專利名稱：具有動態(tài)可調(diào)偏置設(shè)置的磁力計和包括其的電子車輛羅盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種磁力計，尤其涉及用于車輛中的電子羅盤。
背景技術(shù)：
磁力計被用于許多不同的應用中。其中的一種應用是用于車輛的電子羅盤。在這種電子羅盤中，利用磁力計判斷車輛相對于地球的磁北極的行駛方向。一種典型的電子羅盤包括兩個磁場傳感器，該兩個磁場傳感器被設(shè)置使得它們的軸線處于一個水平面內(nèi)，使第一傳感器的軸線和車輛的縱軸平行，并且使第二傳感器的軸線和第一傳感器的軸線垂直。然后利用這些傳感器檢測地球的磁場矢量的垂直的、水平的軸向?qū)史至康姆?，以使得處理電路可以計算車輛相對于地球磁場矢量的行駛方向。
車輛電子羅盤中一直利用幾種不同形式的磁力計。這些類型的磁力計的一些例子包括利用磁通門傳感器、磁阻傳感器和磁感應傳感器的磁力計。磁感應傳感器可以按包括L/R傳感器和LC傳感器的不同的形式構(gòu)成。在所述兩種形式的磁感應傳感器中，都具有圍繞磁心材料纏繞的線圈。這種傳感器具有這樣一種特性，即其電感響應磁場呈線性地改變，但是只是在外部磁場的值的兩個預定的范圍內(nèi)如此。通過觀察傳感器電感對磁場強度的曲線(例如見圖5)，可以看到，所得的曲線基本上圍繞磁場強度為零的點對稱。因而，通常對傳感器線圈施加一個偏置電流，使得在磁心材料周圍產(chǎn)生一個人為的磁場。由所述偏置電流產(chǎn)生的人為的磁場和外部磁場相加。方向與由偏置電流產(chǎn)生的人為磁場相同的外部磁場彼此相加，而方向與人為磁場相反的外部磁場則從人為磁場中被減去。因而，借助于測量傳感器的電感的改變，可以確定軸向取向的磁場分量的強度。
為了測量傳感器的電感的改變，提出了一種響應頻率隨傳感器的電感的改變而發(fā)生改變的電路結(jié)構(gòu)。利用這種電路，傳感器的電感的改變產(chǎn)生與傳感器的輸出信號的頻率近似成比例的改變。因而可以測量頻率的改變，以便確定外部磁場的強度。
在這種磁力計中遇到的一個問題是，磁心材料的特性隨溫度和使用年限而變。對這個問題的一種解決方案在歐洲專利No.0045509 B1中披露了。該歐洲專利披露了傳感器線圈上的偏置電流的極性可以被反向，使得可以利用兩種極性的偏置電流進行測量，從而兩個測量之間的差值相應于外部磁場。這樣進行的測量和由溫度改變或使用年限引起的磁心材料的任何變化無關(guān)。
美國專利No.5239264披露了一種類似的技術(shù)。本申請的圖1和圖2相應于264專利的圖3和圖4。如圖1和圖2所示，磁心材料的導磁率函數(shù)u(H)在一個特定的磁場強度范圍內(nèi)作為磁場強度H的函數(shù)而改變。由這些曲線可以看出，所示的曲線一般具有兩個區(qū)域，其中導磁率相對于磁場強度的改變而改變。一個區(qū)域具有正的斜率，而另一個區(qū)域具有負的斜率。在264專利中，交替地反向直流偏置電流的極性，從而提供具有兩個極性的讀數(shù)。然后使兩個讀數(shù)彼此相減，從而獲得由那個特定的傳感器線圈檢測到的地球磁場的一個分量的磁場強度。
在上述的美國專利5239264和歐洲專利0045509B1中，直流偏置電流保持為恒值，只有偏置電流的極性被反向。在汽車中提供電子羅盤的一個問題是，汽車可能引起外部磁場的畸變。此外，當車輛通過一些物體，例如橋梁、地鐵、電力線、鐵路以及其它物體時，這些物體可能對由電子羅盤檢測的磁場產(chǎn)生干擾。這種磁場干擾可能產(chǎn)生使得由傳感器線圈檢測的磁場落在電感對磁場強度曲線的非線性區(qū)域內(nèi)的磁場。因而，上述專利的磁力計具有一個有限的范圍，在該范圍內(nèi)它們可以精確地檢測外部磁場的強度。
因而，需要一種電子羅盤，其能夠在比當前常規(guī)的磁力計提供的較大的范圍內(nèi)精確地檢測磁場分量。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個實施例，提供一種磁力計，其包括用于檢測磁場的傳感器；偏置電路和處理器。所述傳感器產(chǎn)生具有一種信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的磁場并響應施加的偏置而改變。所述偏置電路響應偏置設(shè)置信號動態(tài)地偏置所述傳感器。所述處理器被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相耦連。所述處理器可以操作用于產(chǎn)生偏置設(shè)置信號，借以控制偏置電路以便動態(tài)地偏置所述傳感器，以使得在相對小的目標值的范圍內(nèi)保持所述輸出信號的所述信號特征。所述處理器按照施加到傳感器上的偏置設(shè)置的函數(shù)來確定由傳感器檢測的磁場分量。
按照本發(fā)明的另一個實施例，提供一種磁力計，其包括第一傳感器，用于檢測一個磁場的第一分量；第二傳感器，用于檢測所述磁場的第二分量；偏置電路；以及處理器。每個傳感器產(chǎn)生具有一個頻率的輸出信號，所述頻率響應檢測的分量磁場并響應施加的偏置電流而改變。偏置電路產(chǎn)生用于動態(tài)地偏置所述第一和第二傳感器的偏置電流。所述處理器被連接用于接收來自所述傳感器輸出信號，并和所述偏置電路相耦連。所述處理器可以操作用于控制偏置電路，以便動態(tài)地改變施加于傳感器的偏置電流，使得輸出信號的頻率被保持在一個或幾個目標頻率范圍內(nèi)。所述處理器按照施加于傳感器的偏置電流的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
按照另一個實施例，提供一種用于車輛的電子羅盤，其包括第一磁場傳感器，用于檢測一個磁場的第一分量；第二磁場傳感器，用于檢測所述磁場的與所述第一分量垂直的第二分量；偏置電路；處理電路；以及，和所述處理電路相耦連以用于指示車輛的行駛方向的行駛方向指示器。每個傳感器產(chǎn)生一個具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的分量磁場并響應施加的偏置電流而改變。偏置電路產(chǎn)生用于動態(tài)地偏置所述第一和第二傳感器的偏置電流。所述處理器被連接用于接收來自所述傳感器輸出信號，并和所述偏置電路相耦連。所述處理器可以操作用于控制偏置電路，以便動態(tài)地改變施加于傳感器的偏置電流，以使得輸出信號的信號特征被保持在一個或幾個目標范圍內(nèi)。所述處理電路按照施加于傳感器的偏置電流的函數(shù)來計算車輛的行駛方向。
按照本發(fā)明的另一個實施例，提供一種用于確定磁場分量的強度的方法，包括以下步驟提供一個磁場傳感器，其產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的磁場分量的強度并響應施加的偏置設(shè)置而改變；動態(tài)地改變所述傳感器的偏置設(shè)置，以使得所述輸出信號的所述信號特征被保持在一個目標范圍內(nèi)；以及，按照所述傳感器的偏置設(shè)置的函數(shù)來確定檢測的磁場分量的強度。
按照本發(fā)明的另一個實施例，提供一種磁力計，其包括用于檢測一個磁場分量的傳感器；一個磁場產(chǎn)生機構(gòu)；以及一個處理器，所述處理器被連接用于接收來自傳感器的輸出信號并與所述磁場產(chǎn)生機構(gòu)相耦連。所述傳感器產(chǎn)生一個具有一個特征的輸出信號，所述特征在磁場值的第一范圍內(nèi)響應所述檢測的磁場分量大體上線性地改變。所述磁場分量在磁場值的一個第二范圍內(nèi)改變。所述磁場產(chǎn)生機構(gòu)產(chǎn)生和任何外部磁場相加的磁場，以使得合成的磁場由所述傳感器檢測。所述產(chǎn)生的磁場的強度可選擇地改變。所述處理器能夠操作用于控制所述磁場產(chǎn)生機構(gòu)，以便選擇產(chǎn)生的磁場的強度，并由此在所述第一范圍內(nèi)動態(tài)地改變和/或保持所述第二范圍。所述處理器還能夠操作用于響應從傳感器接收到的輸出信號確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
按照另一個實施例，提供一種磁力計，其包括具有一個響應磁場而改變的傳感器特征的檢測元件；以及，一個具有用于接收驅(qū)動信號的輸入端的放大器。所述檢測元件被耦接在所述放大器的一個反饋環(huán)內(nèi)。所述放大器產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征至少部分地響應所述傳感器特征的改變而改變。
按照另一個實施例，一種磁力計包括具有響應一個磁場而改變的傳感器特征的第一檢測元件；具有響應一個磁場而改變的傳感器特征的第二檢測元件；被提供用于選擇所述第一檢測元件的一個第一模擬開關(guān)；被提供用于選擇第二檢測元件的一個第二模擬開關(guān)；以及一個處理器，其被連接用于接收來自第一和第二檢測元件所選擇的一個的輸出信號，并和所述第一和第二模擬開關(guān)相耦連，以用于選擇第一和第二檢測元件中的一個。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的磁場強度并響應施加的偏置而改變；第一和第二高增益放大器，每個具有一個輸入端，所述放大器之一和所述傳感器相耦連；用于偏置所述傳感器的偏置電路，所述偏置電路連接在所述第一和第二高增益放大器的輸入之間；以及一個被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述檢傳感器檢測的磁場分量。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征響應所述檢測的磁場并響應施加的偏置而改變；偏置電路，用于對于每個偏置極性以兩個或多個偏置級(bias level)可調(diào)地偏置所述傳感器；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，在一個諧振周期期間，在所述諧振傳感器中的磁場值的峰值對峰值的偏移是由于偏置電路對其整個調(diào)節(jié)范圍的調(diào)節(jié)而引起的磁場值偏移范圍的一小部分。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場而改變的信號特征的輸出信號；以及一個被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，在諧振周期期間，在諧振傳感器中的磁場值的峰值對峰值的偏移小于要被測量的磁場的總的范圍。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場而改變的信號特征的輸出信號；和所述諧振傳感器相連的、用于對其提供激勵信號的激勵電路，所述激勵電路限制激勵信號的幅值，從而阻止諧振傳感器對激勵信號的響應的嚴重的飽和；以及一個被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于以兩個或多個偏置級可調(diào)地偏置所述傳感器；以及一個被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器按照來自傳感器的輸出信號的信號特征的函數(shù)并按照所述輸出信號對偏置值的斜率的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于以至少第一偏置級和第二偏置級可調(diào)地偏置所述傳感器；以及一個被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器按照當處于第一和第二偏置級時輸出信號值的平均值的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
按照另一個實施例，一種磁力計包括第一檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；第二檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；偏置電路，用于將所述第一檢測元件可調(diào)地偏置到至少第一偏置級和第二偏置級，并將所述第二檢測元件可調(diào)地偏置到至少第三偏置級和第四偏置級；以及和所述偏置電路以及第一和第二檢測元件相連的處理器，用于接收來自檢測元件的輸出信號。所述處理器通過按照順序執(zhí)行下述操作來測量由所述檢測元件檢測的磁場分量采樣在所述第一偏置級下的第一檢測元件的輸出信號，采樣在所述第三偏置級下的第二檢測元件的輸出信號，采樣在所述第四偏置級下的第二檢測元件的輸出信號，采樣在所述第二偏置級下的第一檢測元件的輸出信號，按照在第一和第二偏置級下進行的采樣的函數(shù)確定第一檢測元件的磁場分量，按照在第三和第四偏置級下進行的采樣的函數(shù)確定第二檢測元件的磁場分量。
按照另一個實施例，一種磁力計包括第一檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；第二檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；至少一個模擬開關(guān)，其被提供用于選擇第一或第二檢測元件，所述至少一個模擬開關(guān)具有電阻；偏置電路，用于對檢測元件中所選擇的一個施加偏置電流；以及一個處理器，其被連接用于接收來自第一和第二檢測元件的選擇的一個的輸出信號，并和所述至少一個模擬開關(guān)相連，以便選擇第一和第二檢測元件之一，所述處理器確定由所述檢測元件檢測的磁場分量，其中，所述偏置電路被構(gòu)成用于施加基本上和所述至少一個模擬開關(guān)的電阻無關(guān)的偏置電流。
按照另一個實施例，一種磁力計包括第一檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；第二檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；至少一個模擬開關(guān)，其被提供用于選擇第一或第二檢測元件；偏置電路，用于將所述檢測元件可調(diào)地偏置到至少第一偏置級和第二偏置級；以及一個處理器，其被連接用于接收來自第一和第二檢測元件中選擇的一個的輸出信號，并和所述至少一個模擬開關(guān)相連，以便選擇第一和第二檢測元件之一，所述處理器確定由所述檢測元件檢測的磁場分量，其中，所述偏置電路在第一偏置級下偏置一個檢測元件，隨后在第二偏置級下偏置同一個檢測元件，而不改變模擬開關(guān)的狀態(tài)。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置電流而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于可調(diào)地偏置所述傳感器，所述偏置電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器；以及一個處理電路，其包括一個被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的讀出裝置，所述處理電路通過接收來自所述傳感器的輸出信號的至少一個讀數(shù)來測量由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，讀取所述輸出信號的分辨率是所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器和所述讀出裝置的函數(shù)。
按照另一個實施例，提供一種用于制造多個磁場檢測電感器的方法，包括下述的按照順序執(zhí)行的步驟提供用于每個磁場檢測電感器的磁心；測試所述每個磁場檢測電感器的磁心；以及在所述每個磁心上纏繞一個線圈，根據(jù)所述磁心的測試結(jié)果調(diào)整每個磁心上的線圈的匝數(shù)。
按照另一個實施例，提供一種磁力計，包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場而改變的信號特征的輸出信號；和所述諧振傳感器相連的激勵電路，用于對所述諧振傳感器提供具有交流分量的激勵信號；用于在所述激勵信號施加到所述諧振傳感器之前對所述激勵信號濾波的濾波器，所述濾波器使得所述激勵信號近似成為正弦；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置電流而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于響應一個偏置設(shè)置來調(diào)節(jié)施加到所述傳感器的偏置電流；以及處理器，其被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相連用于提供偏置設(shè)置，所述處理器按照偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，被選擇用于確定磁場分量的偏置設(shè)置基于在輸出信號達到一個目標響應的兩點上的偏置電流之差。
按照另一個實施例，一種磁力計包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置電流而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于響應一個偏置設(shè)置調(diào)節(jié)施加到所述傳感器的偏置電流；以及處理器，其被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相連用于提供偏置設(shè)置，所述處理器按照所述偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，被選擇用于確定磁場分量的偏置設(shè)置基于從所述傳感器獲得的不多于5個的在先的原始讀數(shù)。
通過參閱下面的說明書、權(quán)利要求書和附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進一步理解本發(fā)明的這些和其它的特征、優(yōu)點和目的。


在附圖中圖1表示與不施加外部磁場的現(xiàn)有技術(shù)的磁力計相關(guān)的波形的曲線；圖2表示與施加外部磁場的現(xiàn)有技術(shù)的磁力計相關(guān)的波形的曲線；圖3是按照本發(fā)明的第一實施例構(gòu)成的磁力計的電路方塊圖；圖4是以示意的形式表示的第一實施例的磁力計的一種實施的電路方塊圖；圖5是可用于本發(fā)明的傳感器的頻率對電流的曲線；圖6是可以用于本發(fā)明的兩個不同傳感器的頻率對電流的曲線；圖7表示可以由圖4的電路的各個部分產(chǎn)生的各個波形；圖8是按照本發(fā)明的第二實施例構(gòu)成的磁力計的電路方塊圖；圖9是用于說明第二實施例的磁力計的一個實施的方塊圖和原理圖；圖10是作為按照本發(fā)明構(gòu)成的磁力計的PWM偏置值的函數(shù)的A/D計數(shù)的曲線；以及圖11是包括本發(fā)明的電子羅盤的車輛后視鏡裝置的透視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在對本發(fā)明的目前的優(yōu)選實施例進行詳細說明，本發(fā)明的優(yōu)選實施例的例子在附圖中示出了。在可能的情況下，在所有附圖中使用相同的標號表示相同或類似的部件。
磁力計使用的一種所需的檢測方法是根據(jù)一種修改的零平衡原理操作的方法，利用這種方法，使用可飽和的感應檢測元件作為傳感器，并動態(tài)地調(diào)整偏置電流來達到和維持在感應檢測元件中的飽和的可測量的和可重復的目標狀態(tài)。因而，和常規(guī)的利用固定的偏置電流的磁力計不同，本發(fā)明的磁力計動態(tài)地改變偏置電流，借以在一個目標范圍內(nèi)維持傳感器輸出信號的特性，同時根據(jù)用以維持輸出信號特性在所述目標值所需的偏置電流和根據(jù)在所述目標范圍內(nèi)的輸出值來確定檢測的磁場強度分量的相關(guān)的強度。例如，如果改變偏置電流來維持在頻率或相位的目標范圍內(nèi)的檢測元件的輸出，則在傳感器的電感曲線的線性部分操作的同時，檢測元件將繼續(xù)檢測磁場，而不管傳感器所在的磁場的幅值。因而，本發(fā)明的磁力計和常規(guī)的磁力計相比，具有一個顯著增加的范圍。
在下面所述的優(yōu)選實施例中，提供一個偏置電路，其可以通過一個范圍被調(diào)整來提供用于讀取磁場強度的所有的偏置設(shè)置。這個范圍足夠大，從而包括向基本上對稱的電感對偏置電流曲線的任何一側(cè)(即在任何一個目標范圍內(nèi))偏置傳感器的能力和為此而補償外部磁場的影響的能力。在優(yōu)選實施例中，一般對于每個磁場強度的讀數(shù)設(shè)置一個或幾個偏置設(shè)置，并且這些設(shè)置一般包括對兩個不同范圍的每一個的偏置的設(shè)置，對于所述范圍，在檢測線圈中的合成磁場值的幅值近似等于選擇的作為目標的參考值，但是方向相反。當合成磁場值接近其目標參考值時(即在目標范圍內(nèi))，電路的被監(jiān)視的輸出則接近與等于所述參考值的一個磁場值相應的目標輸出值。在操作中，通過調(diào)節(jié)偏置值以使得在傳感器磁心中的合成磁場值接近其參考值來進行第一偏置設(shè)置，并在處理中至少部分地抵消或補償在車輛中的要被測量的磁場和干擾磁場的組合的或總的效果。讀取表示傳感器磁心的飽和狀態(tài)的電路輸出，并用該輸出預測第一被校正的偏置電流，其應當產(chǎn)生接近于其目標參考狀態(tài)的傳感器磁心的偏置磁場和合成的飽和程度。這個值可以選擇地用偏置電流之外的單位表示。進行第二偏置設(shè)置，以使得偏置磁場到另一個參考磁場值的范圍，在測量磁心中的參考磁場的方向和所述另一個參考磁場的方向相反。以類似于第一偏置讀數(shù)的方式測量表示磁心的飽和狀態(tài)的輸出，并確定第二被校正的偏置。第一和第二被校正的偏置電流或相關(guān)的值用于近似地確定撞擊到測量線圈上的總的外部磁場的軸向?qū)史至炕蚱涔δ鼙硎尽?br> 可測量的飽和的目標狀態(tài)或者偽零點是這樣一個狀態(tài)，對于該狀態(tài)，一般的感應傳感器的實際的磁通值例如是需要檢測的外部磁通的最小增量的幾千倍。合適的感應檢測元件具有一種性能，其提供一種用于避開在大的磁通偏置的中固有的許多問題的方法，對于一個滿意的可檢測的偽零點，這一般是需要的。通過合適地選擇磁心材料，感應檢測元件的飽和特性主要取決于磁心內(nèi)的磁場的幅值，并且?guī)缀跖c磁場取兩個軸向方向的哪一個方向無關(guān)。因而，為了測量和檢測磁心對準的外部磁場分量，按照順序施加兩個偏置值，一個用于達到可檢測的飽和的目標狀態(tài)，其磁場沿一個方向，另一個用于基本達到相同的目標飽和狀態(tài)，具有基本相等的沿另一個方向的磁場。然后取兩個合成的偏置電流值的有符號的平均值，并用于表示軸向?qū)实耐獠看艌龇至俊?br> 當線圈周圍沒有外部磁場時，用于達到兩個偏置狀態(tài)的每一個所需的電流將在大小上基本相等而在方向上相反，以使得二者的有符號的平均值近似為零。當外部磁場存在時，外部磁場的軸向?qū)实姆至孔鳛槭噶?或者作為在一維空間中沿感應檢測元件的軸向的分量已經(jīng)求得的磁場的帶符號的數(shù)值)和由于在感應測量元件的線圈中的直流偏置電流產(chǎn)生的磁場相加。因而，其沿一個方向和所述偏置相加而沿另一個方向和所述偏置相減，使得平均的結(jié)果是一個近似地抵消外部磁場的軸向?qū)史至康钠秒娏?。因而，這個值可被用作要被測量的外部磁場的強度。這種技術(shù)能夠很好地操作，但是需要非常高的分辨率來設(shè)置偏置值，并且或許需要一個擴展的設(shè)置序列，用于求出用來平衡外部磁場的偏置設(shè)置，以便在磁心中建立達到可檢測的目標狀態(tài)條件的磁通值。在優(yōu)選的電路中，可檢測的狀態(tài)(即目標范圍)被擴展成為一個連續(xù)區(qū)或者由于在可檢測的目標狀態(tài)的鄰近磁通值而成為飽和的合成程度的至少多步的表示，并提供一種方法，用于在連續(xù)的值或多步表示之間建立具有滿意的精度的轉(zhuǎn)換，并且當把偏置的增量施加于實際的偏置時，應當達到可檢測的目標狀態(tài)。當使用這種技術(shù)時，可以使用具有足夠高的線性度和穩(wěn)定性但分辨率降低的偏置電路，并且甚至可以不需要把偏置設(shè)置為其最接近的增量，以便從多狀態(tài)表示獲得滿意的讀數(shù)，從而以足夠的精度確定為保持作為目標的可檢測狀態(tài)所需的偏置。高分辨率的負擔可以在輸入偏置設(shè)置和響應讀出之間分擔，使得能夠通過偏置電流設(shè)置的適度增加的分辨率和讀出的適度的分辨率以良好的分辨率讀取。
在第一實施例中，磁場檢測感應元件被包括在諧振電路中，并由和直流偏置電流設(shè)置疊加或相加的交流驅(qū)動信號以接近恒定的頻率驅(qū)動。所述交流驅(qū)動信號最好具有足夠低的幅值，以便阻止線圈的驅(qū)動電路進入飽和。在這種結(jié)構(gòu)中，電路諧振最好在可檢測的目標狀態(tài)條件下或接近所述條件下發(fā)生。提供一種電路用于測量諧振電路的響應相對于驅(qū)動信號的相位。所述的響應相對于驅(qū)動信號的相位具有一個特定的值，當線圈的電感處于被選擇作為可檢測的目標狀態(tài)的值時，該特定值被稱為目標值。所述響應相對于驅(qū)動信號的相位可被轉(zhuǎn)換成模擬信號，并且在這種應用中可以很好地使用一種低成本的微控制器，其具有8位脈寬調(diào)制的D/A轉(zhuǎn)換器，用作偏置電路，并具有8位的A/D轉(zhuǎn)換器用于讀出響應的相位。
在一種典型的應用中，使用多個傳感器元件，并且每次選擇其中的一個用于讀出磁場的分量。在這種應用中，通常本發(fā)明的一個有利的部分是，選擇一個嵌套的選擇順序并讀出，以使得例如利用傳感器元件A，B，C按照順序A，B，C，C，B，A獲得用于平均的第一和第二讀數(shù)，以便通過適當?shù)挠嫊r，當平均時所述第一和第二讀數(shù)可以以大約相同的時刻為中心，借以產(chǎn)生磁場矢量的方向分量，這減少了彼此相對偏離的實際時間。
在第二個實施例中，諧振電路被構(gòu)成為自諧振的振蕩器，可以用和具有相位測量輸出的電路基本相同的方式對其設(shè)置偏置電流，并且在這種情況下，由一個特定的響應頻率或周期表明可檢測的目標狀態(tài)，并且所述連續(xù)的或多步的表示(即目標范圍)是與所述目標頻率或周期的頻率或周期的偏差。其中，頻率計數(shù)器或脈寬計時器可以代替第一個例子的A/D轉(zhuǎn)換器。
圖3是本發(fā)明的第一實施例的磁力計的方塊圖。這種磁力計旨在主要地而不限于用于讀出車輛中的地球磁場和干擾磁場的強度和方向，以便確定和顯示車輛的行駛方向。所述磁力計包括微控制器1，偏置電路6，輸入頻率源7，檢測元件選擇器8，驅(qū)動器電路9，磁場傳感器10，相位檢測器11，以及相位比較器12。
微控制器1包括羅盤控制邏輯2，其包括磁傳感器偏置控制3和用于從一組磁場傳感器10讀出輸出信號5的轉(zhuǎn)換器4，由檢測元件選擇器8選擇其中的一個磁場傳感器用于讀出。信號5代表選擇的傳感器的響應相對于來自輸入頻率源7的驅(qū)動信號的相位角。如在下面參照圖4詳細說明的那樣，磁場傳感器10(一般2個或3個)是共用放大器141的諧振電路，并且每個包括具有一個電感器的檢測元件。所述檢測元件還包括和電感器并聯(lián)連接的電容器，從而提供一個諧振電路。該電感器包括一個線圈，其基本上被定向垂直于其它的電感器線圈。該電感器還包括磁心，其電感響應由于在電感器線圈中的偏置電流而產(chǎn)生的磁驅(qū)動力和由于電感器線圈所在的磁場的軸向?qū)史至慷a(chǎn)生的磁驅(qū)動力的疊加效果而改變。所述疊加效果一般大約等于由于線圈中的偏置電流而產(chǎn)生的磁驅(qū)動力與檢測元件所在的磁場13的軸向?qū)史至康尿?qū)動力的矢量和。這個和將被稱為合成磁場。每個檢測元件的電感一般隨合成磁場的幅值的增加而減少，從而沿著由合成磁場的方向確定的方向驅(qū)動檢測元件的高導磁率的磁心朝向或者進入飽和。因為隨飽和程度而發(fā)生的電感的改變一般是對稱的，其主要取決于合成磁場的幅值而不取決于合成磁場所取向的兩個方向之一，一般具有兩個產(chǎn)生相同電感的偏置電流值，因而，在相關(guān)的諧振電路中具有相同的諧振頻率。根據(jù)磁心材料和偏置條件，使得電感相同的偏置電流的兩個值可以基本上彼此分離。
如上所述，每個傳感器包括一個諧振電路，所述諧振電路例如是和電感器的線圈并聯(lián)連接的電容器。在一些實施例中，諧振電路的幾個部分可以由一個以上的檢測元件共用。
當合成磁場低時，合成的電感一般接近其最高值，并且合成的諧振頻率接近于其最低值。隨著合成磁場的幅值沿任一方向增加，磁心沿相應的方向被驅(qū)動成為部分飽和，并且選擇的諧振電路的諧振頻率增加。輸入頻率源7的頻率最好被大致地選擇在由合成磁場的改變引起的電感的改變而導致的諧振頻率的改變?yōu)榫€性的一個范圍(即目標范圍)的中心。還需要根據(jù)選擇的諧振電路的諧振頻率對合成磁場的曲線上的具有相對高的斜率的一點，在一個高靈敏度的范圍選擇這個頻率。這個頻率最好是通過設(shè)計或測量來選擇，并且對于利用包括這種頻率的磁力計進行的所有的隨后的測量，都保持在這個大致恒定的值上。
相位比較器12最好被這樣設(shè)計，以使得對于激磁頻率，當電路諧振時，諧振電路的測量的相位響應一般處于其范圍的中心。最好是選擇相位檢測器11的一個處于可以獲得可靠的相位響應測量的范圍內(nèi)的目標或參考輸出，并且當線圈和相關(guān)的諧振電路諧振時，最好接近電路的相位輸出。這個目標相位輸出值被稱為參考相位。
借助于測量線圈的仔細地生產(chǎn)控制，包括在線圈的匝數(shù)的生產(chǎn)處理期間的調(diào)整，使得在一個預定的激磁頻率和諧振電容值下，諧振頻率的所需的性能和位于一個線性范圍的中心在一個合理的程度上被滿足，這在許多情況下可以把電路的成本和復雜性減到最小。線圈的生產(chǎn)過程最好包括每個磁心元件的個體化的測試和要放置特定的磁心的線圈的匝數(shù)的個體化的調(diào)整，以便滿足上述要求。不過，本發(fā)明不排除將頻率選擇置于微控制器的控制或者電路的其它部分的控制下的方案；在這種情況下，為了在使用磁力計的特定條件下獲得最佳的測量，可以改變所述頻率。對于本發(fā)明的這個特定的實施例，在頻率可以調(diào)節(jié)時，一般的設(shè)想是，對于一個測量周期，由頻率源7提供的頻率被保持為標稱上是恒定的。對于第一個實施例，需要從一個可利用的振蕩器例如用于提供微控制器時鐘的振蕩器得到頻率源7的頻率。在下述的第二實施例中，自身產(chǎn)生驅(qū)動頻率，并且所述電路被配置用于保持諧振元件相對于激勵的響應的相位為一個標稱為恒定的相位，相位最好被選擇成使得在電路的諧振條件下或在諧振條件附近保持震蕩。
微控制器1通過迭代周期選擇一個直流偏置電流，該直流偏置電流使選擇的傳感器的諧振電路在其參考相位狀態(tài)(即在其目標范圍內(nèi))附近工作，所述狀態(tài)由其測量的輸出相位角表示。偏置電流選擇一般通過向偏置電路6的D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送一系列一個或幾個指令并評價所得的相位響應來確定。因為，在使用期間，一般以每秒一個或幾個讀取的速率讀取數(shù)據(jù)，對于一個給定的檢測元件，在相繼的讀操作之間的磁場的改變一般較小。因而，最好對于特定的檢測元件使用直接在前的讀數(shù)來計算用于下一次讀數(shù)的偏置設(shè)置，由此使得不需要在進行每次讀數(shù)時都嘗試多個偏置電流設(shè)置。輸出的相移的響應為合理的線性的檢測磁場的范圍一般小于要被測量的地磁場的分量改變的范圍，但仍然占其中的大部分。因而，在要被測量的磁場中的短期改變可被包括在電路的相位檢測部分的線性范圍內(nèi)，利用前一讀數(shù)確定下一讀數(shù)的偏置設(shè)置，這是本發(fā)明的一個有用的任選的特征。選擇的檢測元件被驅(qū)動到由偏置電路6選擇的偏置，并被驅(qū)動到由輸入頻率源7確定的頻率和輸入的驅(qū)動相位。驅(qū)動器電路9在由頻率源7確定的頻率和由偏置電路6確定的偏置電流下驅(qū)動由檢測元件選擇器電路8選擇的傳感器10的諧振磁場檢測元件。相位檢測器11用這種方式整形振蕩器的輸出，即，使得保存相位信息，使所述信息準備用于由相位比較器12進行的選擇的檢測元件的響應的相移測量。相位比較器12比較這個相位信息和用于在標稱為恒定的頻率下驅(qū)動檢測元件的輸入頻率源7的相位。相位比較器12輸出基于所述比較的輸出信號5。該輸出信號例如可以是電壓，其代表在用于驅(qū)動所述檢測元件的信號和表示檢測元件的響應的信號之間的相角差。所述相位可以利用任何一種已知的方法來測量，這些方法可以需要或不需要使用A/D轉(zhuǎn)換器。所述A/D轉(zhuǎn)換器，如果需要，被選擇地包括在微控制器1中。
如上所述，對于每個單獨選擇的檢測元件，一般需要確定一個用于產(chǎn)生可接受地接近其參考相位條件(即目標范圍)的輸出相位的偏置電流，并且最好根據(jù)先前的測量進行這個確定，尤其是根據(jù)利用當前選擇的檢測元件進行的直接的前一次測量。例如，如下面將詳細說明的，可以借助于校準程序確定轉(zhuǎn)換常數(shù)，用于把相位角的增量轉(zhuǎn)換成一個近似相當?shù)钠秒娏鞯脑隽?，并把偏置電流轉(zhuǎn)換成近似相當?shù)拇艌鰪姸?。此外，最好確定并記錄合成磁場(或?qū)τ诹阃獠看艌龅南喈數(shù)钠秒娏?，其使檢測元件處于其參考條件。使用這些常數(shù)和記錄的在先的讀數(shù)值，可以通過對偏置電流求代數(shù)和來近似地確定所需的偏置電流，其標稱上為相當于具有用于產(chǎn)生目標合成磁場以使線圈處于其參考相位條件所需的偏置電流的選擇的檢測元件在前一次讀數(shù)中測量的磁場強度的負值。換句話說，對于利用選擇的檢測元件進行的前一次測量中讀出的磁場強度，所述偏置電流最好被設(shè)置為接近被計算用于使檢測元件處于其目標參考相位條件的偏置電流。
如上所述，一般具有兩個滿足使諧振電路的相位響應接近其目標參考條件的被相當寬地分開的偏置電流值。為了對給定的線圈進行完全的測量，最好是在兩個被分開的偏置電流的每個偏置電流下確定用于使檢測元件接近其目標參考條件(即接近其輸出目標范圍)所需的偏置電流，對于所述兩個被分開的偏置電流的每一個偏置電流，可以實現(xiàn)目標參考相位條件，并取兩個單獨的讀數(shù)，在檢測元件的這些偏置電流設(shè)置的每一個各取一個。對于所述兩個單獨的讀數(shù)的每一個，偏置電流被設(shè)置，并在一個合適的穩(wěn)定時間之后，進行一個或幾個相位測量，并且最好被計算并且可能地進行平均以便確定最終的相位。所述計算最好包括當取相位的多個讀數(shù)時檢查這些值的分散。最好是使至少兩個讀數(shù)分開以近似等于交流電力線頻率的半個周期的時間間隔，并比較這兩個讀數(shù)，以便檢查來自交流電力線分量產(chǎn)生的磁場的不可接受的大的干擾。此外，最好是，例如平均這兩個讀數(shù)以便確定一個對于交流電力線頻率具有局部濾除的結(jié)果，或者使用任何數(shù)量的其它的數(shù)字或模擬濾波技術(shù)，在某種程度上濾除由源，例如交流電力線引起的可能在讀數(shù)時存在的磁場中的周期的改變。然后這種最終的相位測量最好被轉(zhuǎn)換成偏置電流的一個相當?shù)脑隽浚浜陀糜跍y量的偏置設(shè)置代數(shù)求和，從而確定一個相當?shù)钠秒娏?，其標稱上使給定的線圈處于其目標參考相位條件。一般在相位測量處理中使用A/D轉(zhuǎn)換器時，使得能夠利用少量的編程開銷以快速序列進行讀數(shù)。本發(fā)明的一個希望的選擇是，對于一個特定的偏置電流設(shè)置，包括相位的多個讀數(shù)的序列，并對所取的讀數(shù)序列應用數(shù)字濾波序列和篩選準則，以便改善最終精度和所取的數(shù)據(jù)的選擇。此后在所述序列中，在另一個偏置點利用給定的檢測元件進行同一種類型的測量，所述另一偏置點使檢測元件處于基本上相同的參考相位條件，在檢測元件中合成磁場具有幾乎相同的幅值但方向相反。對于這個測量計算相當?shù)钠秒娏?。如將要參照圖5進行的詳細說明那樣，對于給定的檢測元件獲得的兩個相當?shù)钠秒娏髦档钠骄呢撝诞a(chǎn)生最佳的讀數(shù)，當被轉(zhuǎn)換成相當?shù)拇艌鰪姸葧r，該值是最佳的值，用于由檢測元件測量的磁場強度的分量。用這種方式進行的測量趨于部分地抵消環(huán)境溫度以及某種其它的有害失真的影響。
一般使用兩個或三個檢測元件測量磁場矢量的兩個或三個正交矢量，并且使進行連續(xù)的讀數(shù)的時間之間的偏離最小是有利的，從而使測量的矢量的分量都更近似地表示在一個時刻實現(xiàn)的值。最好是通過排序相繼的讀數(shù)使讀數(shù)中的偏離最小，以使得按照排好的順序讀取用于規(guī)定的合成測量的每個檢測元件的兩個讀數(shù)的第一個讀數(shù)，然后按照相反的順序進行每個檢測元件的在另一個偏置電流值下的測量。為了上述目的，對于包括在嵌套序列中的一個特定的檢測元件，不需要限制首先讀取哪一個偏置電流方向。每個檢測元件的相應的讀數(shù)被平均，從而獲得合成值。這是有利的，因為當要被測量的磁場的值正在改變時，如在車輛正在拐彎時那樣，平均值將趨于是在進行兩個測量中的每一個的時間之間的一半時間時的磁場的值。為了方便，這被稱為一個測量的中點時間。利用合適的定時，例如相繼的測量的相等的間隔，并利用剛剛規(guī)定的測量順序，對于以嵌套的序列進行的所有讀數(shù)，對于每個完全的測量的中點時間可以基本上相同，由此最小化在最后平均讀數(shù)中的偏離。
在平均對(averaged pair)中兩個讀數(shù)之一相對于另一個的定時可用于附加的目的，包括濾波算法中的內(nèi)含物(inclusion)。例如，如果讀數(shù)被分開交流電力線頻率的半周期的奇數(shù)倍，則其平均效果也具有濾除由交流電力線源產(chǎn)生的磁場的作用。此外，在本文中將給出用于選擇或者選擇地確定兩個偏置點的哪一個正在被接近的方法。交流電力線頻率可能是50赫茲或60赫茲。具有許多用于處理這個改變的選擇，其中包括但不限于如下所述。第一，濾波器是一種選擇，并且如果使用，可以不需要其是特別銳(sharp)的，在這種情況下，例如可以選擇被調(diào)諧用于濾除55赫茲的折衷濾波器，或者可以使用用于濾除兩個頻率的濾波器?？梢詫ψx數(shù)應用頻率含量分析，例如富氏變換或富氏級數(shù)分析，從而確定所需的濾波器濾除頻率。所述頻率可以被直接地選擇，或者從用于校準的用戶輸入來推斷，并且可以與用戶啟動的用于確定真正的北方對磁的北方的修正的校準序列在邏輯上進行組合。所述頻率還可以從GPS輸入數(shù)據(jù)推斷，因為交流電力線頻率在相當大的地理范圍內(nèi)趨于標準化。
在一些實施例中，可能混淆哪一個偏置點正在被接近，因此，需要證實所作的選擇，并根據(jù)證實的結(jié)果采取合適的措施。可能存在這樣的困難，例如，在要被測量的磁場中的大的意想不到的改變，或者在裝置的最初啟動時的大的意想不到的改變。因為對于一個給定的檢測元件，從沿一個方向在檢測元件中的合成磁場的目標參考條件改變到沿另一個方向在檢測元件中的合成磁場的目標參考條件的偏置的增量在大部分設(shè)計中幾乎是恒定的，最好是測量這個偏置電流的增量值，并在確定其相位輸出接近目標參考條件的另一個點的偏置設(shè)置時使用這個增量值。因為相移和偏置電流之間的關(guān)系通常對溫度敏感，最好是使用校準程序定期地測量和重新計算相移和偏置電流的相當?shù)脑隽恐g的關(guān)系，還重新計算在兩個目標參考條件之間的偏置電流之差。利用這個關(guān)系，測量的相位與目標參考相位的偏差可以被轉(zhuǎn)換成在提供的偏置電流和使選擇的諧振電路處于其目標參考相位條件的偏置電流之間的近似的相當偏差。使電路的響應接近其目標參考相位的偏置將被稱為“參考偏置”。讀數(shù)此時可以選擇地按照這個參考偏置電流來表示，并且在大多數(shù)實施例中，可能放棄進一步使用已經(jīng)完成其主要目的的相位角測量。在相移的增量和偏置電流的幾乎相當?shù)脑隽恐g的關(guān)系可以被表示為從相移到偏置電流的變換系數(shù)。參考偏置電流的值一般和檢測元件的線圈所在的磁場的軸向?qū)实姆至康膹姸韧ㄟ^一個常數(shù)相關(guān)。這個常數(shù)是一個乘數(shù)，用于把偏置電流轉(zhuǎn)換成相當?shù)拇艌鰪姸?，并且其值由檢測元件的配置以及由線圈中的偏置電流的增量產(chǎn)生的所得的相當磁場強度確定?？梢杂欣厥褂脛倓傉f明的一般關(guān)系以在相移的增量、偏置電流的增量以及測量的磁場強度的增量的近似相當?shù)牧恐g進行轉(zhuǎn)換。在實施本發(fā)明時，在選擇相位、偏置電流或用于表示測量值的實際的磁場強度方面，和在特定的近似相當?shù)谋焕玫年P(guān)系中，以及在這種關(guān)系被應用的順序中具有相當大的范圍，這是因為數(shù)學的交換律和/或結(jié)合律可用于重新安排許多計算的順序。
圖4表示基于第一實施例的磁力計的相位響應的一種示例的實施方案。在下面的說明中提供特定的電阻、電容和元件標號，但它們僅僅是第一實施例的許多可能的實施方案的一個例子。因此本發(fā)明不限于下面所述的特定的部分。
微控制器1在3條線131，135或139之一上輸出一個高信號，使得閉合檢測元件選擇器8的各自的模擬開關(guān)132，136或140(例如元件標號74HC4066)，借以使檢測電感器130，134或138以及其相關(guān)的傳感器10的諧振電容129，133或139(例如0.001微法)和運算放大器141(例如元件標號TLC084)的輸出142相連。運算放大器141的輸出142由電阻218(例如100千歐，1％)和電容217(例如0.033微法)的組合濾波，以使得輸出142的平均值被輸入到比較器215(例如元件標號LM311)的正相輸入端，同時放大器141的輸出142被直接饋入比較器215的反相輸入端。比較器215的開路的集電極輸出由電阻213(例如1千歐)拉高，其在212和正電源相連。從比較器215輸出的數(shù)字信號214被反相，并和選擇的檢測元件LC電路的輸出142具有180度的相位差。放大器141還相對于在求和電阻128、224(例如分別為499歐姆，1％，2.92千歐)輸入的信號反相輸出142，以使得兩個相位反向而相互補償。
對于下面的討論，圖7表示示例的波形，其一邊具有圖4的標號，表示和其相關(guān)的點。微控制器1在兩個時刻輸出通常保持恒定的頻率，所述頻率被選擇用于驅(qū)動選擇的檢測元件LC電路。作為頻率源7的D型觸發(fā)器(例如元件標號74HC74)用2除在線203上的時鐘信號的頻率，由此輸出信號206，其具有非常接近50％但不必等于50％的占空比。如果微控制器可以提供一個穩(wěn)定的最好接近50％的輸出占空比，則觸發(fā)器7可以取消，并且信號206可以直接由微控制器供給。
電阻240，243和244(例如分別為9.09千歐，28.0千歐，和2.92千歐)和電容237、242(例如分別為470pf，5％，1000pf，5％)形成兩極點RC濾波器，其被設(shè)計用于對信號206相移大約90度，并大大衰減方波信號206中的較高的頻率分量。額定的90度的相移大約處于相位檢測器11的整個操作范圍的中心，以使得當電路處于諧振狀態(tài)時，其輸出214大約是其全量程輸出的50％，并提供距離其額定的中心大約正、負90度的相移。濾波器的兩個極點最好具有大約相等的時間常數(shù)，不過相對要保持成本和復雜性為最小以使得不使用運算放大器的優(yōu)先選擇，這可以被折衷，并且濾波器的極點具有不相等的時間常數(shù)。沒有緩沖作用，第二個串聯(lián)的RC電路加載并向第一個RC電路反射其信號的一部分，這兩個效果趨于分開濾波時間常數(shù)。在設(shè)計中幫助減少時間常數(shù)之間的間隔的兩個一般的準則是選擇一種設(shè)計，其中一個是在其它的設(shè)計約束內(nèi)，電阻器243的電阻是高的，其趨于解耦RC電路，另一個是在電容器242上的輸出電壓被所述輸出加載并趨于減少可能被向回反射的信號。明智的是，寫出電路中的RC濾波器的響應的全部方程，并使用它們的評價來評論設(shè)計選擇。濾波時間常數(shù)應當被選擇以使得在選擇的激勵頻率下達到所需的相移。交流耦合電容器245(例如0.05微法)阻斷直流電流，使得在電路的這一點上，激勵和直流偏置的源分開。包含剛剛提及的濾波器以用于衰減激勵中的較高的頻率分量，并由此使由于在交流激勵信號中的較高的頻率分量而引起的相位響應的非線性減到最小，并提供相移以用于確定相位比較器12的操作范圍的所需的中心。通過衰減較高頻分量，濾波器使得交流激勵更接近正弦信號。
信號229是由微控制器1產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號，其用作偏置電路6的輸入，用于設(shè)置選擇的檢測元件LC電路中的磁場檢測電感器(130，134，138)的直流偏置電流值。一個被很好地調(diào)節(jié)的電源電壓，或者選擇地，一個可以近似等于所述電源電壓的獨立的、穩(wěn)定的參考電壓供給節(jié)點212和220以及電路的邏輯元件1，7，230和249。在這個電路中，選用5V的電源電壓和參考電壓。緩沖器元件230，其可以是反相的或者是同相的，最好具有低阻抗的輸出，并且當被轉(zhuǎn)換為低時具有對于負電源的低的、穩(wěn)定的電壓降，以及當被轉(zhuǎn)換為高時具有對于正電源的低的、穩(wěn)定的電壓降。這個門應當由所述穩(wěn)定的參考電壓供電，使得在高狀態(tài)下輸出被轉(zhuǎn)換為非常接近于所述參考電壓。因而，對和緩沖器元件230的輸出相連的電阻器233(例如49.9千歐，1％)的輸入基本上在由PWM輸出229提供的占空比下在5V和地之間改變。電阻器226和228(例如分別為600千歐，1％，200千歐，1％)形成分壓器和負載，用于確定PWM電路的輸出范圍的中心，并把輸出范圍限制在大約0.5V-3.5V。緩沖器放大器239(例如標號為TLC084)作為PWM輸出的兩極點濾波器中的有源元件，并緩沖濾波的PWM輸出，并通過求和電阻器128把偏置提供給放大器141的求和輸入。緩沖放大器239的反相輸入被反饋到緩沖放大器239的輸出，并還從緩沖器230通過電容器235(例如0.033微法)被連接到電阻233的相對側(cè)。緩沖器放大器239的同相輸入端還通過電阻236(例如49.9千歐，1％)被連接到電阻233的同一端。緩沖器放大器239的同相輸入端還被連接到在分壓電阻226和228之間的一個端子，并還通過電容器238(例如0.033微法)和地相連。
由電阻221和223(例如分別為1.5千歐，1％和1.0千歐，1％)形成的另一個分壓器對放大器141提供一個2V的操作參考。這大約是該放大器操作范圍的中心，所述放大器的基本功能是在0.5V吸收合適的電流，并在3.5V供給合適的電流，以便對電路的驅(qū)動信號提供一個正或負1.5V的通常的工作范圍。在模擬開關(guān)上的電壓降和在諧振時的交流電壓必須借助于設(shè)計選擇被仔細地控制，以便在運算放大器的驅(qū)動能力內(nèi)保持一個所需的驅(qū)動電壓范圍，以使得飽和不會使讀數(shù)的精度變差。
相位比較器12包括觸發(fā)器249(例如標號為74HC74)，其具有被施加到其時鐘端子和與頻率源觸發(fā)器7的輸出相連的復位端子的信號214。當相移處于一個期望的可測量的范圍內(nèi)時，在來自頻率源觸發(fā)器7的輸出206為高時，來自相位檢測器11的信號214的上升沿出現(xiàn)，使得觸發(fā)器249不復位，并借助于信號214的上升沿使相位比較器電路觸發(fā)器249的輸出209被鎖定為“1”。這個輸出被保持為高，直到來自頻率源7的信號206變低而復位觸發(fā)器249并使其輸出變低。因而，來自相位比較器觸發(fā)器249的高信號的持續(xù)時間由驅(qū)動信號206的相位和根據(jù)需要測量的響應214的相位之間的相位差來控制。電阻247，254，251和252以及電容211和246以及運算放大器250(例如標號為TLC084)形成兩極點濾波器，用于平均具有占空比的相位檢測器的輸出。電阻254(例如11.5千歐，1％)和觸發(fā)器249的輸出相連，從而接收信號209。電阻254的另一端通過電容211(例如0.01微法)和電阻247(例如11.5千歐，1％)以及放大器250的輸出相連。電阻247與電阻254相對的一端通過電容246(例如0.01微法)和地相連，并且還和放大器250的同相輸入端相連。因而濾波信號207被提供給放大器250的同相輸入端。
同相運算放大器電路和放大器250以及輸入和反饋電阻251、252(例如分別為48.7千歐，1％，44.2千歐，1％)緩沖輸入信號207，并提供增益以輸出濾波的和放大的相位測量信號5，其被輸入到提供在微控制器1中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器?？梢允褂萌魏螖?shù)量的相位鑒別器。例如，電路可以被配置成利用一個門或復位-置位觸發(fā)器代替D型觸發(fā)器249。
行駛方向指示器15可被配置成一個顯示器，用于可見地顯示車輛的行駛方向。這種顯示器可以配置成如共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6346698中披露的一種字母數(shù)字顯示器。此外，可以利用圖形羅盤顯示器，例如在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6356376披露的那種。行駛方向指示器15最好以和上述美國專利6356376披露的相同的方式被包括在后視鏡組件500中(圖11)。此外，行駛方向指示器可以包括在被安裝在車輛的主傳動軸或者車輛后視鏡附近的風擋上的上方控制臺上，或者其可以被包括在車輛的儀表板中，或者在任何其它車輛附件內(nèi)或者在車輛內(nèi)的任何其它位置上。行駛方向指示器也可以是車輛導航系統(tǒng)顯示器的一個功能元件。
行駛方向指示器5還可以提供車輛行駛方向的可聽的指示，作為向車輛駕駛員提供車輛行駛方向信息的可替換的或附加的機構(gòu)。這種可聽的指示器可以包括語音合成器和用于產(chǎn)生關(guān)于車輛行駛方向的可聽信息的揚聲器。在這方面，有利的是還包括一個麥克風和語音識別電路，以使得微控制器可以響應來自車輛駕駛員的可聽的語音提示來產(chǎn)生可聽的車輛行駛方向指示。包括麥克風、語音識別系統(tǒng)、語音合成系統(tǒng)和可選擇的揚聲器的后視鏡組件的例子在美國專利申請公開2002-0032510A1中披露了。如該專利申請所述，所述揚聲器可以是車輛的現(xiàn)有的音頻系統(tǒng)的揚聲器，而不是被提供在后視鏡組件或者其它的車輛元件中的專用揚聲器。
圖7表示來自微控制器的參考頻率203、50％占空比的激勵頻率206和濾波的相移的激勵信號255的波形。曲線214a，214b和214c表示相位檢測器11的輸出214的波形；曲線209a，209b，209c表示相位比較器12的輸出209的波形?！癮”波形用于在圖5的457或458所示的偏置條件?！癰”波形用于在圖5的點457的上方曲線部分452上或在點458上方曲線部分454上的一點的偏置條件?！癱”波形用于在圖5的點457下方的曲線部分452上或在點458下方的曲線部分454上的一點的偏置條件?？梢匀菀椎厥褂卯惢蜷T或其它形式的相位比較器。使用所選的一種相位比較器是因為可利用的觸發(fā)器并因為輸出對于未使用的360度范圍的180度停留在0。
在現(xiàn)代的車輛中，來自GPS單元、陀螺儀以及某些裝置的信息可以得到的并可用于確定車輛的行駛方向，這些信息表示傳感器離開水平方向和/或車輛內(nèi)的參考方向的傾斜以及來自用戶啟動的校準序列的輸入。用戶啟動的校準序列中的輸入一般包括在要使用羅盤的位置真正的北方和磁北方的偏離。當可以得到GPS行駛方向信息時，這個信息可用于引入一個校準偏移，用于補償在磁北方和真正的北方之間的差以及其它的在行駛方向指示中的系統(tǒng)誤差。此外，羅盤行駛方向信息可用于增加GPS或陀螺儀的讀數(shù)，用于導航控制或跟蹤，代替用于簡單地顯示車輛行駛方向或作為其補充，和從GPS讀數(shù)得到的行駛方向信息相比，所述羅盤行駛方向信息更直接地響應方向的改變，并且當GPS信號丟失時，羅盤行駛方向信息仍然可以得到。在美國專利6407712中披露了一種羅盤系統(tǒng)的例子，其利用GPS信息，并且在后視鏡組件內(nèi)包括GPS天線和接收機電路。如果磁力計傳感器被包括在也容納反射鏡本身的后視鏡組件的殼體內(nèi)，最好是實施一種在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6023229和6140933中披露的傾斜傳感器。
車輛內(nèi)具有許多必須被補償?shù)挠驳暮蛙浀拇判?。除去來自發(fā)動機和車輛結(jié)構(gòu)中的鐵的影響之外，在直流電動機中的強磁體通常具有大的影響，通常需要提供一種用于補償由車輛產(chǎn)生的干擾磁場的能力，所述干擾磁場比地磁場的一般的水平分量大不止一個數(shù)量級。產(chǎn)生最強的干擾磁場的源一般持續(xù)一個延長的時間間隔，甚至在車輛的整個壽命內(nèi)，不過一般較弱的磁場(其對于增加自動校準算法的復雜性仍然是足夠強的)由許多附件的瞬變操作產(chǎn)生，例如空調(diào)中的離合器電磁閥、窗掃霧器、風擋雨刷以及吹風機電機。地磁場的水平分量在除去Alaska之外的美國大陸一般在正或負0.2高斯的范圍內(nèi)，并且是在Alaska的大約1/2。此外，用于使電感器偏置以使其相位響應接近參考條件所需的合成磁場可能需要其磁場當量例如是正或負4高斯的偏置值。為了進行正確的操作，這些偏置值必須和汽車的分量以及地磁場的分量代數(shù)相加，以使得用于操作偏置電路所需的范圍超過僅用于平衡地磁場的水平分量所需的范圍的30倍。這使得地磁場的測量的全量程例如是必須由電路提供的偏置電流的相當磁場強度范圍的3.3％或更小。此外，即使需要要求更大的偏置電流的更高的磁場以便能夠通過交變的磁場方向的定時系統(tǒng)地循環(huán)磁心，從沿每個交變方向引起相對硬飽和的磁場值開始，通過隨后的較低的磁驅(qū)動的循環(huán)繼續(xù)，提供消磁或至少提供預處理序列，用于預處理傳感器磁心使之成為可重復的、可靠的操作狀態(tài)?？蛇x擇地，如果需要，可以使用一個單獨的可轉(zhuǎn)換的、可反向的源用于消磁。作為上述的根據(jù)的磁心中的磁材料是未知的，不過可以認為是可從Honeywell公司得到的Metglas 7 2605或2705材料的一種改型。如本發(fā)明實踐的那樣，使用可變的偏置電流來抵消環(huán)境磁場，并把磁場檢測電感器的磁心中的金屬偏置到其可變的磁通范圍的一個相對窄的部分，由于改變了磁心內(nèi)的磁場值，使得即使不能消除在磁心的可變電感的一個擴大的范圍內(nèi)具有線性響應的要求，也能減小這個要求。也可以使用其它的材料，例如Metglas82714A的一種退火的型式(特別是在軸向或也許在橫向磁場中退火)，這些材料的諧振頻率對軸向?qū)实拇艌鰪姸鹊那€601如圖6所示。為了進行比較，圖6還示出了曲線602，其是具有類似的線圈和電路但是具有圖5的曲線中使用的材料的磁心的相應的曲線。對于曲線601的材料，用于達到良好的操作偏置值的偏置電流大約為1.3毫安，比用于使曲線602的材料達到可比的工作點所需的大約2.3毫安較小，這使得最好選用曲線601的材料，從而至少滿足減少偏置電流的準則。
在關(guān)于相對廉價的磁力計的現(xiàn)有技術(shù)中，一般使用操作頻率表示磁場強度，并且循環(huán)周期一般基于電阻乘以電感的時間常數(shù)的響應，循環(huán)持續(xù)時間由門限檢測確定而不由LC諧振確定。在一種典型的循環(huán)中，磁心一般通過其磁操作范圍的一個擴大的部分被驅(qū)動，一般沿一個方向進入相當強的飽和。例如，目前在普通的汽車中使用的RL電感電路使用相當于大約9高斯的每周期磁通偏離，以用于在±2.5高斯(負到正的范圍是5高斯)的額定范圍內(nèi)進行測量。本發(fā)明的優(yōu)選的電路使用小于常規(guī)電路的1/5的每周期的額定磁通偏離。即，一般小于2高斯的峰峰值，這比6高斯(±3高斯)的測量范圍小得多。一般地說，試圖利用一個或兩個偏置設(shè)置測量整個輸入范圍的現(xiàn)有技術(shù)的電路必須使用這樣的每周期偏離，對于所述偏離，驅(qū)動磁通和要被測量的磁通之和跨過磁心材料的響應的有效范圍。這一般要求至少等于要被測量的總的負到正的磁通范圍的每周期峰-峰磁通偏離。一般施加一個固定的偏置，以便使操作偏置到兩側(cè)操作曲線的一側(cè)或另一側(cè)。偏置的效果通常通過某種形式的轉(zhuǎn)換可以反向，以使得可以選擇飽和曲線的相對一側(cè)，不過對于利用由磁心的可變導磁率產(chǎn)生的電感的改變的裝置，偏置的幅值一般沿每個方向是固定的，尤其是在一個大的被校準的雙向范圍內(nèi)在兩步以上是不變的，如在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中那樣。
一般，需要但不限于確定行駛方向的能力具有大約1度的分辨率。一般不必要求這么高的精度，因為一般使用具有每步45度的8點羅盤顯示器，不過，為使車輛磁場的影響和地磁場的響應隔離而進行的計算使得在測量中提高精度是有利的。在上述的例子中，在選擇的線圈的工作點所需的偏置為正或負4高斯，附加的干擾磁場是大約正或負2高斯的情況下，在通過其總的正負范圍設(shè)置偏置電流時需要大約1/3400(one part in 3400)的可重復性，以便支持方向讀數(shù)分辨率中1度的分辨率。如果使用在其優(yōu)選操作偏置時具有低得多的偏置要求的磁心，則這可被減少大約幾乎3/1200-1/1200。2714A材料能夠減少所需的偏置，以使得在上述的例子中如果電路因為其用作磁心材料被優(yōu)化，則將需要大約1/2400的可重復性。另一種選擇是提供單獨的兩狀態(tài)偏置電路，其被轉(zhuǎn)換以便在偏置中提供大的和穩(wěn)定的正負級(step)，該偏置對于在磁心中的正或負合成偏置磁場的操作確定中心是需要的。此時使用多級的或連續(xù)可變的偏置源，用于調(diào)節(jié)在選擇的工作點處的偏置級。在上述的例子中用于選擇工作偏置的大的正或負4高斯的級需要優(yōu)于1/2200的穩(wěn)定性和可重復性，以便支持1度的分辨率。用于在兩個范圍的每個范圍內(nèi)調(diào)節(jié)偏置電流的D/A轉(zhuǎn)換器應當具有大約1/1200的設(shè)置穩(wěn)定性和可重復性，以便達到1度的分辨率。注意在此以及可能在現(xiàn)有技術(shù)的大部分其它的實施方案的情況下，正或負偏置電流值的相對的穩(wěn)定性和可重復性趨于和所述偏置電流值在偏置磁場中產(chǎn)生的、與被測量的磁場的最小的增量相比總的偏移的大小成比例地影響總的精度。因而，磁心材料需要較低的偏置以便進行正確地操作，并需要容忍副作用例如由使用的材料引起的減小的線性操作范圍的電路，導致一種更健壯、更精確和較小耐受敏感電路。當要被測量的磁場的范圍大于相對的操作偏置電流值之間的范圍時，裝置還必須確定兩點中的哪一個是當前的工作點。本發(fā)明的實施例滿足在減小的線性范圍下操作，以及能夠正確地處理在產(chǎn)生相同相位響應的兩個可能的電路輸入之間的合適的區(qū)別的要求。為了確定哪一個偏置點正在被接近，可以沿給定的方向施加偏置的增量改變，對于其合成磁場沿一個方向的第一個特定的工作點，相位總是增加，而對于其合成磁場沿相反方向的另一個工作點，相位總是減少?；谶@個事實的檢測提供了一種用于確定兩個偏置點中的哪一個正在被接近的簡單的方法。
為了達到在方向測量中大約1度的分辨率，同時只使用偏置電流的改變和平衡來確定讀數(shù)，要求用于設(shè)置偏置電流值的D/A轉(zhuǎn)換器具有大約11到12位的增加的分辨率。這個增加的精度大大高于利用許多8位的微控制器容易得到的D/A轉(zhuǎn)換器的8位的增加的精度，所述微控制器否則也適用于這種應用。8位脈寬調(diào)制的D/A轉(zhuǎn)換器可以由許多低成本的微控制器得到，并且可以用專用的集成電路容易地實現(xiàn)。在這些D/A轉(zhuǎn)換器中，脈寬調(diào)制的輸出的占空比主要取決于微控制器時鐘的短期穩(wěn)定性，其通常是非常高的，從而具有輸出的占空比轉(zhuǎn)換的高的模擬質(zhì)量，每個平均輸出值的精度可以遠大于轉(zhuǎn)換器的256級增量分辨率。首先使用相位測量來表示偏置電流已經(jīng)被調(diào)節(jié)，以使得LC電路的輸出相位響應可接受地接近于其目標參考值(即目標輸出范圍)。在具有足夠分辨率的偏置電流發(fā)生器的本發(fā)明的一些應用中，這可以是對相位檢測器的全部要求。不過。如在一些例子中所示的那樣，這通常要求較高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器，其一般不能用低成本的微控制器得到，并且可能需要一些過度麻煩的或許是不能接受的慢的迭代序列來達到所需的設(shè)置精度。當考慮在交流電力線頻率下磁場中可能存在振蕩的相當高的值時，這尤其明顯。此外，如果和快速設(shè)置時間的要求結(jié)合以便允許使用連續(xù)的近似逼近，則低成本的D/A轉(zhuǎn)換器的脈寬調(diào)制輸出的足夠的濾波可能存在一個嚴重問題。上面詳細說明的程序用于測量輸出相位離開其目標參考值的偏離，并用于計算和提供對實際供給的偏置電流的合適的校正以便進行測量來計算偏置電流，所述偏置電流將使線圈處于其參考條件下，這大大減少了D/A轉(zhuǎn)換器所需的分辨率的級數(shù)，因而可以大大加速迭代處理，從而實現(xiàn)足夠接近目標值的偏置電流設(shè)置，同時還附帶地提供附加的采樣和數(shù)字濾波能力。如上所述，一種所需類型的相位測量電路是這樣一種電路，其能夠進行LC的輸出響應的相位和參考相位的比較，所述參考相位具有一個合適地選擇的、并最好相對于驅(qū)動信號的相位是固定的相位角。其輸出從軌到軌(rail to rail)之間轉(zhuǎn)換的數(shù)字相位比較電路的輸出電壓可以簡單地由RC電路平均，從而產(chǎn)生一個表示在驅(qū)動參考和LC電路的響應之間的相位關(guān)系的電壓。作為來自驅(qū)動頻率的諧振頻率的偏離的函數(shù)的輸出響應的相位的斜率近似與LC電路的Q成比例。所述Q又部分地取決于電感器繞組中的溫度敏感導線的電阻。對于在相位指示電路的測量的輸出的增量和偏置電流的相當?shù)脑隽恐g建立所需的轉(zhuǎn)換關(guān)系的問題的一個好的解決方案如下所述。在測量的磁場相對穩(wěn)定的時間間隔期間，首先調(diào)節(jié)偏置電流以使得LC電路的相位可接受地接近其參考值，不過最好接近參考值的一側(cè)。此時取相位響應的仔細的、最好是平均的讀數(shù)。接著，利用已知的級數(shù)調(diào)節(jié)偏置電流，以使得相位仍然可接受地接近于參考值，不過最好在參考值的另一側(cè)。此時進行相位角的第二個測量。然后計算從相移到偏置電流的轉(zhuǎn)換系數(shù)，以便利用對于連續(xù)讀數(shù)施加的偏置電流的差值與對于兩個連續(xù)的讀數(shù)的相角測量的相應的差值之間的比來從相位增量轉(zhuǎn)換成相當?shù)钠秒娏髟隽?。這個處理可被足夠多次地重復，以便可接受地跟蹤由線圈溫度的改變導致的相位響應的改變。一種用于實施本發(fā)明的可選擇的方法是取相位對偏置電流的兩個測量，最好每個測量接近參考相位值，但是在參考相位值的相對側(cè)，并使用常規(guī)的內(nèi)插法計算在參考相位輸出值下的偏置。為了使引入的誤差或噪聲讀數(shù)最小，最好丟棄不處于預期范圍內(nèi)的值。
借助于上述的相位檢測電路的第二階濾波，可以減少由脈寬調(diào)制偏置電流發(fā)生器的輸出中的脈動引起的相位抖動。為了得到偏置電流所需的高精度，當使電路的脈寬占空比進行大的增量改變時，例如10除以單位為每秒弧度的濾波器的滾降頻率所得的穩(wěn)定時間是合適的。因為相位響應主要取決于偏置設(shè)置，在相位電路真正開始穩(wěn)定之前，偏置電流必須合適地穩(wěn)定下來。例如，對于脈寬調(diào)制的偏置電流發(fā)生器設(shè)置，需要一個濾波滾降(roll off)頻率，其只需足夠低以提供脈寬調(diào)制器輸出脈動的足夠衰減，并且對于相位檢測器輸出，則需要一個滾降，以便濾除相位檢測器輸出中的脈動，或許還濾除由在偏置電流中殘留的數(shù)量不大的脈動而引起的脈動。對于脈寬調(diào)制的輸出的大約7千赫的重復速率，一種雙極點低通濾波器可以很好地起作用，其最好具有虛極點，但是具有高的阻尼，例如采用Bessel濾波器設(shè)計并具有大約160Hz的滾降轉(zhuǎn)角(roll off corner)。這種濾波器在大的設(shè)置改變之后大約需要10毫秒才能穩(wěn)定到所需的高精度。精確的阻尼系數(shù)不是關(guān)鍵的，但是例如，在Butterworth設(shè)計的情況下，其比Bessel設(shè)計具有較低的阻尼，瞬變使穩(wěn)定時間要求大約增加25％。阻尼最好在大于Butterworth濾波器具有的阻尼的范圍內(nèi)。用于鑒相器的濾波器最好也是類似類型和類似阻尼系數(shù)的濾波器，不過在具有60千赫范圍內(nèi)的脈沖輸出的鑒相器的情況下，例如在1.5千赫范圍內(nèi)的滾降頻率并要求超過用于使偏置電流電路穩(wěn)定所需時間幾個毫秒的附加穩(wěn)定時間是合適的。這種濾波器可能比在該例子中剛剛提及的濾波器更復雜，并且擴展到更復雜的濾波器的穩(wěn)定時間的相似的論斷被認為是本發(fā)明的一部分。在已知的濾波器響應和在D/A設(shè)置中已知的增量的情況下，可能并且需要計算和應用一個過(over)驅(qū)動信號，其幅值和持續(xù)時間將使輸出近似達到所需的值。如果計算正確，則在應用過驅(qū)動設(shè)置的計算時間間隔結(jié)束時，PWM輸出值應當非常接近所需值。在這一點上，PWM設(shè)置應當被改變?yōu)樗柙O(shè)置，并且因為所述值已經(jīng)接近所需值，故應當快得多地穩(wěn)定到所需精度?？梢允褂眠@種技術(shù)以大大減少D/A轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時間。
8位的A/D轉(zhuǎn)換器通常可以作為標準的特征得到，或者在低成本的微控制器上以合適的成本得到。這種A/D轉(zhuǎn)換器用于相位測量處理應當是足夠的。許多這種A/D轉(zhuǎn)換器具有相當高的獲取和轉(zhuǎn)換速率，使得可以獲取相位讀數(shù)的多個采樣，對它們進行篩選以除去不能接受的噪聲，并進行平均以減少讀數(shù)中的總的噪聲。除去使用平均技術(shù)，還能夠評價一組讀數(shù)的分散和各種其它性能，這是本發(fā)明的一個有價值的、可供選擇的部分。理由是，對于羅盤應用，保持當前的讀數(shù)或甚至取消該讀數(shù)，比提供噪聲的且可能錯誤的結(jié)果要好。不改變存儲的校準數(shù)據(jù)，或者根據(jù)在其他情況下被認為是有效的噪聲數(shù)據(jù)作出影響校準處理的決定也是有利的。以在A/D轉(zhuǎn)換器的能力之內(nèi)的任何實際的速率采樣濾波的相位檢測器輸出、并在適合控制處理的總體結(jié)構(gòu)的任何時間間隔對其進行采樣的能力，使得以下被認為是本發(fā)明的一部分成為可能，即，對例如在電力線頻率的一個完整的周期內(nèi)所取的整數(shù)個采樣進行平均以提供在一個電力線周期內(nèi)的信號的有效的積分，由此極大地排除由交流電力系統(tǒng)內(nèi)的電流和磁元件產(chǎn)生的測量的磁場內(nèi)的脈動。
校準是一種用于確定最佳的偏置點的位置的處理。設(shè)置偏置點的目的是使LC諧振電路的諧振工作點位于相位對磁場的曲線的線性范圍的中心。這些點可以利用許多方法求出，例如一種方法包括從一個極端到另一個極端掃描偏置，并記錄每個偏置增量的所得相移?？梢杂嬎阍谶@組測量內(nèi)的最高和最低A/D值的平均，并用相應的PWM偏置值作為初始校準的偏置值。圖10示出了一個示例的偏置曲線。
在圖10中，從0到255的總跨度表示用于調(diào)整偏置的總的范圍。水平線601表示曲線600的最大和最小A/D值的平均。這是目標A/D值。垂直線602和603通過曲線600和直線601的交點，并表示相應于目標A/D值601的兩個可能的PWM偏置值。這些PWM偏置點被用作隨后的測量的初始工作點。設(shè)置偏置是為了在兩個目標范圍中選擇的一個范圍內(nèi)獲得響應，并根據(jù)偏置設(shè)置、電路輸出和在目標范圍內(nèi)輸出對偏置的曲線的斜率來計算各自的目標值。因為曲線600的陡的斜度，目標A/D值可能處于在偏置掃描期間所取的采樣的A/D值之間。需要通過計算使所得A/D測量等于目標值的PWM值來內(nèi)插偏置PWM值。需要進行內(nèi)插以便保持曲線的左右斜線之間的測量的對稱性。非對稱的測量可能增加由溫度或其它內(nèi)部、外部影響引起的任何誤差。實際上，由非對稱測量引起的誤差可以足夠小，從而被認為是無關(guān)緊要的，或者可以出于種種原因進行選擇以減少測量或隨后的計算的精度，因而引入少量的非對稱。
雖然圖10中的偏置PWM值都是正的，在磁零點位于曲線的槽中部的情況下，由于PWM在線圈中產(chǎn)生的磁場可以是正的或負的。通過重新定標偏置軸以使得零點位于槽的中部，并以零點的左邊為負偏置，零點的右邊為正偏置，或許能夠更容易地看出偏置和磁場之間的關(guān)系。
在校準期間，記錄曲線的每個斜率的平均A/D值以及和所述A/D值相應的PWM偏置值。平均A/D值所在的曲線上的點被稱為工作點，并在隨后的測量中使用。在兩個工作點之間的距離(所謂的偏置分布)也被記錄并用于隨后的測量。為了分析的目的，偏置分布可被認為是常數(shù)，不過測試已表明其對溫度是敏感的。偏置分布的計算和存儲使得能夠快速地由一個偏置點計算出另一個偏置點，但是基于溫度敏感性，建議偏置分布值應當定期地被重新計算，以便跟蹤溫度的改變。當確定磁場在當前未改變時，這可以包括根據(jù)與平均A/D值的偏離中的差異進行計算或直接測量。
返回圖10的曲線，記錄另一個值，該值是在偏置PWM值中的一個計數(shù)差對所得相位輸出的影響。這個值是在工作點的曲線的斜率。研究表明，曲線的負向部分的斜率和曲線的正向部分的斜率實際上是相同的，但是符號相反，因此，只需要計算一個部分(例如負向部分)上的斜率，對于正向部分，只需改變符號即可。為了討論方便，此后將稱為“偏置斜率”。為了減少系統(tǒng)中的任何非線性的影響，這個值從在上面建立的最佳工作點所取的數(shù)據(jù)中被記錄。偏置斜率可以根據(jù)兩個最接近工作點的點簡單地計算，或者如果需要較大的精度，可以取在工作點周圍的幾個點的平均值。
概括地說，由校準產(chǎn)生的值是偏置分布(SB)初始工作點(P0-，P0+)(在PWM項中)在工作點的初始A/D值(ADP0-，ADP0+)在工作點的初始PWM值(PWMP0-，PWMP0+)偏置斜率幅值(MB)測量是使用PWM設(shè)置正確的工作點的處理，其中要等待一定時間使電瞬變穩(wěn)定，并在所述工作點取一個或幾個A/D讀數(shù)。在每個工作點進行測量，并把結(jié)果進行算術(shù)組合以便產(chǎn)生最終結(jié)果。雖然當PWM偏置值為固定時這種方法的動態(tài)范圍被限制，但偏置的動態(tài)運動使得動態(tài)范圍的大小被擴展一個數(shù)量級，或者較多地超過固定偏置的情況。測量處理是一種迭代處理，其中偏置根據(jù)由先前的測量獲得的估算被移動，并且A/D轉(zhuǎn)換導致最終收斂于靜態(tài)磁場的初始校準值。一旦A/D結(jié)果收斂于其校準值，磁場便可以通過從在校準期間建立的PWM值之和中減去用于獲得測量的PWM值之和被直接讀出。因為PWM設(shè)置通過線圈的電流，因而設(shè)置線圈中的磁場，在PWM中的差是用于把線圈中的磁場向回驅(qū)動到其校準值所需的電流量的直接度量，因而是在校準時的磁場和當前磁場之差。
在允許A/D結(jié)果能夠收斂于其校準值的靜態(tài)磁場中，磁場可以按照上述方法直接地使用PWM中的差進行測量。不過，作為運動著的車輛中的羅盤，磁場幾乎不是靜止的，并很少收斂于只使用PWM值便足夠的一個點。此外，PWM設(shè)置的分辨率可能不提供所需的讀數(shù)分辨率。在這些情況下，通過使用當前的PWM值以及用于特定測量的A/D值可以獲得足夠的精度。在這種方法中，在當前的A/D測量和在所需工作點的A/D值之間的差被計算，然后乘以偏置斜率。這將產(chǎn)生可被加到當前PWM值而產(chǎn)生校正的PWM值的一個值，其可和在上述的靜止情況下那樣被直接使用。只要A/D值保持在線性部分或者保持在曲線600的目標范圍604，這種方法便產(chǎn)生足夠精確的結(jié)果。計算的PWM值可以在下一個測量期間用作實際的偏置點，其導致在靜態(tài)磁場中的收斂，或者當磁場改變時用于簡單地跟蹤磁場，此時略有滯后。
在磁場發(fā)生大的階躍變化的情況下，或者當磁場足夠快地改變而把A/D值驅(qū)動到曲線的線性部分之外時，算法中的簡單邏輯可以抑制數(shù)據(jù)的顯示，直到A/D值再次處于線性區(qū)域。這種迭代方法將快速地收斂到線性區(qū)域內(nèi)，即使當被驅(qū)動到遠離線性區(qū)域，并且抑制被顯示的數(shù)據(jù)將使這些狀態(tài)不能被觀察者察覺時。
最少的測量應當包括在每個偏置點的至少兩個A/D讀數(shù)，它們被在時間上分開并被平均，以使得能夠除去交流電力線頻率。
如果測量在和當羅盤被校準時存在的磁條件相同的磁條件下進行，則在每個軸中代表環(huán)境磁通的值將非常接近于0。把羅盤置于校準的磁場中將使得能夠與由所述磁場表示的絕對標準相關(guān)聯(lián)，并且將產(chǎn)生一組可用于原始的羅盤讀數(shù)的定標系數(shù)，從而產(chǎn)生一個和所述標準相應的結(jié)果。不過為了說明方便，原始的羅盤值將足夠了，因為它們和磁場成正比，并由無量綱的變量B表示。
測量的第一步是設(shè)置偏置點。這通過簡單地把PWM設(shè)置為初始工作點的值來完成對于負的偏置讀數(shù)，PWM-＝P0-并且對于正的偏置讀數(shù)，PWM+＝P0-+MB一旦PWM處于A/D轉(zhuǎn)換器的1最低有效位(1sb)內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)換器便被讀取，從而獲得結(jié)果相位表示，其由變量AD-和AD+表示。
接著，從當前的A/D值減去在工作點(ADP0-，ADP0+)的初始A/D值。這個差值在理論上被向零驅(qū)動，不過非零值簡單地表示把這個差值驅(qū)動為零所需的PWM調(diào)節(jié)的數(shù)量是ADNULL-＝AD--ADP0-并且
ADNULL+＝AD+-ADP0+趨于零的A/D項應當乘以偏置斜率并被加到當前的PWM值，從而獲得在零值時的PWM值。這些計算的PWM值還被用作下一次測量期間的實際的PWM工作點P0-＝PWM-+(ADNULL-*MB)以及P0+＝PWM+-(ADNULL+*MB)注意兩個公式之間的符號改變。這是需要的，因為在兩個偏置點的斜率的大小可以相等，但是它們具有相反的符號。因此，所述校正應當與此相適應。
最終的磁場值是在這個測量期間獲得的PWM值之和與在校正期間建立的PWM值之間的差B＝(P0-+P0+)-(PWMP0-+PWMP0+)B表示由線圈看到的磁場，并且通過使用定標系數(shù)可以和標準的磁測量單位直接相關(guān)聯(lián)。另一個值得注意的事實是，因為B是用于產(chǎn)生偏置的PWM值和鑒相器輸出測量的組合，因而對這兩個元件的每一個要求的高分辨率被大大降低，同時仍然產(chǎn)生高分辨率的結(jié)果。
這種測量方法將產(chǎn)生滿意的測量，只要被測量的磁場的改變不超過這種方法把PWM偏置驅(qū)動進入一個可接受的范圍的能力。在一種典型的汽車中，由拐彎引起的磁場的改變率將很好地處于這個方法的范圍內(nèi)，只要測量的速率足保持為高。例如，每秒5次測量將足以覆蓋由在地磁場內(nèi)運動的車輛引起的正常的磁場改變。
圖8表示一個具有按照本發(fā)明的第二實施例構(gòu)成的磁力計的羅盤系統(tǒng)。在這個實施例中，提供微控制器301，其包括羅盤控制邏輯塊302，磁傳感器偏置控制邏輯塊303，其用于確定磁場傳感器10的偏置電流設(shè)置，以及傳感器測量電路304，其用于確定選擇的傳感器10的響應的頻率或周期。微控制器向偏置電路306的D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送設(shè)置指令，所述D/A轉(zhuǎn)換器可以是若干類型中的一種，但是最好在設(shè)置中具有高的可重復性。
第二實施例的系統(tǒng)最好能夠把輸出響應頻率的增量轉(zhuǎn)換成近似相當?shù)钠秒娏鞯脑隽浚⑹褂盟鼈儊碛行У卦黾釉O(shè)置分辨率以及獲得好的讀數(shù)，而不必把偏置電流設(shè)置為用于建立飽和的目標可測量狀態(tài)所需的精確值。在此，使用的偏置電流需要是已知的，具有對于要進行的測量的足夠精度，不過用于進行測量的偏置電流和離開目標頻率值的殘留的頻率偏離可用于計算偏置電流值，所述偏置電流值直接導致在目標頻率下的操作，提供用于進行讀數(shù)的偏置電流設(shè)置的某個范圍。
可以在這個實施例或圖3的相位輸出實施例的偏置電路中使用的D/A轉(zhuǎn)換器的類型包括但不限于脈寬調(diào)制型、階梯型、Δ-∑型或者斜坡電容器型。對于相位輸出實施例已經(jīng)說明的對于分辨率的許多相同的要求此處也很好地適用，并且在兩個系統(tǒng)中，總的讀出速度通過減少用作偏置電流源的D/A轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時間要求而增加。D/A轉(zhuǎn)換器的重復性、穩(wěn)定性和輸出級大小的均勻性最好支持通過使用各個電路的輸出測量可以達到的精度，以便計算相當?shù)钠迷O(shè)置。當使用離開目標輸出頻率的偏離來代替離開參考相位的偏離時，針對相位輸出實施例所述的許多相同的技術(shù)在此有效，因此這些細節(jié)將不再說明。
圖8的檢測元件選擇器8，諧振傳感器10，偏置電路306以及驅(qū)動器電路309和圖3的這些元件類似。其不同之處如下在振蕩器輸出電路316的相位穩(wěn)定整形中，振蕩器輸出被采樣并通過通路312反饋，從而產(chǎn)生諧振電路的激勵，其建立和維持在對于諧振電路相對于這個激勵的響應達到一個穩(wěn)定的相位角的頻率下的振蕩。采樣電路316還調(diào)節(jié)振蕩器信號并將其送到頻率計數(shù)器或周期測量電路304。此外，采樣電路316的相位響應特性最好是這樣的，其在接近電路的諧振頻率下維持振蕩，并在任何情況下都能穩(wěn)定地維持相位關(guān)系。在輸入311讀出電路的響應頻率而不讀出電路的相位響應。最好是以實際上盡可能快的速度獲得具有足夠的分辨率的讀數(shù)。最好是對周期定時而不計數(shù)輸出周期，因為周期計時器一般可以在等于或接近微控制器的時鐘頻率下操作而不在振蕩器的頻率下操作，所述時鐘頻率一般是幾兆赫茲，所述振蕩器頻率例如小于100千赫。這具有累加計數(shù)的優(yōu)點，其更快地支持所需的分辨率。關(guān)于對周期定時，可以使用預標定電路305，可以響應一個復位或者選通，以便輸出持續(xù)時間近似等于預置的振蕩器周期數(shù)的持續(xù)時間的脈沖。選擇預置的周期數(shù)，以便建立一個對于測量是方便的輸出脈沖持續(xù)時間的范圍。在這個實施例中，如同其它的實施例一樣，例如頻率計數(shù)器、D/A轉(zhuǎn)換器以及預定標電路可以用許多方式中的任何一種方式實施，其中包括被包含在微控制器中、應用特定的集成電路或離散電路。
圖9是磁力計的自諧振第二實施例的示例的電路圖，其具有許多和圖4的第一實施例的相似之處。具有相同標號的元件具有和圖4的對應元件相似的功能，因此不再對其功能進行第二次說明。和圖4的電路的主要差別在于，電路316的輸出整形和限幅放大器343的輸出344通過驅(qū)動器電路309的求和電阻307(例如100千歐)被送到驅(qū)動器放大器141的輸入，從而形成振蕩器。整形放大器343(例如標號TLC084)借助于耦合電容346(例如1000pf)和驅(qū)動器放大器141的輸出142耦連，負反饋電阻330(例如47千歐)使電容器346偏置，使得輸出344的占空比被平均，從而維持在放大器343的反相輸入端的電壓。選擇放大器電路的配置，以使得當振蕩器加電時便開始振蕩，并且線路131，135或139之一被微控制器301拉高，從而選擇和其連接的傳感器10的LC諧振電路。還配置限幅放大器來維持在振蕩器激勵和振蕩器響應之間的穩(wěn)定的相位關(guān)系。這是需要的，因為對于電路需要檢測的合成磁場的小的改變，電路以非常小的頻率改變響應。在具有適當Q的自諧振裝置的情況下，在響應和驅(qū)動頻率之間的相位關(guān)系的很小的改變能夠容易地引起使要被測量的信號模糊不清的幅值的頻率偏離。關(guān)于驅(qū)動電路的負載效應或飽和效應或其它非線性也是如此。這便是仔細地處理這些電路特征大大增加磁力計的可用的分辨率的原因。和第一實施例一樣，分壓電阻221和223由5V的參考電源220供電，并在驅(qū)動器放大器141的同相輸入維持2V的電壓。偏置電路306優(yōu)選的穩(wěn)定的和可重復的D/A轉(zhuǎn)換器310和分壓器共用參考電源并被設(shè)置用于通過微控制器301提供所需的偏置。緩沖器放大器239緩沖D/A轉(zhuǎn)換器輸出，并通過電阻328(例如453歐姆)向驅(qū)動器放大器141提供偏置電流。選擇電阻307的值以使放大器141處于其線性范圍內(nèi)。預定標電路305是一種可選的預定標器，其當使用周期定時方法時被使用，用于確定電路的頻率振蕩。
在圖4和圖9的電路中實施的本發(fā)明的幾個特征如下。因為LC諧振電路位于高性能運算放大器141的反饋通路中，來自求和電阻128/328和244/307的被求和的輸入信號以電流源的形式被精確地送到并聯(lián)的LC電路。另一種方式是，諧振電路驅(qū)動器的等效的源阻抗非常高。這是一種用于驅(qū)動并聯(lián)的諧振電路的近乎理想的方式，而不用對其進行顯著地加載，因而使得其能夠作為諧振元件精確地響應。這也是一種用于使直流偏置和交流驅(qū)動信號精確地、可重復地相加并將它們送到電路的好方式。因為諧振電容器阻斷直流電流，故基本上所有輸入的偏置電流根據(jù)需要流過選擇的磁場檢測電感器。此外，在放大器141上的性能良好的負載對提供給諧振電路的驅(qū)動信號幾乎沒有影響，以使得驅(qū)動放大器的輸出是一個極好的位置來使振蕩器響應監(jiān)視電路和諧振電路響應相耦連。直流偏置電流通路自然地通過用于并聯(lián)諧振配置的磁場檢測感應元件這個事實也是選擇和串連諧振配置相反的并聯(lián)諧振的一個因素。需要LC電路的Q是高的，但是尺寸和經(jīng)濟約束使得需要利用合適的Q進行工作。對于需要測量的磁場的小的改變，電感的改變以及引起的諧振頻率的改變是非常小的。在由相位檢測器進行的相角檢測中的小的不穩(wěn)定性可以容易地引起圖9的電路的頻率不穩(wěn)定性和圖4的電路的相位讀出誤差，其將掩蓋由于要被測量的磁場引起的根本的電感的改變，從而相位檢測器應當具有極好的靈敏度和短期的穩(wěn)定性，以便進行相位檢測。由于這些原因，相位檢測器最好由高質(zhì)量的比較器、運算放大器、或其它高增益放大器配置而成。和大部分被驅(qū)動到一個發(fā)生某種形式的飽和或限幅的點從而最終限制響應的幅值的諧振電路不同，在圖4和圖9的電路中，諧振激勵驅(qū)動信號的幅值或大小被限制，以使得由于諧振電路的Q而引起的自然損失最好限制諧振電路的響應，以便其保留在驅(qū)動放大器的線性的、非飽和的、非限幅的范圍內(nèi)。
圖4和圖9的簡化的電路圖未示出電源、電源和接地連接以及集成電路裝置的旁路電容器的細節(jié)。在每個電路中，采用例如具有5V的電源電壓的穩(wěn)定的電源。因為當兩個偏置設(shè)置被平均以獲得最后的讀數(shù)時一些作用被部分地抵消，所以希望具有特別高的短期穩(wěn)定性的電源來覆蓋用于確定各個磁場強度值的讀數(shù)序列的持續(xù)時間?？蛇x擇地，可以使用單獨的參考電源為電路的電壓敏感部分供電。假定本領(lǐng)域技術(shù)人員將參考元件數(shù)據(jù)表以得到例如器件的插腳分配以及比較器215的輸出級的發(fā)射極對電路地的連接等細節(jié)。還假定將被添加合適的旁路電容器，并假定所需的靜電放電(ESD)保護和設(shè)計的其它細節(jié)將被正確地處理。在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6262831中披露了一種用于車輛的具有較高電壓(例如24V或更高)的電池作為合適的電源。
在圖5中，曲線400是并聯(lián)LC電路對偏置電流和/或相當?shù)妮S向取向的外部磁場的諧振頻率響應。使用和圖9的諧振驅(qū)動電路類似的諧振驅(qū)動電路產(chǎn)生曲線所依據(jù)的數(shù)據(jù)。曲線450表示一種類似的LC電路的相關(guān)的相位響應，該電路在大約67千赫的恒定的頻率下被驅(qū)動，并處于所示的外部磁場和/或偏置下。水平軸414表示外部磁場的軸向?qū)实姆至浚湓诹闫孟乱餖C電路所示的響應。水平軸415表示線圈偏置電流，其在磁場檢測線圈沿軸向?qū)史较虮恢糜诹愦艌鰪姸鹊耐獠看艌鲋袝r引起所示的響應。大約1800毫高斯/毫安的轉(zhuǎn)換常數(shù)與用于把偏置電流轉(zhuǎn)換成參照圖3說明的相當?shù)拇艌鰪姸鹊某?shù)類似，并提供給用于獲得圖5的數(shù)據(jù)的LC組合。在軸415上表示的值當乘以這個常數(shù)時近似等于軸414上的毫高斯值。在軸427上的值表示當線圈處于具有大約1330毫高斯的軸向?qū)实拇艌鰪姸鹊耐獠看艌鲋袝r產(chǎn)生所示響應的偏置電流。
曲線400的中部具有部分411，其諧振頻率最低，表示電感最大。這個部分以兩個對稱部分405和425為邊界，在所述邊界頻率隨磁場強度或偏置電流的改變而發(fā)生的改變最大，并且具有最高的線性度。大約位于曲線的高斜率區(qū)域的中心并在點424和429和曲線相交的直線406是一個優(yōu)選的工作值，這在下面將進行更詳細的說明。在曲線的基本上對稱的部分403和426，磁心被迫進入較深的飽和，諧振頻率對磁場或偏置值的曲線具有較低的斜率，并且非線性度更大。
對于基于圖9的電路的頻率的操作，由微控制器程序選擇例如67千赫的目標頻率，由直線406表示，然后調(diào)節(jié)偏置電流以使得接近在兩個點429或424之一例如在點429的操作。優(yōu)選地，處理利用在前一次測量中確定的偏置開始，其中接近點429，于是，如果需要，可以嘗試若干個連續(xù)的偏置電流，以便成功地接近點429的67千赫的頻率。如果對于最初的偏置設(shè)置不能得到預期的值，則最好開始接近零偏置并檢索低諧振頻率的區(qū)域411，因為只有一個與較高的諧振頻率的兩個區(qū)域403和426相反的這種區(qū)域。已知一個處于區(qū)域411中，減少偏置電流將接近點429，增加偏置電流將接近點424。在前面的句子中，表示方向的詞指的是有符號的值而不是有符號的大小。當接近目標工作點429時，結(jié)果例如可以是對其進行偏置設(shè)置的點408和測量的頻率407。此處注意，一般地，準則要求接近，這使得更接近點429，不過點408對于說明是方便的。還應當注意，曲線405的測量的斜率可用于計算用于減少接近目標操作點所需的迭代次數(shù)所需要的偏置調(diào)節(jié)。產(chǎn)生目標頻率響應的偏置電流被在隨后的計算中使用。如果設(shè)置偏置電流的機構(gòu)具有所需的分辨率，則可以設(shè)置引起目標頻率響應的偏置電流，并且驗證所述頻率響應，不過一般最好是使用在一個接近的偏置設(shè)置下測量的頻率響應，并使用頻率對偏置電流曲線的測量的或預定的斜率來從測量偏置的一點或幾點外推，以便計算在目標頻率下的偏置。點408處于曲線400的一個合理的線性范圍405內(nèi)，并假定曲線的這個部分的斜率已經(jīng)由微控制器預先確定或測量并記錄。微控制器使用在點408的測量的頻率和點406的目標頻率之間的差以及曲線405的斜率來計算增量410的有符號的長度。這個長度，其在本說明中具有負號，被加到點408的偏置電流中，以便在406近似地預測將使線圈在點429以其67千赫目標頻率工作的偏置416。實施本發(fā)明的一種選擇的方法是使用在一個以上的偏置設(shè)置下的頻率測量，并使用任何多次的內(nèi)插和外插技術(shù)來計算產(chǎn)生目標輸出頻率的偏置。
接著，最好測量使得在點424工作所需的偏置電流，該點是在67千赫的工作頻率下的另一個工作點。由從點429到點424的距離430表示的在偏置電流中的差應當保持近似恒定，但是可能和溫度有些關(guān)系，且最好由微控制器記錄并被定期地更新，以使得可以跟蹤例如由溫度引起的漂移。這個帶符號的值可被添加到對于點429剛剛測量的偏置中，以便確定在序列中首次嘗試的偏置電流，從而確定在點424的工作偏置。
最好使用相同的嘗試序列和偏置電流增量的相同計算-它們將補償測量的頻率和用于測量點429的工作偏置的目標頻率之間的差-來確定用于點424的工作偏置。在此，曲線在425的斜率是曲線在405的斜率的負數(shù)。
接著，最好計算在點429和424測量的有符號的偏置電流值的平均值。這將被稱為平均偏置測量。如將要說明的那樣，由平均偏置測量產(chǎn)生的磁場近似等于一個磁場，該磁場當和外部磁場的軸向?qū)史至肯嗉訒r得到近似于0的磁通值。換句話說，外部磁場的軸向?qū)史至康闹到频扔谄骄脺y量的負數(shù)乘以轉(zhuǎn)換常數(shù)，從而把偏置電流轉(zhuǎn)換成相當?shù)拇艌鰪姸?。在此，用于把偏置電流轉(zhuǎn)換成相當磁場強度的常數(shù)是這樣一個常數(shù)，其近似等于線圈的偏置電流對相當?shù)妮S向?qū)蚀艌鰪姸鹊谋取?br> 如首先說明的那樣，當外部磁場的軸向?qū)史至渴?時，施加偏置定標415，以及在418從0開始的有符號的距離423和412之和的一半的負數(shù)乘以從偏置到等效磁通的轉(zhuǎn)換近似為0。
作為第二個說明，考慮這樣的情況，其中外部磁場的軸向?qū)史至看蠹s為1330毫高斯。在這種情況下，當偏置電流是0時在電感器中的合成磁場是1330毫高斯，因此被改變成在標尺上于1330毫高斯的點讀出0的偏置定標427是要使用的近似的一個。然后按照這個改變的比例讀數(shù)，平均偏置電流測量等于從直線420的橫坐標到直線421的橫坐標讀出的正讀數(shù)422與從直線420的橫坐標到直線416的橫坐標讀出的負讀數(shù)413之和的一半。對于對稱的曲線400，這樣計算的平均偏置讀數(shù)近似等于從直線420的橫坐標到直線418的橫坐標的距離419的負數(shù)。這個偏置電流當被轉(zhuǎn)換成相當磁場強度時成為線圈所在的外部磁場的軸向?qū)史至?330毫高斯的負數(shù)。這是要被測量的磁場強度的值的負數(shù)。
在點429或點424附近通過進行頻率測量、沿已知的方向使偏置電流按步改變、以及進行另一個頻率測量并注意諧振頻率對偏置的符號，從而輸出諧振頻率對偏置電流的斜率被測量。如果斜率是負的，則讀數(shù)在點429附近，如果斜率是正的，則讀數(shù)在點424附近。這是一種可以作為本發(fā)明的一部分被使用的方法，用于確定兩個目標工作點中最接近用于驅(qū)動線圈的偏置電流值的特定的一個，因而確定測量值應當歸于兩個點中的哪一個點。
曲線450表示例如圖4所示的電路的一般的相位響應，其中利用類似于用于曲線400的頻率響應曲線的圖9的磁場檢測電感器來操作。在作為曲線400和450依據(jù)的電路之間的許多操作條件是類似的，除了在曲線400中，使用相位檢測電路供給激勵頻率以相對于響應的相位維持激勵的相位為近似恒值，其最好非常接近用于LC電路的諧振條件的相位。如在上面對曲線400的詳細討論中所述，由直線406表示的額定67千赫的頻率以及諧振工作點429、424對于用于磁場強度測量的目標頻率是一個好的選擇。在作為曲線450的依據(jù)的圖4的電路中，驅(qū)動LC傳感器組合的電路在功能上和圖9的該電路類似，不同之處有以下幾點。第一，相位檢測器輸出不被用來產(chǎn)生用來驅(qū)動線圈的激勵頻率，而是被輸入到鑒相器，并且提供一種機構(gòu)，用于讀出輸出響應相對于驅(qū)動頻率的相位的相位。其次，由許多相同的標準選擇的67千赫的驅(qū)動頻率被選作為用于操作曲線400的諧振電路的目標頻率，選擇該頻率為近似常值的頻率，利用該頻率驅(qū)動作為曲線450的依據(jù)的電路。于是曲線400表示圖3和圖4的輸出。
下面給出一些用于設(shè)計和操作所述電路的一般的允許誤差和設(shè)計的考慮。最好這樣選擇參考相位輸出值，以使得其近似等于當LC電路在其諧振條件下振蕩時的相位輸出。這是優(yōu)選的，因為當諧振電路的操作接近于其諧振頻率時，改變Q一般對輸出相位的影響最小?？赡苡绊懖僮黝l率和參考相位的具體選擇的另一個問題是，在保真度上的滯后效應隨選擇的操作部分、被選擇用于電路的頻率型式的目標頻率、被選擇用于相位電路的驅(qū)動頻率和目標相位、以及用于預先調(diào)節(jié)磁心和用于進行讀數(shù)的偏置電流設(shè)置的序列、還有磁心材料以及用于特定的磁心材料的退火處理而改變，利用所述滯后效應使得曲線的操作部分逆轉(zhuǎn)(retrace)。所述滯后效應可以被估算和進行合適的調(diào)節(jié)，以便實現(xiàn)滿意的操作。響應改變的偏置或磁場值的逆轉(zhuǎn)的序列的來自電路的輸出值的高分辨率曲線是這種估算的有用的部分。
曲線450和400的一般形狀和曲線450的區(qū)域451，452，453，454，455相似，它們分別相應于曲線400的區(qū)域403，405，411，425和426。參考相位輸出456相應于目標輸出頻率406，工作點457和458分別相應于429和424。使用具有曲線400的代表性的相位輸出的一般操作過程是確定產(chǎn)生非常接近在點457和458所示的參考相位輸出值的相位輸出的偏置工作點，并通過計算或直接校驗確定用于在目標相位輸出值456下工作所需的偏置值。所述計算可以選擇地使用預測量的相位對偏流斜率，或直接內(nèi)插或外插或其它可能的方法，以便確定產(chǎn)生參考相位響應的偏置電流。點457和458處于曲線450和直線456的兩個交點上。這使得確定在點416和421的目標偏置值，其幾乎與對于曲線400的目標輸出頻率所確定的偏置值相同。當輸出相位被直接的或隱含的參考代替以輸出頻率時，以及當在曲線450上的相應的點或區(qū)域被曲線400上的點或區(qū)域代替時，實際上所討論的用于確定使電路在其目標輸出頻率下操作的偏置值的所有方法都直接地適用于電路的相位輸出方式。這些直接類似的特征和方法被認為是整個發(fā)明的一部分。曲線450相對于曲線400在總體特征上的一個區(qū)別在于相位響應曲線的平坦部分451和455，在一些實施例中，其可以在曲線的末端折回。在這些算法中，應當仔細地確定各個區(qū)域，例如曲線的區(qū)域453，不要把部分451或455誤認為是所述區(qū)域453。用于使問題簡化的一種可選擇的方法是通過設(shè)計確保例如所述的折回不下降到直線460以下，并且為了分析的目的，用這樣表示的值代替超過表示直線460的限制值的所有輸出相位讀數(shù)。于是，這個限制值能夠容易地檢驗，并且對于在這些區(qū)域內(nèi)曲線的非預期的斜率的改變，不會增加隨后計算的復雜性。取決于區(qū)域403中的曲線的負斜率或區(qū)域426中的曲線的正斜率的用于電路的頻率型式的任何算法通常必須被修改，以便應用于相位輸出型式，因為這個信息對于曲線450一般是不能得到的。從另一個角度來看，曲線400的部分403和426的復雜的形狀可能使分析復雜化，尤其是用于確定所需的線性部分時，因此，使對于曲線450的相應的部分具有相對平坦的響應在一些實施例中是有利的。
圖4和圖9的電阻128/328上的電壓決定傳感器的偏置電流。如這些例子中所示，需要精確的偏置設(shè)置，以便獲得所需的磁場測量精度，并且?guī)缀涟驳钠秒娏饕彩切枰摹Ｒ恍┈F(xiàn)有技術(shù)的電路使偏置電流產(chǎn)生電阻用以下方式和一個模擬開關(guān)或其它的電子開關(guān)元件相連，即，使得開關(guān)的電阻成為用于確定偏置電流的電阻的一部分。優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)是這樣的，其中偏置電流基本上獨立于用于傳送偏置電流的一個合適部分的任何電子開關(guān)的電阻，因而，也獨立于這種元件的匹配。優(yōu)選實施例提供基本上等于通過每個示例電路的各個電阻128和328的電流的偏置電流。在每個電路中，電阻128/328被連接在高增益放大器的檢測節(jié)點之間，所述高增益放大器隨后又控制電阻兩端的偏置電流以確定其電壓降。在每個電路中，對于一個給定的測量，偏置電流只通過模擬開關(guān)132，136或140中的一個，并且電流輸送開關(guān)不在用于確定電阻128/328兩端的電壓的通路中。電流輸送開關(guān)還在基本上是電流源(current source)的或者換句話說具有高的電源阻抗的通路中，以使得正常范圍內(nèi)的開關(guān)電阻對電路的諧振器件的諧振響應具有最小的影響。此外，在較高的溫度下，一般的成本較低的模擬開關(guān)的電阻可能大于100歐姆，因此甚至對于通路中的一個開關(guān)，運算放大器的操作范圍的額定的正負1和1/2的電壓的大部分用于提供一個模擬開關(guān)上的電壓降。在有源偏置電流輸送通路中只有一個模擬開關(guān)是有利的。因為N個檢測線圈的一側(cè)被連接在一起，故只需要N+1個導體把分組的檢測線圈配置在可被置于遠離線圈位置設(shè)置的電路中。
如這里所披露的，用于本發(fā)明的羅盤電路的處理器包括微控制器，其用于接收來自磁力計的讀數(shù)并計算被傳遞給行駛方向指示器的車輛行駛方向。本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，所述羅盤處理器可以由任何形式的邏輯電路構(gòu)成，包括但不限于，微處理器，編程的邏輯陣列，或者各種離散的邏輯元件。此外，處理電路可以包括一個以上的處理器或微控制器。例如，在附圖中所示的微控制器可用于控制磁力計，并從磁力計的傳感器向第二處理器提供被定標的讀數(shù)，然后用于計算車輛的行駛方向。
不管結(jié)構(gòu)如何，羅盤處理器最好能夠自動地和連續(xù)地進行自校準，從而計及由車輛本身和由車輛外部的物體產(chǎn)生的磁場干擾。本發(fā)明的磁力計使用的具體的自動校準算法不是主要的。實際上可以使用任何自動校準程序。合適的自動校準算法的例子在美國專利4807462，4953305，5737226，5761094，5878370，6047237和6192315中披露了。
按照本發(fā)明構(gòu)成的磁力計可以低的成本構(gòu)成，同時以1毫高斯的分辨率維持正負3-5高斯的動態(tài)范圍，這優(yōu)于當前在市場上可得到的用于車輛的電子羅盤。這種常規(guī)的磁力計具有大約正負3-3.5的范圍和3.5-5毫高斯的分辨率。
上面的說明僅僅是優(yōu)選實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員和制造或使用本發(fā)明的人員可以作出本發(fā)明的許多改型。因此，應當理解，附圖中所示的和上述的實施例只用于說明本發(fā)明，而不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由按照包括等同原則的專利法解釋的下面的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種磁力計，包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生具有一種信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的磁場并響應施加的偏置而改變；偏置電路，所述偏置電路響應偏置設(shè)置信號動態(tài)地偏置所述傳感器；以及處理器，其被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相連，所述處理器可以操作用于產(chǎn)生偏置設(shè)置信號并由此控制所述偏置電路以動態(tài)地偏置所述傳感器，從而所述輸出信號的所述信號特征被保持在一個相對小的目標值的范圍內(nèi)，所述處理器按照施加到所述傳感器上的偏置設(shè)置的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
2.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述傳感器包括一種磁心材料和圍繞所述磁心材料繞制的繞組，其中傳感器的電感響應檢測的磁場而改變。
3.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述傳感器包括檢測元件，其具有響應所述磁場而改變的傳感器特征；以及具有用于接收驅(qū)動信號的輸入的放大器，所述檢測元件被連接在所述放大器的一個反饋環(huán)內(nèi)，所述放大器產(chǎn)生輸出信號，其具有至少部分地響應傳感器特征的改變而改變的信號特征。
4.如權(quán)利要求3所述的磁力計，其中所述傳感器特征是檢測元件的電感。
5.如權(quán)利要求3所述的磁力計，其中所述檢測元件包括一個電感器和與所述電感器并聯(lián)的電容器。
6.如權(quán)利要求3所述的磁力計，還包括驅(qū)動電路，用于產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，其中所述處理器控制所述驅(qū)動電路以改變施加于所述放大器輸入的驅(qū)動信號。
7.如權(quán)利要求6所述的磁力計，其中所述處理器改變驅(qū)動信號的偏置電流，以便將輸出信號的信號特征保持在目標范圍內(nèi)，并且其中所述處理器根據(jù)驅(qū)動信號的偏置電流確定磁場強度。
8.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述信號特征是輸出信號的相位。
9.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述信號特征是輸出信號的頻率。
10.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述傳感器具有按照檢測的磁場的強度的函數(shù)而改變的電感。
11.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述處理器按照施加于所述傳感器的偏置設(shè)置和在目標范圍內(nèi)的輸出信號的值兩者的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量，以便增加讀數(shù)的分辨率。
12.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述的偏置設(shè)置用于近似地平衡在傳感器響應的兩個目標范圍的每一個中要被測量的磁場。
13.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中，選擇所述偏置設(shè)置以使得所述傳感器的輸出信號處于用于可以獲得目標響應值的兩個不同的范圍之一的目標范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的磁力計，其中，隨后選擇偏置設(shè)置以使得所述傳感器的輸出信號處于相應于可以獲得目標響應值的兩個不同的范圍的另一個的第二目標范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述處理器測量輸出信號響應，并根據(jù)現(xiàn)有的偏置設(shè)置和輸出信號響應確定達到一個目標響應值所需的偏置。
16.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述處理器按照可以獲得至少一個目標響應值的兩個偏置設(shè)置的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
17.如權(quán)利要求1所述的磁力計，還包括多極點濾波器，其和所述偏置電路的輸出相連，用于濾波要被提供給所述傳感器的偏置。
18.如權(quán)利要求17所述的磁力計，其中，所述濾波器被配置用于利用也向偏置確定電阻提供電流的單級放大器。
19.如權(quán)利要求17所述的磁力計，其中所述濾波器的阻尼系數(shù)大于可比的Butterworth濾波器的阻尼系數(shù)。
20.如權(quán)利要求1所述的磁力計，還包括鑒相電路，其被連接在所述傳感器和所述處理器之間。
21.如權(quán)利要求20所述的磁力計，還包括和所述鑒相濾波器的輸出相連的多極點濾波器。
22.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述傳感器是一種諧振傳感器，并且所述磁力計還包括和所述諧振傳感器相連的、用于對其提供激勵信號的激勵電路。
23.如權(quán)利要求22所述的磁力計，其中所述激勵電路限制激勵信號的幅值，從而阻止所述諧振傳感器對激勵信號的響應的嚴重飽和。
24.如權(quán)利要求22所述的磁力計，還包括用于在將激勵信號施加給所述諧振傳感器之前濾波激勵信號的濾波器，所述濾波器使得激勵信號近似為正弦。
25.如權(quán)利要求24所述的磁力計，其中所述濾波器是多極點濾波器。
26.如權(quán)利要求22所述的磁力計，還包括用于驅(qū)動所述諧振傳感器的放大器，所述放大器的輸出和所述激勵電路的輸入相連。
27.如權(quán)利要求22所述的磁力計，其中所述處理器通過測量所述傳感器的輸出信號相對于激勵信號的相位的相移來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
28.如權(quán)利要求27所述的磁力計，其中所述激勵信號對于所述諧振傳感器的操作的標稱中心點具有近似等于所述諧振傳感器的諧振頻率的頻率。
29.如權(quán)利要求22所述的磁力計，其中所述處理器通過測量所述傳感器的輸出信號的頻率來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
30.如權(quán)利要求29所述的磁力計，其中所述激勵信號在標稱上和所述諧振傳感器的輸出信號同相。
31.如權(quán)利要求29所述的磁力計，其中所述激勵信號相對于所述諧振傳感器的輸出信號具有標稱的恒定相位。
32.如權(quán)利要求22所述的磁力計，還包括一個放大器，其中所述激勵信號和由所述偏置電路提供的偏置信號在被提供給所述諧振傳感器之前由所述放大器線性地相加。
33.如權(quán)利要求22所述的磁力計，還包括一個放大器，其中所述偏置電路通過提供一個直流偏置電流來偏置所述傳感器，所述放大器驅(qū)動所述直流偏置電流和所述激勵信號兩者。
34.如權(quán)利要求22所述的磁力計，其中所述諧振傳感器包括具有磁心和繞在所述磁心上的線圈的檢測元件，所述偏置電路通過提供直流偏置電流來偏置所述傳感器，并且其中所述直流偏置電流和激勵信號兩者都被提供給所述線圈。
35.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述處理器控制所述偏置電路以便動態(tài)地偏置所述傳感器，從而使得所述輸出信號的信號特征被保持在兩個目標范圍之一中。
36.如權(quán)利要求35所述的磁力計，其中所述處理器根據(jù)偏置設(shè)置對輸出信號特征的曲線的斜率的符號確定輸出信號的信號特征落在兩個目標范圍的哪一個范圍內(nèi)。
37.如權(quán)利要求35所述的磁力計，其中所述傳感器可以被所述偏置電路偏置的總的范圍近似跨過用于偏置所述傳感器以使得輸出信號特征落在兩個目標范圍內(nèi)所需的范圍加上用于檢測要被測量的外部磁場強度所需的范圍。
38.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述偏置電路包括脈寬調(diào)制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于設(shè)置所述傳感器的偏置電流，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器具有遠大于其增量分辨率的精度。
39.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述處理器對來自所述傳感器的測量進行濾波，從而濾除由流過交流電力線的電流產(chǎn)生的周期改變的磁場。
40.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述處理器使用基于來自所述傳感器的先前讀數(shù)的、來自所述傳感器的測量的偏置設(shè)置信號。
41.如權(quán)利要求1所述的磁力計，其中所述傳感器啟動一個檢索程序，用于查找可確定目標響應的偏置設(shè)置。
42.一種磁力計，包括第一傳感器，用于檢測一個磁場的第一分量；第二傳感器，用于檢測所述磁場的第二分量，每個所述傳感器產(chǎn)生具有一個頻率的輸出信號，所述頻率響應檢測的分量磁場并響應施加的偏置電流而改變；偏置電路，用于產(chǎn)生動態(tài)地偏置所述第一和第二傳感器的偏置電流；以及處理器，其被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相連，所述處理器可被操作用于控制所述偏置電路，以便動態(tài)地改變施加于所述傳感器的偏置電流，從而使得輸出信號的頻率被保持在一個或幾個目標頻率范圍內(nèi)，所述處理器按照施加于所述傳感器的偏置電流的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
43.如權(quán)利要求42所述的磁力計，其中所述第一和第二傳感器具有按照檢測的磁場的強度的函數(shù)而改變的電感。
44.如權(quán)利要求42所述的磁力計，其中所述第一和第二傳感器的每一個包括檢測元件，其具有響應所述磁場而改變的傳感器特征，所述傳感器還包括具有用于接收驅(qū)動信號的輸入的放大器，所述檢測元件被選擇性地連接在所述放大器的一個反饋環(huán)內(nèi)，所述放大器產(chǎn)生輸出信號，其具有至少部分地響應選擇的檢測元件的傳感器特征的改變而改變的信號特征。
45.如權(quán)利要求44所述的磁力計，其中所述傳感器特征是檢測元件的電感。
46.如權(quán)利要求44所述的磁力計，其中每個所述檢測元件包括一個電感器和與所述電感器并聯(lián)的電容器。
47.如權(quán)利要求44所述的磁力計，還包括驅(qū)動電路，用于產(chǎn)生所述驅(qū)動信號，其中所述處理器控制所述驅(qū)動器電路，以便改變施加于所述放大器輸入的驅(qū)動信號。
48.如權(quán)利要求47所述的磁力計，其中所述處理器改變驅(qū)動信號的偏置電流，以便使輸出信號的信號特征保持在目標范圍內(nèi)，并且其中所述處理器根據(jù)驅(qū)動信號的偏置電流確定磁場強度。
49.如權(quán)利要求44所述的磁力計，其中所述信號特征是輸出信號的相位。
50.如權(quán)利要求44所述的磁力計，其中所述信號特征是輸出信號的頻率。
51.如權(quán)利要求42所述的磁力計，其中所述處理器交替地反向由所述偏置電路產(chǎn)生的偏置電流的極性。
52.一種用于車輛的電子羅盤，包括第一磁場傳感器，用于檢測一個磁場的第一分量；第二磁場傳感器，用于檢測所述磁場的和所述第一分量垂直的第二分量，每個所述傳感器產(chǎn)生一個具有信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的分量磁場并響應施加的偏置電流而改變；偏置電路，用于產(chǎn)生動態(tài)地偏置所述第一和第二傳感器的偏置電流；處理電路，其被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相連，所述處理器可操作用于控制所述偏置電路，以便動態(tài)地改變施加于所述傳感器的所述偏置電流，使得輸出信號的信號特征被保持在一個或幾個目標范圍內(nèi)，所述處理電路按照施加于所述傳感器的偏置電流的函數(shù)計算車輛的行駛方向；以及和所述處理電路相連用于指示車輛的行駛方向的行駛方向指示器。
53.如權(quán)利要求52所述的電子羅盤，其中所述處理電路交替地反向由所述偏置電路產(chǎn)生的偏置電流的極性。
54.如權(quán)利要求52所述的電子羅盤，其中所述特征是輸出信號的頻率。
55.如權(quán)利要求52所述的電子羅盤，其中所述處理器按照施加于所述傳感器的偏置設(shè)置和在目標范圍內(nèi)的輸出信號的值兩者的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量，以便提高讀數(shù)的分辨率。
56.如權(quán)利要求52所述的電子羅盤，其中所述特征是輸出信號的相位。
57.如權(quán)利要求56所述的電子羅盤，還包括信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生具有預定頻率的參考信號；以及驅(qū)動器電路，其和所述信號發(fā)生器相連，并和所述偏置電路相連，用于產(chǎn)生驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號具有由和所述預定頻率的參考信號組合的所述偏置電路建立的直流偏置電流值，所述驅(qū)動信號被施加到所述第一和第二磁場傳感器中選擇的一個，其中所述處理電路比較輸出信號的相位和參考信號的相位，以便確定相位偏移是否在目標范圍內(nèi)。
58.如權(quán)利要求52所述的電子羅盤，其中所述行駛方向指示器是顯示器。
59.如權(quán)利要求52所述的電子羅盤，其中第一和第二磁場傳感器的每一個包括感應檢測元件，所述檢測元件和一個輸出所述輸出信號的放大器相連。
60.如權(quán)利要求59所述的電子羅盤，其中每個檢測元件被耦接在所述放大器的一個單獨的反饋環(huán)中。
61.如權(quán)利要求59所述的電子羅盤，其中每個檢測元件包括電感器和與所述電感器并聯(lián)連接的電容器。
62.如權(quán)利要求61所述的電子羅盤，其中每個檢測元件被耦接在所述放大器的一個單獨的反饋環(huán)中。
63.如權(quán)利要求62所述的電子羅盤，還包括傳感器選擇電路，其和所述處理電路相連并包括第一和第二開關(guān)，所述第一開關(guān)和所述第一磁場傳感器的檢測元件串聯(lián)連接，用于選擇性地使所述第一磁場傳感器的檢測元件和所述放大器耦接或解耦，并且所述第二開關(guān)和所述第二磁場傳感器的檢測元件串聯(lián)連接，用于選擇性地使所述第二磁場傳感器的檢測元件和所述放大器耦接和解耦。
64.一種用于確定磁場分量的強度的方法，包括以下步驟提供一個磁場傳感器，其產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的磁場分量的強度并響應施加的偏置設(shè)置而改變；動態(tài)地改變所述傳感器的偏置設(shè)置，以使得所述輸出信號的信號特征被保持在一個目標范圍內(nèi)；以及按照所述傳感器的偏置設(shè)置的函數(shù)確定檢測的磁場分量的強度。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述偏置設(shè)置是施加于傳感器的偏置電流。
66.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述信號特征是輸出信號的頻率。
67.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述信號特征是輸出信號的相位。
68.一種磁力計，包括用于檢測一個磁場分量的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有特征的輸出信號，所述特征在磁場值的第一范圍內(nèi)響應所述檢測的磁場分量基本上線性地改變，其中所述磁場分量在磁場值的第二范圍內(nèi)改變；磁場產(chǎn)生機構(gòu)，用于產(chǎn)生和任何外部磁場相加的磁場，以使得合成的磁場由所述傳感器檢測，所述產(chǎn)生的磁場的強度可選擇地改變；以及處理器，所述處理器被連接用于接收來自傳感器的輸出信號并和所述磁場產(chǎn)生機構(gòu)相連，所述處理器能夠操作用于控制所述磁場產(chǎn)生機構(gòu)，以便選擇產(chǎn)生的磁場的磁場強度，由此動態(tài)地在所述第一范圍內(nèi)改變和/或保持所述第二范圍，所述處理器還能夠操作用于響應從所述傳感器接收到的輸出信號確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
69.一種用于車輛的電子羅盤，包括在權(quán)利要求68中限定的磁力計，還包括第二傳感器，用于檢測磁場的第二分量，所述第二分量和由另一個傳感器檢測的第一分量垂直；處理電路，用于按照由所述磁力計確定的磁場分量的函數(shù)計算車輛的行駛方向；以及行駛方向指示器，其和所述處理電路相連，用于指示車輛的行駛方向。
70.一種磁力計，包括具有響應磁場而改變的傳感器特征的第一檢測元件，以及具有用于接收驅(qū)動信號的輸入端的放大器，所述第一檢測元件被連接在所述放大器的第一反饋環(huán)內(nèi)，所述放大器產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征至少部分地響應傳感器特征的改變而改變，其中所述第一檢測元件和所述放大器共同形成一個諧振元件，其以基本上為電流源的方式被驅(qū)動。
71.如權(quán)利要求70所述的磁力計，還包括和所述放大器相連的處理器，用于接收所述輸出信號，其中所述處理器確定檢測的磁場的強度。
72.如權(quán)利要求71所述的磁力計，還包括驅(qū)動器電路，用于產(chǎn)生所述驅(qū)動器信號，其中所述處理器控制所述驅(qū)動器電路，以便改變被施加于所述放大器的輸入的驅(qū)動信號。
73.如權(quán)利要求72所述的磁力計，其中所述處理器改變所述驅(qū)動信號，以便將輸出信號的信號特征維持為恒定值，并且其中所述處理器根據(jù)所述驅(qū)動信號的偏置電流確定磁場強度。
74.如權(quán)利要求70所述的磁力計，其中信號特征是輸出信號的相位。
75.如權(quán)利要求70所述的磁力計，其中信號特征是輸出信號的頻率。
76.如權(quán)利要求70所述的磁力計，其中傳感器特征是檢測元件的電感。
77.如權(quán)利要求70所述的磁力計，還包括第二檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征，所述第二檢測元件被連接在所述放大器的第二反饋環(huán)路內(nèi)；以及檢測元件檢測電路，其包括第一模擬開關(guān)，其和在所述放大器的第一反饋環(huán)路內(nèi)的所述第一檢測元件串聯(lián)連接，以及第二模擬開關(guān)，其和所述放大器的第二反饋環(huán)路內(nèi)的所述第二檢測元件串聯(lián)連接，所述檢測電路選擇地連接所述放大器的反饋環(huán)路內(nèi)的所述第一和第二檢測元件之一，同時使另一個檢測元件和所述放大器斷開，其中，所述放大器產(chǎn)生具有至少部分地響應選擇的檢測元件的傳感器特征的改變而改變的信號特征的輸出信號。
78.如權(quán)利要求70所述的磁力計，其中第一檢測元件包括電感器和與所述電感器并聯(lián)連接的電容器。
79.一種磁力計，包括具有響應一個磁場而改變的傳感器特征的第一檢測元件；具有響應一個磁場而改變的傳感器特征的第二檢測元件；被提供用于選擇所述第一檢測元件的第一模擬開關(guān)；被提供用于選擇第二檢測元件的第二模擬開關(guān)；以及處理器，其被連接用于接收來自所述第一和第二檢測元件中被選擇的一個的輸出信號，并和所述第一和第二模擬開關(guān)相連以選擇所述第一和第二檢測元件中的一個。
80.如權(quán)利要求79所述的磁力計，其中所述第一模擬開關(guān)和所述第一檢測元件串聯(lián)連接，所述第二模擬開關(guān)和所述第二檢測元件串聯(lián)連接。
81.如權(quán)利要求79所述的磁力計，其中所述第一和第二模擬開關(guān)被連接在其中要提供給所述檢測元件的信號處于基本上為電流源方式的電路通路中。
82.如權(quán)利要求79所述的磁力計，其中所述偏置電路響應由所述處理器供給的偏置設(shè)置動態(tài)地偏置所述傳感器，以及所述處理器按照被施加給所述傳感器的偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
83.如權(quán)利要求79所述的磁力計，其中所述處理器對來自所述傳感器的測量進行濾波，從而濾除由通過交流電力線流動的電流產(chǎn)生的周期改變的磁場。
84.一種磁力計，包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的磁場強度并響應施加的偏置而改變；第一和第二高增益放大器，每個具有一個輸入端，所述放大器之一和所述傳感器相連；用于偏置所述傳感器的偏置電路，所述偏置電路連接在所述第一和第二高增益放大器的輸入之間；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
85.如權(quán)利要求84所述的磁力計，其中所述偏置電路響應由所述處理器提供的偏置設(shè)置來動態(tài)地偏置所述傳感器，以及所述處理器按照施加給所述傳感器的偏置設(shè)置的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
86.一種磁力計，包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生具有一個信號特征的輸出信號，所述信號特征響應所述檢測的磁場并響應施加的偏置而改變；偏置電路，用于以兩個或多個偏置級可調(diào)地偏置所述傳感器；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，在一個諧振周期期間在所述諧振傳感器中的磁場值的峰值對峰值的偏移是由于偏置電路在其整個調(diào)節(jié)范圍中的調(diào)節(jié)而引起的磁場值偏移范圍的一小部分。
87.如權(quán)利要求86所述的磁力計，其中所述偏置電路響應由所述處理器施加的偏置設(shè)置動態(tài)地偏置所述傳感器，以及所述處理器按照施加給所述傳感器的偏置設(shè)置的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
88.如權(quán)利要求86所述的磁力計，其中，在一個諧振周期期間在所述諧振傳感器中的磁場值的峰值對峰值的偏離小于由于偏置電路在其整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)而引起的磁場值偏離范圍的一半。
89.如權(quán)利要求86所述的磁力計，其中，在一個諧振周期期間在所述諧振傳感器中的磁場值的峰值對峰值的偏離小于由于偏置電路在其整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)而引起的磁場值偏離范圍的1/4。
90.一種磁力計，包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場而改變的信號特征的輸出信號；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，在一個諧振周期期間在諧振傳感器中的磁場值的峰值對峰值的偏移小于要被測量的磁場的總的范圍。
91.如權(quán)利要求90所述的磁力計，其中在一個諧振周期期間在所述諧振傳感器中的磁場值的峰值對峰值的偏移小于要被測量的磁場的總的范圍的1/2。
92.如權(quán)利要求90所述的磁力計，還包括偏置電路，所述偏置電路響應由所述處理器施加的偏置設(shè)置動態(tài)地偏置所述諧振傳感器，所述處理器按照施加給所述傳感器的偏置設(shè)置的函數(shù)來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
93.一種磁力計，包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場而改變的信號特征的輸出信號；和所述諧振傳感器相連以對其提供激勵信號的激勵電路，所述激勵電路限制激勵信號的幅值，從而阻止所述諧振傳感器對激勵信號的響應的嚴重的飽和；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
94.如權(quán)利要求93所述的磁力計，其中所述激勵電路維持在所述諧振傳感器的輸出信號和驅(qū)動所述諧振傳感器的激勵信號之間的穩(wěn)定的相位關(guān)系。
95.如權(quán)利要求93所述的磁力計，其中所述處理器通過對輸出信號的預定數(shù)量的周期的時間間隔進行測時來測量來自所述諧振傳感器的輸出信號的頻率。
96.如權(quán)利要求93所述的磁力計，其中所述諧振傳感器是具有繞組的感應磁場傳感器，以及所述諧振傳感器被配置使得基本上所有的對其提供的直流電流都通過所述繞組。
97.如權(quán)利要求93所述的磁力計，其中所述諧振傳感器的輸出信號被提供給一個高增益放大器。
98.如權(quán)利要求93所述的磁力計，其中所述諧振傳感器的輸出信號被提供給一個比較器。
99.如權(quán)利要求93所述的磁力計，還包括濾波器，用于在將激勵信號施加于所述諧振傳感器之前濾波激勵信號，所述濾波器使得所述激勵信號近似是正弦的。
100.如權(quán)利要求99所述的磁力計，其中所述濾波器是多極點濾波器。
101.如權(quán)利要求93所述的磁力計，還包括用于驅(qū)動所述諧振傳感器的放大器，所述放大器的輸出和所述激勵電路的輸入相連。
102.如權(quán)利要求93所述的磁力計，其中所述處理器通過測量所述傳感器的輸出信號相對于激勵信號的相位的相移來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
103.如權(quán)利要求102所述的磁力計，其中所述激勵信號對于所述諧振傳感器的操作的標稱中心點具有近似等于所述諧振傳感器的諧振頻率的頻率。
104.如權(quán)利要求93所述的磁力計，其中所述處理器通過測量所述傳感器的輸出信號的頻率來確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
105.如權(quán)利要求104所述的磁力計，其中所述激勵信號在標稱上和所述諧振傳感器的輸出信號同相。
106.如權(quán)利要求104述的磁力計，其中所述激勵信號相對于所述諧振傳感器的輸出信號具有標稱的恒定相位。
107.如權(quán)利要求93所述的磁力計，還包括偏置電路，用于響應由所述處理器提供的偏置設(shè)置來動態(tài)地偏置所述諧振傳感器，以及所述處理器按照施加于所述傳感器的偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
108.一種磁力計，包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于以兩個或多個偏置級可調(diào)地偏置所述傳感器；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器按照來自所述傳感器的輸出信號的信號特征的函數(shù)以及按照所述輸出信號對偏置級的斜率的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
109.一種磁力計，包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于以至少第一偏置級和第二偏置級可調(diào)地偏置所述傳感器；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器按照當處于第一和第二偏置級時輸出信號值的平均值的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
110.一種磁力計，包括第一檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；第二檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；偏置電路，用于可調(diào)地將所述第一檢測元件偏置到至少第一偏置級和第二偏置級，并可調(diào)地將所述第二檢測元件偏置到至少第三偏置級和第四偏置級；以及和所述偏置電路以及所述第一和第二檢測元件相連的處理器，用于接收來自所述檢測元件的輸出信號，所述處理器通過按照順序執(zhí)行下述操作來測量由所述檢測元件檢測的磁場分量采樣在第一偏置級下的所述第一檢測元件的輸出信號，采樣在第三偏置級下的所述第二檢測元件的輸出信號，采樣在第四偏置級下的所述第二檢測元件的輸出信號，采樣在第二偏置級下的所述第一檢測元件的輸出信號，按照在第一和第二偏置級下進行的采樣的函數(shù)確定第一檢測元件的磁場分量，以及按照在第三和第四偏置級下進行的采樣的函數(shù)確定第二檢測元件的磁場分量。
111.如權(quán)利要求110所述的磁力計，還包括具有響應磁場而改變的傳感器特征的第三檢測元件，其中所述偏置電路將所述第三檢測元件可調(diào)地偏置到至少第五偏置級和第六偏置級；以及所述處理器還被連接用于接收來自所述第三檢測元件的輸出信號，所述處理器通過按照順序執(zhí)行以下操作來測量由所述檢測元件檢測的磁場分量采樣在第一偏置級下所述第一檢測元件的輸出信號，采樣在第三偏置級下所述第二檢測元件的輸出信號，采樣在第五偏置級下所述第三檢測元件的輸出信號，采樣在第六偏置級下所述第三檢測元件的輸出信號，采樣在第四偏置級下所述第二檢測元件的輸出信號，采樣在第二偏置級下所述第一檢測元件的輸出信號，按照在第一和第二偏置級下進行的采樣的函數(shù)確定所述第一檢測元件的磁場分量，按照在第三和第四偏置級下進行的采樣的函數(shù)確定所述第二檢測元件的磁場分量，以及按照在第五和第六偏置級下進行的采樣的函數(shù)確定所述第三檢測元件的磁場分量。
112.一種磁力計，包括第一檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；第二檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；至少一個模擬開關(guān)，其被提供用于選擇所述第一或第二檢測元件，所述至少一個模擬開關(guān)具有電阻；偏置電路，用于對所選擇的一個檢測元件提供偏置電流；以及處理器，其被連接用于接收來自所述第一和第二檢測元件中選擇的一個的輸出信號，并和所述至少一個模擬開關(guān)相連，以便選擇所述第一和第二檢測元件之一，所述處理器確定由所述檢測元件檢測的磁場分量，其中，所述偏置電路被構(gòu)成用于提供在整個操作范圍內(nèi)基本上和所述至少一個模擬開關(guān)的電阻無關(guān)的偏置電流。
113.如權(quán)利要求112述的磁力計，其中所述偏置電路響應由所述處理器施加的偏置設(shè)置動態(tài)地偏置所述檢測元件，以及所述處理器按照施加給所述檢測元件的偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述檢測元件檢測的磁場分量。
114.一種磁力計，包括第一檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；第二檢測元件，其具有響應一個磁場而改變的傳感器特征；至少一個模擬開關(guān)，其被提供用于選擇所述第一或第二檢測元件；偏置電路，用于將所述檢測元件可調(diào)地偏置到至少第一偏置級和第二偏置級；以及一個處理器，其被連接用于接收來自所述第一和第二檢測元件中選擇的一個的輸出信號，并和所述至少一個模擬開關(guān)相連，以便選擇所述第一和第二檢測元件之一，所述處理器確定由所述檢測元件檢測的磁場分量，其中，所述偏置電路在第一偏置級下偏置一個所述檢測元件，隨后在第二偏置級下偏置同一個檢測元件，而不改變?nèi)魏文M開關(guān)的狀態(tài)。
115.如權(quán)利要求114述的磁力計，其中所述偏置電路響應由所述處理器施加的偏置設(shè)置來動態(tài)地偏置所述檢測元件，以及所述處理器按照施加給所述檢測元件的偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述檢測元件檢測的磁場分量。
116.一種磁力計，包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置電流而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于可調(diào)地偏置所述傳感器，所述偏置電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器；以及處理電路，其包括一個被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的讀出裝置，所述處理電路通過采用來自所述傳感器的輸出信號的至少一個讀數(shù)來測量由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，讀取所述輸出信號的分辨率是所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器和所述讀出裝置兩者的函數(shù)。
117.如權(quán)利要求116所述的磁力計，其中所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器是脈寬調(diào)制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于設(shè)置所述傳感器的偏置電流，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器具有遠大于其增量分辨率的精度。
118.一種用于制造多個磁場檢測電感器的方法，包括按照順序執(zhí)行的以下步驟提供用于每個磁場檢測電感器的磁心；測試所述每個磁場檢測電感器的磁心；以及在每個磁心上纏繞一個線圈，根據(jù)所述磁心的測試結(jié)果調(diào)整圍繞每個磁心的繞組數(shù)。
119.一種磁力計，包括用于檢測磁場的諧振傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場而改變的信號特征的輸出信號；和所述諧振傳感器相連的激勵電路，用于對所述諧振傳感器提供具有交流分量的激勵信號；用于在將所述激勵信號施加到所述諧振傳感器之前對所述激勵信號濾波的濾波器，所述濾波器使得所述激勵信號近似為正弦；以及被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號的處理器，所述處理器確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
120.如權(quán)利要求119所述的磁力計，其中所述濾波器是多極點濾波器。
121.如權(quán)利要求119所述的磁力計，其中所述激勵電路限制激勵信號的幅值，從而阻止所述諧振傳感器對激勵信號的響應的嚴重飽和。
122.如權(quán)利要求119所述的磁力計，還包括用于驅(qū)動所述諧振傳感器的放大器，所述放大器的輸出和所述激勵電路的輸入相連。
123.如權(quán)利要求119述的磁力計，還包括偏置電路，用于響應由所述處理器施加的偏置設(shè)置來動態(tài)地偏置所述傳感器，所述處理器根據(jù)被施加給所述傳感器的偏置設(shè)置確定由所述傳感器檢測的磁場分量。
124.一種磁力計，包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置電流而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于響應一個偏置設(shè)置調(diào)節(jié)施加到所述傳感器的偏置電流；以及處理器，其被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相連用于提供所述偏置設(shè)置，所述處理器按照所述偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，被選擇用于確定磁場分量的偏置設(shè)置基于在輸出信號達到一個目標響應的兩點上的偏置電流之差。
125.一種磁力計，包括用于檢測磁場的傳感器，所述傳感器產(chǎn)生一個具有響應檢測的磁場并響應施加的偏置電流而改變的信號特征的輸出信號；偏置電路，用于響應一個偏置設(shè)置調(diào)節(jié)施加到所述傳感器的偏置電流；以及處理器，其被連接用于接收來自所述傳感器的輸出信號，并和所述偏置電路相連用于提供所述偏置設(shè)置，所述處理器按照所述偏置設(shè)置的函數(shù)確定由所述傳感器檢測的磁場分量，其中，被選擇用于確定磁場分量的偏置設(shè)置基于從所述傳感器獲得的不多于5個的在先原始讀數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種磁力計，其包括用于檢測磁場的至少一個傳感器(10)，偏置電路(6)和處理器(1)。所述傳感器(10)產(chǎn)生具有一種信號特征的輸出信號，所述信號特征響應檢測的磁場并響應施加的偏置而改變。所述偏置電路(6)響應偏置設(shè)置信號動態(tài)地偏置所述傳感器(10)。處理器(1)被連接用于接收來自所述傳感器(10)的輸出信號，并和所述偏置電路(6)相連。所述處理器(1)可操作用于產(chǎn)生偏置設(shè)置信號(3)，由此控制偏置電路(6)以動態(tài)地偏置所述傳感器(10)，從而所述輸出信號的所述信號特征被保持在相對小的目標范圍內(nèi)。所述處理器(1)按照施加到傳感器上的偏置電流設(shè)置的函數(shù)確定由傳感器(10)檢測的磁場分量。
文檔編號G01C17/00GK1605030SQ02825228
公開日2005年4月6日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月20日
發(fā)明者蒂莫西·R·弗蘭德, 喬恩·H·貝克特爾 申請人:金泰克斯公司