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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreises nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zum Antrieb von mikromechanischen Drehratensensoren ist es beispielsweise aus Druckschrift
DE 10 2005 034 698 A1 bekannt, dass zwei dem Antrieb dienende Kondensatorgruppen mit jeweils einer Anregungsspannung beaufschlagt werden, wobei die Anregungsspannungen je einen Gleichanteil, der durch eine kosinusförmige Wechselspannung mit unterschiedlichem Vorzeichen überlagert wird aufweist. Weiterhin ist aus Druckschrift
DE 10 2005 000 745 A1 ein Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreises bekannt, wobei in einem ordentlichen Betriebszustand ein mechanischer Schwinger eine Schwingung mit einer Eigenfrequenz ausführt, die Schwingung mit Mitteln zur Messung der Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers zeitaufgelöst gemessen wird, mit einem analog zu digital wandelnden Mittel die Schwingungsamplitude digitalisiert wird, mit einem digitalen Amplitudenregler aus der digitalisierten Schwingungsamplitude ein digitales Regelsignal zur Regelung der Schwingungsamplitude erzeugt wird, aus dem digitalen Regelsignal ein Antriebssignal erzeugt wird, das Antriebssignal Mitteln zum Antrieb zugeführt wird, die den mechanischen Schwinger antreiben. Mikromechanische Drehratensensoren werden außerdem mit einem Rechtecksignal angetrieben. Dabei wird ausgenützt, dass durch das Aufprägen einer elektrostatischen Kraft mit einer Frequenz, identisch zur Resonanzfrequenz des Primärschwingers (Antriebsschwinger), dieser eine möglichst große Auslenkung aufweist. Die Kontrolle der Auslenkungsamplitude erfolgt durch Regelung der Antriebsspannung selbst. Dieses Verfahren besitzt aber den Nachteil, dass durch Fehler in den Analog-Digital-Wandlern (ADC) oder auch in der Schnittstelle zum Sensor die Kraft auf den Primärschwinger nicht linear aufgeprägt wird und dadurch Harmonische der Grundfrequenz erzeugt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Schwingkreis gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass vergleichsweise wenig Rauschen in den Antriebsregelkreis eingebracht wird. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise gute Kontrolle der Schwingungsamplitude des Antriebsschwingers möglich. Durch die vollständig digitale Realisierung ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft robust gegenüber äußeren Einflüssen und es ist eine verbesserte Skalierung möglich. Weiterhin ist vorteilhaft eine Reduktion der Abtastfrequenz möglich, wodurch die Verlustleistung im Antriebsregelkreis verringerbar ist.
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Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Schwingkreises vorgeschlagen, wobei ein Schwingungselement zu einer Schwingung angetrieben wird, wobei eine Schwingungsamplitude der Schwingung detektiert wird, wobei in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude ein digitales Regelungssignal erzeugt wird, wobei aus dem digitalen Regelungssignal ein analoges Antriebssignal erzeugt wird, wobei das Schwingungselement in Abhängigkeit des Antriebssignals angetrieben wird, wobei das Antriebssignal moduliert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Pulsweitenmodulation auf das Antriebssignal angewendet wird. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise gute Kontrolle der Schwingungsamplitude des Antriebsschwingers möglich.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebssignal eine erste und eine zweite Flanke aufweist, wobei die erste und/oder zweite Flanke mittels eines Delta-Sigma-Modulators moduliert wird. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise gute Kontrolle der Schwingungsamplitude des Antriebsschwingers möglich.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Delta-Sigma-Modulator eine Tiefpasscharakteristik aufweist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass das Rauschen zu höheren Frequenzen geformt wird und somit eine Sollamplitude vergleichsweise genau eingestellt werden kann.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Schwingkreis mit einem Schwingungselement, mit einem Detektionsmittel zur Detektion einer Schwingungsamplitude des Schwingungselements, mit einem Regelmittel zur Erzeugung eines digitalen Regelungssignals in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude, mit einem Wandlungsmittel zur Erzeugung eines analogen Antriebssignals aus dem digitalen Regelungssignal, mit einem Antriebsmittel zum Antrieb des Schwingungselements in Abhängigkeit des Antriebssignals, wobei der Schwingkreis ein Modulationsmittel zur Modulation des Antriebssignals aufweist. Dadurch ist vorteilhaft eine vergleichsweise gute Kontrolle der Schwingungsamplitude des Antriebsschwingers möglich. Durch die vollständig digitale Realisierung ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft robust gegenüber äußeren Einflüssen und es ist eine verbesserte Skalierung möglich. Weiterhin ist vorteilhaft eine Reduktion der Abtastfrequenz möglich, wodurch die Verlustleistung im Antriebsregelkreis verringerbar ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Modulationsmittel einen Pulsweitenmodulator aufweist, wobei der Pulsweitenmodulator zur Pulsweitenmodulation des Antriebssignals konfiguriert ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Modulationsmittel einen Delta-Sigma Modulator aufweist, wobei der Delta-Sigma Modulator zur Modulation einer Flanke des Antriebssignals konfiguriert ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Modulationsmittel einen Tiefpass aufweist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Schwingungselement ein mikromechanischer Schwinger ist, wobei das Schwingungselement bevorzugt ein mikromechanischer Schwinger in einem Drehratensensor ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 schematisch einen erfindungsgemäßen Schwingkreis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform und
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2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Datenstroms.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schwingkreis. Es ist ein Blockschaltbild des Antriebskreises eines Drehratensensors als Beispiel für eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schwingkreises zu sehen. Dargestellt ist ein Schwinger 100 mit einem mechanischen Sensorelement 101 (im Folgenden auch Schwingungselement genannt), welches ein analoges Schwingungselement, d. h. ein Element mit wertkontinuierlich veränderlicher Schwingungsamplitude, darstellt und ein elektrischer Antriebspfad. Zwei Elektroden bilden mit dem Sensorelement 101 als Gegenelektrode zwei Antriebskapazitäten 102 und 104, welche dazu verwendet werden, die bewegliche mechanische Struktur durch elektrostatische Kräfte in Schwingung zu versetzen. Zwei andere Elektroden bilden mit dem Sensorelement 101 die Detektionskapazitäten 103 und 105, die sich gegenphasig bei einer Bewegung des Sensorelements 101 ändern. Die beiden Detektionskapazitäten 103 und 105 werden genutzt, um diese Bewegung zu detektieren. Zu diesem Zweck wird die Änderung der Kapazitäten an 103 und 105 durch einen analogen Kapazitäts-Spannungs-Umsetzer C/U 106 in ein analoges Spannungssignal 110 gewandelt. Dieses analoge Spannungssignal 110 wird von einem nachfolgenden Analog-Digital-Umsetzer A/D 107 direkt ins Digitale, nämlich in ein digitales Spannungssignal 200 gewandelt. Durch einen nachgeschalteten digitalen Regler AGC (engl.: automatic gain control) 108 wird daraus ein digitales Regelsignal 210 erzeugt, mittels dessen die Amplitude der mechanischen Schwingung auf einen Sollwert geregelt wird. Dazu wird das digitale Regelsignal 210 in diesem Beispiel einem Digital-Analog-Umsetzer D/A 109 zugeführt, welcher dieses Signal in die Antriebsspannung 120 umwandelt. Diese analoge Antriebsspannung 120 wird an die Antriebskapazitäten A1 bzw. A2 an dem Sensorelement 101 angelegt, um die Schwingung der beweglichen Masse aufrecht zu erhalten. Entweder wird die Antriebsspannung 120 an die Kapazität 102 oder an die Kapazität 104 angelegt, wodurch elektrostatische Kräfte auf die bewegliche Sensormasse erzeugt werden, deren Vorzeichen durch die Auswahl der Antriebskapazität definiert ist. Die Phasenbeziehung zwischen der an den Kapazitäten 103 und 105 detektierten Schwingung und den Rückkoppelkräften über die Kapazitäten 102 und 104 muss definiert gesteuert werden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist der Einsatz eines Phasenregelkreises PLL (engl.: Phase locked loop) 111. Das digitale Spannungssignal 200 wird dem PLL 111 zugeleitet. Der PLL 111 synchronisiert auf diese Schwingung und erzeugt am Ausgang ein Phasensignal 140, welches dem Schaltelement 130 zugeleitet wird. Das Schaltelement 130 wird daraufhin derart geschaltet, dass die Antriebsspannung 120 an die jeweils geeignete Antriebselektrode 102 oder 104 angelegt wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Datenstroms. Auf der vertikalen Achse ist die Amplitude der Antriebsspannung aufgetragen, auf der horizontalen Achse ist die Zeit aufgetragen. 206 und 201 bezeichnen einen Spannungsimpuls. 202, 203, 204, 205 bezeichnen Flanken der Spannungsimpulse.
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Die Auslenkung des Primärschwingers wird durch einen CV Konverter in eine Spannung gewandelt und durch einen ADC digitalisiert. Diese Werte werden dann verwendet, um einerseits durch die PLL den Primärschwinger in Resonanz anzutreiben und andererseits durch die AGC die Auslenkung zu regeln. Die benötigte elektrostatische Kraft wird dann durch eine Polarisationsspannung (VDC) überlagert mit der Pulsweitenmodulation (PWM) modulierten Spannung (VAC) erzeugt. Dies funktioniert exakt für Werte aus der AGC, welche durch die Diskretisierung darstellbar sind. Durch die Ansteuerung der Flanken mithilfe eines Delta-Sigma Wandlers kann dessen Rauschformung verwendet werden, um das Rauschen der Quantisierung zu höheren Frequenzen und damit vom Träger zu entfernen. Durch die filternde Eigenschaft der Amplitude des Primärschwingers, welche typischerweise eine Eckfrequenz von wenigen Herz aufweist, wird dann das Quantisierungsrauschen gefiltert und damit das Rauschen im Antriebsregelkreis nicht erhöht. Optional oder Alternativ ist es bevorzugt möglich, dass Zwischenwerte durch einfache Mittelung dargestellt werden können. Die einfache Mittelung kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass, falls zum Beispiel der Wert 1/3 vom nächsten exakt darstellbaren Wert entfernt ist, die Flanken exakt in dem Verhältnis angesteuert werden.
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Der Ablauf der Ansteuerung ist wie folgt:
- • Abbildung des Stellwertes der Amplitude auf das grobe PWM Raster zum Beispiel Stellwert = 6.3 und grobes PWM Raster sind 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, und 8 >> Wahl der Flanke 6
- • Der Rest zwischen zwei groben PWM Rastern wird durch einen Delta-Sigma Wandler in eine Pulsfolge gewandelt, z. B. Rest = 0.3 >> Delta-Sigma Datenstrom der die 0.3 repräsentiert.
- • Selektierung des PWM Rasters für jede neue Schwingung anhand der Delta-Sigma Pulsfolge, z. B. Delta-Sigma Datenstrom (1, 0, 0, 1, 0) >> Flanken im PWM Raster (7, 6, 6, 7, 6)
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Aus Gründen einer symmetrischen Ansteuerung des Sensorelementes wird dieses Muster bevorzugt auch für die steigende Flanke verwendet (1, 0, 0, 1, 0) >> Flanken im PWM Raster (2, 3, 3, 2, 3). Das daraus resultierende Ansteuersignal ist in 1 dargestellt.
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Alternativ oder optional ist die Verwendung eines Multi-Bit Delta-Sigma Wandlers und Auswahl mehrerer Taktflanken (nicht nur auf Basis zweier Taktflanken) bevorzugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005034698 A1 [0002]
- DE 102005000745 A1 [0002]
