[0001] 本公开涉及一种用于处理来自感测单元的测量信号的传感器前端以及用于操作传感器设备的方法。

[0002] 传感器一般分为感测单元和传感器前端。这些传感器中的感测单元感测特定的量、例如传感器的位置处的电场或者磁场的幅值，并且将其转换为测量信号。然后，前端处理该测量信号并且产生输出信号、例如表示测量的量的值的数字信号。

[0003] 对于许多应用，传感器的可靠的性能是绝对必要的。这些应用包括使用位置传感器来测量对控制元件的调整的机动车系统。例如，使用位置编码器来测量机动车的方向盘或者操作杆(paddles)的偏转。在这些应用中，传感器的故障、即对测量信号的处理很容易构成严重的安全隐患。因此，可以实施监视传感器功能的错误检测特征。

[0004] 一般来说，传感器在前端包括用于处理测量信号的元件链。传统的具有错误检测功能的传感器对这些元件中的每一个使用专用的监视器，因此产生显著程度的冗余，其导致低效率的错误检测机制和高的能耗。

[0048] 图1示出了根据所述改进的设计的用于处理来自感测单元的测量信号ms的传感器前端1的示意图。传感器前端1包括评估单元10，评估单元10被配置为用于，经由传感器前端1的传感器输出端20向感测单元提供激励信号ST，并且经由传感器前端1的传感器输入端21从感测单元接收测量信号MS。评估单元10还被配置为用于，经由传感器前端1的输出端22提供输出信号OS，并且经由传感器前端1的错误输出端23提供错误状况信号ERR。

[0049] 评估单元10包括用于产生激励信号ST的信号发生器11。例如，信号发生器11是诸如LC振荡器电路的振荡器。激励信号ST是通过激励幅值和激励频率表征的正弦信号。例如，激励频率在1kHz和100MHz之间的范围内。例如，其具有1MHz的数量级。

[0050] 要由传感器前端1操作的感测单元例如是电感式感测单元，并且包括第一电感器，第一电感器连接到传感器前端1的传感器输出端20，并且被配置为用于，根据法拉第感应定律基于激励信号ST来产生变化的磁场。感测单元可以包括第二电感器，第二电感器暴露于变化的磁场中，并且连接到传感器前端1的传感器输入端21。第二电感器被配置为用于，根据感应定律基于来自第一感应器的变化的磁场来产生测量信号MS。

[0051] 测量信号MS对应于激励信号ST，然而，基于测量参数(其例如对应于第一电感器和第二电感器之间的距离)在其幅值方面发生了改变、即衰减。换言之，感测单元可以理解为对第一电感器与第二电感器之间的距离敏感的变换器(transformer)。电感器例如是线圈。例如，对于周期性地变化的距离，测量信号MS是具有对应于距离的变化的幅值调制和激励频率的正弦信号。替换地，测量信号MS可以是具有恒定的幅值和频率调制的正弦信号。

[0052] 替换地，电感式感测单元仅包括一个电感器，并且测量信号MS对应于所述电感器中的电流，该电流取决于与金属对象的距离和线圈的接近。在另外的替换方案中，感测单元可以是电容式感测单元。

[0053] 评估单元10还包括解调器12，解调器12被配置为用于，使用激励信号ST对测量信号MS进行接收和解调。例如，解调器12被配置为用于对测量信号MS进行幅值或者频率解调。解调信号被提供给处理单元13，处理单元13被配置为用于从解调信号产生输出信号OS。例如，处理单元13包括具有增益和/或偏移补偿元件、AD、模拟和数字滤波器以及脉宽调制器的元件链。例如，输出信号OS对应于测量参数的数字化值。例如，输出信号OS被提供给传感器前端1的输出端22，用于进一步的信号处理和/或评估。

[0054] 评估单元10还包括可变衰减器14，可变衰减器14被配置为用于基于预定的控制变量CV从激励信号ST产生模拟的测量信号MSS。例如，可变衰减器14被配置为用于，根据控制变量CV的值，来改变、例如衰减激励信号ST的幅值。换言之，模拟的测量信号MSS可以理解为由产生的测量参数、即控制变量CV生成的产生的测量信号。例如，控制变量CV是恒定的(因此导致模拟的测量信号MSS的恒定的幅值)或者周期性地发生变化(导致幅值调制的模拟的测量信号MSS)。例如，可变衰减器14包括电阻和/或电容梯。

[0055] 因为模拟的测量信号MSS与测量信号MS具有相同的特性，因此评估单元10可以以相同的方式处理模拟的测量信号MSS，以产生模拟的输出信号OSS。换言之，评估单元10借助解调器12进行解调，并且借助处理单元13进行进一步处理，以产生模拟的输出信号OSS。

[0056] 在所示出的实施例中，模拟的输出信号OSS被提供给比较单元15，比较单元15被配置为用于基于模拟的输出信号OSS和预定的控制变量CV的比较来确定错误状况。与输出信号OS类似，模拟的输出信号OSS例如对应于产生的测量参数、即控制变量CV的数字化值。例如，比较单元15被配置为用于确定模拟的输出信号OSS是否位于与预定的控制变量CV相关的预定范围或区间内。换言之，比较单元15被配置为用于基于模拟的输出信号OSS与预定的控制变量CV之间的偏差来确定错误状况。预定的阈值、范围和/或区间可以与预定变量的值相关并且存储在评估单元10的存储单元中。

[0057] 评估单元10可以被配置为用于，在指定的测量时间内，一次产生输出信号OS和/或模拟的输出信号OSS，测量时间例如在1ms的数量级。评估单元10还可以被配置为用于，基于测量参数和/或控制变量CV的变化，来产生微分输出信号和/或模拟的微分信号。微分输出信号和/或模拟的微分信号对应于时间增量、例如指定的测量时间内的一系列测量参数和/或控制变量CV。

[0058] 错误状况信号ERR例如是错误标志，如果模拟的输出信号OSS在预定的范围外部，那么错误标志指示错误，否则不指示错误。在其它实施例中，可以将模拟的输出信号OSS和预定的控制变量CV两者提供给外部错误单元，以确定错误状况。为了测试确定错误状况时的可靠性，评估单元10可以被配置为用于，例如经由将模拟的输出信号OSS与如下的控制变量CV进行比较，来故意制造错误状况，该控制变量CV不同于借助可变衰减器14用来产生模拟的测量信号MSS的控制变量。

[0059] 图2示出了包括根据所述改进的设计的传感器前端1和由传感器前端1操作的感测单元2的传感器设备的示意图。

[0060] 例如，所示出的传感器设备是位置传感器、例如位置编码器。感测单元2包括初级电感器2a和多个次级电感器2b。如上所述，初级电感器2a连接到传感器输出端20，用于根据感应定律基于激励信号ST产生磁场。次级电感器2b相对于初级电感器2a布置在不同的位置，从而每个次级电感器2b检测其位置处的磁场，并且基于所述检测到的磁场借助感应产生测量信号。

[0061] 次级电感器2b的位置处的磁场可以取决于金属对象3在次级电感器2b附近的布置。例如，金属对象3例如是相对于其横截面具有非均匀磁化的可旋转的轴。旋转能力由图2中的箭头指示。金属对象3的旋转因此使次级电感器2b的位置处的磁场改变，从而所产生的测量信号可以是金属对象3的朝向、例如旋转角度的指示。由于在本实施例中感测单元被配置为用于确定金属对象3的旋转角度，因此位置传感器可以理解为旋转位置编码器。

[0062] 为了使传感器前端1的评估单元10能够处理来自每个次级电感器2b、即来自每个传感器输入通道的测量信号MS，本实施例中的评估单元10还包括开关单元16，开关单元16用于选择来自传感器输入端21中的相应的一个的测量信号MS。开关单元16可以包括用于每个传感器输入通道的电子部件17，其例如包括解调器、滤波器和/或模数转换器。所示出的实施例中的开关单元16还被配置为用于，如果要对传感器前端的功能和/或性能进行验证，那么单独或者同时选择来自可变衰减器14的模拟的测量信号MSS作为所有通道的输入信号。传感器前端和10可以被配置为用于，针对来自次级电感器2b的测量信号MS中的每一个产生输出信号OS。替换地，评估单元10、特别是处理单元13可以被配置为用于从测量信号MS产生单个输出信号OS。借助具有围绕可旋转对象对称布置的次级电感器2b的旋转编码器来确定金属轴的旋转角度，对于本领域技术人员来说是公知的设计，因此在此不进行进一步的讨论。

[0063] 作为所示出的旋转编码器的替换，感测单元2可以被配置为线性位置编码器。此外，代替电感器，感测单元可以包括电容器，以实现电容式感测单元，例如用于检测电场的变化。

[0064] 根据所示出的实施例中的一个的传感器前端1可以方便地在需要进行错误监视来验证正确处理的测量信号的输出的传感器设备中使用。可能的应用包括线性和旋转位置编码器，其例如在机动车中使用，用于检测控制元件的朝向和/或偏转。

[0065] 在图3中示出了包括根据所述改进的设计的传感器前端1的传感器设备的具体应用，其中，传感器设备的感测单元2被设计为旋转编码器，并且被配置为用于监视例如连接到机动车的方向盘或者手柄的轴3的旋转角度。在所示出的示例性实施例中，传感器前端1和感测单元2布置在公共的基板4上，公共的基板4可以是电路板。

[0066] 其它应用包括例如经由被设计为线性编码器的传感器设备来监视加速踏板和制动踏板的偏转。

[0067] 如在本公开全文中所描述的，借助产生模拟的测量信号并且监视其正确处理而实现的错误监视，可以以预先定义的速率来触发，例如在处理来自感测单元的实际测量值之后触发一次，或者在一定数量的实际测量之后定期触发。

[0068] 在附图中示出的传感器前端1的实施例表示示例性的实施例，因此它们不构成根据所述改进的设计的所有实施例的完整列表。例如，实际的调谐布置可以在附加的部件和配置方面与所示出的实施例不同。

[0069] 附图标记

[0070] 1        传感器前端

[0071] 2        感测单元

[0072] 2a       初级电感器

[0073] 2b       次级电感器

[0074] 3        可移动的对象

[0075] 10       评估单元

[0076] 11       信号发生器

[0077] 12       解调器

[0078] 13       处理单元

[0079] 14       可变衰减器

[0080] 15       比较单元

[0081] 16       开关单元

[0082] 17       电子部件

[0083] 20       传感器输出端

[0084] 21       传感器输入端

[0085] 22       输出端

[0086] 23       错误输出端

[0087] CV       控制变量

[0088] ERR      错误信号

[0089] MS       测量信号

[0090] MSS      模拟的测量信号

[0091] OS       输出信号

[0092] OSS      模拟的输出信号

[0093] ST       激励信号。