DE69721593T2 - Magnetische Messanordnungen mit reduziertem Energieverbrauch oder Stand By Modus - Google Patents

Magnetische Messanordnungen mit reduziertem Energieverbrauch oder Stand By Modus Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Dimensionsmessvorrichtungen mit magnetoresistiven Elektroden.
  • Elektronische Vorrichtungen zur Messung der Länge oder der Winkelposition, zum Beispiel im Industriebereich, müssen im Allgemeinen mehrere teilweise widersprechende Auflagen erfüllen. Sie müssen eine genügende Genauigkeit und Auflösung bieten und in einer Umgebung brauchbar sein, wo Vibrationen oder Schadstoffemissionen wie Staub, Öl oder Feuchtigkeit vorkommen. Zusätzlich wird von solchen Sensoren erwartet, dass sie einfach in kleine Apparate integriert werden können, ohne Regelung oder grössere Anpassungen, eine erhöhte Messgeschwindigkeit und einen verminderten Stromverbrauch zu einem möglichst kleinen Preis.
  • Verschiedene, auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhende elektronische Messvorrichtungen sind entwickelt worden, um diesen diversen Anforderungen gerecht zu werden. Insbesondere wurden Messvorrichtungen, welche die durch das Verschieben eines Sensors gegenüber einem Lineal verursachten Kapazitätsveränderungen benutzen, in tragbare Vorrichtungen, wie zum Beispiel Schieblehren, eingebaut. Diese Vorrichtungen müssen sauber genug gehalten werden, um funktionieren zu können, und eignen sich daher schlecht für ein Funktionieren in einer Umgebung, die feucht ist oder Spritzern von Gleitmittel oder Kühlöl zum Beispiel ausgesetzt ist. Dimensionsmessvorrichtungen, die auf dem Prinzip von magnetoresistiven Elektroden beruhen, und welche eine viel bessere Resistenz gegen Unsauberkeiten bieten, wurden zum Beispiel im Patent DE4233331 (IMO) vorgeschlagen. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung beinhaltet einen Sensor, der mit einem Netzwerk von magnetoresistiven Elektroden versehen ist, welche so verbunden sind, dass sie zwei Wheatstonebrücken bilden. Der Sensor wird auf einem Schieber montiert und kann gegenüber einem mit einer Magnetisierungsperiode λ magnetisierten Lineal bewegt werden. Eine Verschiebung des Sensors gegenüber dem Lineal löst eine Veränderung des Magnetfeldes aus, das sich auf die verschiedenen magnetoresistiven Elektroden des Sensors erstreckt und somit zu einer Veränderung ihres Widerstandes führt. Werden die Wheatstonebrücken unter Strom gesetzt, empfängt man an ihren Ausgängen ein elektronisches Signal als periodische Funktion der Position des Sensors entlang des Lineals.
  • Die zwei Wheatstonebrücken bestehen aus vier um λ/2 phasenverschobenen magnetoresistiven Elektroden. Die entsprechenden Elektroden jeder Brücke belegen um λ/4 phasenverschobene Positionen. Die Elektroden der zwei Brücken sind vermischt. Dieses Dokument schlägt zudem den Gebrauch von Barberpole-Strukturen vor, welche es erlauben, die Richtung des Stromvektors I zu ändern. Da der Widerstand einer magnetoresistiven Elektrode eine Funktion des Winkels zwischen dem Magnetisierungsvektor und dem Stromvektor ist, erlauben die Barberpole-Strukturen, die Richtung und die Grösse der durch das Verschieben des Sensors herbeigeführte Variation des Widerstandes der Elektroden zu kontrollieren.
  • Jeder Zweig der Wheatstonebrücke besteht aus einer einzigen magnetoresistiven Elektrode von genügender Grösse, um auf die relativ kleinen vom Lineal generierten Magnetfelder zu reagieren. Der Widerstand der Zweige ist daher vermindert, und grosse Ströme fliessen durch die Messbrücken. Der Stromverbrauch dieser Vorrichtung ist dementsprechend hoch.
  • Das Patent US5386642 (Heidenhain) beschreibt einen Sensor, in welchem die Elektronen in Wheatstonebrücken organisiert sind, wobei jeder Zweig aus mehreren gleichphasigen magnetoresistiven Elektroden besteht, die in Serie geschaltet sind. Der Widerstand der Zweige der Brücke ist daher höher, was zu einer beträchtlichen Senkung des Stromverbrauchs führt. Trotzdem ist der Stromverbrauch immer noch zu hoch, als dass ein Einsatz in selbständigen elektrischen Apparaten, zum Beispiel in tragbaren Präzisionsmessgeräten, möglich wäre.
  • Das Dokument JP-A-1-212313 beschreibt einen elektronischen Schaltkreis, der für eine Dimensionsmessvorrichtung mit magnetoresistiven Elektroden geeignet ist, wobei die magnetoresistiven Elektroden durch Gleichstromquellen gespeist werden.
  • JP-A-61-173113 beschreibt eine neue Art, die magnetoresistiven Elektroden in einer Messvorrichtung für Winkeldimensionen zu verbinden, um den Stromverbrauch zu senken. Die Senkung des Stromverbrauchs ist dank einer speziellen Verbindung der Elektroden möglich.
  • Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen elektronischen Schaltkreis für eine Dimensionsmessvorrichtung vom magnetoresistiven Typ zu schaffen, der gegenüber den Schaltkreisen des Standes der Technik verbessert ist. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schaltkreis zu schaffen, der den Gebrauch eines magnetoresistiven Sensors in einer tragbaren Messvorrichtung, wie in einer Batterie betriebenen Messkluppe, erlaubt.
  • Gemäss der Erfindung werden diese Ziele durch Vorrichtungen gemäss den Ansprüchen 1 bzw. 19 erreicht.
  • Die Erfindung wird besser verstanden anhand der als Beispiel angegebenen Beschreibung, welche durch die folgenden Figuren illustriert wird:
  • Die 1 zeigt eine explodierte Ansicht einer tragbaren elektronischen Schieblehre gemäss der vorliegenden Erfindung.
  • Die 2 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht eines Teils des Lineals und eines Teils des Sensors, wobei mehrere Gruppen von magnetoresistiven Elektroden auf besagtem Teil des Sensors sichtbar sind, und wobei die Figur zudem das vom Teil des Lineals auf das Teil des Sensors produzierte Magnetfeld H(x) illustriert.
  • Die 3 zeigt ein elektrisches Diagramm, in welchem die Verbindungsart der verschiedenen Elektroden des Lineals zu zwei Messbrücken illustriert wird.
  • Die 4 zeigt eine schematische Gesamtdarstellung der verschiedenen Elemente, welche die tragbare Schieblehre gemäss der Erfindung ausmachen.
  • Die 5 zeigt einen Blockschaltplan der hauptsächlichen Elemente des elektronischen Schaltkreises gemäss der Erfindung.
  • Die 6 zeigt die Entwicklung der Signale c und s, welche durch den Sensor geliefert und im elektronischen Schaltkreis verstärkt werden.
  • Die 7 zeigt eine Darstellung der Entwicklung dieser beiden Signale.
  • Die 8 zeigt ein Steuerungsdiagramm der Speisungssignale der Wheatstonebrücken gemäss der Erfindung.
  • Die 1 zeigt eine explodierte Ansicht einer tragbaren elektronischen Schieblehre 1 gemäss der vorliegenden Erfindung. Die Konstruktion solcher Messgeräte ist bekannt und wurde zum Beispiel in der Patentanmeldung EP719999 im Namen der Anmelderin beschrieben.
  • Die Schieblehre der Erfindung beinhaltet eine Stange 2 und eine Gleitschiene 1, die längs entlang der Stange bewegt werden kann. Die Gleitschiene 1 ist mit einer beweglichen Schnabel 10 ausgestattet, während die Stange mit einem fixen Schnabel 20 ausgestattet ist. Ein Lineal 21 aus permanent magnetischem Material wird auf die Stange 2 fixiert und mit einer Folge von magnetisierten Regionen 23,24 versehen (2). Die Magnetisierungsperiode beträgt λ. Das Lineal 21 ist mit einer mit einem Eindruck 220 versehenen Schutzschicht 22 aus nichtmagnetischem Material überzogen.
  • Elektronische Mittel, hier allgemein durch die Referenz 11 angegeben, erlauben es, auf die Flüssigkristallanzeige 12 eine von der Distanz zwischen den Schnäbeln 10 und 20 der Schieblehre abhängigen Angabe anzuzeigen. Diese elektronischen Mittel werden direkt auf der Platte des gedruckten Schaltkreises 115 angebracht. Sie bestehen vor allem aus einem magnetoresistiven Sensor 5, der unter der Platte des gedruckten Schaltkreises 115 gegenüber dem Lineal 21 angebracht wird. Der Sensor 5 enthält ein Netz aus einer grossen Anzahl magnetoresistiven Elektroden, die in Gruppen organisiert sind, wobei der Wert der verschiedenen Widerstände des Netzes eine periodische Funktion der Position der Gleitschiene 1 entlang der Stange 2 ist. Der Sensor kann zum Beispiel vom Typ sein, wie er in den schon erwähnten Patenten DE4233331 oder US5386642 beschrieben wurde. Die elektronischen Mittel 11 enthalten unter anderem selbständige elektrische Speisungsmittel, im abgebildeten Beispiel eine Zelle 110. Die Zelle 110 besteht vorzugsweise aus einer flachen Lithiumzelle und muss der Vorrichtung mehrere Stunden, vorzugsweise sogar mehrere Monate selbständiges Funktionieren garantieren.
  • Ein integrierter elektronischer Schaltkreis 3 vom Typ ASIC berechnet auf Grund der Widerstandswerte der magnetoresistiven Elektroden auf dem Sensor 5 wenigstens einen von der Distanz zwischen den Schnäbeln 10 und 20 abhängigen Parameter; der elektronische Schaltkreis 3 ist mit einem Standard-Mikrokontroller 6 verbunden, der den Schaltkreis 3 kontrolliert und die Anzeige 12 zur Anzeige der gemessenen Distanz steuert. Die elektronischen Mittel 11 beinhalten zudem vorzugsweise einen auf der Oberseite des gedruckten Schaltkreises 115 gegenüber dem Sensor 5 montierten Polarisationsmagneten 114.
  • Die elektronischen Mittel 11 werden durch ein Gehäuse 13 geschützt, wobei Knöpfe 132 es erlauben, zum Beispiel den Start der Schieblehre oder andere Funktionen wie das Zurückstellen auf Null, das Addieren, das Mitteln von aufeinanderfolgenden Messungen, usw. zu steuern. Ein serielles optoelektronisches Verbindungselement 133 ist als Schnittstelle zwischen der Schieblehre 1 und externen Instrumenten, wie zum Beispiel einem Drucker, einem Personal Computer oder einer Maschine, vorgesehen.
  • Der magnetoresistive Sensor 5 enthält eine grosse Anzahl paralleler magnetoresistiver Elektroden 100, wie schematisch in der 2 sichtbar. Die Dimensionen der Elektroden 100 sind so gewählt, dass sie einen grossen Widerstand erzeugen und daher den elektrischen Verbrauch des Sensors verringern.
  • Die verschiedenen magnetoresistiven Elektroden 100 sind längs auf dem Sensor 5 so angebracht, dass sie in Bezug auf das Magnetfeld Hx(x) der durch das Lineal 2 erzeugten Periode λ verschiedene Phasenpositionen einnehmen. In einem genügend grossen Abstand vom Lineal 2, ist das Magnetfeld ungefähr eine sinusförmige Funktion von x. Das durch das Lineal 21 auf jeder magnetoresistiven Elektrode 100 erzeugte Magnetfeld ist daher eine sinusförmige Funktion der Längsposition dieser Elektrode; der Widerstand jeder Elektrode 100 entwickelt sich sinusförmige, wenn die Gleitschiene 1 entlang der Stange bewegt wird. Der Messstromkreis 3, 6 ermittelt mit Hilfe des Wertes der verschiedenen Widerstände 100 die Position der Gleitschiene und zeigt diese Information auf der Anzeige 12 an.
  • Die 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Verbindungsweise der Elektroden 100. Die magnetoresistiven Elektroden werden untereinander in diesem Beispiel so miteinander verbunden, dass zwei Prüfschranken (Wheatstonebrücken) definiert werden. Die entsprechenden Elektroden jeder Brücke sind um 90° phasenverschoben, das heisst um λ/4. Jede Brücke enthält vier Sätze von magnetoresistiven Elektroden ABCD, respektive A'B'C'D'. Andere Verbindungsweisen, zum Beispiel mit einer oder drei Messbrücken, können im Rahmen dieser Erfindung auch benutzt werden.
  • Die Anzahl der magnetoresistiven Elektroden pro Satz ist vorzugsweise grösser als vier, aber ist nur durch die Ausmasse des integrierten Schaltkreises 5 begrenzt; in einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anzahl der magnetoresistiven Elektroden pro Satz gleich 72. Die Gesamtzahl der magnetoresistiven Elektroden 100 auf dem Sensor 5, in diesem nicht einschränkenden Beispiel mit zwei Messbrücken mit jeweils 4 Sätzen zu 72 Elektroden, entspricht also 576.
  • Die Elektroden, welche jeden Satz ausmachen, werden seriell verbunden und so verteilt, dass sie nahe Phasenpositionen einnehmen, zum Beispiel Positionen verteilt zwischen [kλ – w/2 und kλ + w/2], wobei k eine ganze Zahl ist und w ein Parameter, der die Verteilung der Elektroden von jedem Satz angibt. Im Beispiel der 2 entspricht w λ/4. Eine Ensemble von angrenzenden Elektroden aus demselben Satz und auf w verteilt wird eine Gruppe genannt und durch die Referenz 10 in der 2 angegeben. Diese Konfiguration erlaubt es, einen Wert zu erhalten, der sich aus den Widerständen der Elektrodensätze A bis D' ergibt und der das Mittel der Widerstände der auf einem Intervall der Grösse w ausgelegten Elektroden bildet. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit der ersten Variante kombiniert werden kann, enthält jeder Satz Elektroden, die mit einer Phasenverschiebung von 180° positioniert sind aber eine entgegengesetzte Orientierung der Barberpole-Strukturen besitzen, zum Beispiel +45° und –45°.
  • In der 3 ist der Elektrodensatz A, respektive A', in Bezug auf den Elektrodensatz C, respektive C', um 180° phasenverschoben. Auf die gleiche Weise ist der Elektrodensatz B respektive B' in Bezug auf den Elektrodensatz D respektive D' um 180° phasenverschoben. Die Sätze A, A', C,C' besetzen dieselben Phasenpositionen wie die respektiven Sätze B, B', D, D'. Die magnetoresistiven Elektroden jedes Paars AB, A'B', CD, C'D' sind hingegen mit Barberpole-Strukturen von entgegengesetzter Orientierung versehen, zum Beispiel +45° und –45°.
  • Die zwei Brücken werden zwischen den Terminals UP und UN gespeist. Die Signale an den Ausgängen der Brücken werden zwischen den Punkten S und 5', respektive zwischen den Punkten C und C', gesammelt. Das Signal zwischen den Punkten C und C' ist um 90° phasenverschoben in Bezug auf das Signal zwischen den Punkten S und S'.
  • Wir werden jetzt in Bezug auf 4 die allgemeine Architektur der Messvorrichtung der Erfindung besprechen.
  • Die Wheatstonebrücken im Sensor 5 werden durch den Schaltkreis 3 zwischen den Widerständen UP und Un gespeist. Wenn die Gleitschiene 1 gegenüber dem Lineal 21 verschoben wird, liefern die Wheatstonebrücken im Gegenzug differentiale Signale c (zwischen den Terminals C und C') und s (zwischen den Terminals S und S'), die ungefähr sinusförmig als Funktion der Position des Sensors sind, wobei ein Signal in Bezug auf das andere um 90° phasenverschoben ist. Diese Signale werden dem elektronische Schaltkreis 3 übermittelt, der aufgrund dieser Signale die Position des Sensors bestimmt, wie weiter unten mit Bezug auf die 5 diskutiert. Der elektronische Schaltkreis 3 kontrolliert zudem die Schnittstelle mit der Tastatur 132, sowie eine fakultative Schnittstelle mit externen Geräten, zum Beispiel eine serielle Schnittstelle RS232 (133).
  • Das Messgerät der Erfindung enthält unter anderem vorzugsweise einen kleinen Parameter RAM (PRAM), nicht abgebildet, um gewisse Parameter wie die Wahl der Messeinheit usw. zu speichern. Dieser Speicherbereich kann auch im Schaltkreis 3 oder im Mikrokontroller 6 eingebaut werden.
  • Die Hauptelemente des elektronischen Schaltkreises 3 sind in der 5 detailliert dargestellt. Das Funktionieren dieses Schaltkreises wird durch einen Mikrokontroller 6 gesteuert mittels Kontrollregister 400 bis 402, die von ausserhalb des Schaltkreises 3 lesbar und schreibbar sind. Die durch den Schaltkreis 3 bestimmte Position ist ebenfalls in einem oder mehreren Resultatregistern gespeichert, welche vom Mikrokontroller aus lesbar sind. Der Mikrokontroller führt ein Programm aus, um das Funktionieren des Schaltkreises 3 zu kontrollieren, um die erhaltenen Resultate auf der Anzeige 12 zu zeigen und um spezifische Funktionen des Instrumentes, wie Einheitenumrechnung, Eichung der Null, Fehlerkontrolle, Kontrolle des Wachzustandes und der Unterbrechungen des Schaltkreises 3 usw., zu implementieren. Im Beispiel der 5 werden nur drei Kontrollregister und/oder Resultatregister 400 bis 402 gezeigt, wobei es verstanden werden muss, dass diese Zahl gar nicht limitierend ist.
  • Die sinusförmigen Signale s (Terminals S-S'), respektive die kosinusförmigen Signale c (Terminals C-C'), die vom Sensor 5 geliefert werden, werden durch einen Verstärker mit einem variablen Verstärkungsfaktor g 30, 30' und dann durch eine zweite Verstärkungsstufe 31, 31' mit Offsetkompensation O verstärkt, bevor sie zu einem genügend hohen Niveau für eine analog-digital Umwandlung gebracht werden.
  • Die Ausgangssignale der Verstärker 32, 32' sind in der 6 dargestellt. Man stellt fest, dass die Form der differentialen Signale auf jedem Kanal c und s beinahe sinusförmig ist, aber dass sie ein Offset Oc, respektive 05, beinhalten. Der Hauptgrund für den Offset im System ist auf die Asymmetrie des Zweigs der Wheatstonebrücken auf dem Sensor 5 zurückzuführen. Diese Art von Offset ist proportional zur Speisespannung der Brücken UP-Un. Andere Gründe für den Offset sind insbesondere die Verstärker 30, 31.
  • Um eine optimale Messgenauigkeit zu garantieren, müssen diese Offsets kompensiert werden. Ein Offsetkompensationswert für jeden Kanal wird durch einen Kalibrierungsvorgang bestimmt und in den Registern 44, 44' gespeichert (5). Dieser Wert wird durch die Konverter 43, 43' in ein analoges Kompensationsoffsetsignal O, O' für die Offsetkompensationsverstärker 31, 31' umgewandelt. Die Referenzspannung Vref der Konverter 43, 43' ist proportional zur Speisespannung der Brücken Up-Un, um den Einfluss dieser Spannung auf das Offset des Sensors zu kompensieren.
  • Der Offsetkompensationswert wird während dem Kalibrierungsvorgang bestimmt, indem Proben von zwei Werten S1, S2, respektive C1, C2, symmetrisch in Bezug auf das nächste Extrema jedes Kanals, genommen werden. Das Offset des Kanals c wird somit durch Proben der Werte des Signals auf diesem Kanal während der Nulldurchgänge des Signals s genommen, und umgekehrt (siehe 6). Wegen dem sinusförmigen Verlauf der Signale sind die zwei Probenwerte C1 und C2 symmetrisch in Bezug auf die Offsetspannung Oc dieses Kanals; diese Spannung kann nun einfach durch die Formel Oc = (C1 + C2)/2 ermittelt werden. Die Werte C1 und C2 werden als Proben vom analog-digital Konverter 36 genommen, der mittels der entsprechenden Register in einem Kalibrationsmodus versetzt ist und der Offsetkompensationswert Oc wird gemäss der obigen Formel vom Mikrokontroller 6 errechnet und von ihm im Register 44 gespeichert. Ein ähnlicher Vorgang kann benutzt werden, um aufgrund der Werten S1 und S2 den im Register 44' des anderen Kanals s zu speichernden Offsetkompensationswert zu ermitteln.
  • Nach Bedarf wird dieser Kalibrierungsvorgang nur einmal in der Lebensdauer des Instrumentes durchgeführt, oder bei jedem Auswechseln der Batterie, oder in regelmässigen Zeitabständen, zum Beispiel alle paar Sekunden, um jede mögliche, zum Beispiel von der Temperatur, dem Ladezustand der Batterie, dem Alter usw. verursachte Variation zu kompensieren.
  • Die maximale Präzision ist nötig, wenn der Sensor bewegungslos ist, d. h. wenn der Sensor praktisch ein kontinuierliches Signal liefert. Es ist daher nötig, die Verstärker 30,30', 31, 31' und den Signalweg so vorzusehen, dass sie einen sehr schwachen Lärm 1/f erzeugen.
  • Wie klar aus der 6 ersichtlich, läuft jedes Differentialsignal c, s während der Bewegung des Sensors mit einer Periode λ zweimal durch Null. Diese Situation ist schematisch in der 7 dargestellt. Vier Quadranten A, B, C, D können je nach der Polarität der zwei Signale c und s definiert werden. Die Entwicklung der Signale c und s während einer Verschiebung des Sensors im positiven Sinn ist durch den Pfeil dargestellt. Ein Quadrant entspricht einem Verschiebungsbereich von λ/4. Durch einen Vergleich der absoluten Werte dieser beiden Signale (|c| und |s|) können 8 Oktanten, entsprechend den Bereichen von λ/8 definiert werden.
  • Der Oktant, in welchem sich der Sensor befindet, wird mit Hilfe von drei Komparatoren 32, 32' und 35 bestimmt. Der Komparator 32 liefert ein Bit b0 zu 1, wenn das Signal c auf dem ersten Kanal positiv ist. Der Komparator 32' liefert ein Bit b, zu 1, wenn das Signal c auf dem zweiten Kanal positiv ist. Ein drittes Bit c0, das den Oktant angibt, wird durch den differentiellen Komparator 35 bestimmt und hat den Wert 1, falls |c| > |s|. Diese Relationen sind nachfolgend in der Tabelle zusammengefasst:
    Figure 00100001
    Figure 00110001
  • Die höchstwertigsten Bits werden mit Hilfe eines bi-direktionalen Zählers 38 bestimmt, der die Anzahl der Perioden λ, die durch den Sensor 5 seit Messanfang durchquert wurden, zählt. Die Verschiebungen in der Pfeilrichtung in der 7 werden addiert, während die Verschiebungen gegen die Pfeilrichtung dekrementiert werden. Eine nichtgezeigte kombinatorische Logik 30 konvertiert die drei Bits b0, b1 und c0 in Inkrementation/Dekrementationssignale u/d und in ein Taktsignal für den Zähler 39. Die Anzahl m der Bits des Zählers ist von der Anzahl der Perioden λ auf dem Lineal 21 abhängig; wenn zum Beispiel die Periode λ den Wert 1 Millimeter hat und die Länge des Lineals 25 Zentimeter ist, kann der Sensor maximal 250 Perioden durchqueren, was mit 8 Bits angegeben werden kann.
  • Die Position im Innern der Periode kann mit grösserer Genauigkeit mit Hilfe der durch die Bits b0, b1 und c0 gelieferte Angabe des Oktants bestimmt werden. Diese Angabe wird mit Hilfe der kombinatorischen Logik 38 in drei mittelwertigen Bits gemäss dem binären System konvertiert. Der Schaltkreis 38 liefert unter anderem ein Bewegungssignal bei jedem Wechsel des Quadranten, wobei die Rolle dieses Signals weiter unten erläutert wird.
  • Die durch dieses System der Grobmessung gelieferte Auflösung ist also λ/8, im obigen Beispiel 125 um. Um eine feinere Auflösung zu erhalten, ist ein feines Messsystem nötig. Dieses System kann eventuell während der Verschiebung des Sensors abgeschaltet werden, wie weiter unten erklärt.
  • Die feine Messung wird durch die Interpolierung der Position x des Sensors im Innern des Oktanten erhalten, entsprechend der Formel:
  • Figure 00120001
  • Diese Division wird mittels des analog-digital-Konverters 36 durchgeführt, der das (differentiale) Signal auf dem Signaleingang (IN) in ein digitales Signal umwandelt. Das andere Signal beim Nenner wird am (differentialen) Referenzeingang des Konverters 36 geliefert; die Division des Signals IN durch das Signal REF und die digitale Konvertierung des Resultates werden so in einem Schritt durchgeführt. Das digitale Ergebnis der Division wird als Addresseingang in der Konvertierungstabelle 37 (ROM) geliefert, welche die Tangente in ihren Bogen umwandelt und so direkt die n niedrigstwertigsten Bits des Resultats liefert.
  • Die niedrigstwertigsten Bits des Resultats können entweder direkt dem Mikrokontroller 6 geliefert, oder vorzugsweise vorher im Resultatregister innerhalb der Register 400–402 gespeichert werden.
  • Um die Grösse der Tabelle 37 einzuschränken, beziehen sich alle Operationen auf den ersten Oktant. Der Umwandler 33 dreht das differentielle Signal c um, wenn b0 0 entspricht, d. h. wenn das Signal c negativ ist (Quadranten B und C). Der Umwandler 33 dreht das differentielle Signal c um, wenn b1 0 entspricht, d.h. wenn das Signal c negativ ist (Quadranten C und D). Das durch das Bit c0 gesteuerte Element 34 tauscht die Signale c und s aus, wenn c0 0 entspricht, d.h. wenn das Signal sich im zweiten Oktant befindet.
  • Das Funktionieren der Elemente 33, 33' und 34 kann durch Register gesteuert werden, welche von ausserhalbe des Schaltkreises 3 durch die Schnittstelle 40, die Address- und Datenlinien ADO : 3 und die entsprechenden LD und SYNC Signalen lesbar-schreibbar zugänglich sind.
  • Der elektronische Schaltkreis 3 ist ebenfalls für die elektrische Speisung der Wheatstonebrücken im Sensor 5 zuständig. Wenn der gesamte resultierende Widerstand der Brücken des Sensors zum Beispiel 30 kOhm entspricht, und die Nutzspannung 3 Volt beträgt, ist der elektrische Verbrauch in den magnetoresistiven Elektroden 100 also ungefähr 100 μA. Gemäss einem wichtigen Merkmal der Erfindung, werden diese Brücken (ABCD, A'B'C'D') nicht dauernd mit Strom beliefert, um so die Energiedissipation zu verringern.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Form der Speisungssignale der Brücken Up und Un ist auf der 8 illustriert. Die Spannung am Punkt Up schwankt zwischen dem Potentialmaximum Upmax (zum Beispiel gleich Vdd) und der Hälfte dieses Potentialmaximum Upmax/2. Die Spannung am Punkt Un schwankt zwischen Upmax/2 und Vss (0 Volt). Diese Konfiguration erlaubt es zu verhindern, dass die Eingangsverstärker 30, 30' zu grossen Widerstandsprüngen ausgesetzt sind und erlaubt somit, Eingangsverstärker zu verwenden, deren Gleichtakt-Unterdrückungsfaktor (CMRR) weniger kritisch ist. Zudem wird der Verbrauch wegen dem Laden/Entladen der Streukapazitäten Cpar halbiert: Cpar(Upmax/2)2f + Cpar(UPmax/2)2f = 1/2Cpar(UPmax/2)2f
  • Diese Konfiguration erlaubt zudem, die Umschaltungszeit zwischen den Speisungsintervallen und den Intervallen der Speisungsreduzierung zu vermindern, und die durch die Übergänge des Signals UP verursachte Kreuzkopplung durch die komplementären Übergänge Un zu kompensieren.
  • Die Signale UP und Un werden vom sequenziellen Block 42 auf der Basis von den Taktimpulsen des Oszillators 41 und der Speisespannung des Schaltkreises Vdd geliefert. Der Oszillator 42 empfängt Taktimpulse von einem Quarz ausserhalb des Schaltkreises 3. Die Realisation dieses Blocks 42 gebraucht nur konventionelle elektronische Techniken und ist daher hier nicht detailliert aufgeführt.
  • Die entsprechenden Kontrollregister unter den Registern 400 bis 402 definieren das Verhältnis der Arbeitszyklen zwischen den Speisungsintervallen und den Intervallen der Speisungsreduzierung. Zum Beispiel erlauben es zwei Bits in einem dieser Register, vier Verhältnisse des Arbeitszyklus auszuwählen: 100% (immer gespeist), 50%, 25% (wie beschrieben) und 0%(total angehalten).
  • Je nach dem benutzten Sensor können andere Speisungsarten der magnetoresistiven Elektroden 100 ersonnen werden, zum Beispiel Stromspeisung, nicht differentielle Speisung usw.
  • Der Schaltkreis 3 enthält vorzugsweise einen Frequenzmeter 45, der die Frequenz des Messsignals und daher die Geschwindigkeit der Verschiebung des Sensors bestimmt. Gemäss eines fakultativen Merkmals der Erfindung, ist das Verhältnis des Arbeitszyklus des Blocks 42 von der gemessenen Frequenz abhängig: Wenn der Sensor sich schnell verschiebt, werden die Brücken öfters gespeist als wenn der Sensor ruhig ist. In einer Variante kann der Frequenzmeter zudem gebraucht werden, um den Feinmessungsschaltkreis (Elemente 36, 37) auszuschalten, falls sich der Sensor schnell bewegt, um so den elektrischen Stromverbrauch zu reduzieren.
  • Das Verhältnis der Arbeitszyklen kann auch durch einen Schaltkreis 46 zur Erkennung des Ladezustandes der Batterie 110 zur Speisung des elektronischen Schaltkreises kontrolliert werden: Wenn die Batterie einen Widerstand unter einem vordefinierten Minimum liefert, wird die Dauer der Speisungsintervalle der magnetoresistiven Elektroden 100 reduziert. In einer Ausführungsform werden die Schaltkreise der Feinmessung 36, 37 in diesem Moment auch abgeschaltet. Diese Situation wird vorzugsweise dem Benutzer durch ein angebrachtes Signal auf der Anzeige 12 angezeigt, wobei das Signal vom Kontroller 6 angezeigt wird, wenn er eine entsprechende Unterbrechung des Schaltkreises 3 erhält.
  • Der Ladezustand der Batterie und die Frequenz können auch durch den Mikrokontroller 6 erkannt werden, der folglich den Arbeitszyklus mit Hilfe der erwähnten Kontrollregister steuert.
  • Der Schaltkreis 3 kann zudem nicht gezeigte Synchronisationsmittel zwischen den Fein- und Grobmesssystemen enthalten, dies vor allem dann, wenn die Eigenschaften der Komparatoren 32, 32' und 35 nicht perfekt sind und so die beiden Systeme sich nicht über die Einschätzung des aktuellen Quadranten einig sind.
  • Vorzugsweise enthält der Schaltkreis zudem einen Stand-by Modus Schaltkreis 47. Im Stand-by werden nur die nachfolgenden Komponenten des Schaltkreises 3 gespeist: Das PRAM, die Tastatur 132, die Schnittstelle 40, und vielleicht der Schaltkreis zur Grobmessung 30, 31, 3235, 38, 39 und der Oszillationsschaltkreis 41, 42. Die externen Komponenten des Schaltkreises 3, darunter der Mikrokontrollen 6, werden hingegen abgeschaltet.
  • Der Stand-by Modus kann vom Mikrokontrollen 6 ausgewählt werden, zum Beispiel mit Hilfe eines entsprechenden in der Schnittstelle 40 untergebrachten Steuerregister oder durch den Schaltkreis zur Erkennung des Ladezustandes der Batterie 46. Der Schaltkreis kann durch eine der folgenden vom Stand-by Modus Schaltkreis aufgefangenen Aktion geweckt werden: Betätigung der Tastatur 132, Verschiebung des Sensors (durch das oben erwähnte Motionsbit), einen auf der seriellen Schnittstelle 133 erhaltene Mitteilung, usw. Vorzugsweise können mehrere Stand-by Modi mit Hilfe angepasster Kontrollmittel definiert werden: Zum Beispiel ist ein Aufwecken durch Verschiebung des Sensors nur dann möglich, wenn die magnetoresistiven Elektroden 100 wenigstens zwischendurch gespeist werden, was nicht in allen Stand-by Modi wünschenswert ist.
  • Der Schaltkreis 3 enthält zudem nicht gezeigte Verbindungsschaltungen, um Signale vom Typ RS232 auf der optoelektronischen seriellen Schnittstelle 133 zu empfangen und zu senden.
  • Obwohl der beschriebene Schaltkreis sich speziell gut für eine tragbare Dimensionsmessvorrichtung eignet, wie zum Beispiel für eine Schieblehre oder einen Mikrometer, ist sein Gebrauch natürlich auch in allen Arten von fixen oder mobilen Vorrichtungen zur Messung von Längen oder Winkeldimensionen möglich.
  • Der Fachmann wird verstehen, dass gewisse der beschriebenen Charakteristika auch selbständig genutzt werden können. Insbesondere können die beschriebenen und beanspruchten Offset-Justierungsmittel unabhängig von der speziellen Ausführungsform des Speisestromkreises 42 gebraucht werden. Die Erfindung betrifft also auch einen elektronischen Schaltkreis 3 für eine Dimensionsmessvorrichtung 1 mit magnetoresistiven Elektroden 100, die einen Messstromkreis 30–39 enthält, der mindestens einen Differentialeingang (C, C', S, S') verbunden mit besagtem Netzwerk enthält, wobei besagter Messstromkreis mindestens eine Grösse in Abhängigkeit vom Widerstand mindestens einer magnetoresistiven Elektrode 100 des Netzwerks liefert, dadurch gekennzeichnet, dass er unter anderem Offset-lustierungsmittel (43, 43', 44, 44') für das Justieren der Offsetmessung enthält. Die Erfindung betrifft also auch solch einen elektronischen Schaltkreis, in welchem besagte Offset-lustierungsmittel für das Justieren der Offsetmessung wenigstens einen Verstärker zur Offsetkompensation 31, 31' für jeden Messkanal enthalten und in welchem die Offset-Justierungsmittel für jeden Messkanal ein Register 44, 44' enthalten, das einen Offset-Kompensationswert angibt und einen digitalanalog-Konverter 43, 43', welcher besagten Verstärker zur Offsetkompensation kontrolliert, wobei die Referenzspannung des digitalanalog-Konverters sich proportional zur Speisespannung des Netzwerks der magnetoresistiven Elektroden 100 verhält.

Claims (24)

  1. Dimensionsmessvorrichtung (1), bestehend aus: einem Massstab (21) bestückt mit einer Folge von magnetisierten Regionen (23,24), einem Sensor (5), der parallel und gegenüber zum Lineal (21) verschoben werden kann und mit einem Netzwerk von magnetoresistiven Elektroden (100) versehen ist, welche zusammen verbunden sind, um mindestens eine Messbrücke zu bilden, eine elektronische Speiseschaltung (42) von besagter mindestens einer Messbrücke, einem Messstromkreis (30–39), der mindestens eine Grösse liefert in Abhängigkeit vom Widerstand von mindestens einem der magnetoresistiven Elektroden (100), während besagte Messbrücke gespeist wird, wobei besagte Schaltung mit einer Vielzahl von Betriebskontrollregistern ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass besagte mindestens eine Messbrücke nicht kontinuierlich von der elektronischen Speiseschaltung (42) gespeist wird, um die Dissipation der Energie in besagten magnetoresistiven Elektroden während mindestens einem begrenzten Zeitraum zu verringern.
  2. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung zwischen zwei Terminals (Up, Un) der Speiseschaltung geliefert wird, wobei ein Terminal mit einem Potentialmaximum (Upmax) und das andere (Un) mit einem Potential nahe 0 Volt während der Speisungsintervalle versorgt wird, wobei die beiden Terminals mit einem Potential nahe der Hälfte des besagten Potentialmaximums während den Intervallen der Speisungsreduzierung versorgt werden.
  3. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis zwischen den Speisungsintervallen und den Intervallen der Speisungsreduzierung von der Frequenz des Eingangssignals abhängt.
  4. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis zwischen den Speisungsintervallen und den Intervallen der Speisungsreduzierung mittels einem Kontrollregister (400–402) – auf welches von ausserhalb des elektronischen Schaltkreises schreibenderweise zugegriffen werden kann – verändert werden kann.
  5. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie unter anderem einen Schaltkreis (46) zur Erkennung des Ladezustandes der Batterie (110) zur Speisung des elektronischen Schaltkreises enthält, und dass das Tastverhältnis zwischen den Speisungsintervallen und den Intervallen der Speisungsreduzierung mittels besagtem Schaltkreis (46) zur Erkennung des Ladezustandes reduziert werden kann.
  6. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf besagte Vielzahl von Kontrollregistern (400–402) schreibenderweise von ausserhalb des elektronischen Schaltkreises zugegriffen werden kann, und dass diese es erlauben, das Funktionieren des Messstromkreises und/oder der Speiseschaltung zu definieren.
  7. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie Offset-Justierungsmittel (43, 44 ,43', 44') für das Justieren der Offsetmessung enthält.
  8. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Offset-Justierungsmittel wenigstens einen Verstärker zur Offsetkompensation (31, 31') für jeden Messkanal enthalten.
  9. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Justierungsmittel für jeden Messkanal ein Register (44, 44') enthalten, das einen Offset-Kompensationswert angibt, und einen digital-analog Wandler (43, 43'), der besagten Verstärker zur Offsetkompensation kontrolliert, wobei die Referenzspannung des digital-analog Wandlers sich proportional zur Speisespannung (Up) des Netzwerkes von magnetoresistive Elektroden (100) verhält.
  10. Messvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Offset-Justierungsmittel am Ende des Messstromkreises Offset-Bestimmungsmittel (36) enthalten.
  11. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Offset-Bestimmungsmittel einen digital-analog Wandler (36) und Mittel zum Samplen des Signals an zwei symmetrischen Punkten (S1,S2; C1,C2) in Bezug auf die nächsten Extrema des Signals (s, c) enthalten.
  12. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge (c,c';s,s') der Messkanäle Differentialeingänge sind.
  13. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie n Messkanäle enthält, die dazu bestimmt sind, mit dem Netzwerk der magnetoresistiven Elektroden (100) verbunden zu werden, um n um 360°/2n phasenverschobene Signale zu empfangen, wobei die durch besagten Messstromkreis gelieferte Grösse aufgrund der empfangenen n Signale bestimmt wird.
  14. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Messkanäle enthält, die dazu bestimmt sind, mit dem Netzwerk der magnetoresistiven Elektroden verbunden zu werden, um zwei um 90° phasenverschobene Signale zu empfangen, wobei die durch besagten Messstromkreis gelieferte Grösse aufgrund des Verhältnisses zwischen den empfangenen zwei Signalen bestimmt wird.
  15. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch: einen digital-analog Wandler (36), dessen Signaleingang (IN) mit einem der besagten Messkanäle und der Referenzeingang (REF) mit dem anderen Messkanal verbunden ist, um ein digitales Resultat, das der Division von einem durch das andere Signal entspricht, zu liefern eine Umrechnungstabelle (37), deren Ausgang besagten Parameter angibt, welcher der umgekehrten Bogen-Tangente oder der umgekehrten Bogen-Co-Tangente von besagtem digitalen Resultat entspricht.
  16. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, durch kontrollierbare Mittel zur Umwandlung (33, 33') und Umkehrung (34) der an den Eingang von besagtem digitalanalog Konverter (36) gelieferten Signale gekennzeichnet.
  17. Messvorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen groben Messstromkreis (30, 31, 3235, 38, 39) enthält, der einen bidirektionalen Zähler (38) zur Zählung der vom Sensor zurückgelegten Perioden (λ) seit Beginn der Messung enthält, und einen feinen Messstromkreis (36, 37), der die Position des besagten Sensors (5) innerhalb einer Periode interpoliert.
  18. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Standby Modus Schaltkreis (47) enthält, dass in einem der Modi mindestens der grobe Messstromkreis (30,31,3235,38,39) versorgt und der feine Messstromkreis (36, 37) unterbrochen wird, und dass der Standby Modus den feinen Messstromkreis reaktiviert, sobald eine Bewegung festgestellt wird.
  19. Dimensionsmessvorrichtung (1), bestehend aus: einem Massstab (21) bestückt mit einer Folge von magnetisierten Regionen (23, 24), einem Sensor (5), der parallel und gegenüber zum Lineal (21) verschoben werden kann und mit einem Netzwerk von magnetoresistiven Elektroden (100) versehen ist, welche zusammen verbunden sind, um mindestens eine Messbrücke zu bilden, eine elektronische Speiseschaltung (42) von besagter mindestens einer Messbrücke, einem Messstromkreis (30–39), der mindestens eine Grösse liefert in Abhängigkeit vom Widerstand von mindestens einem der magnetoresistiven Elektroden (100), während besagte Messbrücke gespeist wird, durch einem Standby Modus Schaltkreis (47) gekennzeichnet, welcher den Energiegebrauch der Messvorrichtung im Standby Modus verringert, ohne sie aufzuheben, und den Energiegebrauch wieder herstellt, wenn eine Bewegung besagtes Sensors wahrgenommen wird.
  20. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Tastatur enthält, und dass besagter Standby Modus Schaltkreis ferner den Energiegebrauch wieder herstellen kann, wenn die Tastatur betätigt wird.
  21. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine serielle Schnittstelle enthält, und dass besagter Standby Modus Schaltkreis ferner den Energiegebrauch wieder herstellen kann, wenn eine Mitteilung auf besagter seriellen Schnittstelle empfangen wird.
  22. Messvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Elektroden in Standby Modus mindestens zeitweilig versorgt werden, um zu erlauben, dass eine Bewegung des Sensors wahrgenommen werden kann.
  23. Messvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Messstromkreis einen groben Messstromkreis (30, 31, 3235, 38 ,39) und einen feinen Messstromkreis (36, 37) enthält, dass in Standby Modus der grobe Messstromkreis (30, 31, 3235, 38, 39) gespeist und der fine Messstromkreis unterbrochen wird, und dass der Standby Modus Schaltkreis den feinen Messstromkreis wieder aktiviert, sobald eine Bewegung wahrgenommen wird.
  24. Messvorrichtung gemäss dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung zwischen zwei Terminals (Up, Un) der Schaltung geliefert wird, wobei ein Terminal mit einem Potentialmaximum (Upmax) und das andere (Un) mit einem Potential nahe 0 Volt während den Speisungsintervallen versorgt wird, wobei die beiden Terminals mit einem Potential nahe der Hälfte des besagten Potentialmaximums während den Intervallen der Speisungsreduzierung versorgt werden.
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