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DE102009001684B4 - Calibration of an evaluation circuit - Google Patents

Calibration of an evaluation circuit

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DE102009001684B4
DE102009001684B4 DE102009001684.8A DE102009001684A DE102009001684B4 DE 102009001684 B4 DE102009001684 B4 DE 102009001684B4 DE 102009001684 A DE102009001684 A DE 102009001684A DE 102009001684 B4 DE102009001684 B4 DE 102009001684B4
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circuit
evaluation
amplifier
voltage
transconductance amplifier
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Reinhard NOPPER
Remigius Niekrawietz
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Verfahren zum Kalibrieren einer Auswerteschaltung (200) zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz (f0) eines elektrischen Schwingkreises (100), wobei die Auswerteschaltung (200) eine Auswertespule (220), einen Transkonduktanzverstärker (210) und eine Kompensationsschaltung (230) aufweist,
wobei die Auswertespule (220) induktiv an den elektrischen Schwingkreis (100) ankoppelbar ist,
wobei ein Ausgang des Transkonduktanzverstärkers (210) über einen Rückkopplungszweig (260) mit einem Eingang des Transkonduktanzverstärkers (210) verbunden ist,
wobei die Auswertespule (220) im Rückkopplungszweig (260) des Transkonduktanzverstärkers (210) angeordnet ist,
wobei die Kompensationsschaltung (230) parallel zu Transkonduktanzverstärker (210) und Auswertespule (220) angeordnet ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Unterbrechen des Rückkopplungszweigs (260) der Auswerteschaltung (200);
- Anlegen einer Wechselspannung (425) an den Eingang des Transkonduktanzverstärkers (210);
- Ermitteln einer am Ausgang des Spannungsverstärkers (240) anliegenden Ausgangsspannung (415);
- Einstellen eines Verstärkungsfaktors (G) des Transkonduktanzverstärkers (210) auf einen Wert, der so gewählt wird, dass die am Ausgang des Spannungsverstärkers (240) anliegende Ausgangsspannung (415) eine minimale Amplitude aufweist;
- Schließen des Rückkopplungszweigs (260) der Auswerteschaltung (200). Method for calibrating an evaluation circuit (200) for determining a resonant frequency (f0) of an electrical resonant circuit (100), wherein the evaluation circuit (200) comprises an evaluation coil (220), a transconductance amplifier (210) and a compensation circuit (230),
wherein the evaluation coil (220) can be inductively coupled to the electrical resonant circuit (100),
wherein an output of the transconductance amplifier (210) is connected via a feedback branch (260) to an input of the transconductance amplifier (210),
wherein the evaluation coil (220) is arranged in the feedback branch (260) of the transconductance amplifier (210),
wherein the compensation circuit (230) is arranged in parallel to the transconductance amplifier (210) and evaluation coil (220),
the procedure comprises the following steps:
- Interrupting the feedback branch (260) of the evaluation circuit (200);
- Applying an alternating voltage (425) to the input of the transconductance amplifier (210);
- Determining an output voltage (415) present at the output of the voltage amplifier (240);
- Adjusting the gain factor (G) of the transconductance amplifier (210) to a value chosen such that the output voltage (415) at the output of the voltage amplifier (240) has a minimum amplitude;
- Closing the feedback branch (260) of the evaluation circuit (200).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Auswerteschaltung gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Auswerteschaltung gemäß Patentanspruch 6.The invention relates to a method for calibrating an evaluation circuit according to claim 1 and an evaluation circuit according to claim 6.

Das Dokument US 2006 / 0 061 351 A1 beschreibt einen Sensor und ein Verfahren mit Rauschkompensation.The document US 2006 / 0 061 351 A1 describes a sensor and a method with noise compensation.

Das Dokument US 2005 / 0 062 484 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Metallziel-Nähedetektion auf lange Distanzen.The document US 2005 / 0 062 484 A1 discloses a method and a device for detecting metal targets at close range over long distances.

Es ist bekannt, zum Detektieren physikalischer Messgrößen wie Druck, Kraft, Feuchtigkeit und Temperatur LC-Schwingkreise zu verwenden, deren Resonanzfrequenz sich in Abhängigkeit der jeweiligen Messgröße ändert. Derartige passive Sensor-Schwingkreise benötigen keine eigene Spannungsversorgung und erlauben ein kontaktloses Auslesen. Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der physikalischen Messgröße kann beispielsweise durch eine Verwendung kapazitiver, induktiver oder resistiver elektronischer Bauelemente im LC-Schwingkreis hergestellt werden, deren elektrische Kapazität, elektrische Induktivität oder deren elektrischer Widerstand sich unter dem Einfluss der physikalischen Messgröße ändert. Derartige Sensoren wurden beispielsweise durch J. C. Butler und andere ( John C. Butler, Anthony J. Vigliotti, Fred W. Verdi and Shawn M. Walsh: Wireless, passive, resonant-circuit, inductively coupled, inductive strain sensor. Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 102, Issues 1-2, pp. 61-66, 2002 ) und durch P. J. Chen und andere ( Po-Jui Chen, Damien C. Rodger, Saloomeh Saati, Mark S. Humayun, and Yu-Chong Tai: Implantable Parylene-Based Wireless Intraocular Pressure Sensor. 21st IEEE Int. Conf. On MEMS 2008, pp. 58-61, 2008 ) beschrieben.It is known to use LC resonant circuits to detect physical quantities such as pressure, force, humidity, and temperature. The resonant frequency of these circuits changes depending on the measured quantity. Such passive sensor circuits do not require their own power supply and allow for contactless readout. The dependence of the resonant frequency on the physical quantity can be achieved, for example, by using capacitive, inductive, or resistive electronic components in the LC resonant circuit, whose electrical capacitance, inductance, or resistance changes under the influence of the measured quantity. Such sensors have been developed, for example, by JC Butler and others ( John C. Butler, Anthony J. Vigliotti, Fred W. Verdi and Shawn M. Walsh: Wireless, passive, resonant-circuit, inductively coupled, inductive strain sensor. Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 102, Issues 1-2, pp. 61-66, 2002 ) and by PJ Chen and others ( Po-Jui Chen, Damien C. Rodger, Saloomeh Saati, Mark S. Humayun, and Yu-Chong Tai: Implantable Parylene-Based Wireless Intraocular Pressure Sensor. 21st IEEE Int. Conf. On MEMS 2008, pp. 58-61, 2008 ) described.

Zum Auslesen solcher LC-Schwingkreise muss die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises ermittelt werden. Aus Änderungen dieser Resonanzfrequenz kann dann auf Änderungen der zugeordneten physikalischen Messgröße zurückgeschlossen werden. Es ist bekannt, die Resonanzfrequenz von LC-Schwingkreisen mittels Dipmetern zu bestimmen. Solche Dipmeter weisen einen durchstimmbaren Oszillator und eine von außen zugängliche Spule auf. Die Spule wird dem auszulesenen LC-Schwingkreis angenähert, um eine induktive Kopplung herzustellen. Die Frequenz des die Spule antreibenden Oszillators wird über einen vorgegebenen Wertebereich variiert. Stimmt die Schwingfrequenz des Dipmeters mit der Resonanzfrequenz des Sensor-Schwingkreises überein, so absorbiert der Sensor-Schwingkreis Schwingungsenergie des Oszillators des Dipmeters, was zu einem messbaren Abfall der Schwingungsenergie des Oszillators des Dipmeters führt und auf diese Weise eine Bestimmung der Resonanzfrequenz des LC-Sensor-Schwingkreises ermöglicht. Ein Nachteil solcher Dipmeter besteht im erforderlichen Durchfahren des Frequenzbereichs, das die maximal mögliche Messgeschwindigkeit beschränkt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Spule des Dipermeters lediglich schwach induktiv an den LC-Schwingkreis angekoppelt werden darf, da es sonst zu einer Verfälschung der Eigenfrequenz des LC-Schwingkreises kommt.To read out such LC resonant circuits, the resonant frequency of the LC circuit must be determined. Changes in this resonant frequency can then be used to infer changes in the associated physical quantity. It is known to determine the resonant frequency of LC resonant circuits using dip meters. Such dip meters have a tunable oscillator and an externally accessible coil. The coil is brought close to the LC resonant circuit to be read out in order to establish inductive coupling. The frequency of the oscillator driving the coil is varied over a predetermined range. If the oscillation frequency of the dip meter matches the resonant frequency of the sensor circuit, the sensor circuit absorbs vibrational energy from the dip meter's oscillator, leading to a measurable drop in the vibrational energy of the dip meter's oscillator and thus enabling the determination of the resonant frequency of the LC sensor circuit. A disadvantage of such dip meters is the requirement to sweep through the frequency range, which limits the maximum possible measurement speed. Another disadvantage is that the coil of the dimeter may only be weakly inductively coupled to the LC resonant circuit, otherwise the natural frequency of the LC resonant circuit will be distorted.

M. Nowak und andere ( M. Nowak, N. Delorme, F. Conseil, G. Jacquemod: A novel architecture for remote interrogation of wireless battery-free capacitive sensors. 13th IEEE Conf. on Electronics, Circuits and Systems 2006, pp. 1236-1239, 2006 ) haben die Verwendung einer Oszillatorschaltung, die den induktiv gekoppelten LC-Sensorschwingkreis als frequenzbestimmendes Resonatorelement in der Rückkopplung eines Verstärkers nutzt, vorgeschlagen. Ein Vorteil dieser Schaltung besteht in der direkten Umsetzung der Messgröße in eine Frequenz einer elektrischen Schwingung. Die Frequenz kann anschließend mithilfe einer bekannten Referenzschwingung, beispielsweise eines Quarzoszillators, einfach und präzise bestimmt werden. Allerdings setzt ein solches Auswertesystem eine starke induktive Kopplung zwischen dem Auswertesystem und dem LC-Schwingkreis voraus. Bei zu schwacher induktiver Kopplung wird die effektive Impedanz des Rückkopplungszweiges durch den Frequenzgang der Auswertespule dominiert, so dass sich keine Oszillation einstellt. Nowak et al. haben daher die Verwendung einer aktiven Kompensationsschaltung vorgeschlagen, die den Frequenzgang der Auswertespule kompensiert. Für eine korrekte Funktion der Schaltung ist eine präzise Dimensionierung der Kompensationsschaltung notwendig. Dies hat zur Folge, dass Fertigungsschwankungen und lebensdauer- und temperaturbedingte Parameterveränderungen die Funktionalität der Schaltung erheblich beeinträchtigen.M. Nowak and others ( M. Nowak, N. Delorme, F. Conseil, G. Jacquemod: A novel architecture for remote interrogation of wireless battery-free capacitive sensors. 13th IEEE Conf. on Electronics, Circuits and Systems 2006, pp. 1236-1239, 2006 Nowak et al. have proposed the use of an oscillator circuit that utilizes the inductively coupled LC sensor resonant circuit as the frequency-determining resonator element in the feedback loop of an amplifier. One advantage of this circuit is the direct conversion of the measured quantity into the frequency of an electrical oscillation. The frequency can then be determined simply and precisely using a known reference oscillation, such as a quartz oscillator. However, such an evaluation system requires strong inductive coupling between the evaluation system and the LC resonant circuit. If the inductive coupling is too weak, the effective impedance of the feedback loop is dominated by the frequency response of the evaluation coil, preventing oscillation. Nowak et al. have therefore proposed the use of an active compensation circuit that compensates for the frequency response of the evaluation coil. Precise dimensioning of the compensation circuit is necessary for correct operation. Consequently, manufacturing variations and parameter changes due to lifetime and temperature can significantly impair the functionality of the circuit.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Auswerteschaltung anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Auswerteschaltung zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Auswerteschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object of the present invention is to provide a method for calibrating an evaluation circuit. This object is achieved by a method with the features of claim 1. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an improved evaluation circuit for determining the resonant frequency of an electrical resonant circuit. This object is achieved by an evaluation circuit with the features of claim 6. Preferred embodiments are specified in the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kalibrieren einer Auswerteschaltung zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises betrifft eine Auswerteschaltung mit einer Auswertespule, einem Transkonduktanzverstärker und einer Kompensationsschaltung. Dabei ist die Auswertespule induktiv an den elektrischen Schwingkreis ankoppelbar, ein Ausgang des Transkonduktanzverstärkers über einen Rückkopplungszweig mit einem Eingang des Transkonduktanzverstärkers verbunden, die Auswertespule im Rückkopplungszweig des Transkonduktanzverstärkers angeordnet und die Kompensationsschaltung parallel zu Transkonduktanzverstärker und Auswertespule angeordnet. Das Verfahren umfasst Schritte zum Unterbrechen des Rückkopplungszweigs der Auswerteschaltung, zum Anlegen einer Wechselspannung an den Eingang des Transkonduktranzverstärkers, zum Ermitteln einer am Ausgang des Spannungsverstärkers anliegenden Ausgangsspannung, zum Einstellen eines Verstärkungsfaktors des Transkonduktanzverstärkers auf einen Wert, der so gewählt wird, dass die am Ausgang des Spannungsverstärkers anliegende Ausgangsspannung eine minimale Amplitude aufweist, und zum Schließen des Rückkopplungszweigs der Auswerteschaltung. Vorteilhafterweise erlaubt es dieses Verfahren, auf eine aufwendige Kalibrierung der Kompensationsschaltung vor der Inbetriebnahme der Auswerteschaltung zu verzichten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine hinreichende Stabilität des Auswertesystems in Hinblick auf temperatur- und lebensdauerbedingte Veränderungen von Bauteilwerten gewährleistet wird.A method according to the invention for calibrating an evaluation circuit to determine The method, which involves a resonant frequency of an electrical resonant circuit, concerns an evaluation circuit with an evaluation coil, a transconductance amplifier, and a compensation circuit. The evaluation coil can be inductively coupled to the electrical resonant circuit, an output of the transconductance amplifier is connected to an input of the transconductance amplifier via a feedback loop, the evaluation coil is arranged in the feedback loop of the transconductance amplifier, and the compensation circuit is arranged in parallel with the transconductance amplifier and the evaluation coil. The method comprises steps for interrupting the feedback loop of the evaluation circuit, applying an AC voltage to the input of the transconductance amplifier, determining an output voltage at the output of the voltage amplifier, adjusting the gain of the transconductance amplifier to a value chosen such that the output voltage at the output of the voltage amplifier has a minimum amplitude, and closing the feedback loop of the evaluation circuit. Advantageously, this method eliminates the need for complex calibration of the compensation circuit before commissioning the evaluation circuit. A further advantage is that it ensures sufficient stability of the evaluation system with regard to temperature- and lifetime-related changes in component values.

Bevorzugt wird der Verstärkungsfaktor des Transkonduktanzverstärkers mit einer Regelschleife so eingestellt, dass die am Ausgang des Spannungsverstärkers anliegende Ausgangsspannung einen Betrag unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, insbesondere einen minimalen Betrag aufweist. Vorteilhafterweise lässt sich die Einstellung des Verstärkungsfaktors durch Verwendung einer Regelschleife automatisieren. Außerdem erhöht die Verwendung einer Regelschleife die Störunanfälligkeit des vorgeschlagenen Verfahrens.Preferably, the gain of the transconductance amplifier is adjusted by a control loop such that the output voltage at the output of the voltage amplifier is below a predetermined threshold, in particular a minimum value. Advantageously, the adjustment of the gain can be automated by using a control loop. Furthermore, the use of a control loop increases the robustness of the proposed method.

In einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst die Auswerteschaltung außerdem einen Spannungsverstärker, der seriell zur Auswertespule im Rückkopplungszweig des Transkonduktanzverstärkers angeordnet ist, wobei das Verfahren weiter einen nach vorgenannten Schritten auszuführenden Schritt zum Einstellen eines Verstärkungsfaktors des Spannungsverstärkers auf einen Wert aufweist, wobei der Wert so gewählt wird, dass sich in der Auswerteschaltung eine Oszillation mit zeitlich konstanter Amplitude einstellt. Vorteilhafterweise wird durch diesen Verfahrensschritt sichergestellt, dass die Auswerteschaltung das Barkhausen-Kriterium erfüllt, welches besagt, dass die Schleifenverstärkung der offenen Oszillatorschleife bei der Sensorresonanzfrequenz gleich eins sein muss. Dadurch ist sichergestellt, dass sich in der Auswerteschaltung eine stabile Oszillation auf der Sensorresonanzfrequenz einstellt.In a further development of the method, the evaluation circuit also includes a voltage amplifier arranged in series with the evaluation coil in the feedback branch of the transconductance amplifier. The method further includes a step, performed according to the aforementioned steps, to adjust the gain of the voltage amplifier to a specific value. This value is chosen such that an oscillation with a constant amplitude is established in the evaluation circuit. Advantageously, this step ensures that the evaluation circuit fulfills the Barkhausen criterion, which states that the loop gain of the open oscillator loop must be equal to one at the sensor resonant frequency. This ensures that a stable oscillation at the sensor resonant frequency is established in the evaluation circuit.

Bevorzugt wird der Verstärkungsfaktor des Spannungsverstärkers mit einer Regelschleife so eingestellt, dass sich in der Auswerteschaltung eines Oszillation mit zeitlich konstanter Amplitude einstellt. Die Verwendung einer Regelschleife bietet den Vorteil, dass sich die Einstellung des Verstärkungsfaktors automatisieren lässt und sich unempfindlich gegenüber Störeinflüssen verhält.Preferably, the gain of the voltage amplifier is adjusted using a control loop so that an oscillation with a constant amplitude is established in the evaluation circuit. Using a control loop offers the advantage that the gain adjustment can be automated and is insensitive to interference.

Zweckmäßigerweise weicht die Frequenz der Wechselspannung mindestens um das dreifache der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises geteilt durch die Güte des elektrischen Schwingkreises von der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises ab. Dies hat den Vorteil, dass der Einfluss des elektrischen Schwingkreises auf den Frequenzgang des Transkonduktranzverstärkers dann vemachlässigt werden kann.Advantageously, the frequency of the alternating voltage should deviate from the resonant frequency of the electrical resonant circuit by at least three times the resonant frequency of the electrical resonant circuit divided by the quality factor of the electrical resonant circuit. This has the advantage that the influence of the electrical resonant circuit on the frequency response of the transconductance amplifier can then be neglected.

Eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz eines elektrischen Schwingkreises weist eine Auswertespule, einen Transkonduktanzverstärker, eine Kompensationsschaltung und einen Spannungsverstärker auf. Dabei ist die Auswertespule induktiv an den elektrischen Schwingkreis ankoppelbar, ein Ausgang des Transkonduktanzverstärkers über einen Rückkopplungszweig mit einem Eingang des Transkonduktanzverstärkers verbunden, die Auswertespule im Rückkopplungszweig des Transkonduktanzverstärkers angeordnet, die Kompensationsschaltung parallel zu Transkonduktanzverstärker und Auswertespule angeordnet, der Spannungsverstärker seriell zur Auswertespule im Rückkopplungszweig des Transkonduktanzverstärkers angeordnet, im Rückkopplungszweig des Transkonduktanzverstärkers ein Schalter zum Auftrennen des Rückkopplungszweigs vorgesehen, der Eingang des Transkonduktanzverstärkers mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar und der Ausgang des Spannungsverstärkers mit einem Spannungsmessgerät verbindbar. Vorteilhafterweise gestattet diese Auswerteschaltung eine Kalibrierung zur Kompensation von alterungsbedingten und temperaturabhängigen Effekten.An evaluation circuit according to the invention for determining the resonant frequency of an electrical resonant circuit comprises an evaluation coil, a transconductance amplifier, a compensation circuit, and a voltage amplifier. The evaluation coil can be inductively coupled to the electrical resonant circuit, an output of the transconductance amplifier is connected to an input of the transconductance amplifier via a feedback loop, the evaluation coil is arranged in the feedback loop of the transconductance amplifier, the compensation circuit is arranged in parallel with the transconductance amplifier and the evaluation coil, the voltage amplifier is arranged in series with the evaluation coil in the feedback loop of the transconductance amplifier, a switch for disconnecting the feedback loop is provided in the feedback loop of the transconductance amplifier, the input of the transconductance amplifier can be connected to an AC voltage source, and the output of the voltage amplifier can be connected to a voltmeter. Advantageously, this evaluation circuit allows calibration to compensate for aging-related and temperature-dependent effects.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Auswerteschaltung sind das Spannungsmessgerät und der Transkonduktanzverstärker mit einer Regelungseinrichtung verbindbar, die dazu ausgebildet ist, einen Verstärkungsfaktor des Transkonduktanzverstärkers so einzustellen, dass eine durch das Spannungsmessgerät detektierte Ausgangsspannung eine Amplitude unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, insbesondere eine minimale Amplitude aufweist. Ein Vorteil einer solchen Regelungseinrichtung besteht darin, dass sie ein automatisches und störunempfindliches Einstellen des Verstärkungsfaktors des Transkonduktanzverstärkers ermöglicht.In a preferred embodiment of the evaluation circuit, the voltmeter and the transconductance amplifier can be connected to a control device configured to adjust the gain of the transconductance amplifier such that an output voltage detected by the voltmeter has an amplitude below a predetermined threshold, in particular a minimum amplitude. An advantage of such a control device is... The feature consists of enabling automatic and interference-resistant adjustment of the gain factor of the transconductance amplifier.

Zweckmäßigerweise weist die Kompensationsschaltung einen negierten Frequenzgang einer Spule mit ohmschem Wicklungswiderstand auf. Vorteilhafterweise kompensiert die Kompensationsschaltung dann den Frequenzgang der Auswertespule und bewirkt, dass die effektive Lastimpedanz des Transkonduktanzverstärkers bei der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises eine Phasennullstelle und ein Betragsmaximum aufweist.Advantageously, the compensation circuit exhibits a negated frequency response of a coil with ohmic winding resistance. The compensation circuit then advantageously compensates the frequency response of the evaluation coil, causing the effective load impedance of the transconductance amplifier to have a phase zero and a magnitude maximum at the resonant frequency of the electrical resonant circuit.

Gemäß einer Ausführungsform der Auswerteschaltung weist die Kompensationsschaltung einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem mit einem Ausgang der Kompensationsschaltung verbundenen Ausgang, einen zwischen einem Eingang der Kompensationsschaltung und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordneten Kompensationswiderstand, einen dem Kompensationswiderstand parallel geschalteten Kompensationskondensator und einen zwischen dem Ausgang der Kompensationsschaltung und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordneten Gegenkoppelwiderstand auf.According to one embodiment of the evaluation circuit, the compensation circuit comprises an operational amplifier with an inverting input, a non-inverting input and an output connected to an output of the compensation circuit, a compensation resistor arranged between an input of the compensation circuit and the inverting input of the operational amplifier, a compensation capacitor connected in parallel to the compensation resistor and a negative feedback resistor arranged between the output of the compensation circuit and the inverting input of the operational amplifier.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Auswerteschaltung weist die Kompensationsschaltung einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem mit einem Ausgang der Kompensationsschaltung verbundenen Ausgang und einen zwischen einem Eingang der Kompensationsschaltung und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordneten Kompensationswiderstand auf, wobei zwischen dem Ausgang der Kompensationsschaltung und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers seriell angeordnet ein Gegenkoppelwiderstand und eine Gegenkoppelspule vorgesehen sind.According to another embodiment of the evaluation circuit, the compensation circuit has an operational amplifier with an inverting input, a non-inverting input and an output connected to an output of the compensation circuit, and a compensation resistor arranged between an input of the compensation circuit and the inverting input of the operational amplifier, wherein a negative feedback resistor and a negative feedback coil are provided in series between the output of the compensation circuit and the inverting input of the operational amplifier.

Zweckmäßigerweise sind in der Auswerteschaltung schaltungstechnische Mittel vorgesehen, eine Amplitude einer Oszillation in der Auswerteschaltung zu ermitteln.It is advantageous to provide circuit-related means in the evaluation circuit to determine the amplitude of an oscillation in the evaluation circuit.

Bevorzugt weist die Auswerteschaltung auch einen digitalen Zähler zum Ermitteln einer Frequenz einer Oszillation in der Auswerteschaltung auf.Preferably, the evaluation circuit also includes a digital counter for determining the frequency of an oscillation in the evaluation circuit.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines elektrischen Schwingkreises;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Auswerteschaltung;
  • 3 ein Blockschaltbild einer Kompensationsschaltung und
  • 4 eine schematische Darstellung einer Auswerteschaltung während eines Kalibrierungsvorgangs.
The invention will now be explained in more detail with reference to the attached figures. They show:
  • 1 a schematic view of an electrical resonant circuit;
  • 2 a schematic representation of an evaluation circuit;
  • 3 a block diagram of a compensation circuit and
  • 4 A schematic representation of an evaluation circuit during a calibration process.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild eines Schwingkreises 100. Der Schwingkreis 100 ist zur Verwendung als passiver Sensor für physikalische Messgrößen wie Druck, Kraft, Feuchtigkeit oder Temperatur geeignet und wird im Folgenden auch als LC- oder Sensor-Schwingkreis bezeichnet. 1 Figure 1 shows a schematic block diagram of a resonant circuit 100. The resonant circuit 100 is suitable for use as a passive sensor for physical quantities such as pressure, force, humidity or temperature and is also referred to below as an LC or sensor resonant circuit.

Der Schwingkreis 100 umfasst eine Sensorinduktivität 110, eine Sensorkapazität 120 und einen Sensorwiderstand 130, die seriell im Schwingkreis 100 angeordnet sind. Bei der Sensorinduktivität 110 kann es sich um eine Spule handeln. Bei der Sensorkapazität 120 kann es sich um einen Kondensator handeln. Beim Sensorwiderstand 130 kann es sich beispielsweise um den elektrischen Widerstand der Spule, die die Sensorinduktivität 110 bildet, und um den Widerstand der die Bauteile 110, 120, 130 verbindenden Leitungen handeln. Die Sensorinduktivität 110 und/oder die Sensorkapazität 120 können sich in Abhängigkeit von einer äußeren physikalischen Messgröße ändern. Beispielsweise kann es sich bei der Sensorkapazität 120 um einen Kondensator handeln, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit eines äußeren Drucks ändert.The resonant circuit 100 comprises a sensor inductance 110, a sensor capacitance 120, and a sensor resistance 130, which are arranged in series within the resonant circuit 100. The sensor inductance 110 can be an inductor. The sensor capacitance 120 can be a capacitor. The sensor resistance 130 can, for example, be the electrical resistance of the inductor forming the sensor inductance 110 and the resistance of the leads connecting components 110, 120, and 130. The sensor inductance 110 and/or the sensor capacitance 120 can change depending on an external physical quantity. For example, the sensor capacitance 120 can be a capacitor whose capacitance changes depending on an external pressure.

Der Schwingkreis 100 weist eine Resonanzfrequenz f0 auf, die von den Größen der Sensorinduktivität 110 und der Sensorkapazität 120 abhängt. Die Resonanzfrequenz f0 wird auch als Eigenfrequenz bezeichnet. Falls die Sensorinduktivität 110 und/oder die Sensorkapazität 120 von einer äußeren physikalischen Messgröße abhängig sind, so ist auch die Resonanzfrequenz f0 von der äußeren physikalischen Messgröße abhängig.The resonant circuit 100 has a resonant frequency f0, which depends on the values of the sensor inductance 110 and the sensor capacitance 120. The resonant frequency f0 is also referred to as the natural frequency. If the sensor inductance 110 and/or the sensor capacitance 120 depend on an external physical quantity, then the resonant frequency f0 also depends on the external physical quantity.

2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteschaltung 200, die zum Ermitteln der Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises 100 geeignet ist. Die Auswerteschaltung 200 umfasst einen Transkonduktanzverstärker 210, eine Auswertespule 220, eine Kompensationsschaltung 230 und einen Spannungsverstärker 240. Beim Transkonduktanzverstärker 210 kann es sich um eine spannungsgesteuerte Stromquelle handeln. Ein Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 210 ist über einen Rückkopplungszweig 260 mit einem Eingang des Transkonduktanzverstärkers 210 verbunden. Die Auswertespule 220 und der Spannungsverstärker 240 sind seriell hintereinander im Rückkopplungszweig 260 angeordnet. Die Kompensationsschaltung 230 ist dem Transkonduktanzverstärker 210 und der Auswertespule 220 parallel geschaltet. Der Eingang der Kompensationsschaltung 230 ist somit mit dem Ausgang des Spannungsverstärkers 240 verbunden, während der Ausgang der Kompensationsschaltung 230 mit einem Additionspunkt 250 verbunden ist, der im Rückkopplungszweig 260 zwischen der Auswertespule 220 und dem Spannungsverstärker 240 liegt. 2 Figure 1 shows a schematic block diagram of an evaluation circuit 200 suitable for determining the resonant frequency f0 of the resonant circuit 100. The evaluation circuit 200 comprises a transconductance amplifier 210, an evaluation coil 220, a compensation circuit 230, and a voltage amplifier 240. The transconductance amplifier 210 can be a voltage-controlled current source. An output of the transconductance amplifier 210 is connected to an input of the transconductance amplifier 210 via a feedback loop 260. The evaluation coil 220 and the voltage amplifier The components 240 are arranged in series in the feedback branch 260. The compensation circuit 230 is connected in parallel to the transconductance amplifier 210 and the evaluation coil 220. The input of the compensation circuit 230 is thus connected to the output of the voltage amplifier 240, while the output of the compensation circuit 230 is connected to an addition point 250 located in the feedback branch 260 between the evaluation coil 220 and the voltage amplifier 240.

Die Auswertespule 220 kann induktiv bzw. transformatorisch an die Sensorinduktivität 110 des Sensor-Schwingkreises 100 gekoppelt werden. Dazu werden die Sensorinduktivität 110 und die Auswertespule 220 einander derart angenähert, dass sich die Sensorinduktivität 110 im Nahfeld eines durch die Auswertespule 220 erzeugten elektromagnetischen Feldes befindet. Die Auswerteschaltung 200 bildet dann eine Oszillatorschaltung, die den transformatorisch gekoppelten Sensor-Schwingkreis 100 als frequenzbestimmendes Resonatorelement in der Rückkopplung 260 des Transkonduktanzverstärkers 210 nutzt. Ein Vorteil dieser Schaltung besteht in der direkten Umsetzung der durch den SensorSchwingkreis 100 detektierten physikalischen Messgröße in eine Frequenz einer Schwingung in der Auswerteschaltung 200. Diese Frequenz kann anschließend - mithilfe einer bekannten Referenzschwingung einfach und präzise bestimmt werden, um die Messgröße zu ermitteln.The evaluation coil 220 can be inductively or transformer-coupled to the sensor inductance 110 of the sensor resonant circuit 100. For this purpose, the sensor inductance 110 and the evaluation coil 220 are brought close to each other such that the sensor inductance 110 is located in the near field of an electromagnetic field generated by the evaluation coil 220. The evaluation circuit 200 then forms an oscillator circuit that uses the transformer-coupled sensor resonant circuit 100 as the frequency-determining resonator element in the feedback 260 of the transconductance amplifier 210. One advantage of this circuit is the direct conversion of the physical quantity detected by the sensor resonant circuit 100 into a frequency of an oscillation in the evaluation circuit 200. This frequency can then be easily and precisely determined using a known reference oscillation to ascertain the measured quantity.

Durch die induktive Kopplung der Auswertespule 220 an die Sensorinduktivität 110 ergibt sich eine effektive Impedanz des Rückkopplungszweiges 260, deren Größe von der Sensorinduktivität 110, der Sensorkapazität 120 und dem Sensorwiderstand 130 abhängt. Bei lediglich schwacher induktiver Kopplung zwischen der Auswertespule 220 und der Sensorinduktivität 110 wird die effektive Impedanz des Rückkoppelzweiges 260 jedoch alleine durch den Frequenzgang der Auswertespule 220 dominiert. In diesem Fall eilt die Eingangsspannung des Transkonduktanzverstärkers 210 dem Ausgangsstrom des Transkonduktanzverstärkers 210 für alle Frequenzen um beinahe 90° voraus, so dass sich in der Auswerteschaltung 200 keine Oszillation ausbildet. Damit sich in der Auswerteschaltung 200 eine Oszillation mit der Eigenfrequenz f0 des Sensor-Schwingkreises 100 einstellt, muss die effektive Impedanz des Rückkopplungszweiges 260 bei der Resonanzfrequenz f0 eine Phase von 0° aufweisen. Deshalb weist die Auswerteschaltung 200 die Kompensationsschaltung 230 auf, die den Frequenzgang der Auswertespule 220 kompensiert, so dass die effektive Lastimpedanz des Transkonduktanzverstärkers 210 bei der Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreise 100 eine Phasennullstelle und ein Betragsmaximum aufweist. Die effektive Lastimpedanz des Transkonduktanzverstärkers 210 entspricht dann qualitativ dem Frequenzgang eines LC-Parallelschwingkreises. Als Kompensationsschaltung 230 eignet sich prinzipiell jede Schaltung, die einen inversen Frequenzgang einer Spule aufweist. Beispielsweise kann die Kompensationsschaltung 230 als negativer Impendanzkonverter aufgebaut sein.The inductive coupling of the evaluation coil 220 to the sensor inductance 110 results in an effective impedance of the feedback branch 260, the magnitude of which depends on the sensor inductance 110, the sensor capacitance 120, and the sensor resistance 130. However, with only weak inductive coupling between the evaluation coil 220 and the sensor inductance 110, the effective impedance of the feedback branch 260 is dominated solely by the frequency response of the evaluation coil 220. In this case, the input voltage of the transconductance amplifier 210 leads the output current of the transconductance amplifier 210 by almost 90° for all frequencies, so that no oscillation develops in the evaluation circuit 200. For the evaluation circuit 200 to oscillate at the natural frequency f0 of the sensor resonant circuit 100, the effective impedance of the feedback branch 260 must have a phase of 0° at the resonant frequency f0. Therefore, the evaluation circuit 200 includes the compensation circuit 230, which compensates for the frequency response of the evaluation coil 220, so that the effective load impedance of the transconductance amplifier 210 exhibits a phase zero and a magnitude maximum at the resonant frequency f0 of the resonant circuit 100. The effective load impedance of the transconductance amplifier 210 then qualitatively corresponds to the frequency response of an LC parallel resonant circuit. In principle, any circuit that exhibits an inverse frequency response of a coil is suitable as the compensation circuit 230. For example, the compensation circuit 230 can be implemented as a negative impedance converter.

In 3 ist eine mögliche Ausführungsform einer Kompensationsschaltung 230 schematisch dargestellt. Die Kompensationsschaltung 230 der 3 weist einen Operationsverstärker 300 mit einem invertierenden Eingang 310 und einem nicht-invertierenden Eingang 320 auf. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 300 ist mit einem Ausgang 370 der Kompensationsschaltung 230 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 300 ist außerdem über einen Gegenkoppelwiderstand 350 mit dem invertierenden Eingang 310 des Operationsverstärkers 300 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang 320 des Operationsverstärkers 300 ist mit einem Masseanschluss verbunden. Der invertierende Eingang 310 des Operationsverstärkers 300 ist über einen Kompensationswiderstand 330 mit einem Eingang 360 der Kompensationsschaltung 230 verbunden. Dem Kompensationswiderstand 330 ist ein Kompensationskondensator 340 parallel geschaltet.In 3 A possible embodiment of a compensation circuit 230 is shown schematically. The compensation circuit 230 of the 3 The circuit comprises an operational amplifier 300 with an inverting input 310 and a non-inverting input 320. One output of the operational amplifier 300 is connected to an output 370 of the compensation circuit 230. The output of the operational amplifier 300 is also connected to the inverting input 310 of the operational amplifier 300 via a negative feedback resistor 350. The non-inverting input 320 of the operational amplifier 300 is connected to a ground terminal. The inverting input 310 of the operational amplifier 300 is connected to an input 360 of the compensation circuit 230 via a compensation resistor 330. A compensation capacitor 340 is connected in parallel to the compensation resistor 330.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform weist die Kompensationsschaltung 230 einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem mit einem Ausgang der Kompensationsschaltung 230 verbundenen Ausgang auf. Weiter ist in dieser Ausführungsform ein zwischen einem Eingang der Kompensationsschaltung 230 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordneter Kompensationswiderstand vorgesehen. Außerdem sind zwischen dem Ausgang der Kompensationsschaltung 230 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers seriell angeordnet ein Gegenkoppelwiderstand und eine Gegenkoppelspule vorgesehen.In an alternative embodiment not shown, the compensation circuit 230 comprises an operational amplifier with an inverting input, a non-inverting input, and an output connected to an output of the compensation circuit 230. Furthermore, in this embodiment, a compensation resistor is provided between an input of the compensation circuit 230 and the inverting input of the operational amplifier. Additionally, a negative feedback resistor and a negative feedback coil are arranged in series between the output of the compensation circuit 230 and the inverting input of the operational amplifier.

Die Kompensationsschaltung 230 hat die Aufgabe, den Frequenzgang der Auswertespule 220 zu kompensieren. Hierfür ist allerdings eine präzise Dimensionierung der Kompensationsschaltung 230 notwendig. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform der Kompensationsschaltung 230 ist beispielsweise eine präzise Dimensionierung des Kompensationswiderstandes 330, des Kompensationskondensators 340 und des Gegenkoppelwiderstands 350 notwendig, wobei die genannten Bauteile in Abhängigkeit der elektrischen Kennwerte der Auswertespule 220 bemessen werden müssen. Falls die Kompensationsschaltung 230 nicht ausreichend genau dimensioniert ist, weist das gekoppelte System aus Auswerteschaltung 200 und Schwingkreis 100 entweder eine zusätzliche Serienresonanzfrequenz auf, wobei sich die Frequenz der Parallelresonanz ändert oder sogar vollständig verschwindet. Die genaue Dimensionierung der Kompensationsschaltung 230 wird durch Fertigungsschwankungen und Lebensdauer- und Temperaturabhängigkeiten der in der Auswerteschaltung 200 verwendeten Bauteile erschwert. Es wurde jedoch erkannt, dass die Kompensationsschaltung 230 auch durch eine Veränderung eines Verstärkungsfaktors G des Transkonduktanzverstärkers 210 kalibriert werden kann. Dies wird nachfolgend erläutert.The compensation circuit 230 is designed to compensate for the frequency response of the evaluation coil 220. However, this requires precise dimensioning of the compensation circuit 230. In the 3 In the illustrated embodiment of the compensation circuit 230, for example, precise dimensioning of the compensation resistor 330, the compensation capacitor 340, and the negative feedback resistor 350 is necessary, whereby the aforementioned components must be dimensioned depending on the electrical characteristics of the evaluation coil 220. If the compensation circuit 230 is not dimensioned with sufficient accuracy, the coupled system consisting of the evaluation circuit 200 and the resonant circuit will exhibit... 100 either introduces an additional series resonant frequency, whereby the frequency of the parallel resonance changes or even disappears completely. The precise dimensioning of the compensation circuit 230 is complicated by manufacturing variations and the lifetime and temperature dependencies of the components used in the evaluation circuit 200. However, it was discovered that the compensation circuit 230 can also be calibrated by changing a gain factor G of the transconductance amplifier 210. This is explained below.

Eine Analyse der frequenzabhängigen Impedanz der Auswertespule 220 mit angekoppelten Sensor-Schwingkreis 100 ergibt, dass die in 3 dargestellte Ausführungsform der Kompensationsschaltung 230 dann optimal angepasst ist, wenn der Quotient von Gegenkoppelwiderstand 350 und Kompensationswiderstand 330 gleich dem Produkt des Verstärkungsfaktors G des Transkonduktanzverstärkers 210 und dem Wicklungswiderstand der Auswertespule 220 ist. Außerdem muss das Produkt aus Gegenkoppelwiderstand 350 und der Kapazität des Kompensationskondensators 240 gleich dem Produkt des Verstärkungsfaktors G des Transkonduktanzverstärkers 210 und der Induktivität der Auswertespule 220 sein. Für eine korrekte Funktion der Kompensationsschaltung 230 ist besonders die Erfüllung der zweitgenannten Bedingung wichtig. Der Verstärkungsfaktor G des Transkonduktanzverstärkers 210 muss also auf den Wert des Gegenkoppelwiderstands 350 mal der Kapazität des Kompensationskondensators 340 geteilt durch die Induktivität der Auswertespule 220 eingestellt werden. Ein Verfahren zum Auffinden eines geeigneten Werts des Verstärkungsfaktors G wird unten anhand der 4 erläutert.An analysis of the frequency-dependent impedance of the evaluation coil 220 with coupled sensor resonant circuit 100 reveals that the in 3 The illustrated embodiment of the compensation circuit 230 is optimally adapted when the ratio of the negative feedback resistor 350 to the compensation resistor 330 is equal to the product of the gain G of the transconductance amplifier 210 and the winding resistance of the evaluation coil 220. Furthermore, the product of the negative feedback resistor 350 and the capacitance of the compensation capacitor 240 must be equal to the product of the gain G of the transconductance amplifier 210 and the inductance of the evaluation coil 220. Fulfillment of the second condition is particularly important for the correct functioning of the compensation circuit 230. The gain G of the transconductance amplifier 210 must therefore be set to the value of the negative feedback resistor 350 times the capacitance of the compensation capacitor 340 divided by the inductance of the evaluation coil 220. A method for finding a suitable value for the amplification factor G is described below using the following example: 4 explained.

Zusätzlich zur Kompensation des Frequenzgangs der Auswertespule 220 muss der durch die Auswerteschaltung 200 gebildete Oszillator das sogenannte Barkhausen-Kriterium erfüllen, damit sich eine stabile Oszillation in der Auswerteschaltung 200 einstellen kann. Das Barkhausen-Kriterium besagt, dass die Schleifenverstärkung der offenen Oszillatorschleife bei der Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises 100 den Wert 1 aufweisen muss. Ist die Schleifenverstärkung zu gering, so stellt sich lediglich eine gedämpfte, abklingende Schwingungsamplitude ein, während es bei zu großer Schleifenverstärkung zu einer immer weiter ansteigenden Schwingungsamplitude kommt. Der Spannungsverstärker 240 weist einen veränderlichen Verstärkungsfaktor g auf, und dient dazu, die Schleifenverstärkung der Oszillatorschleife der Auswerteschaltung 200 so einzustellen, dass das Barkhausen-Kriterium erfüllt ist.In addition to compensating for the frequency response of the evaluation coil 220, the oscillator formed by the evaluation circuit 200 must satisfy the so-called Barkhausen criterion in order for stable oscillation to be achieved in the evaluation circuit 200. The Barkhausen criterion states that the loop gain of the open oscillator loop must have a value of 1 at the resonant frequency f0 of the resonant circuit 100. If the loop gain is too low, only a damped, decaying oscillation amplitude will occur, while if the loop gain is too high, the oscillation amplitude will continuously increase. The voltage amplifier 240 has a variable gain factor g and serves to adjust the loop gain of the oscillator loop of the evaluation circuit 200 so that the Barkhausen criterion is met.

4 zeigt eine Ansicht einer Auswerteschaltung 400 während eines Kalibrieritungsvorgangs. Im Unterschied zur Auswerteschaltung 200 der 2 wurde in 4 der Rückkopplungszweig 260 mittels eines nicht dargestellten Schalters unterbrochen. Dadurch ist in 4, im Unterschied zu 2, der Ausgang des Spannungsverstärkers 240 nicht mit dem Eingang des Transkonduktanzverstärkers 210 verbunden. Statt dessen ist der Ausgang des Spannungsverstärkers 240 mit einem Spannungsmessgerät 410 verbunden, das eine durch den Spannungsverstärker 240 ausgegebene Ausgangsspannung 415 misst. Der Eingang des Transkonduktanzverstärkers 210 ist mit einer Wechselspannungsquelle 420 verbunden, mittels derer eine Wechselspannung 425 an den Eingang des Transkonduktanzverstärkers 210 angelegt werden kann. Die Frequenz der Wechselspannung 425 wird möglichst weit entfernt von der Resonanzfrequenz f0 des Sensor-Schwingkreises 100 gewählt. Als zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn die Frequenz der Wechselspannung 425 mindestens um das dreifache der Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises 100 geteilt durch eine Güte Q des Schwingkreises 100 von der Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises 100 abweicht. Beispielsweise kann die Frequenz der Wechselspannung 425 halb so groß wie die Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises 100 gewählt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass der Einfluss des an die Auswertespule 220 angekoppelten Schwingkreises 100 auf den Frequenzgang der Übertragungsfunktion der offenen Oszillatorschleife der Auswerteschaltung 200 vernachlässigt werden kann. 4 This shows a view of an evaluation circuit 400 during a calibration process. In contrast to the evaluation circuit 200, the 2 was in 4 The feedback branch 260 is interrupted by means of a switch (not shown). This results in 4 , unlike 2 The output of the voltage amplifier 240 is not connected to the input of the transconductance amplifier 210. Instead, the output of the voltage amplifier 240 is connected to a voltmeter 410, which measures an output voltage 415 provided by the voltage amplifier 240. The input of the transconductance amplifier 210 is connected to an AC voltage source 420, by means of which an AC voltage 425 can be applied to the input of the transconductance amplifier 210. The frequency of the AC voltage 425 is chosen to be as far removed as possible from the resonant frequency f0 of the sensor resonant circuit 100. It has proven advantageous if the frequency of the AC voltage 425 deviates from the resonant frequency f0 of the resonant circuit 100 by at least three times the resonant frequency f0 of the resonant circuit 100 divided by a quality factor Q of the resonant circuit 100. For example, the frequency of the AC voltage 425 can be chosen to be half the resonant frequency f0 of the resonant circuit 100. This ensures that the influence of the resonant circuit 100 coupled to the evaluation coil 220 on the frequency response of the transfer function of the open oscillator loop of the evaluation circuit 200 can be neglected.

Im nächsten Verfahrensschritt wird der Verstärkungsfaktor G des Transkonduktanzverstärkers 210 so eingestellt, dass die am Ausgang des Spannungsverstärkers 240 gemessene Wechselspannung 425 eine Amplitude unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts oder eine möglichst geringe Amplitude, idealerweise eine verschwindende Amplitude annimmt. Besonders bevorzugt erfolgt die Einstellung des Verstärkungsfaktors G mittels einer Regelschleife. Die Regelschleife regelt den Verstärkungsfaktor G beispielsweise so ein, dass die Amplitude der gemessenen Wechselspannung 425 ein Minimum annimmt, oder die Amplitude innerhalb eines Schwellwertbereichs um ein Minimum liegt. Dies hat den Vorteil, dass kein menschliches Eingreifen erforderlich ist.In the next process step, the gain factor G of the transconductance amplifier 210 is adjusted so that the AC voltage 425 measured at the output of the voltage amplifier 240 has an amplitude below a predetermined threshold or the smallest possible amplitude, ideally a zero amplitude. The gain factor G is preferably adjusted using a control loop. The control loop adjusts the gain factor G, for example, so that the amplitude of the measured AC voltage 425 reaches a minimum, or that the amplitude lies within a threshold range around a minimum. This has the advantage that no human intervention is required.

Nach erfolgter Einstellung des Verstärkungsfaktors G des Transkonduktanzverstärkers 210 wird die Regelschleife der Auswerteschaltung 200 wieder geschlossen. Zu diesem Zweck werden das Spannungsmessgerät 410 vom Ausgang des Spannungsverstärkers 240 und die Wechselspannungsquelle 420 vom Eingang des Transkonduktanzverstärkers 210 getrennt. Anschließend wird der Ausgang des Spannungsverstärkers 240 wieder mittels des nicht dargestellten Schalters mit dem Eingang des Transkonduktanzverstärkers 210 verbunden.After the gain factor G of the transconductance amplifier 210 has been set, the control loop of the evaluation circuit 200 is closed again. For this purpose, the voltage measuring device 410 is disconnected from the output of the voltage amplifier 240 and the AC voltage source 420 is disconnected from the input of the transconductance amplifier 210. Subsequently, the output of the The voltage amplifier 240 is again connected to the input of the transconductance amplifier 210 by means of the switch not shown.

Der Verstärkungsfaktor G des Transkonduktanzverstärkers 210 und die Kompensationsschaltung 230 sind nun so kalibriert, dass die Kompensationsschaltung 230 den Frequenzgang der Auswertespule 220 kompensiert. Um auch ein Erfüllen des Barkhausen-Kriteriums sicher zu stellen, kann nur noch eine Anpassung des Verstärkungsfaktors g des Spannungsverstärkers 240 erfolgen. Zu diesem Zweck wird der Verstärkungsfaktor g des Spannungsverstärkers 240 so eingestellt, dass sich in der Auswerteschaltung 200 eine Oszillation mit einer zeitlich konstanten Amplitude einstellt. Zu diesem Zweck kann die Auswerteschaltung 200 ein in den Figuren nicht dargestelltes Mittel zur Ermittlung der Amplitude der Oszillation aufweisen. Besonders bevorzugt wird auch die Einstellung des Verstärkungsfaktors g des Spannungsverstärkers 240 mittels einer Regelschleife vorgenommen. Dies hat den Vorteil, dass dann auch zur Einstellung des Verstärkungsfaktors g des Spannungsverstärkers 240 kein menschliches Eingreifen notwendig ist.The gain factor G of the transconductance amplifier 210 and the compensation circuit 230 are now calibrated such that the compensation circuit 230 compensates for the frequency response of the evaluation coil 220. To ensure compliance with the Barkhausen criterion, only an adjustment of the gain factor g of the voltage amplifier 240 is necessary. For this purpose, the gain factor g of the voltage amplifier 240 is set so that an oscillation with a constant amplitude is established in the evaluation circuit 200. The evaluation circuit 200 may include a means (not shown in the figures) for determining the amplitude of the oscillation. It is particularly preferred that the gain factor g of the voltage amplifier 240 be adjusted using a control loop. This has the advantage that no human intervention is then necessary for adjusting the gain factor g of the voltage amplifier 240.

Die Auswerteschaltung 200 kann auch ein in den Figuren nicht dargestelltes Mittel zum Ermitteln einer Frequenz einer Oszillation in der Auswerteschaltung 200 aufweisen. Das Mittel zum Ermitteln der Frequenz der Oszillation kann beispielsweise ein digitaler Zähler sein. In diesem Fall wird zusätzlich eine Zeit- oder Frequenzreferenz (zum Beispiel ein Schwingquarz) benötigt.The evaluation circuit 200 can also include a means for determining the frequency of an oscillation within the evaluation circuit 200, which is not shown in the figures. This means for determining the frequency of the oscillation can, for example, be a digital counter. In this case, a time or frequency reference (for example, a crystal oscillator) is also required.

Die durch die beschriebene Auswerteschaltung 200 ermittelte Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises 100 kann beispielsweise im Bereich einiger Kilohertz bis einiger 10 Megahertz liegen.The resonance frequency f0 of the resonant circuit 100 determined by the described evaluation circuit 200 can, for example, be in the range of a few kilohertz to a few tens of megahertz.

Claims (12)

Verfahren zum Kalibrieren einer Auswerteschaltung (200) zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz (f0) eines elektrischen Schwingkreises (100), wobei die Auswerteschaltung (200) eine Auswertespule (220), einen Transkonduktanzverstärker (210) und eine Kompensationsschaltung (230) aufweist, wobei die Auswertespule (220) induktiv an den elektrischen Schwingkreis (100) ankoppelbar ist, wobei ein Ausgang des Transkonduktanzverstärkers (210) über einen Rückkopplungszweig (260) mit einem Eingang des Transkonduktanzverstärkers (210) verbunden ist, wobei die Auswertespule (220) im Rückkopplungszweig (260) des Transkonduktanzverstärkers (210) angeordnet ist, wobei die Kompensationsschaltung (230) parallel zu Transkonduktanzverstärker (210) und Auswertespule (220) angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Unterbrechen des Rückkopplungszweigs (260) der Auswerteschaltung (200); - Anlegen einer Wechselspannung (425) an den Eingang des Transkonduktanzverstärkers (210); - Ermitteln einer am Ausgang des Spannungsverstärkers (240) anliegenden Ausgangsspannung (415); - Einstellen eines Verstärkungsfaktors (G) des Transkonduktanzverstärkers (210) auf einen Wert, der so gewählt wird, dass die am Ausgang des Spannungsverstärkers (240) anliegende Ausgangsspannung (415) eine minimale Amplitude aufweist; - Schließen des Rückkopplungszweigs (260) der Auswerteschaltung (200).Method for calibrating an evaluation circuit (200) for determining a resonant frequency (f0) of an electrical resonant circuit (100), wherein the evaluation circuit (200) comprises an evaluation coil (220), a transconductance amplifier (210), and a compensation circuit (230), whereby the evaluation coil (220) can be inductively coupled to the electrical resonant circuit (100), whereby an output of the transconductance amplifier (210) is connected to an input of the transconductance amplifier (210) via a feedback branch (260), whereby the evaluation coil (220) is arranged in the feedback branch (260) of the transconductance amplifier (210), whereby the compensation circuit (230) is arranged in parallel with the transconductance amplifier (210) and the evaluation coil (220), whereby the method comprises the following steps: - Interrupting the Feedback branch (260) of the evaluation circuit (200); - Applying an AC voltage (425) to the input of the transconductance amplifier (210); - Determining an output voltage (415) at the output of the voltage amplifier (240); - Setting a gain factor (G) of the transconductance amplifier (210) to a value such that the output voltage (415) at the output of the voltage amplifier (240) has a minimum amplitude; - Closing the feedback branch (260) of the evaluation circuit (200). Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verstärkungsfaktor (G) des Transkonduktanzverstärkers (210) mit einer Regelschleife so eingestellt wird, dass die am Ausgang des Spannungsverstärkers (240) anliegende Ausgangsspannung (415) einen Betrag unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, insbesondere einen minimalen Betrag aufweist.Procedure according to Claim 1 , wherein the gain factor (G) of the transconductance amplifier (210) is adjusted by a control loop such that the output voltage (415) at the output of the voltage amplifier (240) has an amount below a predetermined threshold, in particular a minimum amount. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Auswerteschaltung außerdem einen Spannungsverstärker (240) umfasst, der seriell zur Auswertespule (220) im Rückkopplungszweig (260) des Transkonduktanzverstärkers (210) angeordnet ist, wobei das Verfahren folgenden weiteren Verfahrensschritt aufweist, der nach den in den vorhergehenden Ansprüchen genannten Schritten ausgeführt wird: - Einstellen eines Verstärkungsfaktors (g) des Spannungsverstärkers (240) auf einen Wert, wobei der Wert so gewählt wird, dass sich in der Auswerteschaltung (200) eine Oszillation mit zeitlich konstanter Amplitude einstellt.Procedure according to one of the Claims 1 or 2 , wherein the evaluation circuit further comprises a voltage amplifier (240) arranged in series with the evaluation coil (220) in the feedback branch (260) of the transconductance amplifier (210), wherein the method has the following further method step, which is carried out according to the steps mentioned in the preceding claims: - setting a gain factor (g) of the voltage amplifier (240) to a value, wherein the value is chosen such that an oscillation with a time constant amplitude is established in the evaluation circuit (200). Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Verstärkungsfaktors (g) des Spannungsverstärkers (240) mit einer Regelschleife so eingestellt wird, dass sich in der Auswerteschaltung (200) eine Oszillation mit zeitlich konstanter Amplitude einstellt.Procedure according to Claim 3 , wherein the gain factor (g) of the voltage amplifier (240) is adjusted by a control loop such that an oscillation with a time constant amplitude is achieved in the evaluation circuit (200). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz der Wechselspannung (425) mindestens um das dreifache der Resonanzfrequenz (f0) des elektrischen Schwingkreises (100) geteilt durch die Güte (Q) des elektrischen Schwingkreises (100) von der Resonanzfrequenz (f0) des elektrischen Schwingkreises (100) abweicht.Method according to one of the preceding claims, wherein the frequency of the alternating voltage (425) deviates from the resonance frequency (f0) of the electrical resonant circuit (100) by at least three times the resonance frequency (f0) of the electrical resonant circuit (100) divided by the quality factor (Q) of the electrical resonant circuit (100). Auswerteschaltung (200) zum Bestimmen einer Resonanzfrequenz (f0) eines elektrischen Schwingkreises (100), wobei die Auswerteschaltung (200) eine Auswertespule (220), einen Transkonduktanzverstärker (210), eine Kompensationsschaltung (230) und einen Spannungsverstärker (240) aufweist, wobei die Auswertespule (220) induktiv an den elektrischen Schwingkreis (100) ankoppelbar ist, wobei ein Ausgang des Transkonduktanzverstärkers (210) über einen Rückkopplungszweig (260) mit einem Eingang des Transkonduktanzverstärkers (210) verbunden ist, wobei die Auswertespule (220) im Rückkopplungszweig (260) des Transkonduktanzverstärkers (210) angeordnet ist, wobei die Kompensationsschaltung (230) parallel zu Transkonduktanzverstärker (210) und Auswertespule (220) angeordnet ist, wobei der Spannungsverstärker (240) seriell zur Auswertespule (220) im Rückkopplungszweig (260) des Transkonduktanzverstärkers (210) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Rückkopplungszweig (260) des Transkonduktanzverstärkers (210) ein Schalter zum Auftrennen des Rückkopplungszweigs (260) vorgesehen ist, der Eingang des Transkonduktanzverstärkers (210) mit einer Wechselspannungsquelle (420) verbindbar ist und der Ausgang des Spannungsverstärkers (240) mit einem Spannungsmessgerät (410) verbindbar ist.Evaluation circuit (200) for determining a resonant frequency (f0) of an electrical resonant circuit (100), wherein the evaluation circuit (200) comprises an evaluation coil (220), a transconductance amplifier (210), a compensation circuit (230) and a voltage amplifier (240), wherein the evaluation coil (220) can be inductively coupled to the electrical resonant circuit (100), wherein an output of the transconductance amplifier (210) is connected to an input of the transconductance amplifier (210) via a feedback branch (260), wherein the evaluation coil (220) is arranged in the feedback branch (260) of the transconductance amplifier (210), wherein the compensation circuit (230) is arranged in parallel to the transconductance amplifier (210) and the evaluation coil (220), wherein the voltage amplifier (240) is arranged in series with the evaluation coil (220) in the feedback branch (260) of the transconductance amplifier (210), characterized in that , that a switch for disconnecting the feedback branch (260) of the transconductance amplifier (210) is provided, the input of the transconductance amplifier (210) can be connected to an AC voltage source (420) and the output of the voltage amplifier (240) can be connected to a voltage measuring device (410). Auswerteschaltung (200) nach Anspruch 6, wobei das Spannungsmessgerät (410) und der Transkonduktanzverstärker (210) mit einer Regelungseinrichtung verbindbar sind, die dazu ausgebildet ist, einen Verstärkungsfaktor (G) des Transkonduktanzverstärkers (210) so einzustellen, dass eine durch das Spannungsmessgerät (410) detektierte Ausgangsspannung (415) eine Amplitude unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, insbesondere eine minimale Amplitude aufweist.Evaluation circuit (200) according to Claim 6 , wherein the voltage measuring device (410) and the transconductance amplifier (210) can be connected to a control device which is configured to adjust a gain factor (G) of the transconductance amplifier (210) such that an output voltage (415) detected by the voltage measuring device (410) has an amplitude below a predetermined threshold, in particular a minimum amplitude. Auswerteschaltung (200) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Kompensationsschaltung (230) einen negierten Frequenzgang einer Spule mit ohmschem Wicklungswiderstand aufweist.Evaluation circuit (200) according to one of the Claims 6 or 7 , wherein the compensation circuit (230) has a negated frequency response of a coil with ohmic winding resistance. Auswerteschaltung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Kompensationsschaltung (230) einen Operationsverstärker (300) mit einem invertierenden Eingang (310), einem nicht-invertierenden Eingang (320) und einem mit einem Ausgang (370) der Kompensationsschaltung (230) verbundenen Ausgang, einen zwischen einem Eingang (360) der Kompensationsschaltung (230) und dem invertierenden Eingang (310) des Operationsverstärkers (300) angeordneten Kompensationswiderstand (330), einen dem Kompensationswiderstand (330) parallel geschalteten Kompensationskondensator (340) und einen zwischen dem Ausgang (370) der Kompensationsschaltung (230) und dem invertierenden Eingang (310) des Operationsverstärkers (300) angeordneten Gegenkoppelwiderstand (350) aufweist.Evaluation circuit (200) according to one of the Claims 6 until 8 , wherein the compensation circuit (230) comprises an operational amplifier (300) with an inverting input (310), a non-inverting input (320) and an output connected to an output (370) of the compensation circuit (230), a compensation resistor (330) arranged between an input (360) of the compensation circuit (230) and the inverting input (310) of the operational amplifier (300), a compensation capacitor (340) connected in parallel to the compensation resistor (330) and a negative feedback resistor (350) arranged between the output (370) of the compensation circuit (230) and the inverting input (310) of the operational amplifier (300). Auswerteschaltung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Kompensationsschaltung (230) einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem mit einem Ausgang der Kompensationsschaltung (230) verbundenen Ausgang und einen zwischen einem Eingang der Kompensationsschaltung (230) und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordneten Kompensationswiderstand aufweist, und zwischen dem Ausgang der Kompensationsschaltung (230) und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers seriell angeordnet ein Gegenkoppelwiderstand und eine Gegenkoppelspule vorgesehen sind.Evaluation circuit (200) according to one of the Claims 6 until 8 , wherein the compensation circuit (230) comprises an operational amplifier with an inverting input, a non-inverting input and an output connected to an output of the compensation circuit (230) and a compensation resistor arranged between an input of the compensation circuit (230) and the inverting input of the operational amplifier, and a negative feedback resistor and a negative feedback coil are provided in series between the output of the compensation circuit (230) and the inverting input of the operational amplifier. Auswerteschaltung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei schaltungstechnische Mittel vorgesehen sind, eine Amplitude einer Oszillation in der Auswerteschaltung (200) zu ermitteln.Evaluation circuit (200) according to one of the Claims 6 until 10 , wherein circuitry means are provided to determine the amplitude of an oscillation in the evaluation circuit (200). Auswerteschaltung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Auswerteschaltung (200) einen digitalen Zähler zum Ermitteln einer Frequenz einer Oszillation in der Auswerteschaltung (200) aufweist.Evaluation circuit (200) according to one of the Claims 6 until 11 , wherein the evaluation circuit (200) has a digital counter for determining a frequency of an oscillation in the evaluation circuit (200).
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