 als digitalisiertes Summensignal DS ab.
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Der Sensor 40' umfasst das Hall-Element 41, den Modulator 42, die Hall-Versorgungsquelle 43 und einen weiteren Modulator 45. Der weitere Modulator 45 ist zwischen das Hall-Element 41 und den Signaleingang 11 geschaltet. Das Hall-Element 41 stellt eine Hall-Spannung VHall zwischen zwei Anschlüssen des Hall-Elements 41 bereit. Die Hall-Spannung teilt sich gemäß folgender Gleichung auf die Signalkomponenten VSignal und die Offsetkomponente VOffset auf: VHall = VSignal + VOffset
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Somit ist das Messsignal VH keine auf das Bezugspotential bezogene Spannung. Der weitere Modulator 45 weist zwei Eingänge und zwei Ausgänge auf. Die Schaltungsanordnung 10' umfasst einen weiteren Signaleingang 11'. Die Messspannung VH liegt zwischen dem Signaleingang 11 und dem weiteren Signaleingang 11' an. Der weitere Modulator 45 stellt somit in Abhängigkeit der zwischen zwei Anschlüssen des Hall-Elements 41 abgreifbaren Hall-Spannung VHall das Messsignal VH ausgangsseitig bereit. Der Signaleingang 11 ist mit dem Eingang 27 des Verstärkers 26 verbunden. Der weitere Signaleingang 11' ist hingegen mit einem weiteren Eingang 27' des Verstärkers 26 verbunden. Der Eingang 27 ist als nicht-invertierender Eingang und der weitere Eingang 27' als invertierender Eingang des Verstärkers 26 ausgebildet. Der Verstärker 26 gibt das verstärkte Messsignal SH als Spannung ab, die auf den Bezugspotentialanschluss 32 bezogen ist.
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Die Steuereinheit 16 stellt das Digitalsignal SD in Abhängigkeit des Taktsignals CL bereit. Das heißt, dass das Digitalsignal SD einen ersten Wert in der ersten Taktphase A und einen zweiten Wert in der zweiten Taktphase B des Taktsignals CL aufweist. Die Steuereinheit 16 generiert das Digitalsignal SD derart, dass das Analogsignal SAN dem zu erwartenden verstärkten Messsignal SH entspricht. Das Digitalsignal SD hat somit im ersten Betriebszustand AA den ersten Wert und im zweiten Betriebszustand BB den zweiten Wert. Die Steuereinheit 16 verwendet zur Bestimmung des Digitalsignals SD einen Aufwärts-/Abwärtszähler. Ein weiteres Taktsignal CL wird wie bei 1A dem Steuereingang des weiteren Modulators 45 zugeleitet. Mit dem Komparator 34 wird überprüft, inwieweit das Analogsignal SAN von dem verstärkten Messsignal SH abweicht. Entsprechend dem digitalisierten Summensignal DS erhöht oder verringert der Aufwärts-/Abwärtszähler das Digitalsignal SD. Die Anordnung, umfassend die Summierschaltung 12, den Komparator 34, die Steuereinheit 16 und den Digital/Analog-Wandler 20, bildet einen Regelkreis.
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Mit Vorteil ist ein einfacher Komparator 34 ausreichend, um das Summensignal VS zu bewerten. Verglichen mit der Schaltungsanordnung 10 gemäß 1A kann die Schaltungsanordnung 10' gemäß 1B mit noch geringerem Aufwand realisiert werden. In der Schaltungsanordnung 10' gemäß 1B ist ein zusätzlicher Analog/Digital-Wandler nicht erforderlich. Die Schaltungsanordnung 10' benötigt nur eine geringe Fläche auf einem Halbleiterkörper. Die Schaltungsanordnung 10' ist für niedrige Spannungen geeignet. Die Schaltungsanordnung 10' setzt den Digital/Analog-Wandler 20 in der Rückkopplungsschleife dazu ein, um vom verstärkten Messsignal SH ein synthetisiertes Signal, nämlich das Analogsignal SAN, abzuziehen. Das Analogsignal SAN ist ein synthetisiertes Rückkopplungssignal. Die Schaltungsanordnung 10' ist ausgelegt dazu, ein Gleichgewicht zwischen dem verstärkten Messsignal SH und dem Analogsignal SAN zu ermittelten. Im Gleichgewichtsfall ist das Analogsignal SAN eine genaue Wiedergabe des Messsignals SH. Der Komparator 34 kann in Verbindung mit dem Digital/Analog-Wandler 20 einen separaten Analog/Digital-Wandler ersetzen.
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In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist der Verstärker 26 als Transkonduktanzverstärker realisiert. Der Digital/Analog-Wandler 20 gibt ausgangsseitig das Analogsignal SAN als Stromsignal ab. Somit sind das Analogsignal SAN sowie das verstärkte Messsignal SH als Stromsignale realisiert. Die Summierschaltung 12 ist dazu ausgelegt, Stromwerte zu addieren. Am Ausgang 15 stellt die Summierschaltung 12 das Summensignal VS als Spannungssignal bereit, wie in 1A gezeigt.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist zwischen der Summierschaltung 12 und dem Komparator 34 ein Filter vorgesehen. Das Filter kann als Tiefpass realisiert sein.
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In alternativen Ausführungsformen verwendet die Steuereinheit 16 zur Bestimmung des Digitalsignals SD anstelle des Aufwärts-/Abwärtszählers einen Algorithmus zur sukzessiven Annäherung, englisch successive approximation algorithm, oder einen Sigma/Delta-Ansatz.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Komparator 34 als Fensterkomparator ausgebildet.
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1C zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Schaltungsanordnung 10'' umfasst den Signaleingang 11, die Summierschaltung 12, die Steuereinheit 16 und den Digital/Analog-Wandler 20. Der Komparator 34 koppelt den Ausgang 15 der Summierschaltung 12 mit dem Eingang 17 der Steuereinheit 16. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 10'' den Verstärker 26. Der Signaleingang 11 ist an den Eingang 27 des Verstärkers 26 angeschlossen. Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 10' eine Abtast- und Halteschaltung 48. Der Ausgang 28 des Verstärkers 26 ist an einen Eingang der Abtast- und Halteschaltung 48 angeschlossen. Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung 10'' eine Versorgungsquelle 49. Die Versorgungsquelle 49 ist zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss 50 und dem ersten Eingang 13 der Summierschaltung 12 geschaltet. Ein Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 48 ist mit einem Steuereingang der Versorgungsquelle 49 verbunden. Ein weiterer Ausgang 51 des Digital/Analog-Wandlers 20 ist mit einem weiteren Eingang der Abtast- und Halteschaltung 48 verbunden. Die Steuereinheit 16 ist an einem dritten Ausgang 52 mit einem Steuereingang der Hall-Versorgungsquelle 43 verbunden. Der Steuerausgang 44 der Steuereinheit 16 ist an einen Steueranschluss der Abtast- und Halteschaltung 48 angeschlossen.
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Die Steuereinheit 16 stellt an ihrem dritten Ausgang 52 ein Steuersignal SI bereit, das dem Steuereingang der Hall-Versorgungsquelle 43 zugeleitet wird. Die Hall-Versorgungsquelle 43 ist als Stromquelle ausgebildet. Somit kann mittels des Steuersignals SI ein Wert des durch die Hall-Versorgungsquelle 43 fließenden Stromes I eingestellt werden. Das vom Sensor 40 abgegebene Messsignal VH wird über den Signaleingang 11 dem Verstärker 26 zugeführt. Die Größe des Messsignals VH wird somit vom Steuersignal gesteuert. Der Verstärker 26 stellt ausgangsseitig das verstärkte Messsignal SH bereit. Die Abtast- und Halteschaltung 48 tastet das verstärkte Messsignal SH ab und stellt ein abgetastetes Signal ST am Ausgang bereit. In der ersten und in der zweiten Taktphase A, B wird jeweils mindestens eine Abtastung durchgeführt. Das abgetastete Signal ST wird dem Steuereingang der Versorgungsquelle 49 zugeführt. Die Versorgungsquelle 49 stellt ein erstes Signal SC bereit, das dem ersten Eingang 13 der Summierschaltung 12 zugeleitet wird. Die Versorgungsquelle 49 ist als Stromquelle realisiert. Das erste Signal SC ist als Stromsignal implementiert. Das Analogsignal SAN liegt ebenfalls als Stromsignal vor. Die Summierschaltung 12 ist dazu ausgelegt, vom ersten Signal SC am ersten Eingang 13 das Analogsignal SAN am zweiten Eingang 14 zu subtrahieren. Als Ergebnis der Addition stellt die Summierschaltung 12 das Summensignal VS bereit. Das Summensignal VS ist als Spannungssignal ausgebildet. Somit wird im Unterschied zu 1A und 1B nicht ein aktueller Wert des Messsignals der Summierschaltung 12 zugeführt, sondern ein während der jeweiligen Taktphase konstanter Wert.
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Am weiteren Ausgang 51 stellt der Digital/Analog-Wandler 20 ein weiteres Analogsignal SO bereit. Das weitere Analogsignal SO entspricht einem Offsetwert des verstärkten Messsignals SH. Das weitere Analogsignal SO wird zur Kompensation dem weiteren Eingang der Abtast- und Halteschaltung 48 und einem weiteren Eingang des Verstärkers 26 zugeleitet. Die Abtast- und Halteschaltung 48 ist dazu ausgelegt, vom verstärkten Messsignal SH den weiteren Analogwert SO zu subtrahieren. Das abgetastete Signal ST ergibt sich aus folgender Gleichung: ST = SH – SO, wobei SH der Wert des verstärkten Messsignals zum Zeitpunkt der Abtastung und SO der Wert des weiteren Analogsignals zum Zeitpunkt der Abtastung ist. Da das abgetastete Signal ST um den Wert des Offsets verringert ist, ist somit der Wertebereich für das von der Versorgungsquelle 49 bereitgestellte erste Signal SC verringert. Die Versorgungsquelle 49 kann somit für einen kleineren Spannungs- oder Strombereich spezifiziert werden und aufwandsarm realisiert werden.
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Die 2A bis 2D zeigen beispielhafte Signalverläufe einer Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Es werden Signalverläufe der in 1B gezeigten Schaltungsanordnung gezeigt. 2A zeigt eine Signalkomponente VSignal und eine Offsetkomponente VOffset der Hall-Spannung VHall, die unmittelbar an den beiden Anschlüssen des Hall-Elements 41 abgegriffen werden kann. Dabei sind die Verbindungen im Modulator 42 konstant. 2B zeigt das verstärkte Messsignal SH und das Analogsignal SAN. 2C zeigt das Summensignal VS, das von der Summierschaltung 12 bereitgestellt wird. 2D zeigt das digitalisierte Summensignal DS. Das digitalisierte Summensignal DS wird vom Komparator 34 abgegeben. Das digitale Summensignals DS nimmt einen Wert von +1 an, wenn das Summensignal VS größer 0 ist. Hingegen nimmt das digitalisierte Summensignal DS den Wert –1 an, wenn das Summensignal VS kleiner oder gleich 0 ist. In den 2A bis 2D sind acht Perioden gezeigt. Die Perioden umfassen jeweils eine erste Taktphase A und eine zweite Taktphase B. Im Beispiel gemäß den 2A bis 2D weisen sowohl die Signalkomponente VSignal der Hall-Spannung VHall wie auch die Offsetkomponente VOffset der Hall-Spannung VHall jeweils einen konstanten Wert auf, wie es in 2A gezeigt ist.
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Das verstärkte Messsignal SH kann in der ersten Taktphase A und in der zweiten Taktphase B gemäß den folgenden Gleichungen berechnet werden: Taktphase A: SH = a·VH = a·(VOffset + VSignal), Taktphase B: SH = a·VH = a·(VOffset – VSignal), wobei a der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 26 ist. Das verstärkte Messsignal SH wiederholt sich somit in den acht in 2B gezeigten Perioden. Das Analogsignal SAN nimmt zwischen einem ersten Zeitpunkt t1 und einem zweiten Zeitpunkt t2 den Wert null an. Das Summensignal VS entspricht somit im Zeitraum zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 dem verstärkten Messsignal SH. Das digitalisierte Summensignal DS nimmt somit zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 in der ersten Taktphase A den Wert –1 und in der zweiten Taktphase B den Wert +1 an. Entsprechend den Werten des digitalisierten Summensignals DS zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 wird das Analogsignal. SAN zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und einem dritten Zeitpunkt t3 in der ersten Taktphase A auf einen negativen Wert und in der zweiten Taktphase B auf einen positiven Wert gesetzt, wie in 2B gezeigt.
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Im Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und dem dritten Zeitpunkt t3, im Zeitraum zwischen dem dritten Zeitpunkt t3 und einem vierten Zeitpunkt t4 und im Zeitraum zwischen dem vierten Zeitpunkt t4 und einem fünften Zeitpunkt t5 ist das Summensignal VS jeweils in der ersten Taktphase A negativ und in der zweiten Taktphase B positiv, so dass das digitalisierte Summensignal DS in der ersten Taktphase A jeweils den Wert –1 und in der zweiten Taktphase B jeweils den Wert +1 annimmt. Das Analogsignal SAN nimmt daher in den ersten Taktphasen A betragsmäßig ansteigende negative Werte und in der zweiten Taktphase B ansteigende positive Werte an. Im Zeitraum zwischen dem fünften Zeitpunkt t5 und einem sechsten Zeitpunkt t6 wird erstmalig in der ersten Taktphase A das Summensignal VS positiv. Somit weist das digitalisierte Summensignal DS den Wert +1 auf. In den folgenden Zeiträumen nimmt das digitalisierte Summensignal DS abwechselnd den Wert +1 und den Wert –1 an, so dass das Analogsignal SAN um das verstärkte Messsignal SH herum pendelt. In einem Zeitraum zwischen einem siebten Zeitpunkt t7 und einem achten Zeitpunkt t8 wird in der zweiten Taktphase B das Analogsignal SAN erstmalig größer als das verstärkte Messsignal SH. Somit bewegt sich das Analogsignal SAN ab dem siebten Zeitpunkt t7 ebenfalls um das verstärkte Messsignal SH herum. Das analoge Signal SAN bildet das verstärkte Messsignal SH nach. Das Analogsignal SAN synthetisiert somit das verstärkte Messsignal SH. Die Steuereinheit 16 ist somit ausgebildet, die Signalkomponente VSignal der Hall-Spannung VHall von der Offsetkomponente VOffset der Hall-Spannung VHall zu trennen und daher ein aufbereitetes Messsignal AM bereitzustellen, das ausschließlich die Signalkomponente VSignal der Hall-Spannung VHall wiedergibt.
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Gemäß 2 erzeugt die Schaltungsanordnung 10' eine synthetisierte Wellenform, nämlich das Analogsignal SAN, welches dem Messsignal VH oder dem verstärkten Messsignal SH, folgt. Das Messsignal VH, das eine Signalkomponente und eine Offsetkomponente, welche das Offset der gesamten Kette repräsentiert, umfasst, wird dem Verstärker 26 zugeleitet, der das verstärkte Messsignal SH bereitstellt. In der Summierschaltung 12, die als Subtrahierer realisiert ist, wird vom verstärkten Messsignal SH das synthetisierte Signal nämlich die Analogspannung SAN abgezogen. Der Komparator 34 ermittelt, ob das Summensignal VS größer null oder kleiner null ist. Die Steuereinheit 16 ist als digitale Einheit ausgebildet. Die Steuereinheit 16 steuert den Digital/Analog-Wandler 20. Der Digital/Analog-Wandler 20 erzeugt die synthetisierte Wellenform, das Analogsignal SAN. Die in den 2A bis 2D gezeigten Signale treten auf, wenn die Steuereinheit 16 einen Aufwärts-/Abwärtszähler zur Ermittlung des Digitalsignal SD aufweist. Ein Vorteil der Schaltungsanordnung 10 ist die Kombination der Offsetkompensation mit der Analog/Digital-Wandlung in einem Schaltungsblock.
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Der Einsatz der Schaltungsanordnung 10, 10', 10'' und des Verfahrens ist für jedes Signal möglich, bei dem eine Offsetkomponente von einer Signalkomponente getrennt werden kann.
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In einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann das Analogsignal SAN feinere Abstufungen annehmen, so dass das verstärkte Messsignal SH genauer als in 2B gezeigt nachgebildet werden kann.
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3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Sensors nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Sensor 40''' umfasst das Hall-Element 41, den Modulator 42' und den weiteren Modulator 45. Der Modulator 42' weist einen dritten und einen vierten Umschalter 65, 66 auf. Der dritte Umschalter 65 ist an seinem Eingang mit dem Versorgungsspannungsanschluss 50 verbunden. An einem ersten Ausgang ist der dritte Umschalter 65 mit dem vierten Anschluss 61 des Hall-Elements 41 verbunden. Hingegen ist der dritte Umschalter 65 an seinem zweiten Ausgang mit dem dritten Anschluss 60 des Hall-Elements 41 gekoppelt. Der Eingang des vierten Umschalters 66 ist mit der Hall-Versorgungsquelle 43 verbunden. Die Hall-Versorgungsquelle 43 ist somit zwischen den Eingang des vierten Umschalters 66 und den Bezugspotentialanschluss 32 geschaltet. Ein erster Ausgang des vierten Umschalters 66 ist mit dem dritten Anschluss 60 und ein zweiter Ausgang des vierten Umschalters 66 ist mit dem vierten Anschluss 61 des Hall-Elements 41 verbunden. Der weitere Modulator 45 umfasst einen fünften und einen sechsten Umschalter 67, 68. Ein Eingang des fünften Umschalters 67 ist mit dem ersten Anschluss 58 und ein Eingang des sechsten Umschalters 58 ist mit dem zweiten Anschluss 59 des Hall-Elements 41 verbunden. Ein erster Ausgang des fünften Umschalters 67 ist mit dem Signaleingang 11 und ein zweiter Ausgang des fünften Umschalters 67 ist mit dem weiteren Signaleingang 11' verbunden. Ein erster Ausgang des sechsten Umschalters 68 ist mit dem weiteren Signaleingang 11 und ein zweiter Ausgang des sechsten Umschalters 68 ist mit dem Signaleingang 11 verbunden.
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Dem dritten und dem vierten Umschalter 65, 66 wird das Taktsignal CL zugeleitet. Hingegen wird den Steueranschlüssen des fünften und des sechsten Umschalters 67, 68 ein weiteres Taktsignal CL' zugeleitet. Entsprechend dem Taktsignal CL kann die Richtung des Stromflusses zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss 60, 61 gewechselt werden. Mit Hilfe des weiteren Modulators 45 kann die zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 58, 59 anliegende Hall-Spannung VHall entsprechend dem weiteren Taktsignal CL' direkt oder invertiert dem Signaleingang 11 und dem weiteren Signaleingang 11' zugeleitet werden. In einem Fall entspricht das Messsignal VH der Hall-Spannung VHall und im anderen Fall entspricht das Messsignal VH der invertierten Hall-Spannung, also –VHall. Die beiden Modulatoren 42, 45 bieten vier Möglichkeiten zur Einstellung. Bei einem konstanten Wert des Taktsignals CL und einem konstanten Wert des weiteren Taktsignal CL' steht ein konstantes Messsignal VH bereit. Mit dem Modulator 42 kann die Stromrichtung im Hall-Element 41 gedreht werden. Mit dem weiteren Modulator 45 kann die am Hall-Element 41 abgreifbare Hall-Spannung VHall direkt oder in invertierter Form ausgangsseitig bereitgestellt werden. Je nach Anwendung ist es somit möglich, das Messsignal VH mit zwei, drei oder vier Taktphasen oder als Signal ohne Taktphasen bereitzustellen.
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4A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Summierschaltung 12', wie sie beispielsweise in der Schaltungsanordnung 10 gemäß 1B eingesetzt werden kann. Die Summierschaltung 12' umfasst drei Widerstände 70, 71, 72 und einen Verstärker 73. Der erste Eingang 13 der Summierschaltung 12' ist über einen ersten Widerstand 70 mit einem ersten Eingang des Verstärkers 73 verbunden. Der zweite Eingang 14 der Summierschaltung 12' ist über einen zweiten Widerstand 71 mit dem ersten Eingang des Verstärkers 73 verbunden. Der erste Eingang des Verstärkers 73 ist über einen dritten Widerstand 72 mit einem Ausgang des Verstärkers 73 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 73 ist mit dem Ausgang 15 der Summierschaltung 12' gekoppelt. Die Kopplung kann ein Filter umfassen. Ein zweiter Eingang des Verstärkers 73 ist mit dem Bezugspotentialanschluss 32 verbunden. Der erste Eingang des Verstärkers 73 ist als invertierender Eingang und der zweite Eingang des Verstärkers 73 als nicht-invertierender Eingang ausgebildet.
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Der erste, der zweite und der dritte Widerstand 70, 71, 71 weisen einen ersten, zweiten beziehungsweise dritten Widerstandswert R1, R2, R3 auf. Das am Ausgang 15 abgreifbare Summensignal VS ergibt sich gemäß folgender Gleichung aus dem am ersten Eingang 13 anliegenden verstärkten Messsignal SH und dem am zweiten Eingang 14 anliegenden Analogsignal SAN: VS = R3 / R1·SAN – R3 / R2·SH
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In 4A ist somit ein Umkehraddierer gezeigt. Werden gleiche Widerstandswerte für die drei Widerstände 70 bis 72 gewählt, so vereinfacht sich die Gleichung folgendermaßen: VS = –SAN – SH
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4B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Summierschaltung 12'', wie sie beispielsweise in 1B eingesetzt werden kann. Die Summierschaltung 12'' weist einen Verstärker 75 sowie vier Widerstände 76 bis 79 auf. Ein erster Eingang des Verstärkers 75 ist über einen ersten Widerstand 76 mit dem zweiten Eingang 14 der Summierschaltung 12 verbunden. Der erste Eingang des Verstärkers 75 ist darüber hinaus über einen zweiten Widerstand 77 mit dem Ausgang des Verstärkers 75 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 75 ist mit dem Ausgang 15 der Summierschaltung 12'' gekoppelt. Die Kopplung kann ein Filter umfassen. Ein zweiter Eingang des Verstärkers 75 ist über einen dritten Widerstand 78 mit dem ersten Eingang 13 der Summierschaltung 12'' verbunden. Der zweite Eingang des Verstärkers 75 ist über einen vierten Widerstand 79 mit dem Bezugspotentialanschluss 32 verbunden. Die vier Widerstände 76 bis 79 weisen den gleichen Widerstandswert auf. Der erste Eingang des Verstärkers 75 ist als invertierender Eingang und der zweite Eingang des Verstärkers 75 als nicht-invertierender Eingang ausgebildet. Ein Wert der Summenspannung VS lässt sich daher gemäß folgender Gleichung berechnen: VS = SH – SAN, wobei SAN ein Wert des Analogsignals und SH ein Wert des verstärkten Messsignals sind. Die Summierschaltung 12'' ist somit als Subtrahieren ausgebildet. Die Summierschaltung 12'' dient somit zur Subtraktion zweier Spannungen, nämlich des verstärkten Messsignals SH und des Analogsignals SAN.
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Eine weitere Ausführungsform der Summierschaltung ist in 4C gezeigt. Die resistive Rückführung des Verstärkers 73 ist mit zwei dazu parallel geschalteten, antiparallelen Dioden ergänzt, denen ein Komparator 80 nachgeschaltet ist. Mit diesem Nullpunktsdetektor wird das Ausgangssignal bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Schaltungsanordnung
- 11
- Signaleingang
- 11'
- weiterer Signaleingang
- 12, 12', 12''
- Summierschaltung
- 13
- erster Eingang
- 13'
- weiterer erster Eingang
- 14
- zweiter Eingang
- 14
- weiterer zweiter Eingang
- 15
- Ausgang
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Eingang
- 18
- erster Ausgang
- 19
- zweiter Ausgang
- 20
- Digital/Analog-Wandler
- 21
- Eingang
- 22
- Ausgang
- 22'
- weiterer Ausgang
- 23
- Analog/Digital-Wandler
- 24
- Eingang
- 25
- Ausgang
- 26
- Verstärker
- 27
- Eingang
- 27'
- weiterer Eingang
- 28
- Ausgang
- 28'
- weiterer Ausgang
- 29
- Filter
- 30
- Widerstand
- 31
- Kondensator
- 32
- Bezugspotentialanschluss
- 33
- Knoten
- 34
- Komparator
- 35
- Eingang
- 36
- Ausgang
- 37
- Speicher
- 40, 40', 40'', 40'''
- Sensor
- 41
- Hall-Element
- 42
- Modulator
- 43
- Hall-Versorgungsquelle
- 44
- Steuerausgang
- 45
- weiterer Modulator
- 48
- Abtasthalteschaltung
- 49
- Versorgungsquelle
- 50
- Versorgungsspannungsanschluss
- 51
- weiterer Ausgang
- 52
- dritter Ausgang
- 58
- erster Anschluss
- 59
- zweiter Anschluss
- 60
- dritter Anschluss
- 61
- vierter Anschluss
- 63
- erster Umschalter
- 64
- zweiter Umschalter
- 65
- dritter Umschalter
- 66
- vierter Umschalter
- 67
- fünfter Umschalter
- 68
- sechster Umschalter
- 70
- erster Widerstand
- 71
- zweiter Widerstand
- 72
- dritter Widerstand
- 73
- Verstärker
- 75
- Verstärker
- 76
- erster Widerstand
- 77
- zweiter Widerstand
- 78
- dritter Widerstand
- 79
- vierter Widerstand
- 80
- Komparator
- A
- erste Taktphase
- AA
- erster Betriebszustand
- B
- zweite Taktphase
- BB
- zweiter Betriebszustand
- AM
- aufbereitetes Messsignal
- CL
- Taktsignal
- CL'
- weiteres Taktsignal
- DS
- digitalisiertes Summensignal
- I
- Strom
- SAN
- Analogsignal
- SC
- erstes Signal
- SD
- Digitalsignal
- SH
- verstärktes Messsignal
- SI
- Steuersignal
- SO
- weiteres Analogsignal
- ST
- abgetastetes Signal
- VDD
- Versorgungsspannung
- VH
- Messsignal
- VHall
- Hall-Spannung
- VOffset
- Offsetkomponente
- VS
- Summensignal
- VSignal
- Signalkomponente
