DE4142680A1 - Evaluation circuit for inductive sensor - includes coil with inductance dependent on measurement parameter, oscillator and synchronous rectifier, and allows separate measurement of coil's resistance and inductance - Google Patents
Evaluation circuit for inductive sensor - includes coil with inductance dependent on measurement parameter, oscillator and synchronous rectifier, and allows separate measurement of coil's resistance and inductanceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für einen Induktivsen sor, insbesondere einen integrierten Einfederwegsensor nach der Gat tung des Hauptanspruchs.The invention relates to an evaluation circuit for an inductive sensor sor, in particular an integrated spring deflection sensor according to the Gat main claim.
Es ist bekannt, zur Messung von Verstellwegen induktive Sensoren einzusetzen, die eine oder mehrere Spulen aufweisen. Diese Spulen ändern ihre elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Meß größe, beispielsweise von der Verschiebung. Mit Hilfe einer elektro nischen Auswerteschaltung werden die Änderungen der elektrischen Ei genschaften der Spulen erfaßt und in ein einfach weiterzuverarbei tendes Signal umgeformt.It is known for the measurement of adjustment paths inductive sensors use one or more coils. These coils change their electrical properties depending on the measurement size, for example from the displacement. With the help of an electro African evaluation circuit changes the electrical egg properties of the coils and easily processed formed signal.
Eine Meßschaltung, die bei induktiven Weggebern einsetzbar ist und eine wegabhängige Gleichspannung erzeugt, ist aus der DE-OS 39 27 833 bekannt. Dabei wird eine Wechselspannung an die Spu len gelegt, deren Induktivität sich wegabhängig ändert und es wird die Amplitude und die Phase der an der Spule abfallenden Span nung gemessen. A measuring circuit that can be used with inductive displacement sensors and generates a path-dependent DC voltage is from the DE-OS 39 27 833 known. An AC voltage is applied to the Spu len, whose inductance changes depending on the path and it becomes the amplitude and phase of the chip dropping on the coil measured.
Zur Erhöhung der Meßgenaugigkeit sind zwei Oszillatoren vorgesehen, die zwei Wechselspannungen gleicher Frequenz erzeugen, die gegenein ander um 180 Grad phasenverschoben sind. Dabei weist die zweite Wechselspannung eine einstellbare Amplitude auf, die jedoch letztendlich von den Induktivitäten der Spulen abhängt, so daß aus dem Verhältnis der Amplituden und den bekannten Induktivitäten der Spulen eine genaue Lageerkennung möglich ist. Bei der bekannten Meßschaltung sind jedoch keine Maßnahmen vorgesehen, die eine Temperaturkompensation ermöglichen würden.Two oscillators are provided to increase the measuring accuracy, which generate two AC voltages of the same frequency, which are against each other others are 180 degrees out of phase. The second points AC voltage an adjustable amplitude, however ultimately depends on the inductances of the coils, so that out the ratio of the amplitudes and the known inductances of the Coils an exact position detection is possible. With the known Measuring circuit, however, no measures are provided that a Temperature compensation would allow.
Eine Schaltungsanordnung zur induktiven Wegmessung, die eine zusätz liche Temperaturmeßschaltung aufweist, ist aus der DE-OS 39 10 597 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung erfaßt die Tempera turmeßschaltung den ohmschen Widerstand der Spule, der temperaturab hängig ist und führt ihn einem Mikrocomputer zu. Dieser berechnet aus dem gemessenenn Widerstand Kompensationsdaten, die eine Korrek tur der bei der Wegerfassung ermittelten Daten ermöglicht.A circuit arrangement for inductive displacement measurement that an additional Liche temperature measurement circuit is from DE-OS 39 10 597 known. In this known circuit arrangement, the tempera is detected tower measuring circuit the ohmic resistance of the coil, the temperature dependent pending and feeds it to a microcomputer. This calculates from the measured resistance compensation data, which is a correction ture of the data determined during the route recording.
Ein Nachteil der bekannten Schaltungsanordnung ist, daß abwechselnd der Widerstand der Spule und die Induktivität der Spule gemessen und die Meßergebnisse miteinander verrechnet werden, eine gleichzeitige Messung ist dagegen nicht möglich.A disadvantage of the known circuit arrangement is that it alternates the resistance of the coil and the inductance of the coil are measured and the measurement results are offset against each other, a simultaneous one However, measurement is not possible.
Die erfindungsgemäße Auswerteschaltung für einen Induktivsensor mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vor teil, daß eine besonders einfache und dennoch sehr genaue Tempera turkompensation möglich ist, ohne daß ein zusätzlicher Temperatur sensor verwendet werden muß. The evaluation circuit according to the invention for an inductive sensor with the features mentioned in the main claim has the opposite part that a particularly simple, yet very accurate tempera door compensation is possible without an additional temperature sensor must be used.
Erreicht wird dieser Vorteil indem die geregelte Ausgangsspannung einem Synchrongleichrichter zugeführt wird, der seinerseits mit Taktimpulsen eines Sinusoszillators angesteuert wird.This advantage is achieved by the regulated output voltage a synchronous rectifier is supplied, which in turn with Clock pulses of a sinusoidal oscillator is driven.
Mit Hilfe des Synchrongleichrichters wird der Wechselstromwiderstand der Spule gemessen, durch Bestimmung der Phasenlage ist eine beson ders einfache Temperaturkompensation möglich.With the help of the synchronous rectifier, the AC resistance measured the coil, by determining the phase position is a special simple temperature compensation possible.
Da sowohl die Induktivität als auch der Realteil des komplexen Widerstandes der Spule eine Abhängigkeit von der Temperatur be sitzen, und da weiterhin sowohl die Induktivität als auch der Real teil des komplexen Widerstandes von der Meßgröße abhängig sind, kann eine Temperaturkompensation erreicht werden, indem die beiden Kompo nenten in geeigneter Weise zueinander addiert oder voneinander subtrahiert werden.Since both the inductance and the real part of the complex Resistance of the coil depends on the temperature sit, and there both the inductance and the real part of the complex resistance can depend on the measured variable temperature compensation can be achieved by using the two compo appropriately added to each other or from each other be subtracted.
Besonders vorteilhaft ist, daß die Addition oder Subtraktion sich in besonders einfacher Weise durch entsprechende Wahl der Phasenlage der Synchrongleichrichteransteuerung erreichen läßt.It is particularly advantageous that the addition or subtraction particularly easy by appropriate choice of phase the synchronous rectifier control can be achieved.
Als sehr vorteilhaft hat sich der Einsatz der beanspruchten Auswer teschaltungen im Zusammenhang mit integrierten Einfederwegsensoren erwiesen, da die bei solchen Sensoren üblicherweise benötigte zweite Kompensationsspule sowie ein zusätzlicher Temperatursensor entfallen können.The use of the claimed extractors has proven to be very advantageous circuits in connection with integrated spring deflection sensors proved that the second one usually required in such sensors Compensation coil and an additional temperature sensor are not required can.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Auswerteschaltung für einen Induktivsensor nach dem Hauptanspruch möglich. The measures listed in the subclaims provide for partial further training and improvements of the evaluation circuit possible for an inductive sensor according to the main claim.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nach folgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung im einzelnen in Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbei spiel mit einer Spule, in Fig. 2 ist ein sogenanntes Zeigerdiagramm dargestellt und in Fig. 3 ist die komplette Schaltungsanordnung für ein Ausführungsbeispiel mit einer Spule aufgetragen.The invention is illustrated in the drawing and is explained in more detail in the description below. The drawing shows in detail in Fig. 1 a first game according to the invention with a coil, in Fig. 2 a so-called pointer diagram is shown and in Fig. 3 the complete circuit arrangement for an embodiment with a coil is plotted.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen differentiellen induktiven Sensor und in Fig. 5 sind die bei einem Ausführungsbei spiel nach Fig. 4 erhaltenen Signalverläufe ohne und mit einer nachfolgenden Filterung über der Zeit aufgetragen. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a differential inductive sensor and in FIG. 5 the signal curves obtained in an exemplary embodiment according to FIG. 4 are plotted without and with a subsequent filtering over time.
In Fig. 1 ist ein Oszillator 10, beispielsweise ein Sinusoszilla tor, der die Ausgänge 10a und 10b aufweist und die Spannung US erzeugt, über einen Widerstand 12 mit der, als variable Spule 14 dargestellten Meßspule verbunden. Zwischen dem Widerstand 12 und der Spule 14 ist ein Punkt 13 definiert, zwischen dem und Masse ein Kondensator 15 liegt und der weiterhin mit dem Eingang 17a eines Reglers 17 verbunden ist.In Fig. 1, an oscillator 10 , for example a sinusoidal gate, which has the outputs 10 a and 10 b and generates the voltage US, is connected via a resistor 12 to the measuring coil shown as a variable coil 14 . Between the resistor 12 and the coil 14 , a point 13 is defined, between which and a capacitor 15 is ground and which is also connected to the input 17 a of a controller 17 .
Über einen Eingang 17b wird dem Regler 17 eine konstante Spannung zugeführt, die 1/2 UB beträgt, wobei UB die Referenzspannung der Schaltung ist, z. B. 5V aus dem Steuergerät.Via an input 17 b, the controller 17 is supplied with a constant voltage which is 1/2 UB, UB being the reference voltage of the circuit, for. B. 5V from the control unit.
Der Ausgang 17c des Reglers 17 ist mit der Spule 14 verbunden und über einen weiteren Kondensator 16 mit Masse. Weiterhin ist der Aus gang 17c des Reglers 17 über einen Kondensator 18 und einen Wider stand 19 mit dem Analogumschalter 21 des Synchrongleichrichters 20 verbunden. Der Analogumschalter 21 erhält über den Ausgang 10a des Oszillators 10 Schaltimpulse. The output 17 c of the controller 17 is connected to the coil 14 and via a further capacitor 16 to ground. Furthermore, the output 17 c of the controller 17 via a capacitor 18 and a counter 19 was connected to the analog switch 21 of the synchronous rectifier 20 . The analog switch 21 receives 10 switching pulses via the output 10 a of the oscillator.
Der Synchrongleichrichter 20 umfaßt neben dem Analogumschalter 21 noch zwei Inverter 27, 28, die aus je einem Operationsverstärker 22 und 26 sowie den zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang der Operationsverstärker 22 und 26 angeordneten Widerständen 23 und 25 sowie einen dazwischenliegenden Widerstand 24 bestehen.In addition to the analog switch 21 , the synchronous rectifier 20 also comprises two inverters 27 , 28 , each consisting of an operational amplifier 22 and 26 and the resistors 23 and 25 arranged between the output and the inverting input of the operational amplifiers 22 and 26 , and an intermediate resistor 24 .
Die beiden invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 22 und 26 sind mit je einer Klemme des Analogumschalters 21 verbunden, die nicht invertierenden Eingänge liegen auf der halben Referenzspannung 1/2 UB.The two inverting inputs of the operational amplifiers 22 and 26 are each connected to a terminal of the analog switch 21 , the non-inverting inputs are at half the reference voltage 1/2 UB.
Vom Ausgang des Operationsverstärkers 26 des Synchrongleichrichters 20 führt eine Verbindung zum Filter 29, an dessen Analogausgang 30 das Meßsignal abgegriffen wird.A connection leads from the output of the operational amplifier 26 of the synchronous rectifier 20 to the filter 29 , at whose analog output 30 the measurement signal is tapped.
Im Oszillator 10 wird eine Sinusschwingung bzw. eine Schwingung mit relativ geringem Oberwellengehalt mit konstanter Amplitude erzeugt, in Fig. 1 ist diese Sinusschwingung als US bezeichnet. Sie wird über den Widerstand 12 der Spule 14 zugeführt und die an Punkt 13 entstehende Spannung wird erfaßt und als Istwert dem Regler 17 zugeführt. Als Sollwert wird dem Regler 17 die konstante Spannung 1/2 UB zugführt, der Regler regelt die Ausgangsspannung UR so, daß die Eingangsspannung am Eingang 17a ebenfalls konstant bleibt. Da sich an Punkt 13 eine konstante Spannung einstellt, wobei die Wechselspannung gleich Null ist und am Ausgang 10b eine Wechselspannung US mit konstanter Amplitude anliegt, ergibt sich über dem Widerstand 12 eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude.A sine oscillation or an oscillation with a relatively low harmonic content with a constant amplitude is generated in the oscillator 10 ; in FIG. 1 this sine oscillation is designated as US. It is fed via the resistor 12 to the coil 14 and the voltage arising at point 13 is detected and fed to the controller 17 as the actual value. As the desired value to the controller 17, the constant voltage zugführt 1/2 UB, the controller regulates the output voltage UR, so that the input voltage at the input 17 a also remains constant. Since at point 13, a constant voltage setting in which the AC voltage is zero and at the output 10 b, an alternating voltage US with constant amplitude is applied, results across resistor 12, an alternating voltage with constant amplitude.
Diese Wechselspannung mit konstanter Amplitude bewirkt, daß auch der Strom I durch den Widerstand 12 ein Wechselstrom mit konstanter Amplitude ist. Da die Spannung an Punkt 13 auf einen konstanten Wert geregelt wird, ist der Strom I auch unabhängig von der Induktivität der Spule 14. This alternating voltage with a constant amplitude causes the current I through the resistor 12 to be an alternating current with a constant amplitude. Since the voltage at point 13 is regulated to a constant value, the current I is also independent of the inductance of the coil 14 .
Gegebenenfalls vorhandene Kabelstreukapazitäten gegen Masse lassen ebenso keinen Strom fließen wie der Kondensator 15, der als EMV-Ab blockkondensator dient, da nur bei vorhandener Wechselspannung ein Strom durch diese Kondensatoren fließen könnte.Any existing cable stray capacitances to ground do not allow current to flow as does capacitor 15 , which serves as an EMC block capacitor, since a current could only flow through these capacitors if AC voltage is present.
Da der Eingang des Reglers hochohmig ist, kann nur ein unwesentli cher Strom in den Reglereingang 17a fließen, daher ist sicherge stellt, daß der gesamte konstante Wechselstrom durch die Spule 14, die die Meßspule darstellt und deren elektrische Eigenschaften ge messen werden sollen, fließt. Damit stellt sich am Ausgang 17c des Reglers 17 eine Wechselspannung ein, die proportional zum sogenann ten Blindwiderstand der Spule 14 ist. Die Phasenlage dieser Spannung repräsentiert die Phasenlage des Blindwiderstandes. Kondensatoren bzw. Streukapazitäten gegen Masse, die in Fig. 1 als Kondensator 16 dargestellt sind, wirken sich nicht negativ aus, da der abfließende Strom vom Regler 17 geliefert wird.Since the input of the controller is high-resistance, only an insignificant current can flow into the controller input 17 a, so it is ensured that the entire constant alternating current flows through the coil 14 , which represents the measuring coil and whose electrical properties are to be measured . This results in an AC voltage at the output 17 c of the controller 17 , which is proportional to the so-called reactance of the coil 14 . The phase position of this voltage represents the phase position of the reactance. Capacitors or stray capacitances to ground, which are shown in FIG. 1 as capacitor 16 , do not have a negative effect, since the current flowing away is supplied by the controller 17 .
Die am Ausgang 17c des Reglers 17 auftretende Spannung UR gelangt über den Kondensator 18 und den Widerstand 19 zum Synchrongleich richter 20, dem über den Taktausgang 10a des Oszillators 10 Um schaltimpulse zugeführt werden.The voltage UR occurring at the output 17 c of the regulator 17 passes through the capacitor 18 and the resistor 19 to the synchronous rectifier 20 which is supplied with switching pulses via the clock output 10 a of the oscillator 10 .
Mit der bisher beschriebenen Anordnung sind bereits Messungen mög lich, die gewünschte Temperaturkompensation wird jedoch erst durch die im folgenden beschriebene schaltungsmäßige Ausführung des Synchrongleichrichters gewährleistet.With the arrangement described so far, measurements are already possible Lich, the desired temperature compensation is only through the circuit design of the Synchronous rectifier guaranteed.
Das an der Verbindung zwischen der Spule 14 und dem Reglerausgang 17c entstehende Meßsignal UM wird abhängig vom Takt des Oszillators 10 entweder über beide Inverter 27, 28 oder nur über einen, den Inverter 28 geleitet. Hierdurch ergibt sich eine Synchrongleichrichtung. Üblicherweise wird für die Synchrongleich richtung ein Takt mit einer Phase von 90 Grad oder mit einer Phase von 0 Grad gewählt, um entweder nur den Widerstand oder nur die Induktivität zu messen. Es ist auch möglich, die Abtastphase noch zu korrigieren, um Phasenverschiebungen, die von der Meßanordnung selbst verursacht werden, auszugleichen.The measurement signal UM that arises at the connection between the coil 14 and the controller output 17 c is conducted depending on the clock of the oscillator 10 either via both inverters 27 , 28 or only via one, the inverter 28 . This results in synchronous rectification. Usually, a clock with a phase of 90 degrees or with a phase of 0 degrees is selected for the synchronous rectification, in order to measure either only the resistance or only the inductance. It is also possible to correct the sampling phase in order to compensate for phase shifts caused by the measuring arrangement itself.
Erfindungsgemäß wird nun eine geeignete Wahl der Phasenlage vorgenommen, um damit eine Temperaturkompensation zu erreichen. Für bestimmte Sensoren ist die Induktivität der Spule 14 und der Realteil des Widerstandes der Spule abhängig von der Temperatur. Genauso können sowohl die Induktivität als auch der Realteil des Widerstandes abhängig von der Meßgröße sein. Bei den meisten Sensoren ist dabei der Realteil des Widerstandes und die Induktivität in unterschiedlicher Weise von der Meßgröße abhängig. Eine Temperaturkompensation ist dann durchführbar, indem beide Komponenten in geeigneter Weise zueinander addiert oder voneinander subtrahiert werden. Bei geeigneter Auswahl heben sich dann die Temperatureinflüsse genau auf, während die Meßgröße weiterhin bestimmt werden kann.According to the invention, a suitable choice of the phase position is now carried out in order to achieve temperature compensation. For certain sensors, the inductance of the coil 14 and the real part of the resistance of the coil are dependent on the temperature. In the same way, both the inductance and the real part of the resistance can be dependent on the measured variable. In most sensors, the real part of the resistance and the inductance depend on the measured variable in different ways. Temperature compensation can then be carried out by appropriately adding or subtracting the two components from one another. With a suitable selection, the temperature influences then cancel each other out, while the measured variable can still be determined.
Bei einer solchen Auswertung ist keine zweite Kompensationsspule er forderlich und auch kein getrennter Temperatursensor. Vielmehr stellt die Meßspule selbst den Temperatursensor dar. Die beschriebe ne Addition oder Subtration der beiden Komponenten läßt sich beson ders einfach durch eine entsprechende Wahl der Phasenlage erreichen. Das in Fig. 2 dargestellte Zeigerdiagramm, das für eine Subtration gilt, verdeutlicht die Zusammenhänge, die wesentlichen Ströme und Spannungen sind für dieses Beispiel immer mit dem Zusatz 1 versehen.With such an evaluation, no second compensation coil is required and also no separate temperature sensor. Rather, the measuring coil itself represents the temperature sensor. The described addition or subtraction of the two components can be achieved particularly easily by a corresponding choice of the phase position. The pointer diagram shown in FIG. 2, which applies to a subtration, clarifies the relationships, the essential currents and voltages are always provided with the addition 1 for this example.
Wird die Spule 14 mit einem Konstantstrom I1 gespeist, ergibt sich bei einer realen Spule, entsprechend einer Reihenschaltung eines Widerstandes R und einer idealen Spule mit der Induktivität L, eine Spannung U1, die gegenüber dem anregenden Strom I1 eine Phasenver schiebung aufweist. Ein Synchrongleichrichter mit einer Phasen verschiebung von 0 Grad wird den durch den Realteil UR1 verursachten Spannungsabfall messen, weist der Synchrongleichrichter dagegen eine Phasenverschiebung von 90 Grad auf, wird der durch die reine Induk tivität verursachte Spannungsabfall UL1 gemessen.If the coil 14 is fed with a constant current I1, a real coil, corresponding to a series connection of a resistor R and an ideal coil with the inductance L, results in a voltage U1 which has a phase shift with respect to the exciting current I1. A synchronous rectifier with a phase shift of 0 degrees will measure the voltage drop caused by the real part UR1, whereas if the synchronous rectifier has a phase shift of 90 degrees, the voltage drop UL1 caused by the pure inductivity is measured.
Bei einer Abtastphase von 90°+ ergibt sich als Meßspannung UM1, diese Spannung ergibt sich im Zeigerdiagramm nach Fig. 4 als senkrechte Projektion von der Spulenspannung UM1 auf die Richtung der Abtastphase, diese Richtung ist in Fig. 2 mit A bezeichnet und gestrichelt dargestellt. Für die Meßspannung gilt dann:In the case of a sampling phase of 90 ° +, the measurement voltage UM1 results, this voltage results in the vector diagram according to FIG. 4 as a vertical projection from the coil voltage UM1 onto the direction of the sampling phase, this direction is designated by A in FIG. 2 and is shown in broken lines. The following then applies to the measuring voltage:
UM1= * (U1- * UR1).UM1 = * (U1- * UR1).
Es wird also tatsächlich ein mit dem konstanten Faktor multiplizierter Realteil der Spannung U1 vom Imaginärteil der Span nung U1 subtrahiert. Gleichzeitig erfolgt noch eine Multiplikation mit einem konstanten Faktor, diese Multiplikation kann durch eine konstante Verstärkung wieder ausgeglichen werden.So it actually becomes one with the constant factor multiplied real part of the voltage U1 from the imaginary part of the chip tion U1 subtracted. At the same time there is a multiplication with a constant factor, this multiplication can be done by a constant gain can be compensated again.
Angewandt auf einen bekannten integrierten Einfederwegsensor ergibt sich beispielsweise für die Temperaturkompensation ein Winkel von:Applied to a known integrated spring deflection sensor For example, an angle of:
= 15 Grad.= 15 degrees.
Eine zusätzliche Filterung und Kalibrierung von Offset und Steigung wird beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer vom Synchrongleichrichter getrennten Stufe, die als Filter 29 bezeichnet wird, erhalten. Es ist jedoch auch möglich, diese Filterung und Ka librierung mit Hilfe einer in den zweiten Inverter 28 integrierten Stufe zu realisieren.Additional filtering and calibration of offset and slope are obtained in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 in a stage which is separate from the synchronous rectifier and is referred to as filter 29 . However, it is also possible to implement this filtering and calibration with the aid of a stage integrated in the second inverter 28 .
Die Störsignalunterdrückung, die bei einem Synchrongleichrichter 20 mit Tiefpaßfilter bereits relativ gut ist, kann weiter verbessert werden, insbesondere gegenüber niederfrequenten Störungen mit einer Frequenz, die kleiner ist als die Meßfrequenz, indem der Kondensator 18 und der Widertand 19 so dimensioniert werden, daß sie als Hochpaß wirken. Damit ist sichergestellt, daß niederfrequente Schwingungen, die sich der Meßfrequenz überlagern, ausgefiltert werden. The interference signal suppression, which is already relatively good in a synchronous rectifier 20 with a low-pass filter, can be further improved, in particular compared to low-frequency interference with a frequency that is lower than the measuring frequency, by the capacitor 18 and the resistor 19 being dimensioned so that they are Look high fun. This ensures that low-frequency vibrations that overlap the measuring frequency are filtered out.
Da sich durch diesen Hochpaß unerwünschte Phasenverschiebungen einstellen, ist eine zusätzliche Verschiebung des Taktsignales erforderlich. Insgesamt ergibt sich aus der Kombination des Hochpasses zwischen dem Regler 17 und dem Synchrongleichrichter 20 und dem Tiefpaßfilter 29 zwischen den Synchrongleichrichter 20 und dem Ausgang 30 eine wirksame Störungsunterdrückung für alle vorkommenden Frequenzen.Since undesirable phase shifts occur due to this high-pass filter, an additional shift of the clock signal is required. Overall, the combination of the high-pass filter between the controller 17 and the synchronous rectifier 20 and the low-pass filter 29 between the synchronous rectifier 20 and the output 30 results in effective interference suppression for all occurring frequencies.
Als Hochpaß 31 kann auch ein Hochpaß oder Bandpaß mit höherer Ordnung oder ein aktiver Hochpaß eingesetzt werden. Als vorteilhafter Nebeneffekt ist sichergestellt, daß Offsetspannungen vom Regler 17 und Oszillator 10 nicht an den Ausgang 30 gelangen können und daher auch nicht zu einer Signalverfälschung führen können.A high pass or band pass with a higher order or an active high pass can also be used as high pass 31 . As an advantageous side effect, it is ensured that offset voltages from controller 17 and oscillator 10 cannot reach output 30 and therefore cannot lead to signal falsification.
Sowohl der Oszillator 10 als auch der Regler 17 können in analoger oder auch digitaler Form ausgeführt sein, das Regelverhalten des Reglers 17 kann mit Hilfe einer Störgrößenaufschaltung weiter ver bessert werden, dabei wird die Ausgangsspannung des Oszillators 10 dem Regler 17 als zusätzliche Information zugeführt.Both the oscillator 10 and the controller 17 can be carried out in analog or digital form, the control behavior of the controller 17 can be further improved with the aid of a feedforward control, the output voltage of the oscillator 10 being supplied to the controller 17 as additional information.
Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn die am Ausgang 10b des Oszillators 10 ausgekoppelte Sinusspannung US über ein Widerstands netzwerk und einen zweiten Analogschalter in den Synchrongleichrich ter 20 eingespeist wird. Es ist dann auch für Sensoren mit nur einer Spule ein Offsetabgleich möglich, beispielsweise durch Einspeisen einer Gleichspannung in eine Verstärkerstufe, dies führt zu einer sehr stabilen Kompensation.A further improvement is achieved if at the output 10 of the oscillator 10 coupled-b US sinusoidal voltage via a resistor network and a second analog switch in the synchronous rectifier 20 is fed ter. An offset adjustment is then also possible for sensors with only one coil, for example by feeding a DC voltage into an amplifier stage, this leads to very stable compensation.
Da Änderungen der Oszillatorspannung und Frequenz den Gesamtwert der Meßspannung beträchtlich verändern, muß die Oszillatorstabilität ein Mehrfaches der gewünschten Genauigkeit der Sensoranordnung betragen. Eine Verbesserung der Genauigkeit wird erhalten, indem die Sinus spannung US über ein Netzwerk mit geeignetem Übertragungsverhalten, beispielsweise gleichem Übertragungsverhalten wie das der Meßspule in einer mittleren und stabilen Position aufweist, wobei weiterhin ein zweiter Analogschalter vorgesehen ist, über den die Spannung ge gensinnig in den Synchrongleichrichter eingespeist wird. Durch diese Maßnahmen wird eine Offsetkompensation ermöglicht, die die selben Eigenschaften bezüglich des Oszillators besitzt wie der eigent liche Offset. Die Realisierung kann dabei im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit Hilfe eines zusätzlichen Hochpasses zweiter Ordnung erfolgen.Since changes in the oscillator voltage and frequency change the total value of the measurement voltage considerably, the oscillator stability must be a multiple of the desired accuracy of the sensor arrangement. An improvement in accuracy is obtained by the sinusoidal voltage US having a network with a suitable transmission behavior, for example the same transmission behavior as that of the measuring coil in a middle and stable position, with a second analog switch is also provided, via which the voltage in the opposite direction Synchronous rectifier is fed. These measures enable offset compensation that has the same properties with respect to the oscillator as the actual offset. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, this can be implemented with the aid of an additional second-order high pass.
In Fig. 3 ist die komplette Schaltungsanordnung eines weitere Aus führungsbeispieles der Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel besteht der Oszillator aus einem Analogschalter IC4, der als Doppelschalter mit den beiden Schaltelementen 33, 34 ausgebildet ist. Ein Ausgang dieses Analogschalters IC4 führt über eine Serienschaltung von drei Widerständen R1, R2, R3 auf den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1. Zwischen besagter Widerstandskombination und Masse liegen drei Kondensatoren C1, C2 und C3. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OP1 und seinem invertierenden Eingang liegt der Widerstand R10, der außerdem über den Widerstand R9 mit Masse verbunden ist.In Fig. 3, the complete circuit arrangement of a further exemplary embodiment of the invention is shown. In this exemplary embodiment, the oscillator consists of an analog switch IC4, which is designed as a double switch with the two switching elements 33 , 34 . An output of this analog switch IC4 leads via a series connection of three resistors R1, R2, R3 to the non-inverting input of the operational amplifier OP1. There are three capacitors C1, C2 and C3 between said resistor combination and ground. Between the output of the operational amplifier OP1 and its inverting input is the resistor R10, which is also connected to ground via the resistor R9.
Ein Komparator K1 ist mit seinem nicht invertierenden Eingang an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 angeschlossen, der nicht invertierende Eingang des Komparators K1 ist über einen Widerstand R4 mit der Verbindung zwischen einem Ausgang des Analog schalters IC4 und dem Widerstand R1 verbunden. Der Ausgang des Komparators K1 liegt über einen Widerstand R5 auf Versorgungsspan nung und führt außerdem an einen Eingang des Analogschalters IC4.A comparator K1 is with its non-inverting input to the inverting input of the operational amplifier OP1 connected, the non-inverting input of the comparator K1 is via a Resistor R4 with the connection between an output of the analog switch IC4 and the resistor R1 connected. The exit of the Comparator K1 is connected to supply voltage via a resistor R5 voltage and also leads to an input of the analog switch IC4.
Der Regler 17 umfaßt einen Operationsverstärker OP3, dessen inver tierender Eingang über einen Kondensator C5 und einen Widerstand 13 auf Masse liegt, über einen Widerstand R15 und einen Widerstand R16 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP1 des Oszillators 10 verbunden ist und über den Kondensator S6 und den Widerstand R14 mit dem Ausgang verbunden ist.The controller 17 comprises an operational amplifier OP3, the inverting input of which is connected to ground via a capacitor C5 and a resistor 13 , is connected via a resistor R15 and a resistor R16 to the output of the operational amplifier OP1 of the oscillator 10 and via the capacitor S6 and Resistor R14 is connected to the output.
Die Meßspule 14 ist mit der Verbindung zwischen den Widerständen R15 und R16 verbunden, die andere Seite der Meßspule ist über einen Widerstand R17 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3 verbun den und zwischen den beiden Anschlüssen der Meßspule 14 und Masse liegt je ein Kondensator C7 und C8.The measuring coil 14 is connected to the connection between the resistors R15 and R16, the other side of the measuring coil is connected via a resistor R17 to the output of the operational amplifier OP3 and between the two connections of the measuring coil 14 and ground there is a capacitor C7 and C8 .
Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP3 ist über einen Widerstand R6 mit dem nicht invertierenden Eingang des Komparators K1 verbunden und über einen Widerstand R7 mit einer 5 Volt Versorgungsspannung. Weiterhin liegen zwischen dem nicht inver tierenden Eingang des Operationsverstärkers OP3 und Masse ein Wider stand R8 und ein Kondensator C4.The non-inverting input of the operational amplifier OP3 is via a resistor R6 to the non-inverting input of the Comparator K1 connected and a resistor R7 with a 5th Volt supply voltage. Furthermore, there are no inverses ting input of the operational amplifier OP3 and ground a counter stood R8 and a capacitor C4.
Der Synchrongleichrichter 20 umfaßt zwei Operationsverstärker OP4 und OP5, deren invertierende Eingänge mit je einem Anschluß des Ana logschalters IC4 verbunden sind. Weiterhin ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP5 über einen Widerstand R26 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP4 und über einen Widerstand R27 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP4 verbunden.The synchronous rectifier 20 comprises two operational amplifiers OP4 and OP5, the inverting inputs of which are connected to one terminal of the analog switch IC4. Furthermore, the inverting input of the operational amplifier OP5 is connected to the output of the operational amplifier OP4 via a resistor R26 and to the inverting input of the operational amplifier OP4 via a resistor R27.
Die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker OP4 und OP5 sind miteinander verbunden und führen außerdem auf den nicht in vertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP6 der sogenannten Treiberstufe 32 sowie zum nicht invertierenden Eingang des Opera tionsverstärkers OP3 des Reglers 17.The non-inverting inputs of the operational amplifiers OP4 and OP5 are connected to one another and also lead to the non-inverting input of the operational amplifier OP6 of the so-called driver stage 32 and to the non-inverting input of the operational amplifier OP3 of the controller 17 .
Zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP5 und Masse liegt ein veränderbarer Widerstand R24, zwischen dem in vertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP5 und seinem Aus gang liegt ein Kondensator C3 sowie ein weiterer veränderbarer Widerstand R25, außerdem führt der Ausgang des Operationsverstärkers OP5 zu einem Widerstand R23 des Treibers 32.Between the inverting input of the operational amplifier OP5 and ground there is a variable resistor R24, between the vertical input of the operational amplifier OP5 and its output there is a capacitor C3 and another variable resistor R25, moreover the output of the operational amplifier OP5 leads to a resistor R23 Driver 32 .
Der Treiber 32 umfaßt neben dem bereits erwähnten Operationsverstär ker OP6 noch die Widerstände R19 bis R22 sowie die Kondensatoren C11 und C12, wobei der Widerstand R20 und der Kondensator C11 zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP6 und seinem Ausgang liegen und der invertierende Eingang weiterhin mit den Widerständen 23 und R19 verbunden ist.In addition to the operational amplifier OP6 mentioned above, the driver 32 also includes the resistors R19 to R22 and the capacitors C11 and C12, the resistor R20 and the capacitor C11 being located between the inverting input of the operational amplifier OP6 and its output and the inverting input continuing with the Resistors 23 and R19 is connected.
Der Ausgang des Operationsverstärkers führt über die Widerstände R21 und R22 zum Ausgang 30, an dem das temperaturkompensierte Meßsignal erhalten wird. Der Ausgang 30 ist weiterhin mit dem Widerstand R19 verbunden und zwischen den Widerständen R21 und R22 und Masse ist ein Kondensator C12 angeordnet.The output of the operational amplifier leads via resistors R21 and R22 to output 30 , at which the temperature-compensated measurement signal is obtained. The output 30 is also connected to the resistor R19 and a capacitor C12 is arranged between the resistors R21 and R22 and ground.
Schließlich ist noch ein aus dem Widerstand R18 und dem Kondensator C9 bestehender Hochpaß zwischen der Spule 14 und einen Eingang des Analogschalters IC4 angeordnet.Finally, a high-pass filter consisting of the resistor R18 and the capacitor C9 is arranged between the coil 14 and an input of the analog switch IC4.
Der Analogschalter IC4 legt den Widerstand R1 wechselweise auf Masse und auf Referenzspannung (+5V). Am Kondensator C1 entsteht daher eine dreieckähnliche Schwingung (e-Funktion). Am nicht invertierenden Eingang des Komparators K1 wird mit dem Widerstand R4 eine Hysterese erzeugt. Der Komparator K1 schaltet jeweils beim Erreichen des Schwellwertes den Analogschalter IC4 um.The analog switch IC4 alternately connects the resistor R1 to ground and to reference voltage (+ 5V). Therefore, capacitor C1 is created a triangle-like vibration (e-function). Not at inverting input of comparator K1 is connected to resistor R4 generates a hysteresis. The comparator K1 switches at The analog switch IC4 is reached.
Die entstehende Spannung wird mit dem zweistufigen passiven Tiefpaß R2, C2 und R3, C3 tiefpaßgefiltert und mit dem Operationsverstärker OP1 gepuffert und verstärkt. Dadurch entsteht die gewünschte Ober wellenarme Schwingung, mit der die Spule 14 gespeist wird. The resulting voltage is low-pass filtered with the two-stage passive low-pass filter R2, C2 and R3, C3 and buffered and amplified with the operational amplifier OP1. This creates the desired upper wave low vibration with which the coil 14 is fed.
Der Komparator K1 liefert gleichzeitig den Takt für den Synchron gleichrichter 20, da die Umschaltung der Schaltelemente 33, 34 des Doppelschalters im Analogschalter IC4 gleichzeitig erfolgt. Dabei entspricht das Schaltelement 34 von der Funktion her dem Analogschalter 21 des Synchrongleichrichters 20 nach Fig. 1. Da sich die Schaltelemente 33 und 34 jedoch auf demselben Chip befinden, ist gewährleistet, daß die Phasenlage zwischen der erzeugten Schwingung, beispielsweise Sinusschwingung und der Schwingung des Synchrongleichrichters absolut konstant ist. Der Betrag der Phasenlage der Schwingung des Synchrongleichrichters kann über die beiden Tiefpässe R2, C2 und R3, C3 an die jeweils erforderlichen Bedingungen angepaßt werden.The comparator K1 simultaneously delivers the clock for the synchronous rectifier 20 , since the switching of the switching elements 33 , 34 of the double switch in the analog switch IC4 takes place simultaneously. The switching element 34 corresponds in terms of function to the analog switch 21 of the synchronous rectifier 20 according to FIG. 1. However, since the switching elements 33 and 34 are on the same chip, it is ensured that the phase position between the oscillation generated, for example sine oscillation and the oscillation of the Synchronous rectifier is absolutely constant. The amount of the phase position of the oscillation of the synchronous rectifier can be adapted to the respectively required conditions via the two low-pass filters R2, C2 and R3, C3.
Der Regler 17 regelt die der Spule 14 zugeführte Spannung in der bei der Beschreibung der Fig. 1 erläuterten Weise, seine Funktionsweise soll daher an dieser Stelle nicht mehr weiter erläutert werden.The regulator 17 regulates the voltage supplied to the coil 14 in the manner explained in the description of FIG. 1, its mode of operation will therefore not be explained any further at this point.
Die Spannung, die am Ausgang des Reglers bzw. an einem der Anschlüs se der Spule entsteht, wird über den aus dem Widerstand R18 und dem Kondensator C9 bestehenden Hochpaß in den Synchrongleichrichter 20 eingekoppelt. Durch geeignete Wahl bzw. Einstellung des Widerstandes R25 wird die Steigung des Sensorsignals eingestellt und mit Hilfe des Widerstandes R24 der auftretende Offset. Eine Filterung des Signales erfolgt mit dem Kondensator C10. Über den Treiber 32 wird das Ausgangssignal der gesamten Anordnung am Ausgang 30 bereitge stellt.The voltage that arises at the output of the regulator or at one of the connections of the coil is coupled into the synchronous rectifier 20 via the high-pass filter consisting of the resistor R18 and the capacitor C9. The slope of the sensor signal is set by suitable selection or setting of the resistor R25 and the offset occurring using the resistor R24. The signal is filtered with the capacitor C10. Via the driver 32 , the output signal of the entire arrangement at the output 30 is provided.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für einen differentiellen in duktiven Sensor dargestellt, bei dem der Sensor 11 zwei Spulen 35, 36 aufweist, deren Induktivitäten sich in Abhängigkeit von der Meß größe gegensinnig ändern. In Fig. 4 an embodiment of a differential inductive sensor is shown, in which the sensor 11 has two coils 35 , 36 , the inductances of which change in opposite senses depending on the measurement.
Die Spulen 35 und 36 erhalten über zwei Widerstände R29 und R31 das sinusförmige Anregungssignal des Oszillators 10. Über Kondensatoren C13 und C14 sowie Widerstände 30 und 32 sind die massenfernen An schlüsse der Spulen mit dem Synchrongleichrichter 20 verbunden.The coils 35 and 36 receive the sinusoidal excitation signal of the oscillator 10 via two resistors R29 and R31. Via capacitors C13 and C14 as well as resistors 30 and 32 , the remote connections to the coils are connected to the synchronous rectifier 20 .
Der Synchrongleichrichter 20 ist ähnlich aufgebaut wie im Beispiel nach Fig. 3, er weist jedoch einen Doppelschalter auf, der mit Takten des Oszillators 10 gleichzeitig umgeschaltet wird.The synchronous rectifier 20 is constructed similarly to the example according to FIG. 3, but it has a double switch which is switched over at the same time as the oscillator 10 .
Ein gegebenenfalls ebenfalls noch einsetzbarer Regler wurde bei die sem Ausführungsbeispiel nicht aufgenommen.A controller, which may also still be used, was used by sem embodiment not included.
Im Oszillator 10 werden die Sinusschwingungen erzeugt, die den bei den Spulen 33 und 34 über die Widerstände R29 und R31 zugeführt wird. Sind die Widerstände geeignet dimensioniert, ist auch bei die sem Ausführungsbeispiel der Wechselstrom durch die Spulen relativ konstant.In the oscillator 10 , the sine waves are generated, which is supplied to the coils 33 and 34 via the resistors R29 and R31. If the resistors are suitably dimensioned, the alternating current through the coils is also relatively constant in this embodiment.
Die beiden induzierten Spannungen U21 und U22 werden mit den beiden Umschaltungen 35, 36 in den Synchrongleichrichter eingespeist, wobei dieser gleichzeitig auch noch die Subtraktion vornimmt. Durch ge zielte Wahl der Abtastphase kann die zu messende Größe bestimmt wer den.The two induced voltages U21 and U22 are fed into the synchronous rectifier with the two switches 35 , 36 , which also performs the subtraction at the same time. The size to be measured can be determined by targeted selection of the sampling phase.
Die in Fig. 4 eingezeichneten Spannungen U1 und U2, sowie die Ströme Ia, Ib und Ic sind in Fig. 5 aufgetragen, wobei die Aus gangsspannung UA einmal mit und einmal ohne zusätzliches Filter an gegeben ist, dabei gibt die gestrichelte Kurve die Ausgangsspannung UA mit Filter an.The voltages U1 and U2 shown in FIG. 4, and the currents Ia, Ib and Ic are plotted in FIG. 5, the output voltage UA being given once with and once without an additional filter, and the dashed curve gives the output voltage UA with filter on.
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