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Diese
Erfindung betrifft allgemein Trägheitsratensensoren
und insbesondere einen Trägheitsratensensor
sowie ein Verfahren mit verbesserter Taktung.
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Trägheitsratensensoren
werden in einer breiten Vielfalt von Anwendungen verwendet, welche Flugzeugnavigation,
die Lenkung von Flugkörpern und
Raumfahrzeugen sowie Kraftfahrzeug-Stabilitätssteuer-/-regelsysteme umfassen.
In vielen dieser Anwendungen ist Sicherheit entscheidend und es müssen Maßnahmen
zum Schutz gegen Fehler des Sensors getroffen werden.
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Allgemein
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten
Trägheitsratensensor und
ein Verfahren bereitzustellen, wie er/es in den Ansprüchen 1 bzw.
10 definiert ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Trägheitsratensensor und ein Verfahren
mit verbesserter Taktung bereitzustellen.
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Diese
und andere Aufgaben werden gemäß der Erfindung
gelöst
durch Bereitstellen eines Trägheitsratensensors
sowie Verfahrens, in welchen ein Ansteuerungssignal an ein Schwingungsratenmesselement
angelegt ist, eine Aufnahmeschaltung an das Ratenmesselement gekoppelt
ist, um ein Ausgangssignal entsprechend einer Bewegung des Ratenmesselements
bereitzustellen, eine Digitallogik den Ratensensor kalibriert und
das Auftreten von Störungen
im Ratensensor erfasst, das Ratenmesselement als Frequenzreferenz
zum Bereitstellen eines Systemtaktsignals für die Digitallogik verwendet wird,
eine feste Phasenbeziehung zwischen Schwingung des Ratenmesselements
und dem Systemtaktsignal aufrechterhalten wird, das Systemtaktsignal gefiltert
wird, um Antworten auf unechte Übergänge während einer
Periode, die dem Anlegen des Betriebsstroms an den Sensor folgt,
zu eliminieren, und die Digitallogik in Synchronisation mit dem
Systemtaktsignal zurückgesetzt
wird.
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Die
EP 0773430 beschreibt einen
Winkelgeschwindigkeitssensor, welcher ein Schwingungsratenmesselement,
eine Ansteuerungsschaltung, eine Aufnahmeschaltung und eine Digitallogik
zum Erfassen des Auftretens von Störungen in dem Ratensensor umfasst.
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Die
US 5,287,745 beschreibt
eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung, welche ein Schwingungsratenmesselement,
eine Ansteuerungsschaltung und eine Aufnahmeschaltung umfasst.
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Die
JP 10047970 beschreibt
einen Winkelgeschwindigkeitsdetektor, welcher ein Schwingungsratenmesselement,
eine Ansteuerungsschaltung und eine Aufnahmeschaltung umfasst.
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1 ist
eine Blockdarstellung einer Ausführungsform
eines Trägheitsratensensors,
in welchem die Erfindung realisiert ist.
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2 ist
eine Blockdarstellung des Ansteuerungsoszillators in der Ausführungsform
der 1.
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3 ist
eine Blockdarstellung des Taktfilters in der Ausführungsform
der 1.
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4 ist
ein Zeitdiagramm, welches die Wellenformen an unterschiedlichen
Punkten im Taktfilter von 3 illustriert.
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5 ist
eine Blockdarstellung der Rücksetzschaltung
in der Ausführungsform
der 1.
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6 ist
ein Zeitdiagramm, welches die Wellenformen an unterschiedlichen
Punkten in der Rücksetzschaltung
der 5 illustriert.
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Wie
in 1 illustriert ist, enthält der Ratensensor ein Quarzmesselement 11 in
der Form einer Doppelstimmgabel. Diese Stimmgabel ist aus einem Einkristall-Quarzmaterial hergestellt
und weist eine H-förmige
Gestalt mit Ansteuerungszinken 12 an einem Ende und Aufnahmezinken 13 an
dem anderen Ende auf. Jedes Paar von Zinken ist symmetrisch um die
Längsachse 14 der
Stimmgabel herum angeordnet.
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Die
Ansteuerungszinken werden so angesteuert, dass sie bei der Eigenfrequenz
der Stimmgabel und in der Ebene der Stimmgabel schwingen. Wenn die
Stimmgabel einer Rotation um ihre Längsachse ausgesetzt wird, so
bewirkt die Corioliskraft, dass die Zinken aus der Ebene der Gabel
abgelenkt werden, wodurch der Aufnahmemodus der Schwingung angeregt
wird. Die Ansteuerungs- und Aufnahmesignale sind in herkömmlicher
Weise durch Verwendung von Elektroden (nicht gezeigt) an die Zinken
angekoppelt, wobei die Ansteuerungssignale eine piezoelektrische
Vibration der Zinken stimulieren und die Aufnahmesignale in Form
elektrischer Ladung vorliegen, welche piezoelektrisch in Antwort auf
die durch die Corioliskraft hervorgerufene Verformung erzeugt wird.
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Wenngleich
das Messelement als Doppelstimmgabel illustriert ist, kann wahlweise
auch ein anderer Typ eines Schwingungsmesselements, einschließlich einer
Einfachstimmgabel, verwendet werden.
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Das
Aufnahmesignal läuft
durch einen Ladungsverstärker 16 zu
einem Vorverstärker 17 und dann
zu einem Demodulator 18. Die Signale von dem Demodulator
gelangen durch einen Tiefpassfilter 19 zu einem Kompensations- Summierer 21 und
dann zu einem Ausgangsverstärker 22,
wobei das Ratenausgangssignal am Ausgang des Ausgangsverstärkers auftritt.
Mit Spannungseingaben von +5 Volt und 0 Volt ist die Ratenausgabe
auf +2,5 Volt für
eine Nulleingabe vorgespannt und bewegt sich für positive Rateneingaben zu
einer positiveren Spannung und für
eine negative Rateneingabe in Richtung Null. Der +2,5-Volt-Pegel
wird oft als virtuelle Erde bezeichnet.
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An
den Summierer werden Kompensationssignale angelegt, um das Ausgangssignal
bezüglich Faktoren,
wie etwa der Temperatur, einzustellen und um das System Verhältnis-metrisch
zu gestalten, so dass der Verstärkungsfaktor
der Einheit sich direkt proportional mit der angelegten Energie/Leistung verändert, wie
es im US-Patent 5,942,686 beschrieben ist.
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Das
System enthält
eine Digitallogik 23, welche in Zusammenarbeit mit einem
externen EEPROM 24 betrieben wird, wodurch die Einheit
ohne die Notwendigkeit von handgelöteten Bauteilen elektronisch
kalibriert werden kann. Die Digitallogik stellt außerdem eine
eingebaute Testfunktion bereit, um das Auftreten von Störungen in
der Einheit zu erfassen. Signale von der Digitallogik werden über den
Digital-Analog-Wandler 26 an den Kompensations-Summierer 21 und
an den Ausgangsverstärker 22 angelegt.
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Das
Schwingungsmesselement oder die Stimmgabel 11 wird als
Taktreferenz für
die Digitallogik verwendet, wobei von der Ansteuerungsschaltung
oder dem Oszillator 28 abgeleitete Taktsignale durch einen
Taktfilter 29 an die Digitallogik angelegt werden. Dies
reduziert die Größe und die
Kosten des Ratensensors, indem die Notwendigkeit für einen
externen Taktgeber beseitigt wird und dadurch die Gesamtzahl an
Teilen und die Fläche
der Schaltplatine reduziert werden. Es wird dadurch außerdem die
Aufgabe der Störungserfassung
vereinfacht, da durch die Überwachung
der Integrität
der Stimmgabel automatisch eine Überwachung
der Integrität
des Taktsignals stattfindet. Zudem ist das Taktsignal synchron mit
dem Ausgangssignal und es können
keine Alias-Signale oder Schwebungstöne bei Summen- und Differenzfrequenzen
auftreten.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird die Grundfrequenz der Stimmgabel als Taktreferenz für die Digitallogik
verwendet. Alternativ kann ein Phasenregelkreis verwendet werden,
um ein Vielfaches der Gabelansteuerungsfrequenz für eine schnellere Signalverarbeitung
zu erzeugen. In jedem der Fälle ist
das Frequenzbestimmungselement die gleiche Stimmgabel, welche als
Messelement dient.
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Wie
in 2 illustriert ist, umfasst die Ansteuerungsschaltung
oder der Oszillator 28 einen Kreis, welcher manchmal als
AGC-(automatic gain control = automatische Verstärkungssteuerung/-regelung)-Regelkreis
bezeichnet wird. Wenn die Ansteuerungszinken schwingen, wird ein
Strom über die
Ansteuerungselektroden erzeugt. Dieser Strom durchläuft einen
Strom-Spannungs-Verstärker 31, um
eine Spannung zu erzeugen, welche an den Eingang eines Demodulators 32 angelegt
wird. Ein mit dem Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers verbundener
Spannungskomparator 33 erzeugt eine Rechteckwelle bei der
Ansteuerungsfrequenz. Diese Rechteckwelle wird an den Steuer-/Regeleingang des
Demodulators angelegt und wenn der Demodulator bei der Ansteuerungsfrequenz
betrieben wird, so enthält
dessen Ausgabe einen Wert bei Gleichspannung.
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Der
Gleichspannungswert von dem Demodulator wird an eine Summierschaltung 34 angelegt, wo
er mit einer festen Skalierungsfaktor-Referenzspannung 36 und mit
einer programmierbaren Skalierungsfaktor-Referenzspannung 37 kombiniert
wird. Der Ausgang der Summierschaltung ist mit dem Eingang eines
Integrators 38 verbunden.
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Die
Ausgabe des Integrators wird sich entweder in Richtung einer positiveren
Spannung oder in Richtung einer negativeren Spannung bewegen, wenn
dessen Eingabe ungleich Null ist. Das bedeutet, dass in einem stationären Zustand
die Eingabe des Integrators im Mittel gleich Null sein muss. Die Ausgabe
des Demodulators muss sich somit mit der Summe der beiden Skalierungsfaktor-Referenzspannungen
exakt aufheben. Da die Ausgangsspannung des Demodulators die Amplitude
der Schwingung des Ansteuerungsmodus der Stimmgabel repräsentiert,
stellen die beiden Skalierungsfaktor-Referenzspannungen die Größe der Ansteuerungsmodusschwingung
ein.
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Die
Fähigkeit
der Stimmgabel zur Ratenmessung hängt von der Corioliskraft ab,
welche die Eingangsdrehung um die Symmetrieachse der Ansteuerungszinken
an einen Torsionsmodus aus der Ebene heraus koppelt. Die Corioliskraft
ist proportional zum Produkt aus der Rotationsrate und der Geschwindigkeit
der Zinken und diese Geschwindigkeit ist proportional zur Amplitude
der Zinkenschwingung. Wenn die Zinken somit zu einer Schwingung
mit größerer Verschiebungs-
und Geschwindigkeitsamplitude angeregt werden, so wird die Reaktion
auf die Rotation über
die Corioliskraft proportional größer sein. Somit vergrößert sich
der Skalierungsfaktor oder die Reaktion pro Einheit der Rotation
der Stimmgabel proportional mit der Ansteuerungsamplitude.
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Bei
der Bestimmung der Amplitude der Schwingung des Ansteuerungsmodus
der Stimmgabel bestimmen Skalierungsfaktor-Referenzspannungen 36, 37 außerdem den
Skalierungsfaktor der Vorrichtung. Die feste Spannung wird zur Einstellung
des nominalen Skalierungsfaktors verwendet und die programmierbare
Spannung wird zur Feineinstellung verwendet. Dies erlaubt es, den
Skalierungsfaktor einer jeden Einheit bezüglich kleiner Variationen der einzelnen
Charakteristiken der Stimmgabeln zu korrigieren, so dass jeder hergestellte
Ratensensor den korrekten Skalierungsfaktor ausgeben kann.
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Die
programmierbaren Daten zum Einstellen der programmierbaren Skalierungsfaktor-Referenzspannung
werden aus einem digitalen Koeffizienten abgeleitet, welcher in
dem EEPROM 24 gespeichert ist und auf welchen durch die
Digitallogik 23 zugegriffen wird. Die Daten werden in eine
analoge Spannung umgewandelt, welche an den Eingang für programmierbare Vorspannung
der Summierschaltung 34 angelegt wird. In einer momentan
bevorzugten Ausführungsform
bewegt sich der Bereich der Einstellung der programmierbaren Komponente
der Skalierungsfaktor-Referenz in der Größenordnung von ± 35% der
festen Komponente.
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Der
Spannungspegel am Ausgang des Integrators wird durch einen Fensterkomparator 39 überwacht,
welcher unakzeptierbare Zustände
oder Störungen
im Ansteuerungskreis erfasst. Der Fensterkomparator umfasst ein
Paar von Komparatoren 41, 42 und ein invertierendes
ODER-Gatter 43, wobei die Ausgänge der Komparatoren mit den
Eingängen
des invertierenden ODER-Gatters
verbunden sind. Die oberen und unteren Spannungsgrenzen werden durch
die Referenzspannungen +REF und –REF eingestellt, welche die
Schaltpunkte der Schaltung definieren. Die anderen beiden Komparatoreingänge sind
miteinander verbunden, um das Signal von dem Integrator zu empfangen.
Der Ausgang des invertierenden ODER-Gatters wird durch einen Tiefpassfilter 44 geführt und
durch die eingebaute Testlogik überwacht.
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Solange
die Ausgabe des Integrators innerhalb der durch die Referenzspannungen
gesetzten Grenzen liegt, wird die Ausgabe des Fensterkomparators
durch die eingebaute Testlogik 46 als akzeptierbar bestimmt.
Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt die Ausgabe des Integrators aus diesen
Grenzen herausfallen sollte, so wird die Testlogik eine Störung erfassen
und eine Ausgangsstufe 22 triggern, um schnell auf die
Versorgungsschiene positiver Spannung umzuschalten, was als Störungszustand
interpretiert wird.
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Die
Typen von Störungen,
welche innerhalb des Oszillatorkreises detektiert werden können, umfassen
eine defekte oder gebrochene Stimmgabel, eine offene elektrische
Leiterbahn, welche zu der Gabel hin oder von dieser weg führt, eine Änderung
im Gütefaktor
der Gabel, hervorgerufen durch ein Leck im Verfüllgas der Packung, in welcher
die Stimmgabel eingeschlossen ist, sowie ein kurzgeschlossenes oder
offenes Rückkopplungsbauteil über dem
Integrator.
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Um
zu ermöglichen,
dass Störungen
des Integrators durch die eingebaute Testlogik erfasst werden, wird
die Ausgabe des Integrators in einer Summierschaltung 49 mit
einer Vorspannung 48 kombiniert, um eine Stationärzustandsausgabe
des Integrators von der virtuellen Erde, d.h. dem Mittelpunkt zwischen
den positiven und den negativen Versorgungsspannungen, weg zu einem
Soll-Wert hin zu bewegen. Dies ist notwendig, da in einem Falle,
dass der Rückkopplungsweg über dem
Integrator kurzgeschlossen wird, die Ausgabe des Integrators bei
virtueller Erde, d.h. bei +2,5 Volt in einem System mit Versorgungsspannungen
von +5 Volt und 0 Volt, bleiben wird. um diese Störung zu
erfassen, muss der akzeptable Bereich von Integratorausgangsspannungen
mittels Vorspannung von Virtuellerde weg und typischerweise auf
einen Bereich von ungefähr
2,6 Volt bis 4,0 Volt für
normale Betriebsbedingungen bewegt werden.
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Wenn
der Rückkopplungsweg über den
Integrator geöffnet
wird, so wird der Integratorverstärker alle Komponenten doppelter
Frequenz, die durch den Demodulator erzeugt werden, durchlassen.
Wenn dieses Signal doppelter Frequenz durch den Fensterkomparator
hindurchgeführt
wird, so wird es in einem Strom digitaler „Einsen" und „Nullen" resultieren, entsprechend den Durchläufen der
Verstärkerausgabe durch
die Schaltgrenzen. Das Tiefpassfilter 44 reduziert diesen
Impulsstrom auf eine DC-Spannung, welche durch die eingebaute Testlogik
als Störung
erfasst wird.
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Die
Ausgabe der Summierschaltung 49 wird durch einen Verstärker 51 verstärkt und
an einen Amplitudenmodulator 52 angelegt, um die Ausgangsspannung
von dem Spannungskomparator 33 zu modulieren. Die Ausgabe
des Spannungskomparators ist eine Rail-to-Rail-Rechteckwelle (Rechteckwelle zwischen
vollen Versorgungsspannungen) und der Modulator stellt die Spitze-Spitze-Amplitude
dieser Rechteckwelle ein, um eine variable Ansteuerungsspannung
für die
Ansteuerungszinken der Stimmgabel bereitzustellen.
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Die
Rechteckwelle von dem Modulator wird an die Ansteuerungszinken über einen
Multiplexer 53 angelegt, welcher durch ein Signal von der
Logikschaltung gesteuert/geregelt wird. Sie wird außerdem an
den Eingang eines Bandpassfilters 54 mit einer Verstärkung von
1,0 bei dessen Mittelfrequenz, welche ungefähr gleich der Eigenfrequenz
des Ansteuerungsmodus der Stimmgabel ist, angelegt. Dieses Filter
schwächt
den harmonischen Gehalt der Rechteckwelle signifikant ab und erzeugt
ein anderes Ansteuerungssignal, welches nahezu eine reine Sinuswelle
ist. Dieses Signal wird an einen zweiten Eingang des Muliplexers
angelegt.
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Die
Spitze-Spitze-Spannung des Rechteckwellen-Ansteuerungssignals steigt
schneller an und führt
zu einem schnelleren Einschalten als die Sinuswelle und wird an
die Ansteuerungszinken während der
Anfangsphase des Einschaltens angelegt, um die Einschaltzeit zu
minimieren. Sobald die Amplitude der Schwingungen der Stimmgabel
einen solchen Wert erreichen, dass die Ausgabe des Integrators 38 die
untere Steuer-/Regelgrenze des Fensterkomparators 39 überschreitet,
erzeugt die eingebaute Testlogik ein Anweisungssignal an den Multiplexer,
um dessen Ausgabe von Rechteckwelle auf Sinuswelle umzuschalten.
Die von Harmonischen relativ freie Sinuswelle wird dann dazu verwendet,
die Stimmgabel für
den Rest ihres Betriebs bis zur nächsten Einschaltsequenz anzusteuern.
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Dies
bietet die Vorteile beider Typen von Ansteuerungssignalen ohne die
Nachteile dieser beiden. Die Rechteckwelle bietet einen schnelleren Start
der Gabelschwingung und Stabilisierung bei dem Amplituden-Steuer-/Regelpegel.
Sie weist jedoch auch einen höheren
harmonischen Gehalt auf, der in einigen Fällen an Moden höherer Ordnung
der Stimmgabelstruktur koppeln und unerwünschte Spannungsverschiebungen
in der Sensorausgabe verursachen kann. Die Sinuswelle ist relativ
frei von solchen Harmonischen, steigt jedoch langsamer an und erzeugt
ein langsameres Einschalten als die Rechteckwelle und ist daher
weniger günstig
für den Startbetrieb.
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Wichtig
ist, dass Taktreferenz in solcher Weise erzeugt wird, dass sie eine
feste Phasenbeziehung in Bezug auf die Phase der Stimmgabelbewegung
aufweist. Würde
sich diese Phasenbeziehung von einem Einschalten zum nächsten verändern, so würde die
Logik noch immer korrekt funktionieren, die Differenz in der Phase
würde jedoch
aufgrund begrenzter Einkopplung des Taktsignals in den Ausgangssignalweg
wahrscheinlich zu Differenzen in der Spannungsverschiebung des Sensors
führen.
Eine feste Taktphasenbeziehung stellt sicher, dass dann, wenn diese
Kopplung auftritt, sie einen festen Wert von Einschalten zu Einschalten
aufweist.
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Die
feste Phasenbeziehung wird durch den Taktfilter 29 bereitgestellt, über welchen
die Taktsignale an die Logikschaltung angelegt werden. Wie in 3 illustriert
ist, umfasst der Taktfilter ein Paar D-Flip-Flops 56, 57,
welche zum Löschen
ihrer Ausgänge
gleichzeitig zurückgesetzt
werden und welche jeweils mit QA und QB bezeichnet sind. Diese Flip-Flops
triggern an positiv verlaufenden Taktflanken und das Eingangstaktsignal
wird von der Ausgabe des Spannungskomparators 33 abgeleitet,
wobei das nicht invertierte Takteingangssignal an den Flip-Flop 56 angelegt
wird und das invertierte Takteingangssignal über einen Umrichter 58 an
das Flip-Flop 57 angelegt wird.
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Ein
Rückkopplungskreis,
welcher einen Integrator 59, einen Schmitt-Trigger 60 und
einen Umrichter 61 umfasst, ist zwischen dem Q-Ausgang
und dem D-Eingang
des Flip-Flops 57 geschaltet. Dies bewirkt, dass die Takteingangsfrequenz
durch zwei geteilt wird, so dass das Signal QB am Ausgang des Flip-Flops 57 eine
Rechteckwelle mit einer Frequenz ist, die exakt gleich einhalb der
Frequenz des Takteingangs ist.
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Das
Flip-Flop 56 ist dem Flip-Flop 57 nachgeführt, wobei
das verzögerte
QB-Ausgangssignal von
dem Flip-Flop 57 über
einen Umrichter 62 an den D-Eingang des Flip-Flops 56 angelegt
ist. Somit ist auch das Signal QA am Ausgang des Flip-Flops 56 eine
Rechteckwelle mit einer Frequenz, die exakt gleich einhalb der Frequenz
des Takteingangs ist, und die Ausgaben der beiden Flip-Flops sind
zueinander stets um einhalb der Eingangstaktperiode verschoben.
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Der
Integrator und der Schmitt-Trigger bringen in die Rückkopplung
eine Verzögerung
ein, welche das Auftreten von Mehrfachübergängen in dem Taktausgangssignal
verhindert, falls solche Übergänge in dem
Eingangstaktsignal vorhanden sind. Die Verzögerung verhindert für eine feste
Zeitdauer nach einem Anfangsübergang
bei einer ersten positiv verlaufenden Taktflanke, dass die Flip-Flops
zusätzliche Übergänge durchführen. Diese
Verzögerung
ist in 4 illustriert und liegt in der Größenordnung
von 10 bis 25% der Taktperiode. Eine derartige Blockierung der Flip-Flops
stellt ausgehend von einer Takteingabe, welche Mehrfachübergänge innerhalb
einer kurzen Zeitdauer nach einem Anfangsübergang enthalten kann, ein
sauberes Ausgangssignal bereit. Solche Übergänge können z.B. von einem Bauteil wie
einem Komparator herrühren,
welcher bei der Erzeugung der Takteingabe verwendet wird, und sie können über den
gesamten Betrieb des Sensors hinweg auftreten, nicht nur zu Beginn.
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Die
Ausgaben QA und QB der Flip-Flops 56, 57, welche
frei von unechten Übergängen sind,
werden in ein Exklusiv-ODER-Gatter 63 eingegeben. Da diese
beiden Signale beide bei einhalb der Frequenz des Takteingangssignals
vorliegen, erzeugen sie in ihrer Kombination ein neues Taktsignal
bei derselben Frequenz wie das Eingangstaktsignal. Da die beiden Flip-Flops
einander nachgeschaltet sind und ihre QA- und QB-Ausgänge stets
zueinander um einhalb der Eingangstaktperiode phasenverschoben sind,
weist die Phase des Ausgangstaktsignals von dem Filter in Bezug
auf die Taktsignaleingabe in das Filter stets eine feste Beziehung
auf. Diese Phasenbeziehung ist in 4 illustriert.
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5 illustriert
eine Rücksetzschaltung 64, welche
verhindert, dass ein falsches Taktsignal aus einer unechten Schwingung/Störschwingung
abgeleitet wird, welche zwischen dem Moment, in dem Energie an den
Sensor angelegt wird, und der Herstellung einer normalen Gabelansteuerungsschwingung auftritt.
Diese Schaltung enthält
einen Präzisionsoszillator 66,
welcher einen Spannungskomparator 67 mit einem Widerstand 68 und
einem Kondensator 69 umfasst, die die Frequenz des Oszillators
bestimmen. Diese Frequenz ist signifikant niedriger als die Systemtaktfrequenz
und in einer momentan bevorzugten Ausführungsform weist der Systemtakt
eine Frequenz von 10 kHz auf und der Oszillator 66 arbeitet
bei einer Frequenz von 1 kHz.
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Wie
in 6 illustriert ist, benötigt das Ansteuerungs-Oszillatorsignal 71 eine
endliche Zeit für einen Übergang
von einer gewissen mittleren Frequenz zu dessen normaler Betriebsfrequenz.
Die Wellenform 72 illustriert den allmählichen Anstieg der Eingangsspannung
beim Anlegen von Energie. Wenn die Eingangsspannung einen Schwellwert
erreicht, typischerweise etwa 3,8 Volt, so wird ein Einschalt-Rücksetz-Impuls 73 erzeugt,
um ein anfängliches
Zurücksetzen
der Logikschaltungen bereitzustellen.
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Der
Ausgang des Oszillators 66 ist mit dem Eingang eines 9-Bit-(Division
durch 512)-Zähler 74 verbunden.
Der Ausgang dieses Zählers
wird der Steuer-/Regelogik 77 zugeführt, welche auch ein asynchrones
Rücksetzsignal
von der Einschalt-Rücksetz-Schaltung 78 empfängt. Auf
den Empfang des Signals von dem Zähler 74 hin schaltet die
Steuer-/Regellogik ein Komparatorfreigabesignal 79, um
den Spannungskomparator 67 abzuschalten, welcher dann die
Schwingung beendet, bis eine weitere Einschalt-Rücksetzung erfolgt. Die Steuer-/Regellogik
aktiviert ferner eine Rücksetzimpuls-Synchronisationseinrichtung 81,
welche ein synchrones Rücksetzsignal
liefert, das mit dem als gültig
bekannten Taktsignal von dem Taktfilter 29 synchronisiert
ist. Das synchrone Rücksetzsignal
wird mit dem asynchronen Rücksetzsignal
in einem ODER-Gatter 82 kombiniert, um das Systemrücksetzsignal 83 bereitzustellen.
Wie in 6 illustriert ist, geht dieses Signal in Synchronisation
mit dem Hauptsystemtakt in einen niedrigen Zustand und dann zurück in einen hohen
Zustand über.
Eine derartige Verzögerung
der Bereitstellung des Rücksetzsignals
stellt sicher, dass eine endgültige
Zurücksetzung
an alle Digitallogikschaltungen erteilt wird, nachdem ein als gültig bekannter
Takt von der Stimmgabel abgeleitet worden ist.
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Die
Steuer-/Regellogik führt
ihre Funktion innerhalb von zwei Takten des Signals von dem Oszillator 66 aus,
was insgesamt 514 Takte für
den Betrieb dieses Oszillators ergibt, wobei sie an diesem Punkt vollständig deaktiviert
wird. Dies dauert typischerweise ungefähr eine halbe Sekunde.
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Die
beiden unteren Wellenformen zeigen das Systemtaktsignal und das
Systemrücksetzsignal
in vergrößertem Maßstab. Wie
durch diese beiden Wellenformen illustriert ist, kann der negativ
verlaufende Übergang
des Systemrücksetzsignals
asynchron zum Systemtakt sein und kann einige Taktperioden vor dem
positiv verlaufenden Übergang
auftreten, wobei jedoch der positiv verlaufende Übergang mit dem Systemtakt
synchronisiert ist.
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Diese
Rücksetzschaltung
initialisiert die Digitallogik, wenn Energie an den Sensor angelegt
wird. Bis diese Zeitsteuerungssequenz abgeschlossen ist, hält die eingebaute
Testlogik das Signal von der Ausgangsstufe 22 bei der positiven
Versorgungsschienenspannung. Danach wird es der Ausgabe erlaubt, den
der Rotationsrate des Sensors entsprechenden Wert anzunehmen. Wenn
sich die Ausgabe von der Versorgungsschiene wegbewegt, so dient
sie als Hinweis darauf, dass der Sensor einsatzbereit ist und gültige Daten
ausgeben wird. Die Ausgabe wird dann nur in dem Fall wieder auf
die positive Versorungsschiene zurückgebracht, dass eine Störung erfasst wird.
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Wenn
eine Störung
erfasst wird und sich die Ausgabe zur Versorgungsschiene positiver
Spannung hin bewegt, so wird ein BIT-Flag aktiviert und bleibt aktiviert,
bis eine weitere Energieeinschaltsequenz stattfindet. Jedoch wird
diese Aktivierung des BIT-Flags vor der Beendigung der Einschaltsequenz blockiert,
so dass die Übergangszustände während des
Starts keine Aktivierung des BIT-Flags bewirken werden.
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Wenn
die an die Einheit angelegte Energie irgendwann unter den Schwellwert
der Einschalt-Rücksetz-Schaltung
abfallen sollte, so wird diese Schaltung automatisch neu getriggert.
Diese Neutriggerung stellt einen Hinweis darauf bereit, dass ein
Energieabfall aufgetreten ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Schaltung für
den Ratensensor in integrierter Form als anwendungsspezifische integrierte
Schaltung (ASIC) konstruiert. Die Stimmgabel und der EEPROM sind
außerhalb
der ASIC vorgesehen und Kompensationswerte können über eine Computerschnittstelle
durch die Digitallogik in der ASIC in den EEPROM geladen werden.
In einer momentan bevorzugten Ausführungsform weist die ASIC lediglich drei
Anschlusspole auf: +5 Volt, Erde (0 Volt) und das Ausgangssignal.
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Die
Erfindung weist eine Anzahl wichtiger Merkmale und Vorteile auf.
Die Verwendung des Messelements selbst als Taktreferenz für das System eliminiert
die Notwendigkeit für
einen separaten Taktgeber und reduziert somit die Größe und die
Kosten der Einheit. Der Taktfilter verhindert, dass inkorrekte Taktsignale
in Antwort auf unechte Schwingungen beim Start geliefert werden
und stellt außerdem
sicher, dass zwischen dem Systemtakt und den Schwingungen der Stimmgabel
stets die gleiche Phasenbeziehung vorliegt. Die Einschalt-Rücksetz-Schaltung
stellt ein Rücksetzsignal
bereit, welches mit dem Systemtatakt genau synchronisiert ist.