DE10117384A1 - Sensorvorrichtung - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, die zumindest eine Sensoreinheit zur Umwandlung zumindest einer Meßgröße in zumindest ein elektrisches Signal, zumindest eine Speichereinheit zur temporären Speicherung des elektrischen Signals, zumindest eine Auswerteeinheit zur Auswertung des in der Speichereinheit gespeicherten elektrischen Signals und zumindest eine Takteinheit aufweist, wobei die Leistungsaufnahme der Sensoreinheit zur Umwandlung der Meßgröße in das elektrische Signal gesteuert durch die Takteinheit zu vorgegebenen Zeiten oder auf externe Anforderung gestartet wird und die Leistungsaufnahme der Sensoreinheit gesteuert durch die Takteinheit beendet wird, nachdem das elektrische Signal in der Speichereinheit gespeichert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine batteriebetriebene Sensorvorrichtung.

Sensorvorrichtungen, insbesondere Sensorvorrichtungen für batteriebetriebene Geräte im Dauerbetrieb, sollten eine möglichst geringe Leistungsaufnahme aufweisen. Daher werden Sensorvorrichtungen üblicherweise "gepulst" betrieben, d. h. die gesamte Sensorvorrichtung wird nur kurz für die Zeit, in der man Information von ihr beziehen möchte, in Betrieb genommen und für den Rest der Zeit abgeschaltet. Eine derartige Betriebsweise einer Sensorvorrichtung ist beispielsweise in dem US Patent 5,619,137 gezeigt.

Bei der Auswertung von Sensorsignalen wird häufig eine Demodulation des Signals mit Hilfe von Kapazitäten durchgeführt. Insbesondere bei sogenannten "gechoppten Hallsensoren", wie sie beispielsweise in dem US Patent 5,621,319 gezeigt sind, ist in deren Signalkette nach der resistiven Vorverstärkung eine Demodulation mit Hilfe von Kapazitäten üblich.

Fig. 4 zeigt diesen Aspekt der in dem US Patent 5,621,319 offenbarten Ausführungsform. Die Signale von einem Hall-Element H werden von einem Operationsverstärker V verstärkt und über Schalter auf Kondensatoren geführt. Anschließend werden die Signale über die Treiberstufen V1, V2, V3 und V4 zu einem Addierer geführt, der die Widerstände R1 und den Verstärker K umfaßt. Zum Ausgleich einer sich in dem Hall-Element H bildenden Offset-Spannung wird die Richtung des Hall-Stroms I_H durch das Hall-Element H periodisch verändert, was durch die Phasen ϕ1 und nϕ1 angedeutet ist.

Bei der Auswertung von Sensorsignalen ist es wünschenswert, daß eine möglichst geringe Leistungsaufnahme der gesamten Sensorvorrichtung gewährleistet werden kann. Die bisher eingesetzten Maßnahmen des "gepulsten" Betriebs führen leider bei vielen Anwendungen noch nicht zu einer ausreichenden Begrenzung der Leistungsaufnahme der Sensorvorrichtung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermindert bzw. ganz vermeidet. Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, welche eine geringe Leistungsaufnahme aufweist.

Diese Aufgabe wird von der Sensorvorrichtung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Erfindungsgemäß wird eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, die zumindest eine Sensoreinheit zur Umwandlung zumindest einer Meßgröße in zumindest ein elektrisches Signal, zumindest eine Speichereinheit zur temporären Speicherung des elektrischen Signals, zumindest eine Auswerteeinheit zur Auswertung des in der Speichereinheit gespeicherten elektrischen Signals und zumindest eine Takteinheit aufweist, wobei die Leistungsaufnahme der Sensoreinheit zur Umwandlung der Meßgröße in das elektrische Signal gesteuert durch die Takteinheit zu vorgegebenen Zeiten oder auf externe Anforderung gestartet wird und die Leistungsaufnahme der Sensoreinheit gesteuert durch die Takteinheit beendet wird nachdem das elektrische Signal in der Speichereinheit gespeichert ist.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung besitzt den Vorteil, daß gesamte Leistungsaufnahme der Sensorvorrichtung deutlich reduziert werden kann. Dies ist von besonderem Vorteil für resistive Sensoren, deren primäre Verarbeitungsstufen (Sensoreinheit) die Leistungsaufnahme der gesamten Sensorvorrichtung wesentlich bestimmen. Die Sensoreinheit ist bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung nur solange in Betrieb, wie es für die primäre Signalgewinnung notwendig ist. Die Sensoreinheit wird abgeschaltet noch bevor die Auswerteeinheit die Auswertung des Signale beendet hat. Somit ist die Sensoreinheit während der übrigen Signalverarbeitungsphase im wesentlichen abgeschaltet. Wird zum Erreichen einer hohen Genauigkeit eine zeitlich lange Auswertephase eingesetzt, ergibt sich eine entsprechend hohe Leistungsersparnis gegenüber herkömmlichen Sensorvorrichtungen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Leistungsaufnahme der Auswerteeinheit zur Auswertung des in der Speichereinheit gespeicherten elektrischen Signals gesteuert durch die Takteinheit gestartet nachdem das elektrische Signal in der Speichereinheit gespeichert ist und die Leistungsaufnahme der Auswerteeinheit wird gesteuert durch die Takteinheit zu vorgegebenen Zeiten oder auf externe Anforderung beendet. Durch diese Maßnahme kann zusätzlich Leistung gespart werden, da die Auswerteeinheit erst nach der Gewinnung des primären Signals in Betrieb genommen wird.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung bietet somit ein deutlich reduzierte Leistungsaufnahme während des in der Regel kurzzeitigen Betriebs der gesamten Sensorvorrichtung, da durch ein geeignetes, durch die Takteinheit gesteuertes Ablaufschema das Signal in sequentieller Abfolge so verarbeitet wird, daß die verschiedenen Einheiten der Sensorvorrichtung jeweils nur für einen kurzen, klar definierten Zeitraum im Einsatz sind. Dieser klar definierten Einsatzzeitraum einer Einheit ist in der Regel deutlich kürzer als der Betriebszeitraum der gesamten Sensorvorrichtung. Am Ende der Betriebsphase einer Einheit wird das generierte Signal in einem temporären Zwischenspeicher gespeichert und danach die jeweilige Einheit abgeschaltet und die nächstfolgende Einheit erfüllt ihre Funktion mit der zwischengespeicherten Information.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinheit über zumindest einen ersten, von der Takteinheit gesteuerten Schalter mit der Speichereinheit verbunden. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Speichereinheit über zumindest einen zweiten, von der Takteinheit gesteuerten Schalter mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Auf diese Weise können die einzelnen Einheiten der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung sicher voneinander getrennt werden, so daß die Abschaltung einer Einheit sich nicht auf die anderen Einheiten auswirken kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist als Speichereinheit zumindest eine Demodulationseinheit mit zumindest einem Kondensator vorgesehen. Für die Realisierung des Zwischenspeichers sind somit in der Regel keine zusätzlichen Einheiten erforderlich, weil zur Gewinnung eines genauen offset-bereinigten Signals ohnehin häufig eine so genannte "gechoppte" Signalverarbeitung vorgenommen wird, die eine nachfolgende Demodulation erfordert, welche bevorzugt mit Hilfe von Kapazitäten realisiert wird. Während der Signalgewinnung wird Spannung auf den Kapazitäten abgespeichert, die Demodulation erfolgt darauf bevorzugt durch Parallelschaltung dieser Kapazitäten, wobei sie zuvor von den vorhergehenden Schaltungsteilen abgetrennt werden. Die Signalspannung steht nach der Demodulation auf den Kapazitäten gespeichert zur Verfügung. Es kann nun die Sensoreinheit mit hohem Stromverbrauch zur Signalgewinnung abgeschaltet werden und mit einer in der Regel weniger leitungsintensiven Auswerteeinheit die weitere Verarbeitung durchgeführt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Auswerteeinheit zumindest einen Komparator auf. Dabei ist es bevorzugt, wenn zumindest eine Referenzwerteinheit vorgesehen ist, die zumindest einen Referenzwert für den Komparator bereitstellt. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Referenzwerteinheit zumindest eine Stromquelle aufweist. Weiterhin ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Referenzwerteinheit mit einem Referenzwerteingang des Komparators verbunden ist. Die Schaltschwelle des Komparator wird somit nicht durch Stromeinspeisung im Eingangszweig des Komparators vor dem Komparator erzeugt, sondern aus Sicht der Speicher- bzw. Demodulationseinheit im Komparator selbst. Die Schwelleneinstellung ist in diesem Sinn in den Komparator integriert.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Auswerteeinheit eine Logikeinheit aufweist, welche die Ergebnisse des Komparators verarbeitet. Die logischen Kombination der Ergebnisse ermöglicht dabei insbesondere die Durchführung von Algorithmen zur Fehlerunterdrückung. Damit ist eine bessere Störunterdrückung als in herkömmlichen Systemen möglich, weil spezielle Filtereigenschaften in digitaler Schaltungstechnik platzsparend aufgebaut und realisiert werden können. Um eine vergleichbare Störunterdrückung mit einem analogen Filter zu realisieren wäre eine unvergleichlich größere Chipfläche nötig.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Takteinheit zumindest einen Oszillator mit einer einstellbaren Oszillatorfrequenz auf. Indem die Oszillatorfrequenz im zwischen den kurzen Betriebsphasen der Sensorvorrichtung in einen sogenannten "Standbymode" geschaltet (d. h. verringert) wird, ist eine zusätzliche Leistungseinsparung möglich. Durch eine Verringerung der Oszillatorfrequenz nimmt der Oszillator, der als einziger Schaltungsteil in der Standbyphase aktiv bleibt, weniger Strom auf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der zeitlichen Abfolge der Taktsignale CLK1, CLK2, CLK3, CP, und CS sowie den zeitlichen Verlauf der Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2,

Fig. 3 den Komparator und die Referenzwerteinheit aus Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung nach dem Stand der Technik,

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Die erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung umfaßt eine Sensoreinheit mit einem Hall-Element 7 sowie einer Verstärkerstufe 8, eine Speichereinheit 3, eine Auswerteeinheit 1 sowie eine Takteinheit 4. Im vorliegenden Beispiel ist die Speichereinheit 3 als eine Demodulationseinheit 3 ausgebildet, welche vier Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 aufweist, die jeweils direkt über die "ersten" Schalter 33 mit der Sensoreinheit verbunden sind.

Weiterhin weist die Demodulationseinheit 3 die "zweiten" Schalter 32 auf, welche die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 mit der Auswerteeinheit 1 verbinden.

Das Hall-Element 7 mißt ein magnetisches Feld, indem ein sogenannter "Hall-Strom I_H" durch das Hall-Element 7 geführt wird, was in Abhängigkeit von der Stärke des magnetischen Feldes eine sogenannte "Hallspannung" zur Folge hat. Diese Hallspannung wird als Eingangssignal über die Verstärkerstufe 8 zu der Demodulationseinheit 3 geführt. Dabei wird die Hallspannung wird durch das sogenannte "Choppen" (getakteten Betrieb) des Hall-Elements 7 und der Verstärkerstufe 8 und der nachfolgenden Demodulation mit Hilfe der Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 offsetbereinigt. Die Steuerung des Ablaufs der Signalverarbeitung übernimmt dabei die Takteinheit 4. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der zeitlichen Abfolge der von der Takteinheit 4 erzeugten Taktsignale CLK1, CLK2, CLK3, CP und CS.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist während der primären Signalverarbeitung das Taktsignal CP und damit die Sensoreinheit mit dem Hall-Element 7 und der Verstärkerstufe 8 aktiv. Während der primären Signalverarbeitung ist das Taktsignal CS und damit die Auswerteeinheit 1 inaktiv. Die primäre Signalverarbeitung erfolgt, indem die während des Taktsignals CLK1 gewonnene Hallspannung differentiell auf den Kondensatoren 1 und 3 und die während des Taktsignals CLK2 gewonnene Hallspannung, deren Vorzeichen durch Auskreuzung vor dem Vorverstärker invertiert wird, auf den Kondensatoren 2 und 4 abgespeichert wird. Dabei setzen die Taktsignale CLK1 und CLK2 zu einer Zeit t2 bzw. t3 nach Inbetriebnahme von Hall-Element 7 und Verstärkerstufe 8 zur Zeit t1 ein. Durch die Taktsignale CLK1 und CLK2 werden insbesondere die entsprechenden die entsprechenden "ersten" Schalter 33 geschlossen.

Danach wird durch das Eintreten des Taktsignals CLK3 zur Zeit t5 die Demodulation des Eingangssignals durch Zusammenschaltung der Kapazitäten 1 und 2 sowie 3 und 4 abgeschlossen. Die Sensoreinheit mit dem Hall-Element 7 und die Verstärkerstufe 8 wird durch das Öffnen der "ersten" Schalter 33 zu den Zeitpunkten t3 bzw. t4 von den Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 getrennt und kann nun zum Zeitpunkt t6 abgeschaltet werden. Das Nutzsignal steht auf den parallel-geschalteten Kapazitäten C1-C2 sowie C3-C4 gespeichert zur Verfügung und kann von der Auswerteeinheit 1, die erst zu Zeitpunkt t7 mit dem Einsetzen des Taktsignals CS in Betrieb genommen wird, weiter verarbeitet werden.

Der Signalverlauf auf den Kapazitäten C1 und C2 ist ebenfalls in Fig. 2 gezeigt. An der Kapazität C1 wird mit Eintreten des Taktsignals CLK1 die Ausgangsspannung der Verstärkerstufe 8 angelegt und verbleibt dort nach Beendigung des Taktsignals CLK1. Ebenso wird die Kapazität C2 während des Taktsignals CLK2 mit der Verstärkerstufe 8 verbunden und die Spannung bleibt nach Beendigung des Taktsignals C2 erhalten. Mit dem Taktsignal CLK3 stellt sich durch Parallelschaltung von der Kapazitäten C1 und C2 der Mittelwert der beiden Spannungen d. h. das demodulierte Signal, auf beiden Kapazitäten ein.

Die sekundäre Signalverarbeitung erfolgt nun in der Auswerteeinheit 1. Im vorliegenden Beispiel umfaßt die Auswerteeinheit 1 einen Komparator 2, eine Referenzwerteinheit 5 und eine Logikeinheit 6. Dabei dient Komparator 2 zur Umwandlung des analogen, auf den Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 gespeicherten Eingangssignals in ein binäres Ausgangssignal.

Zur Einstellung der Komparatorschwelle ist die Referenzwerteinheit 5 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel zwei Referenzwerte für den Komparator 2 bereitstellt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich weist der Komparator 2 eine Eingangsstufe 21 und eine Verstärkerstufe 22 auf. Dabei ist die Eingangsstufe 21 als ein Differenzverstärker mit den Transistoren 23 und 24 aufgebaut. Die Transistoren 23 und 24 sind über die Widerstände 25 und 26 mit einem Bezugspotential, beispielsweise Masse, verbunden. Zwischen dem Transistor 23 und dem Widerstand 25 bzw. zwischen dem Transistor 24 und dem Widerstand 26 sind Anschlüsse angeordnet, welche die Eingangsstufe 21 mit der Referenzwerteinheit 5 verbinden.

Die Referenzwerteinheit 5 umfaßt zwei Stromquellen 51 und 52 sowie die Schaltern SW1 und SW2. Dabei werden die Schalter SW1 und SW2 von den Taktsignalen SW und SWq gesteuert. Die Taktsignale SW und SWq werden ebenfalls von der Takteinheit 4 erzeugt. Ist das Taktsignal SW aktiv und damit der Schalter SW1 geschlossen, wird durch die Stromquelle 51 ein Strom in den Widerstand 25 eingeprägt, so daß ein Spannungsabfall über den Widerstand 25 erzeugt. Dieser Spannungsfall führt zur Einstellung eines ersten Referenzwerts für den Komparator 2. Ist das Taktsignal SWq aktiv und damit der Schalter SW2 geschlossen, wird durch die Stromquelle 52 ein Strom in den Widerstand 26 eingeprägt, so daß ein Spannungsabfall über den Widerstand 26 erzeugt. Dieser Spannungsfall führt zur Einstellung eines zweiten Referenzwerts für den Komparator 2. Die Schaltschwelle des Komparator wird somit nicht durch Stromeinspeisung im Eingangszweig des Komparators vor dem Komparator erzeugt, sondern aus Sicht der Demodulationseinheit im Komparator selbst. Die Schwelleneinstellung ist in diesem Sinn in den Komparator integriert.

Durch die Bereitstellung von zwei Referenzwerten für den Komparator 2 kann, eine entsprechende Auswertelogik (nicht gezeigt) vorausgesetzt, eine deutlich verbesserte Unterdrückung von Störungen in der Signalverarbeitung erzielt werden. Eine entsprechende Schaltungsanordnung für die Auswertelogik ist in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung INF-P10561-DE gezeigt, deren Inhalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung bietet somit ein deutlich reduzierte Leistungsaufnahme während des in der Regel kurzzeitigen Betriebs der gesamten Sensorvorrichtung, da durch ein geeignetes, durch die Takteinheit gesteuertes Ablaufschema das Signal in sequentieller Abfolge so verarbeitet wird, daß die verschiedenen Einheiten der Sensorvorrichtung jeweils nur für einen kurzen, klar definierten Zeitraum im Einsatz sind. Dieser klar definierten Einsatzzeitraum einer Einheit ist in der Regel deutlich kürzer als der Betriebszeitraum der gesamten Sensorvorrichtung. Am Ende der Betriebsphase einer Einheit wird das generierte Signal in einem temporären Zwischenspeicher gespeichert und danach die jeweilige Einheit abgeschaltet und die nächstfolgende Einheit erfüllt ihre Funktion mit der zwischengespeicherten Information.

Claims (12)

1. Sensorvorrichtung mit zumindest einer Sensoreinheit (7, 8) zur Umwandlung zumindest einer Meßgröße in zumindest ein elektrisches Signal, zumindest einer Speichereinheit (3) zur temporären Speicherung des elektrischen Signals, zumindest einer Auswerteeinheit (1) zur Auswertung des in der Speichereinheit (3) gespeicherten elektrischen Signals und zumindest einer Takteinheit (4), wobei die Leistungsaufnahme der Sensoreinheit (7, 8) zur Umwandlung der Meßgröße in das elektrische Signal gesteuert durch die Takteinheit (4) zu vorgegebenen Zeiten oder auf externe Anforderung gestartet wird und die Leistungsaufnahme der Sensoreinheit (7, 8) gesteuert durch die Takteinheit (4) beendet wird nachdem das elektrische Signal in der Speichereinheit (3) gespeichert ist.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsaufnahme der Auswerteeinheit (1) zur Auswertung des in der Speichereinheit (3) gespeicherten elektrischen Signals gesteuert durch die Takteinheit (4) gestartet wird nachdem das elektrische Signal in der Speichereinheit (3) gespeichert ist und die Leistungsaufnahme der Auswerteeinheit (1) gesteuert durch die Takteinheit zu vorgegebenen Zeiten oder auf externe Anforderung beendet wird.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (7, 8) über zumindest einen ersten, von der Takteinheit (4) gesteuerten Schalter (33) mit der Speichereinheit (3) verbunden ist.

4. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit (3) über zumindest einen zweiten, von der Takteinheit (4) gesteuerten Schalter (32) mit der Auswerteeinheit (1) verbunden ist.

5. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichereinheit (3) zumindest eine Demodulationseinheit (3) mit zumindest einem Kondensator (C1, C2, C3, C4) vorgesehen ist.

6. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (1) zumindest einen Komparator (2) aufweist.

7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Referenzwerteinheit (5) vorgesehen ist, die zumindest einen Referenzwert für den Komparator (2) bereitstellt.

8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwerteinheit (5) zumindest eine Stromquelle (51, 52) aufweist.

9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwerteinheit (5) mit einem Referenzwerteingang des Komparators (2) verbunden ist.

10. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit eine Logikeinheit (6) aufweist, welche die Ergebnisse des Komparators (2) verarbeitet.

11. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Takteinheit (4) zumindest einen Oszillator mit einer einstellbaren Oszillatorfrequenz aufweist.

12. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (7, 8) zumindest eine Verstärkerstufe (8) aufweist.