專利名稱：角度傳感器電路的制作方法
駄領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種模擬電子角度傳感器電路,帶有接地端和電源電壓連接端以及輸 出端，本發(fā)明還涉及最佳電位計的電子仿真方法。這種角度傳感器電路還被稱之為 帶有比率輸出信號的角度傳感器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，在分壓器電路中^ffi精密電位計用來測量角度。這些電路都包括 內(nèi)部電阻，其取決于所設(shè)定的分壓器比率。當(dāng)其連接到隨后的帶有有限輸入電阻的 電子器件(載荷分壓器)時，這會導(dǎo)致測量誤差。此外，電位計的使用^會因為 裝載滑動觸點而縮短。另外，電位計還會因為反向極性連接而受到損壞，因為安全 電路，通常地限流和/或限壓電路，可以導(dǎo)致輸出信號的進一步失真。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)目前的技術(shù)狀態(tài)，本發(fā)明的目的是發(fā)現(xiàn)一種電子替換件，可替換傳統(tǒng)的電位 計，這種替換件不具有上述缺陷(由于內(nèi)部電阻而產(chǎn)生的測量誤差，由于滑動觸點 機械磨損而導(dǎo)致使用壽命受到限制，因為反向極性連接而可能出現(xiàn)的損壞等)。為 此，另外，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于電子仿真最佳電位計的方法，這種方 法也可以避免上述缺陷。
戶艦?zāi)康耐ㄟ^模擬角度傳繊電路來實現(xiàn)，該鵬帶有接地端和電壓連接端以及 輸出端，該角度傳感器電路包括實際傳感器和合適的傳感器電路，其中，輸出端的 對地電壓與電源電壓和所測角度的乘積成比例。所述目的還可以通過用于最佳電位 計的電子仿真的方法來實現(xiàn)，按照這種方法，輸入電壓降至固定分數(shù)，模擬觸摸自 由角度傳感器以所述部分的輸入電壓作為工作電壓來工作，其中，所述角度傳麟 的輸出電壓與工作電壓和角度傳感器所測轉(zhuǎn)動角度cp成比例。
根據(jù)所附權(quán)利要求還可以形成其它有利的實施方式。 下面，參照所附電路圖更詳細地介紹本發(fā)明的實施方式。


圖i為根據(jù)本發(fā)明的比率角度傳感器的方框圖；和 圖2為根據(jù)圖1的角度傳感器的詳細電路其中圖號
10 UV的運算放大器 12 角度傳感器 14 數(shù)字角度傳感器 16 數(shù)模轉(zhuǎn)換器18 輸出運算放大器
GND接地
OUT輸出信號
PROG編程輸入
R1，R2輸入分壓器
R4，R5調(diào)節(jié)18放大率的分壓器
R3,R6防過載的安全電阻器
Dl, D2, D3過載和反向極性安全二極管
D4 編程導(dǎo)體不可逆中斷的二極管
SI1 編程導(dǎo)體不可逆中斷的安全元件
VI 輸出安全阻抗
UB 電路的工作電壓
UV 傳感器的降低的工作電壓
說明書第2/5頁
具體實施例方式
圖l為根據(jù)本發(fā)明的比率式角度傳麟的簡化方框圖，該圖實際上僅示出了為完 成具體功能所必需的那些元件，而那些只用于電源、電壓穩(wěn)定和保護輸入部分防止 過壓或防止反向極性的電路元件大多被略去。
如圖1所示，所示為根據(jù)本發(fā)明的比率式角度傳感器，其使用9V到11V的對地 (GND)電源電壓+UB供電。由電阻器R1和R2構(gòu)成的分壓器將該電源電壓+UB降至4.5 到5,5V。為此，電阻器R1的一個連接端與+UB連接，而R1的另一條接端與R2連接， 后者的另一個空閑連接端接地(GND)。
作為防過辦卩/或防反向極性的保護，齊納二極管D2與R2并聯(lián)。而后，獲得在電 HR1和R2之間降到一半的電源M。在這個瞎況下，如下公式適用于電阻值:R1=R2， 在所述具體情況下，適用如下公式+UV=l/2(+UB)。
為了會g夠保持+UV非常精確恒定不變，且能不受載荷變化的制約，十UV由曾經(jīng) 反饋的運算放大器10保持穩(wěn)定。運算放大器10的輸出端同樣帶有電壓+UV，該電壓 盡管由運算放大器10穩(wěn)定，但仍在不受載荷希喲的很寬范圍內(nèi)，運算放大器10的輸 出而后用作模擬角度傳感器12的電源電壓。這種模擬角度傳感器12可以;W處所示 數(shù)字角度傳感器14與數(shù)模轉(zhuǎn)換器16的結(jié)合形式，或者也可以是例如，使用德國實用 新型文件DE20 2007 006 955 Ul中所介紹的霍耳效應(yīng)的磁性角度傳感器。
合適的數(shù)字角度傳感器14是現(xiàn)有技術(shù)中人們已知的。
為此，模擬角度傳麟12提供一種輸出信號，該信號與所測角度cp成比例，同時 也與傳感器12本身所使用的電源電壓+UV成比例。因而，為了穩(wěn)定傳感器12的輸出 信號，防止本發(fā)明電路的輸出端OUT處負載變化，提供了另一個運算放大器18。然 而，如果此處已經(jīng)!柳了運算放大器18，那么，該放大器也可以接至IJ0到11V范圍的 電壓上，這樣，其可以同時放大傳麟12設(shè)置為0到5.5V之間的輸出信號。為此，輸 出信號向運算放大器的饋送貝懷得不通過另一個分壓器R4和R5鄉(xiāng)行。為了使該輸
5出信號再次覆蓋0到11V的齡范圍，電阻器R4禾HR5應(yīng)雌，以便運算放大器18具有 一種放大率，其對應(yīng)于通過分壓器R1和R2的電壓+UB下降的倒數(shù)，在本案例中， R4=R5。
當(dāng)運算放大器18采用反饋分支時，可以實現(xiàn)輸出電壓OUT與輸出端OUT處載荷 變化的更好去耦，為此，電阻器R5的連接端只在安全連接輸出端之后連接，防止過 載和反向極性(電阻器R6和齊納二極管D3)。在電阻器R6上的壓降是輸出端OUT載 荷的函數(shù)，該壓降可以通過運算放大器18得以補償。
輸出端OUT可以繼續(xù)通過限壓元件Vl而接地，以確保滿足過壓安全要求。通過 元件V1的輸出端的載荷從而也可以通3W運算放大器18的再次調(diào)整而得到補償。
與向?qū)嶋H傳感器12提供下降電壓相反，全工作電壓+UB用作運算放大器10和18 的電源電壓。限流阻抗(自復(fù)位安全PTC) R3和齊納二極管D1,所需要的反向極 性保護和過載保護。
電阻器R1禾PR2所形成的分壓器可以直接連接至U+UB上，因為通過運算放大器IO 的電阻器Rl禾nR2之間的戶皿分壓器的輸出端載荷很小，以至于電阻器R1和R2可以選 擇100 kQ的范圍內(nèi)的電阻值。這樣，此處所出現(xiàn)的最大電流受到限制，從而不會對 運算放大器10造成損壞。二極管D2可確保反向極性f呆護。
同樣，輸出端OUT如果接錯，會對運算放大器18帶來不利影響，這可通過選擇 電阻值很高，大約100kn范圍內(nèi)的分壓器R4和R5的電阻器來避免。
最后，通過編程導(dǎo)體PRO練直驗制傳繊元件12的輸出，以向本電1 {共可 編程能力。為此，編程導(dǎo)體PROG可以配置成可中斷式，正如本申請者在共同未決專 利申請中所描述的那樣，iiil安全元件S 11直接運^i接端PROG和通過在戶脫安全 元件背后提供二極管D4來實施，該二極管在正常工作時阻斷。通過連接端PROG的 極'性反向，使得安全元《牛SI1跳閘，從而迫4好萬述編禾MM道中斷。這樣，在二極管D4 處出現(xiàn)壓降，在大多數(shù)情況下，該電壓為沿流通方向的工作電壓，為此， 一般情況 下，該電壓大約0.7V。反向極性小的電壓不會對電子部件16和18帶來《if可不利影響。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的對以的比率式角度傳繊，然而，該傳繊的工作電壓 在7.5￥至收￥之間。該圖更為詳細地示出了所有電路元件，不只是那些電路大體上工 作所要求的電路元件。此外，只使用了單個霍耳角度傳感器12，而不是圖l所示的數(shù) 字角度傳感器14和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)合形式。
在本實施例情況下，通過設(shè)定衰減系數(shù)為0.65而不是1/2，就可以實現(xiàn)與不同工作 電壓的匹配，盡管電阻器R2的阻值也選擇100ka但是電阻器Rl的阻值僅為64.9ki2。 因此，電阻R5也必須選擇為64.9kQ，而R4的阻值則依然為100kQ。這樣，可以確保 經(jīng)過分壓器R1和R2的衰減量與通過向回路上的運算放大器提供分壓器R4和R5而強 帝腿行的放大率成反比。為此，應(yīng)總是適用如下公式.-Rl/R2 = R5/R4，或者，在本 案例中，甚致卜R5以及R2:R4。圖2還示出了如何通過相鵬擇電阻器R1，R2， R4和R5，將所述電路調(diào)整到不同范圍的工作電壓+UB，其中，實際傳自元件12 的工作電壓則始終保持在5V士 10%。
為此，本電路為磁性角度傳感器提供了傳麟元件和位置編碼磁鐵(后者圖中未示)，首次皿了功能和連接都相容的電位計替換件。為此，根據(jù)本發(fā)明所提出的電 路的信號輸出提供了與電源電壓成比例的信號電壓，這稱之為比率特性或分壓^t
性。這樣，在需確定的角度測量范圍0)內(nèi)的輸出信號OUT與電源電壓+UB成比例， 并與所測角度cp成比例，適用公式如下 Uout = +UBx(p/<t>
特別是，角度傳感器12的信號范圍和輸出端OUT的輸出信號范圍在旨電源電 壓上并沒有設(shè)定到全范圍，而優(yōu)選設(shè)定在電源電壓的10%到90%之間。這可以ilii 角度傳感器12的輸出信號范圍來實現(xiàn)，該信號范圍通過編程而確定為優(yōu)選是 10..90%。
在另一個實施例中，特別是，角度傳感器12的角度測量范圍通過編程而確定為任 何部分角度，即小于360°，例如0..90°。盡管如此，角度傳感器12的輸出電壓范圍 全部iM^iif比例來使用，這樣，在傳感器電路輸出端也可以獲得10%到90%的全 信號范圍。與采用標準電位計測量部分角度相比，這個更為有利。采用標準電位計 時，只有通過布置部分圓電阻器通it^可在全信號范圍分析部分角度。
與"典型的"現(xiàn)有技術(shù)電位計相反，根據(jù)本發(fā)明的信號輸出的內(nèi)部電阻是直定的， 不S^f輸出信號電壓值的制約。此外，M驅(qū)動-器運算放大器18信號輸出的內(nèi)部電 阻要比典型電位計低數(shù)個數(shù)量級。
通體M^數(shù)為K〈(圖l: K=0.5，圖2: K=0.65)的輸入分壓器R1和R2，產(chǎn)生傳 感器12的內(nèi)部工作電壓UV。而后，其輸出信號OUTl提供給輸出運算放大器18，后 者的放大系數(shù)通過向反饋通路提供由R4禾PR5組成的分壓器而調(diào)整至Ul/K。所述分壓 器然后產(chǎn)生輸出信號U。ut，該信號按前面所述公式，且相對于載荷非常穩(wěn)定，因為其 包括了由前面所述非常低的恒定內(nèi)部電阻。在360。中，部分角度，例如90。或180°可 以規(guī)定為觀糧范圍O。傳感器12的內(nèi)部電源電壓UV雌設(shè)定為5V。由于基于霍爾或 MR-傳感器技術(shù)的傳感器12不帶有盲區(qū)范圍，根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器可以在360° 的全測量范圍上無縫地使用。
現(xiàn)有技術(shù)電位計的機械測量范圍和輸出值彼此剛性偶聯(lián)，因而，當(dāng)在機械部分角 度上測量時，就會減小輸出電壓范圍，并進而降低了測量精度。在使用現(xiàn)有技術(shù)電 位計測量部分角度時，為了避免這種情況的發(fā)生，電阻器路徑也必須呈部分圓幾何 形狀。在根據(jù)本發(fā)明的角度傳感器中，機械部分角度通過對角度傳感器12的編程而 成比例，以便輸出信號仍能使用全輸出范圍。運算放大器18優(yōu)選帶有軌到軌輸出的 運算放大器，以便輸出電壓范圍幾乎達到電源電壓+UB的整個范圍。
在根據(jù)本發(fā)明的所述實施例中，允許工作范圍，其中輸出電壓與所連接的電源電 壓成比例，設(shè)置為額定電源電壓的士 10%。額定電源電壓本身可以在7V到40V的范圍 內(nèi)調(diào)整，其中，雌7V至lJl6V的電壓范圍。
作為傳 元件，不論是數(shù)字角度編碼器還是數(shù)模轉(zhuǎn)換IW可以按圖l所g行 選擇，另一方面，也可以使用霍爾或GMR傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，向傳,元件12掛共的均勻電源電壓Uv總是在5V± 10%的范圍內(nèi)， 與輸入電壓+UB成比例，也可以以±10%變化。根據(jù)本發(fā)明的電路工作原理如下衰減0R1， R2， 10^在傳,元件12的前部，而與之反向的帶有放大系數(shù)的放大 器^R4， R5， 18則接至lJ傳自元件的后面。所接通的電源電壓+UB首先按系lfcK (K<1) 進行分配，所述部分電壓+UV由運算放大器10進行緩沖，并用作傳自元件12工作 的基準電壓。另一方面，運算放大器10和18的電源電壓的內(nèi)部工作電iBI過安全電 路R3，D1來源于電源電壓+UB。這樣，電源電壓在±10%范圍內(nèi)的變化量形成了傳感 器元件12的內(nèi)部電源電壓的變化，或者至少是數(shù)字傳感器14:^后連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 16的變化量。為此，與角度成比例的輸出電壓在電源腿+UB的10X到90X范圍內(nèi)。 因此，根據(jù)本發(fā)明的電路是典型的5見有技術(shù)電位計的最佳連接相容替換件。 通過在電源路徑和信號路徑上提供輸出阻抗(R3， R6)實現(xiàn)所要求的反向極性保 護，輸出卩鵬在反向板性連接的情況下具有限流和/或限壓作用。限流阻if[R3 (自復(fù) mc安全)插裝到電源路徑內(nèi)。高電阻的電阻器R1和齊納二極管D2作為限壓元件 插裝至鵬量路徑內(nèi)，供電源電壓送至運算放大器10的輸入端。限流元件(R6)以及限 壓元fKVl和D3)都插裝到信號輸出端內(nèi)。
測量范圍可以編程為部分角度范圍，以便iOT整個信號范圍。 iM確定分壓器Rl ， R2和在運算放大器l 8反饋回路中通過分壓器R4/R5的輸出放 大，可使電源電壓范圍適合例如，8V或12V的典型電位計電源腿。
另外，根據(jù)本發(fā)明的這種比率式角度^f專自可以根據(jù)技^a念布置成不可逆編程
式，這些技術(shù)可源自本申請人的共同未決專利申請。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點
根據(jù)本發(fā)明的比率式角度傳感器具有恒定內(nèi)部電阻，該電阻不受輸出信號數(shù)值的 約束?？稍诤軐挼姆秶?O到10mA)內(nèi)向輸出信號裝載連接的負載阻抗。根據(jù)本發(fā)明 的電路方便集成限載和/或限流元件作為P方護措施，防止反向連接或外部電壓過大， 且不會造成輸出信號的失真?？梢跃幊滩糠纸嵌确秶念I(lǐng)懂范圍。通過與7V到15V 之間電源電壓的匹配，特別是電位計的電源電壓的匹配，根據(jù)本發(fā)明的電路可以用 作電位計的相容和有利更換的一種連接方式。
機械角度觀糧范圍可以在360。到0°的限定過渡位置無縫地編程為360°。也可以
編程部分角度的機械測量范圍，其中，輸出信號可以按比例達到全部輸出范圍。
分壓器為例如，帶有永久性存儲器的電子電位計，或者魏過電流脈沖進行調(diào) 整的硅分壓器元件。所述分壓器通過導(dǎo)體連接到編程裝置上，并可在部件制造后及 在最終裝配前按照具體分壓器比率對其編程。
權(quán)利要求
1. 一種帶有接地端(GND)和電源電壓連接端(+UB)及輸出端(OUT)的模擬電子角度傳感器電路，其包括實際傳感器(12)和所述傳感器(12)的合適接線，其中輸出端(OUT)的對地電壓與電源電壓(+UB)和所測角度()的乘積成比例。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬電子角度傳感器電路，其中實際傳感器(12)的信號 輸出通過驅(qū)動電路(18, R4， R5)接到角度傳感器電路的輸出端(OUT)，這樣， 輸出端(OUT)的內(nèi)部電阻是恒定的，不受所輸出信號電壓值的約束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬電子角度傳感器電路，其中驅(qū)動電路(18, R4， R5) 包括以合適方式與電阻器(R4， R5)導(dǎo)線連接的運算放大器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的模擬電子角度傳感器電路，其中實際傳感器(12) 提供有特定電源電壓(UV)，后者為模擬電子角度傳感器電路的電源電壓 (+UB)的恒定分數(shù)(l/k)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬電子角度傳感器電路，其中實際傳感器(12)的電源 電壓連接端通過電阻器(R1)與模擬電子角度傳感器電路的電源電壓(+UB)連 接并通過另一個電阻器(R2)接地，這樣，電阻器(R1， R2)所形成的分壓器就 確定了電源電壓(+UB)的恒定分數(shù)(l/k)，該恒定分數(shù)提供給實際傳感器(12)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬電子角度傳感器電路，其中運算放大器(10)作為驅(qū) 動器連接在由電阻器(Rl, R2)形成的分壓器和實際角度傳感器(12)電源電壓 連接端之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的模擬電子角度傳感器電路，其中驅(qū)動電路(18)包括 在輸出端(OUT)處的放大率k，該放大率是電源電壓的分數(shù)(l/k)的倒數(shù)，該分 數(shù)由電阻器(Rl, R2)所形成的分壓器來確定。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一權(quán)利要求所述的模擬電子角度傳感器電路，其中角 度傳感器(12)為可編程的，這樣，當(dāng)角度只在部分角度范圍上變化時，輸出 變量在全部輸出信號范圍上變化。
9. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的模擬電子角度傳感器電路，其中角度傳感器 (12)是可編程的，這樣，輸出電壓(OUT)與工作電壓成比例，也與部分旋轉(zhuǎn) 角度(9)<360。成比例。
10. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的模擬電子角度傳感器電路，其中輸出電壓范 圍為電源電壓的10%到90%。
11. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的模擬電子角度傳感器電路，其中分壓器R1， R2和R4，R5都是可編程分壓器，其通過編程導(dǎo)體調(diào)整到特定比率。
12. —種最佳電位計的電子仿真方法，其中輸入電壓(+UB)降到固定分數(shù)(l/k)， 模擬角度傳感器(12)以這部分輸入電壓(+UB)作為工作電壓(Uv)工作，其中所 述角度傳感器的輸出電壓(OUTl)與工作電壓和由所述角度傳感器(12)所測的旋轉(zhuǎn)角度(cp)成比例。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中輸入電壓(+UB)通過合適的分壓器(Rl， R2)降到分數(shù)(l/k)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中下降電壓(UV)通過隨后連接的放大率為 1的運算放大器(l O)進行緩沖。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中角度傳感器(U)的輸出電壓(OUTl) 由另一個運算放大器(18)以分數(shù)(i/k)的倒數(shù)(k)而放大，并僅在此后作為輸出 信號(OUT)輸出。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12到15任一權(quán)利要求所述的方法，其中編程角度傳感器(12)， 這樣，當(dāng)角度在部分角度范圍內(nèi)變^:時，其提供可覆蓋整個輸出信號范圍的 輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有接地端(GND)和電源電壓連接端(+UB)及輸出端(OUT)的模擬電了角度傳感器電路，其包括實際傳感器(12)和所述傳感器(12)的合適接線，其中，輸出端(OUT)的對地電壓與電源電壓(+UB)和所測角度(φ)的乘積成比例，以及一種最佳電位計的電子仿真方法，其中，輸入電壓(+UB)降到固定分數(shù)(1/k)，模擬角度傳感器(12)以這部分輸入電壓(+UB)作為工作電壓(U_v)工作，其中，所述角度傳感器的輸出電壓(OUT1)與工作電壓和由所述角度傳感器(12)所測的旋轉(zhuǎn)角度(φ)成比例。
文檔編號G01B7/30GK101487691SQ20091000054
公開日2009年7月22日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月15日
發(fā)明者皮特·沃斯 申請人:Asm自動傳感器測量技術(shù)有限公司