Titel

Wandlerstufe zur Erfassung eines Sensorsignals Die Erfindung betrifft eine Wandlerstufe und ein Verfahren zur Erfassung eines

Sensorsignals, insbesondere eines Signals eines Drehratensensors.

Stand der Technik Bei mikromechanischen Drehratensensoren werden zeitkontinuierliche Sensorsignale durch eine Analog/Digital-Wandlung (A/D-Wandlung) in zeit- und wertdiskrete Signale überführt, um eine Signalverarbeitung wie Filterung, Regelung und weitere Algorithmen innerhalb eines digitalen Schaltungsteils durchzuführen. Die Digitalisierung der Sensorsignale spielt dabei eine entscheidende Rolle, da diese Operation ein Rauschverhalten des gesamten Systems entscheidend mitbestimmt.

Ein Sensorsystem mit digitalem Auswertekonzept sieht insbesondere bei kapazitiven Sensoren eine Kapazitäts/Spannungs-Wandlung (C/U-Wandlung) vor, um durch äußere Kräfte verursachte Kapazitätsänderungen in proportionale elektrische Spannungen umzusetzen. Bei einer zeitdiskreten C/U-Wandlung erfolgt eine Abtastung herkömmlicherweise mit sehr hohen Frequenzen. Üblich sind dabei Abtastungen von 8 bis 40-fach gegenüber einer Sensorresonanzfrequenz. Aufgrund dieser hohen Abtastraten hat ein analoges Frontendgerät einen sehr ho- hen elektrischen Leistungsbedarf. In vielen Bereichen ist diese Überabtastung des Sensorsignals sinnvoll, da auf diese Weise eine Reduzierung der Rauscheinflüsse durch Aliasing erreicht werden kann.

Beispielsweise in mobilen Anwendungen ist jedoch die Stromaufnahme eines Gesamtsystems von sehr großer Bedeutung, da von ihr ein Grad einer Betriebsbereitschaft der Anwendung abhängt. Daher muss in derartigen Applikationen zumeist ein Kompromiss zwischen Abtastrate und Rausch-performance gefunden werden. Eine Reduzierung der Abtastrate zum Zwecke einer Leistungsreduktion würde aber bei der Signalauswertung ein signifikantes Ansteigen der Rauschleistungs-dichte durch Rauschfaltung innerhalb des Basisbandes bedeu- ten.

Aus der DE 10 2007 048 825 A1 ist ein Inertialsensor, insbesondere Drehratensensor zur Erfassung zumindest eines durch ein Antriebselement vorgegebenen Parameters, insbesondere Drehrate und/oder Drehgeschwindigkeit in Abhängig- keit eines abzutastenden Eingangssignals bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass eine Unterabtastung des Eingangssignals mit einer Abtastfrequenz erfolgt, die unterhalb einer zweifachen Maximalfrequenz des Eingangssignals liegt. Nachteilig kann aufgrund dieser Unterabtastung ein Beitrag durch Rauschfaltung in das Basisband erhöht sein.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung von Sensorsignalen bereitzustellen, welche die obengenannten Nachteile nicht aufweist. Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltung ist als eine Wandlerstufe zur Erfassung eines Sensorsignals, insbesondere eines Signals eines Drehratensensors, ausgebildet und umfasst eine Verstärkerstufe mit einer elektronischen Schaltung. Die Wand- lerstufe ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der elektronischen Schaltung unterschiedliche Gewichtsfunktionen erzeugbar sind, mit denen eine Filtercharakteristik der Wandlerstufe beeinflussbar ist.

Die erfindungsgemäße Wandlerstufe mit den genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass mit ihr im Vergleich zu herkömmlichen Systemen eine Reduktion der Rauschleistungsdichte im Basisband bei Abtastung und bei Unterabtastung des Eingangssignals erreichbar ist. Ferner kann mittels der beeinflussbaren Filtercharakteristik ein Übertragungsverhalten der Wandlerstufe vorteilhaft derart ausgestaltet sein, dass bei abgetasteten, unterabgetasteten und bandpassabge- tasteten Systemen ein Beitrag durch Rauschfaltung ins Basisband (Aliasing des

Breitbandrauschens) reduziert ist. Diese Reduzierung ermöglicht es, eine Ge- samtperformance bei derartigen Sensorsystemrealisierungen zu optimieren. Vorteilhaft kann dadurch beispielsweise ein Energieverbrauch des Gesamtsystems minimiert und aufgrund dieser Minimierung zusätzliche Systemkomponenten, beispielsweise ein I/Q-Demodulator, in ein einzelnes Frontendgerät integriert werden. Ferner kann dadurch auch eine ASIC-Chipfläche vorteilhaft reduziert sein, was insbesondere bei multiaxialen Sensoranwendungen mit mehreren Sensoren mit gesteigertem Chipflächenbedarf von Vorteil ist. Sowohl Abtastung, Filterung und Demodulation sind auf diese Weise innerhalb eines einzelnen Frontends vorteilhaft möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wandlerstufe eine steuerbare Stromquelle und einen elektrischen Ladungsintegrator, wobei der elektrische Ladungsintegrator von einem Ausgang der Verstärkerstufe ansteuerbar ist. Durch dieses Zusammenwirken von Verstärkerstufe und elektrischem Ladungsintegrator kann eine Filtercharakteristik des Gesamtsystems auf einfache Weise gesteuert worden, sodass am Ladungsintegrator ein Abbild des Sensorsignals als elektrische Spannung abgegriffen werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verstärkerstufe als Transkonduktanz-verstärker ausgebildet, wobei die Stromquelle als Biasstrom- quelle für den Transkonduktanz-verstärker ausgebildet ist. Dadurch kann die Bi- asstromquelle, die zur Einstellung von Arbeitspunkten üblicherweise für jeden Transkonduktanzverstärker erforderlich ist, nützlicherweise zusätzlich für eine Einstellung der Gewichtsfunktion verwendet werden, wodurch vorteilhaft kein zusätzlicher elektronischer Schaltungsaufwand für die Erzeugung der Gewichtsfunktion erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Stromquelle von einem über eine Steuerleitung übertragenen, rechteckförmig ausgebildeten Steuersignal ansteuerbar. Dadurch kann eine einfache Fenster- bzw. Gewichtsfunktion für das Eingangsstromsignal der Verstärkerstufe durch triviales Ein- und Ausschalten der Stromquelle realisiert werden.

Eine weitere, bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Steu- ersignal periodische Schaltzyklen mit N im wesentlichen gleichlangen Intervallen aufweist. Durch Spezifizierung der einzelnen Schaltzyklen kann auf diese Weise eine Vielzahl unterschiedlicher Filtercharakteristika realisiert werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Stromquelle alternativ von einem über eine Steuerleitung übertragenen rechteckförmigen, dreieck- förmigen, oder einem entsprechend einer Hanningfunktion ausgebildeten Steuersignal ansteuerbar ist, wobei das Steuersignal periodische Schaltzyklen mit N im wesentlichen gleichlangen Intervallen aufweist. Dies entspricht einer Anwendung von gepulsten Gewichtsfunktionen mit je Schaltzyklus unterschiedlich ausgestaltbarer Kurvenform. Mit dieser Variante lassen sich die Vorteile aus anderen Varianten der Erfindung verbinden und es können unterschiedliche Filtercharakteristika in noch größerer Vielfalt mit nochmals verbesserter Unterdrückung von Störspektren erzielt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Integrationszeitkonstante des elektrischen Ladungsintegrators variabel einstellbar. Eine Para- metrisierung einer Filtercharakteristik der erfindungsgemäßen Wandlerstufe kann auf diese Weise einfach durch Variation der Integrationszeitkonstante durchgeführt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren kurz beschrieben. Dabei zeigt:

Figur 1 ein allgemeines Blockschaltbild eines Sensorsystems, in dem die

Erfindung verwendet werden kann

Figur 2 ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Wandlerstufe

Figur 3 eine Anwendung von unterschiedlichen Gewichtsfunktionen und daraus resultierende Übertragungsverhalten

Figur 4 rechteckförmigen Zeitverlauf des Biasstromes Figur 5 ein Übertragungsverhalten der erfindungsgemäßen Wandlerstufe bei gepulstem rechteckförmigem Biasstrom

Figur 6 Zeitverläufe des Biasstromes mit Dreieck- und Hanningfenste- rung

Figur 7 ein Frequenzspektrum bei gepulstem Dreieckfensterbetrieb der erfindungsgemäßen Wandlerstufe Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt in einem allgemeinen Blockschaltbild ein Sensorsystem 10 mit einem Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung. Das Sensorsystem 10 weist einen Sensor 20 auf, der mit einem C/U-Wandler 30 galvanisch verbunden ist und dessen Ausgangssignal in Form einer Kapazität dem C/U-Wandler 30 zugeführt wird. Ein Ausgangssignal des C/U-Wandlers 30 wird einer Wandlerstufe 40 zugeführt. In der Figur 1 ist durch eine strichpunktierte Umrandung ein Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung hervorgehoben. Innerhalb dieses Bereiches findet die Wandlung der Kapazitätssignale in proportionale elektrische Spannun- gen sowie eine Abtastung dieser Sensordetektionssignale statt. Der weitere Aufbau und die weitere Funktion des Sensorsystems 10 mit den restlichen Komponenten Abtast/Halteglied 50, Quantisierer 60, digitaler Schaltungsteil 70 und Digital/Analog Umsetzer 80 wird im Folgenden nicht weiter erläutert, da diese Komponenten für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich sind und allgemein be- kannte Elemente eines Sensorsystems darstellen.

Figur 2 zeigt in einem größeren Detaillierungsgrad ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Wandlerstufe 40. Die Wandlerstufe 40 übernimmt dabei die Funktion eines digitalen/analogen Filters und umfasst eine elekt- rische Verstärkerstufe 41 , die mit einer Biasstromquelle 42 galvanisch verbunden ist. Die Verstärkerstufe 41 ist vorzugsweise als Transkonduktanzverstärker ausgebildet und wird von der Biasstromquelle 42 angesteuert, wodurch die Verstärkerstufe 41 in ihrem Übertragungsverhalten steuerbar ist. Der Transkonduktanzverstärker ist ein spezifischer Operationsverstärker, der eine Differenzspannung Vin an seinen Eingängen in einen proportionalen Ausgangsstrom lout umwandelt. Ein Ausgang der Verstärkerstufe 41 steuert mit diesem Ausgangsstrom lout einen mit diesem Ausgang galvanisch verbundenen elektrischen Ladungsintegrator an. Der Ladungsintegrator umfasst einen ersten Schalter 43, einen zweiten Schalter 46 und einen Kondensator 44, an dem eine Ausgangsspannung Vout der Wandlerstufe 40 als Abbild eines Sensorsignals des Sensors 20 abgreifbar ist. Ein Betriebsverhalten der Biasstromquelle 42 ist mittels einer Steuerleitung 45 steuerbar, über die unterschiedliche Steuersignale für die Biasstromquelle 42 übertragen werden. Dadurch kann ein Stromfluss der Biasstromquelle 42 und, daraus resultierend, ein Übertragungsverhalten der Wandlerstufe 40 beeinflusst werden. Mit anderen Worten werden mittels der steuerbaren Biasstromquelle 42 Ausgangsströme lout der Verstärkerstufe 41 , welche Eingangsströmen lin des Ladungsintegrators entsprechen, mit unterschiedlichen Gewichtsfunktionen gewichtet. Durch Schalten der beiden Schalter 43, 46 wird einerseits der Strom l _out geschaltet und weiterhin der Kondensator 44 mit dem geschalteten Strom lout entsprechend einem Schaltmuster der Schalter 43, 46 aufgeladen. Dabei kann durch Variation der Schaltzeiten ein Integrationsverhalten des elektrischen Ladungsintegrators verändert werden. Als Ergebnis der Integration steht am Kondensator 44 eine Ausgangsspannung V _out als Abbild des Sensorsignals des Sensors 20 zur Verfügung. Der elektrische Ladungsintegrator ist mittels des zweiten Schalters 46 rücksetzbar, sodass seine Betriebseigenschaften nach jedem Rücksetzen initialisiert werden können.

Die steuerbare Biasstromquelle 42 ermöglicht es in der oben geschilderten Art und Weise also, die Eingangsströme lin für den Ladungsintegrator mit unterschiedlichen Gewichtsfunktionen zu gewichten. Für die Ausgangsspannung Vout der Wandlerstufe 40 ergibt sich dadurch folgender mathematischer Zusammenhang:

,-ίί

Vsmt = j ta iffi- W t

Darin bedeuten: t Zeit

V _out Ausgangsspannung der Wandlerstufe 40

tO, t1 Integrationsperiode

W(t) Gewichtsfunktion iout Ausgangsstrom der Verstärkerstufe 41 (Eingangsstrom des Ladungsintegrators)

Die Ausgangsspannung V _out stellt somit ein Zeitintegral aus dem gewichteten Ausgangsstrom lout der Verstärkerstufe 41 bzw. Eingangsstrom des Ladungsintegrators dar. Durch einfache Änderung der Schaltzeiten tO, t1 der Schalter 43, 46 und damit der Integrationsdauer des Ladungsintegrators lässt sich das Übertragungsverhalten und damit das Ausgangssignal der Wandlerstufe 40 leicht variieren.

In Figur 3 ist qualitativ ein Übertragungsverhalten der Wandlerstufe 40 bei Anwendung von unterschiedlichen Gewichtsfunktionen (Fensterfunktionen) W dargestellt. Im linken Diagramm von Figur 3 sind in einem Zeitbereich drei Beispiele für unterschiedliche Steuersignale, mit der die Biasstromquelle 42 über die Steuerleitung 45 angesteuert wird, dargestellt. Dies entspricht drei unterschiedlichen Gewichtsfunktionen Rechteck, Dreieck und Hanningfunktion, die sich durch jeweils spezifische Ansteuerung der Biasstromquelle 42 mit den unterschiedlichen Steuersignalen erzeugen lassen. Anstelle der dargestellten Signalformen des Steuersignals können auch andere Signalformen verwendet werden. Im rechten Diagramm von Figur 3 ist in einem Frequenzbereich qualitativ dargestellt, in welch unterschiedlicher weise sich die drei vorgenannten Steuersignale auf ein Übertragungsverhalten der Wandlerstufe 40 auswirken. Es ist deutlich erkennbar, dass mit Gewichtsfunktionen W höherer Ordnung als die Rechtecksfunktion (wie beispielsweise Dreiecksfunktion oder Hanningfunktion) eine größere Dämpfung zu höheren Frequenzen hin erzielbar ist. Die größte Dämpfung lässt sich mit han- ningfunktionsförmigen Gewichtsfunktionen W erzielen. Dies ist gleichbedeutend mit einer verbesserten Unterdrückung von Aliasingstörspektren innerhalb des Basisbandes.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Unterteilung des Abtastintervalls in N im Wesentlichen gleichgroße Zeitintervalle vor, sodass folgender mathematischer Zusammenhang gilt: Durch die Segmentierung in N beliebige Zeitintervalle, in die das Steuersignal für die Biasstromquelle 42 unterteilt werden kann, lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Filtercharakteristiken für die Wandlerstufe 40 generieren. Figur 4 zeigt zeitlich ein Prinzip einer derartigen Segmentierung des Steuersignals, die durch einfaches Ein- und Ausschalten der Biasstromquelle 42 über die Steuerleitung 45 realisiert werden kann. Mit einer derartigen Ansteuerung lassen sich unterschiedliche Schaltmuster für die Biasstromquelle 42 erzeugen. Im Beispiel der Figur 4 ist ein Schaltmuster {1 , 0 , -1} über die drei Schaltintervalle I, II und III dargestellt. Das Symbol„1 " entspricht dabei einem positiven Biasstrom l _B i _as . das Symbol„-1 " entspricht einem negativen Biasstrom l _Bias . Im Zeitdiagramm der Figur 4 ist ein Zeitverlauf des Biasstromes IBias mit einer Gesamtabtastzeit TA dargestellt, die im Wesentlichen in N gleichlange Schaltintervalle Ti, die mit I, II und III bezeichnet sind, unterteilt ist. Im Schaltintervall I weist der Biasstrom l _B i _as einen gleichbleibenden positiven Wert auf. In einem darauffolgenden Schaltinter- vall II ist der Biasstrom l _B i _as im Wesentlichen gleich Null und in einem daran anschließenden Schaltintervall III weist der Biasstrom l _B i _as einen gleichbleibenden negativen Wert auf. Sämtliche dieser Schaltmuster werden per Steuerleitung 45 an die Biasstromquelle 42 übertragen. Die Schaltzyklen sind beliebig wiederholbar, so dass sich derart ein Übertragungsverhalten der Wandlerstufe 40 erzielen lässt, das sich durch eine Unterdrückung von höher- und niederfrequenten Frequenzanteilen auszeichnet, was gleichbedeutend ist mit einer günstigen Rauschformung für das Sensorsystem 10.

In Figur 5 sind qualitativ vier unterschiedliche Frequenzspektren der Wandlerstu- fe 40 die aus vier unterschiedlichen Schaltmustern resultieren, dargestellt. Die in der Figur 5 dargestellten Übertragungsverhalten resultieren aus einem gepulsten rechteckförmigen Steuersignal für die Biasstromquelle 42 mit folgenden von oben nach unten dargestellten vier unterschiedlichen Schaltmustern: {-1 , 0, 0, 0}

{-1 , 0, 1 , 0}

{-1 , 1 , -1 , 0}

{-1 , 1 , 0, 0} Die bisher erläuterten Varianten der Erfindung lassen sich zu einer weiteren Variante kombinieren, bei der zusätzlich zu gepulsten Gewichtsfunktionen noch un- terschiedliche Signalformen höherer Ordnung verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile der zuvor genannten Varianten noch weiter steigern. Es können also unterschiedliche Filtercharakteristika mit einer verbesserten Unterdrückung von Störspektren erzielt werden. Beispielhafte Zeitablaufdiagramme des Steuersignals für die Biasstromquelle 42 sowie eine daraus resultierende

Übertragungscharakteristik der Wandlerstufe 40 sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Figur 6 zeigt in einem oberen Zeitverlauf ein Zeitdiagramm mit einer gepulsten Dreieckfensterung des Biasstromes l _B ias und in einer unteren Abbildung einen hanningfunktionsförmigen Zeitverlauf des Biasstromes l _B i _as - Alle Schalt- muster der beiden genannten Zeitverläufe setzen sich wie schon zuvor erläutert aus Schaltintervallen I, II und III zusammen. Der Vorteil bei der Verwendung derartiger Schaltmuster- bzw. zyklen mit Steuersignalen höherer Ordnung wird aus Figur 7 ersichtlich, die ein Übertragungsverhalten der Wandlerstufe 40 mit einer gepulsten Dreiecksfensterung der Biasstromquelle 42 zeigt. Im Vergleich zu der in Figur 5 dargestellten Gewichtung mit einem rechteckförmigen Steuersignalverlauf kann bei Gewichtung mit einem Dreiecksfenster eine nochmals verbesserte Unterdrückung von breitbandigen Rauschanteilen erzielt werden. Qualitativ ist diese verbesserte Unterdrückung aus einem Vergleich der Figuren 5 und 7 mit jeweils identischen Schaltmustern ersichtlich.

Zusammenfassend wurde eine Wandlerstufe zur Erfassung eines Sensorsignales, insbesondere eines Signals eines Drehratensensors vorgestellt, mit der es möglich ist, eine verglichen mit herkömmlichen Systemen deutlich höhere Alia- sing-Unterdrückung bzw. eine breitbandige Rauschunterdrückung innerhalb des Basisbandes bei abgetasteten und unterabgetasteten bzw. bandpassabgetaste- ten Sensorsystemen zu erzielen. Die Performancesteigerung wird durch eine spezifisch ausgebildete Verstärkerstufe 41 mit einer Biasstromquelle 42 in Kombination mit einer elektrischen Integrationsschaltung erzielt, mit denen es möglich ist, unterschiedliche Gewichtsfunktionen auf das den Sensorsignalen entspre- chende Ausgangsstromsignal lout der Verstärkerstufe 41 anzuwenden um daraus ein verbessertes Übertragungsverhalten der Wandlerstufe 40 zu generieren. Offenbart wurden drei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung. Eine erste Variante repräsentiert eine gesteuerte Verstärkerstufe 41 zur Breitbandrauschunterdrückung. Eine weitere Variante repräsentiert eine mit Rechtecksig- nalen gepulste Verstärkerstufe 41 zur Realisierung unterschiedlicher Filtercha- rakteristika. Eine dritte Variante repräsentiert eine Kombination aus diesen beiden Varianten.

Die hier vorgestellte Erfindung kann auch bei Sensoren mit anderem als kapazitivem Wirkmechanismus, beispielsweise piezoresistiven Drehratensensoren eingesetzt werden, wobei sowohl zeitkontinuierliche als auch zeitdiskrete Realisierungen des C/U-Wandlers 30 möglich sind.

Die Erfindung ist selbstverständlich vorteilhaft auch auf Sensorsignale anwendbar, die aus mehrachsigen Drehratensensoren abgeleitet werden. Als Frontend- Lösungen innerhalb eines ASICs, in denen die Erfindung angewendet werden kann, kommen sowohl zeitdiskrete als auch rein analoge Variationen in Betracht. Im Lichte der obigen Erläuterungen versteht es sich von selbst, dass die Ausführung der Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Beispiele beschränkt ist, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.