传感器系统、用于运行传感器系统的方法与流程

1.本发明基于一种具有mems陀螺仪的传感器系统。


背景技术：

2.用于测量转速的陀螺仪是众所周知的，并且例如在大量设备和应用中用作微机电系统(mems)。
3.在实践中，例如在消费电子产品中，这种传感器的决定性的特征参量是传感器的电流消耗或能量消耗。
4.尽管有源陀螺仪的电流消耗在过去已经得到降低，但是在大量应用中(例如在可穿戴设备和iot设备中)存在进一步节省的需求。
5.然而，降低所耗功率的追求通常与改善所输出的传感器信号的信号质量的目标相矛盾。因此，在功率优化中通常需要仔细权衡，以便一方面能够实现省电的传感器系统，另一方面能够实现尽可能精确和低噪声的转速测量。


技术实现要素：

6.本发明的任务是提供一种具有mems陀螺仪的省电传感器系统，借助该传感器系统，优选地仍然能够以相对较高的信号质量实现转速测量。
7.根据本发明的传感器系统至少包括：能够被激励以进行振荡的震动质量，以用于检测测量信号；驱动电路，以用于激励和保持震动质量的定义振荡运动；检测电路，以用于读出测量信号和解调测量信号，由此产生转速信号和相对于转速信号相移的正交信号；数字处理电路，以用于在使用经数字化的正交信号的情况下补偿经数字化的转速信号的偏移；其中，检测电路和数字处理电路包括用于产生和处理转速信号的转速电路装置，并且包括用于产生和处理正交信号和用于产生补偿信号的正交电路装置，该补偿信号用于经数字化的转速信号的偏移补偿；其中，正交电路装置的至少一部分能够独立于转速电路装置的运行模式地在至少一个不同于转速电路装置的运行模式中运行。
8.根据本发明的传感器系统相对于现有技术具有以下优点：正交电路装置的至少一部分能够独立于转速电路装置的运行模式地在至少一个不同于转速电路装置的运行模式中运行。因此，正交电路装置优选地能够至少部分地在如下运行模式中运行：在该运行模式中，正交电路装置具有与其在转速电路装置的运行模式中的运行中相比更低的功率消耗。由此能够在大量情况下实现电流消耗的个体化的降低，其中，仍然能够输出具有相对较高质量的转速信号。因此能够特别个体化地匹配于对确定应用中的传感器系统提出的特定要求。
9.在陀螺仪系统中，为了校正转速信号的偏移漂移，通常使用陀螺仪的正交信号，通常与温度信息共同使用。然而，在陀螺仪中，简单的占空比技术(duty-cycle-techniken)的使用受到所期望的信号质量的限制，因为为了对由外部影响(例如振动)所造成的噪声和干扰进行高效的滤波应连续地运行用于转速信号的数据路径。根据本发明，有利地能够实现，
正交电路装置的至少一部分独立于转速电路装置的运行模式地在至少一个不同于转速电路装置的运行模式中运行。由正交影响和/或温度影响所造成的转速信号的偏移变化有利地通常发生在比转速信号的输出更低的频率下。因此，根据本发明能够实现，通过正交电路装置的至少一部分在其他运行模式中的运行，节省电流，而转速信号的信号质量不(显著地)受到消极影响。
10.本发明的有利构型和扩展方案可以从以下描述中得出。
11.根据本发明的一种实施方式，转速电路装置包括解调装置和/或模数转换器作为检测电路的组成部分，和/或包括至少一个数字滤波器作为数字处理电路的组成部分，因此能够实现，为转速信号实现特别有利的信号质量。优选地，可以在转速电路装置的运行模式中，借助解调装置、模数转换器和数字滤波器，将转速信号产生、数字化和滤波，以便实现有利的信号质量并且尤其实现低噪声水平。
12.根据本发明的一种实施方式，正交电路装置包括解调装置和/或模数转换器作为检测电路的组成部分，和/或包括至少一个数字滤波器作为数字处理电路的组成部分，因此能够实现，针对转速信号的偏移的校正实现正交信号的有利产生和利用。特别有利地能够想到，以相对较低的数据速率产生或更新用于校正转速信号的正交信号和补偿信号，从而能够省电。由于借助正交信号所校正的、转速信号的偏移漂移与由传感器系统输出转速信号相比通常更慢地发生变化，因此在大量应用中能够实现这种省电，而转速信号的偏移补偿的质量不受影响。尤其可以想到，以下正交电路装置中的若干或全部在不同于转速电路装置的运行模式中运行：
13.用于产生正交信号的解调装置，
14.用于将正交信号数字化的模数转换器，和/或
15.用于对经数字化的正交信号进行滤波的至少一个数字滤波器。
16.根据本发明的一种实施方式，传感器系统包括用于检测温度信号的温度传感器以及用于处理温度信号和用于产生补偿信号的温度电路装置，其中，数字处理电路设计用于，基于经数字化的正交信号和经数字化的温度信号产生补偿信号，其特征在于，温度电路装置的至少一部分能够独立于转速电路装置的运行模式地在至少一个不同于转速电路装置的运行模式中运行，因此能够实现，特别有利地降低传感器系统的电流消耗。与由传感器系统输出转速信号相比，温度通常显著更慢地发生变化，从而温度信号的高频产生对于转速信号的信号质量而言并不带来任何优点或最多带来较少优点，然而，显著增加电流消耗。因此，通过温度电路装置的至少一部分在不同于转速电路装置的运行模式中的运行，能够节省电流，而不降低信号质量。
17.根据本发明的一种实施方式，温度电路装置包括模数转换器和/或至少一个数字滤波器和/或至少一个加法器和/或乘法器，因此能够实现，在使用温度信号的情况下产生有利的补偿信号，但是仍然能够通过温度电路装置的至少一部分在不同于转速电路装置的运行模式中的运行来节省电流。尤其可以想到，以下温度电路装置中的若干或全部在不同于转速电路装置的运行模式中运行：
18.温度传感器，
19.模数转换器，
20.至少一个数字滤波器，
21.至少一个加法器，和/或
22.至少一个乘法器。
23.根据本发明的一种实施方式，传感器系统包括运行模式控制装置，该运行模式控制装置用于为转速电路装置和/或为正交电路装置和/或为温度电路装置预先规定当前的运行模式，因此能够实现，为转速电路装置和/或为正交电路装置和/或为温度电路装置设置不同的运行模式，从而能够实现所期望的信号质量并且仍然能够省电。运行模式控制装置优选地负责相应于相应的运行模式地操控转速电路装置、正交电路装置和/或温度电路装置的各个电路部件，和/或配置用于根据相应的运行模式来设置转速电路装置、正交电路装置和/或温度电路装置的电路部件。运行模式控制装置优选地也能够实现不同运行模式之间的切换。例如可以想到，正交电路装置和/或温度电路装置能够可选地在不同的节能模式中运行，例如在占空比模式中，这些模式通过正交电路装置和/或温度电路装置的电路部件的激活和禁用的时间间隔的持续时间进行区分，并且能够借助运行模式控制装置来配置、选择和/或设置这些模式。
24.本发明的另一主题是一种用于运行根据本发明的实施方式的传感器系统的方法，其特征在于，在测量运行模式中运行转速电路装置，在该测量运行模式中，以第一数据速率提供转速信号，并且在第一节能模式中运行正交电路装置，在该第一节能模式中，以第二数据速率提供正交信号，其中，第二数据速率小于第一数据速率。
25.由此，有利地能够以比产生或更新正交信号和/或补偿信号更高的频率产生和/或输出转速信号。与产生和输出转速信号相比，转速信号的由正交影响所造成的偏移通常更慢地发生变化。因此能够实现，通过正交电路装置在第一节能模式中的运行来节省能量，而偏移补偿的质量不(显著)受到消极影响。
26.根据本发明的一种实施方式，尤其是根据该方法的一种实施方式，正交电路装置的至少部分在第一节能模式中以预给定的时间间隔周期性地激活和禁用，因此能够实现，在第一节能模式中，在正交电路装置的运行中省电。
27.根据本发明的一种实施方式，尤其是根据该方法的一种实施方式，传感器系统包括至少一个温度传感器和温度电路装置，其特征在于，在第二节能模式中运行温度电路装置，在该第二节能模式中，以小于第一数据速率的数据速率提供温度信号，因此能够实现，在温度电路装置的运行中省电。同样可以想到，在第二节能模式中运行温度传感器。
28.根据本发明的一种实施方式，尤其是根据该方法的实施方式，正交电路装置和温度电路装置在相同的节能模式中运行，从而以相同的数据速率提供正交信号和温度信号，因此能够实现特别有利的省电。在此，优选地能够以与正交信号和温度信号相同的数据速率来更新或产生补偿信号。
29.在此，对于用于运行传感器系统的方法，可以应用已经结合根据本发明的传感器系统或结合根据本发明的传感器系统的实施方式已描述过的优点和构型。对于传感器系统，可以应用结合根据本发明的用于运行传感器系统的方法或结合根据本发明的方法的实施方式已描述过的优点和构型。
附图说明
30.本发明的实施例在附图中示出，并在随后的描述中进一步阐述。
31.图1示出根据本发明的一个实施例的传感器系统的示意图。
具体实施方式
32.根据图1的实施例的传感器系统100包括mems陀螺仪1，该mems陀螺仪具有可被激励以进行振荡的震动质量21。所示出的mems陀螺仪1是三轴陀螺仪，其除质量21外还具有两个其他质量21'、21”。质量21、21'、21”分别构造用于探测围绕独立轴的转速。震动质量21、21'、21”例如可以通过传感器系统100的共同的驱动电路10和驱动装置11进行驱动。
33.以下针对质量21和关于该质量21的信号检测和信号处理来描述传感器系统100。然而，对于其他质量21'、21”，可以分别设置相应的检测电路和数字处理电路，这些检测电路和数字处理电路分别包括相应的转速电路装置、正交电路装置和(在必要时)温度电路装置。
34.驱动电路10配置用于激励和保持震动质量21的定义振荡运动。驱动电路包括c/v转换器12，借助该c/v转换器对驱动质量的驱动运动进行探测，以便获得关于振荡幅度的信息。将关于振荡幅度的信息提供给幅度控制器14(amplitude gain controller，agc，幅度增益控制器)，借助该幅度控制器，通过相应的装置11如此驱动质量，使得获得恒定的质量振荡幅度。驱动电路10还包括锁相环13(phase-locked loops，pll)，该锁相环求取质量振荡的频率和相位，并且为幅度控制器14以及为检测电路20的i/q解调提供关于频率和相位的相应信息。为此，锁相环13向检测电路20的解调装置30提供相应的信号以用于从测量信号200产生转速信号210，并且向解调装置41提供相应相移的信号以用于从测量信号200产生正交信号211。关于正交信号211的q解调在此具有与幅度控制器14的解调相同的相位，并且关于转速信号210的i解调相对于幅度控制器14的解调相移90
°
。
35.传感器系统100为了探测和进一步处理测量信号200而包括模拟检测电路20和数字处理电路50。借助检测电路20中的c/v转换器22来产生或提供质量21的探测通道的测量信号200。在测量信号200中包含关于探测到的转速的转速信息，其基于科里奥利力。通过转速电路装置30、31、32从测量信号200获得并进一步处理该转速信息。为此，转速电路装置30、31、32除了设置用于从测量信号200产生转速信号210的解调装置30之外，还包括设置用于将转速信号210数字化的模数转换器31和至少一个数字滤波器32，借助该数字滤波器对经数字化的转速信号进行滤波。此外，存在正交电路装置41、42、43，这些正交电路装置配置用于从测量信号200产生和进一步处理正交信号211。正交电路装置41、42、43除了设置用于从测量信号200产生正交信号211的解调装置41之外，还包括设置用于将正交信号211数字化的模数转换器42和设置用于对经数字化的正交信号进行滤波的数字滤波器43。正交信号211包含关于正交效应(quadratureffekt)的信息，这些正交效应由机械欠缺或误差引起并且包含在陀螺仪的测量信号中。因此，在数字化和滤波之后，正交信号能够用于数字处理电路50中，以便校正由正交效应所诱发的、转速信号210的偏移。
36.此外，传感器系统包括温度电路装置61、62、63、63'、63”。温度传感器60在此配置用于温度测量。借助模数转换器61，将温度传感器60的温度信号数字化，并且通过数字滤波器62对其进行滤波。可以借助至少一个加法器63'和一个或多个乘法器63、63”，在使用系数c0、c1的情况下，对如此获得的经滤波的温度信号进行加权，并且将其与经数字化的且经滤波的正交信号组合，以便提供用于转速信号的偏移补偿的补偿信号212。
37.传感器系统100的正交电路装置和温度电路装置41、42、43、60、61、62、63、63'、63”在图1中通过共同的方框40突出显示，以用于进一步的讨论。
38.根据本发明，能够以有利的方式实现，正交电路装置和/或温度电路装置40的至少一部分能够独立于转速电路装置30、31、32的运行模式地在至少一个不同于转速电路装置30、31、32的运行模式中运行。在此，正交电路装置和/或温度电路装置40优选地表示一个或多个电源域该电源域与转速电路装置30、31、32分开设置，从而该电源域能够独立于转速电路装置30、31、32地在一个或多个其他运行模式中运行。因此能够实现，正交电路装置和/或温度电路装置40的至少一部分在其功率消耗方面随时间周期性地变化(power duty cycle，功率占空比)，而转速电路装置30、31、32并不同样遵循该周期。可以想到，正交电路装置41、42、43和/或温度电路装置61、62、63、63'、63”的至少一部分在如下一个或多个运行模式中运行：在该一个或多个运行模式中，正交电路装置和/或温度电路装置具有与其在转速电路装置30、31、32所处于的运行模式中相比更低的功率消耗。由于在大量应用中，与产生和输出转速信号相比，由正交效应所诱发的转速信号偏移和占支配地位的温度明显更慢地发生变化，因此正交电路装置和/或温度电路装置40能够以有利的方式在如下运行模式中运行：在该运行模式中，补偿信号212以比输出转速信号更低的数据速率进行更新，而由传感器系统100所输出的转速信号的质量不发生显著降低。通过补偿信号212的这种较低的更新率，能够将正交电路装置和/或温度电路装置40至少部分地或也完全地周期性地激活和禁用，由此能够省电。
39.能够实现，转速电路装置30、31、32在测量运行模式中运行，其中，转速信号以第一数据速率可供使用，并且正交电路装置41、42、43在第一节能模式中运行，其中，正交信号以第二数据速率可供使用，其中，第二数据速率小于第一数据速率。正交电路装置41、42、43的至少部分在此可以在第一节能模式中以预给定的时间间隔周期性地激活和禁用(duty cycling，占空比)，从而相对于正交电路装置41、42、43的持续运行，电流消耗得到降低。
40.能够实现，温度电路装置61、62、63、63'、63”和/或温度传感器60在第二节能模式中运行，其中，温度信号以如下数据速率可供使用：该数据速率小于第一数据速率，在测量运行模式中以第一数据速率提供转速信号。特别有利地能够实现，第一和第二节能模式的数据速率相同，其中，特别优选地以第一和第二节能模式的数据速率更新补偿信号212。然而，替代地，第二节能模式的数据速率也可以不同于第一节能模式的数据速率。
41.例如可以想到，正交电路装置和/或温度电路装置40(全部或部分地)激活几毫秒并且供应有能量，以便产生偏移补偿值，并且然后将正交电路装置和/或温度电路装置40完全或部分地关断。这种接通和关断以及因此偏移补偿值的产生例如可以以1hz的速率进行重复。相反地，转速电路装置30、31、32处于测量运行模式中，在该测量运行模式中，这些转速电路装置例如持续地供应有能量(并且因此持续地处于激活状态)，并且以例如500hz的数据速率输出转速信号。
42.传感器系统100还可以包括运行模式控制装置，以用于为转速电路装置30、31、32和/或为正交电路装置41、42、43和/或为温度电路装置61、62、63、63'、63”预先规定当前的运行模式。可以想到，借助运行模式控制装置可以在不同的运行模式之间进行切换。例如可以为正交电路装置41、42、43和/或为温度电路装置61、62、63、63'、63”设置具有不同数据速率的不同节能模式，并且可以通过运行模式控制装置在这些不同的节能模式之间进行切
换。还可以想到，可以借助运行模式控制装置将正交电路装置41、42、43和/或温度电路装置61、62、63、63'、63”至少暂时地置为运行模式，该运行模式具有与转速电路装置30、31、32的测量运行模式系统相同的数据速率。
43.例如能够实现，借助运行模式控制装置，能够通过用户为转速电路装置30、31、32和/或为正交电路装置41、42、43和/或为温度电路装置61、62、63、63'、63”设置运行模式。由此能够特别有利地匹配于确定的应用条件和应用要求。