专利名称：角度传感器电路的制作方法
駄领域
本发明涉及一种模拟电子角度传感器电路,带有接地端和电源电压连接端以及输 出端，本发明还涉及最佳电位计的电子仿真方法。这种角度传感器电路还被称之为 带有比率输出信号的角度传感器。
背景技术：
在现有技术中，在分压器电路中^ffi精密电位计用来测量角度。这些电路都包括 内部电阻，其取决于所设定的分压器比率。当其连接到随后的带有有限输入电阻的 电子器件(载荷分压器)时，这会导致测量误差。此外，电位计的使用^会因为 装载滑动触点而縮短。另外，电位计还会因为反向极性连接而受到损坏，因为安全 电路，通常地限流和/或限压电路，可以导致输出信号的进一步失真。
发明内容
根据目前的技术状态，本发明的目的是发现一种电子替换件，可替换传统的电位 计，这种替换件不具有上述缺陷(由于内部电阻而产生的测量误差，由于滑动触点 机械磨损而导致使用寿命受到限制，因为反向极性连接而可能出现的损坏等)。为 此，另外，本发明的一个目的是提供一种用于电子仿真最佳电位计的方法，这种方 法也可以避免上述缺陷。
戶舰目的通过模拟角度传繊电路来实现，该鹏带有接地端和电压连接端以及 输出端，该角度传感器电路包括实际传感器和合适的传感器电路，其中，输出端的 对地电压与电源电压和所测角度的乘积成比例。所述目的还可以通过用于最佳电位 计的电子仿真的方法来实现，按照这种方法，输入电压降至固定分数，模拟触摸自 由角度传感器以所述部分的输入电压作为工作电压来工作，其中，所述角度传麟 的输出电压与工作电压和角度传感器所测转动角度cp成比例。
根据所附权利要求还可以形成其它有利的实施方式。 下面，参照所附电路图更详细地介绍本发明的实施方式。
图i为根据本发明的比率角度传感器的方框图；和 图2为根据图1的角度传感器的详细电路其中图号
10 UV的运算放大器 12 角度传感器 14 数字角度传感器 16 数模转换器18 输出运算放大器
GND接地
OUT输出信号
PROG编程输入
R1，R2输入分压器
R4，R5调节18放大率的分压器
R3,R6防过载的安全电阻器
Dl, D2, D3过载和反向极性安全二极管
D4 编程导体不可逆中断的二极管
SI1 编程导体不可逆中断的安全元件
VI 输出安全阻抗
UB 电路的工作电压
UV 传感器的降低的工作电压
说明书第2/5页
具体实施例方式
图l为根据本发明的比率式角度传麟的简化方框图，该图实际上仅示出了为完 成具体功能所必需的那些元件，而那些只用于电源、电压稳定和保护输入部分防止 过压或防止反向极性的电路元件大多被略去。
如图1所示，所示为根据本发明的比率式角度传感器，其使用9V到11V的对地 (GND)电源电压+UB供电。由电阻器R1和R2构成的分压器将该电源电压+UB降至4.5 到5,5V。为此，电阻器R1的一个连接端与+UB连接，而R1的另一條接端与R2连接， 后者的另一个空闲连接端接地(GND)。
作为防过辦卩/或防反向极性的保护，齐纳二极管D2与R2并联。而后，获得在电 HR1和R2之间降到一半的电源M。在这个瞎况下，如下公式适用于电阻值:R1=R2， 在所述具体情况下，适用如下公式+UV=l/2(+UB)。
为了會g够保持+UV非常精确恒定不变，且能不受载荷变化的制约，十UV由曾经 反馈的运算放大器10保持稳定。运算放大器10的输出端同样带有电压+UV，该电压 尽管由运算放大器10稳定，但仍在不受载荷希哟的很宽范围内，运算放大器10的输 出而后用作模拟角度传感器12的电源电压。这种模拟角度传感器12可以;W处所示 数字角度传感器14与数模转换器16的结合形式，或者也可以是例如，使用德国实用 新型文件DE20 2007 006 955 Ul中所介绍的霍耳效应的磁性角度传感器。
合适的数字角度传感器14是现有技术中人们已知的。
为此，模拟角度传麟12提供一种输出信号，该信号与所测角度cp成比例，同时 也与传感器12本身所使用的电源电压+UV成比例。因而，为了稳定传感器12的输出 信号，防止本发明电路的输出端OUT处负载变化，提供了另一个运算放大器18。然 而，如果此处已经!柳了运算放大器18，那么，该放大器也可以接至IJ0到11V范围的 电压上，这样，其可以同时放大传麟12设置为0到5.5V之间的输出信号。为此，输 出信号向运算放大器的馈送贝怀得不通过另一个分压器R4和R5鄉行。为了使该输
5出信号再次覆盖0到11V的齡范围，电阻器R4禾HR5应雌，以便运算放大器18具有 一种放大率，其对应于通过分压器R1和R2的电压+UB下降的倒数，在本案例中， R4=R5。
当运算放大器18采用反馈分支时，可以实现输出电压OUT与输出端OUT处载荷 变化的更好去耦，为此，电阻器R5的连接端只在安全连接输出端之后连接，防止过 载和反向极性(电阻器R6和齐纳二极管D3)。在电阻器R6上的压降是输出端OUT载 荷的函数，该压降可以通过运算放大器18得以补偿。
输出端OUT可以继续通过限压元件Vl而接地，以确保满足过压安全要求。通过 元件V1的输出端的载荷从而也可以通3W运算放大器18的再次调整而得到补偿。
与向实际传感器12提供下降电压相反，全工作电压+UB用作运算放大器10和18 的电源电压。限流阻抗(自复位安全PTC) R3和齐纳二极管D1,所需要的反向极 性保护和过载保护。
电阻器R1禾PR2所形成的分压器可以直接连接至U+UB上，因为通过运算放大器IO 的电阻器Rl禾nR2之间的戶皿分压器的输出端载荷很小，以至于电阻器R1和R2可以选 择100 kQ的范围内的电阻值。这样，此处所出现的最大电流受到限制，从而不会对 运算放大器10造成损坏。二极管D2可确保反向极性f呆护。
同样，输出端OUT如果接错，会对运算放大器18带来不利影响，这可通过选择 电阻值很高，大约100kn范围内的分压器R4和R5的电阻器来避免。
最后，通过编程导体PRO練直驗制传繊元件12的输出，以向本电1 {共可 编程能力。为此，编程导体PROG可以配置成可中断式，正如本申请者在共同未决专 利申请中所描述的那样，iiil安全元件S 11直接运^i接端PROG和通过在戶脱安全 元件背后提供二极管D4来实施，该二极管在正常工作时阻断。通过连接端PROG的 极'性反向，使得安全元《牛SI1跳闸，从而迫4好万述编禾MM道中断。这样，在二极管D4 处出现压降，在大多数情况下，该电压为沿流通方向的工作电压，为此， 一般情况 下，该电压大约0.7V。反向极性小的电压不会对电子部件16和18带来《if可不利影响。
图2示出了根据本发明的對以的比率式角度传繊，然而，该传繊的工作电压 在7.5￥至收￥之间。该图更为详细地示出了所有电路元件，不只是那些电路大体上工 作所要求的电路元件。此外，只使用了单个霍耳角度传感器12，而不是图l所示的数 字角度传感器14和数模转换器的结合形式。
在本实施例情况下，通过设定衰减系数为0.65而不是1/2，就可以实现与不同工作 电压的匹配，尽管电阻器R2的阻值也选择100ka但是电阻器Rl的阻值仅为64.9ki2。 因此，电阻R5也必须选择为64.9kQ，而R4的阻值则依然为100kQ。这样，可以确保 经过分压器R1和R2的衰减量与通过向回路上的运算放大器提供分压器R4和R5而强 帝腿行的放大率成反比。为此，应总是适用如下公式.-Rl/R2 = R5/R4，或者，在本 案例中，甚致卜R5以及R2:R4。图2还示出了如何通过相鹏择电阻器R1，R2， R4和R5，将所述电路调整到不同范围的工作电压+UB，其中，实际传自元件12 的工作电压则始终保持在5V士 10%。
为此，本电路为磁性角度传感器提供了传麟元件和位置编码磁铁(后者图中未示)，首次皿了功能和连接都相容的电位计替换件。为此，根据本发明所提出的电 路的信号输出提供了与电源电压成比例的信号电压，这称之为比率特性或分压^t
性。这样，在需确定的角度测量范围0)内的输出信号OUT与电源电压+UB成比例， 并与所测角度cp成比例，适用公式如下 Uout = +UBx(p/<t>
特别是，角度传感器12的信号范围和输出端OUT的输出信号范围在旨电源电 压上并没有设定到全范围，而优选设定在电源电压的10%到90%之间。这可以ilii 角度传感器12的输出信号范围来实现，该信号范围通过编程而确定为优选是 10..90%。
在另一个实施例中，特别是，角度传感器12的角度测量范围通过编程而确定为任 何部分角度，即小于360°，例如0..90°。尽管如此，角度传感器12的输出电压范围 全部iM^iif比例来使用，这样，在传感器电路输出端也可以获得10%到90%的全 信号范围。与采用标准电位计测量部分角度相比，这个更为有利。采用标准电位计 时，只有通过布置部分圆电阻器通it^可在全信号范围分析部分角度。
与"典型的"现有技术电位计相反，根据本发明的信号输出的内部电阻是直定的， 不S^f输出信号电压值的制约。此外，M驱动-器运算放大器18信号输出的内部电 阻要比典型电位计低数个数量级。
通體M^数为K〈(图l: K=0.5，图2: K=0.65)的输入分压器R1和R2，产生传 感器12的内部工作电压UV。而后，其输出信号OUTl提供给输出运算放大器18，后 者的放大系数通过向反馈通路提供由R4禾PR5组成的分压器而调整至Ul/K。所述分压 器然后产生输出信号U。ut，该信号按前面所述公式，且相对于载荷非常稳定，因为其 包括了由前面所述非常低的恒定内部电阻。在360。中，部分角度，例如90。或180°可 以规定为观糧范围O。传感器12的内部电源电压UV雌设定为5V。由于基于霍尔或 MR-传感器技术的传感器12不带有盲区范围，根据本发明的角度传感器可以在360° 的全测量范围上无缝地使用。
现有技术电位计的机械测量范围和输出值彼此刚性偶联，因而，当在机械部分角 度上测量时，就会减小输出电压范围，并进而降低了测量精度。在使用现有技术电 位计测量部分角度时，为了避免这种情况的发生，电阻器路径也必须呈部分圆几何 形状。在根据本发明的角度传感器中，机械部分角度通过对角度传感器12的编程而 成比例，以便输出信号仍能使用全输出范围。运算放大器18优选带有轨到轨输出的 运算放大器，以便输出电压范围几乎达到电源电压+UB的整个范围。
在根据本发明的所述实施例中，允许工作范围，其中输出电压与所连接的电源电 压成比例，设置为额定电源电压的士 10%。额定电源电压本身可以在7V到40V的范围 内调整，其中，雌7V至lJl6V的电压范围。
作为传 元件，不论是数字角度编码器还是数模转换IW可以按图l所g行 选择，另一方面，也可以使用霍尔或GMR传感器。
根据本发明，向传,元件12掛共的均匀电源电压Uv总是在5V± 10%的范围内， 与输入电压+UB成比例，也可以以±10%变化。根据本发明的电路工作原理如下衰减0R1， R2， 10^在传,元件12的前部，而与之反向的带有放大系数的放大 器^R4， R5， 18则接至lJ传自元件的后面。所接通的电源电压+UB首先按系lfcK (K<1) 进行分配，所述部分电压+UV由运算放大器10进行缓冲，并用作传自元件12工作 的基准电压。另一方面，运算放大器10和18的电源电压的内部工作电iBI过安全电 路R3，D1来源于电源电压+UB。这样，电源电压在±10%范围内的变化量形成了传感 器元件12的内部电源电压的变化，或者至少是数字传感器14:^后连接的数模转换器 16的变化量。为此，与角度成比例的输出电压在电源腿+UB的10X到90X范围内。 因此，根据本发明的电路是典型的5见有技术电位计的最佳连接相容替换件。 通过在电源路径和信号路径上提供输出阻抗(R3， R6)实现所要求的反向极性保 护，输出卩鹏在反向板性连接的情况下具有限流和/或限压作用。限流阻if[R3 (自复 mc安全)插装到电源路径内。高电阻的电阻器R1和齐纳二极管D2作为限压元件 插装至鹏量路径内，供电源电压送至运算放大器10的输入端。限流元件(R6)以及限 压元fKVl和D3)都插装到信号输出端内。
测量范围可以编程为部分角度范围，以便iOT整个信号范围。 iM确定分压器Rl ， R2和在运算放大器l 8反馈回路中通过分压器R4/R5的输出放 大，可使电源电压范围适合例如，8V或12V的典型电位计电源腿。
另外，根据本发明的这种比率式角度^f专自可以根据技^a念布置成不可逆编程
式，这些技术可源自本申请人的共同未决专利申请。 本发明具有如下优点
根据本发明的比率式角度传感器具有恒定内部电阻，该电阻不受输出信号数值的 约束。可在很宽的范围(O到10mA)内向输出信号装载连接的负载阻抗。根据本发明 的电路方便集成限载和/或限流元件作为P方护措施，防止反向连接或外部电压过大， 且不会造成输出信号的失真。可以编程部分角度范围的领懂范围。通过与7V到15V 之间电源电压的匹配，特别是电位计的电源电压的匹配，根据本发明的电路可以用 作电位计的相容和有利更换的一种连接方式。
机械角度观糧范围可以在360。到0°的限定过渡位置无缝地编程为360°。也可以
编程部分角度的机械测量范围，其中，输出信号可以按比例达到全部输出范围。
分压器为例如，带有永久性存储器的电子电位计，或者魏过电流脉冲进行调 整的硅分压器元件。所述分压器通过导体连接到编程装置上，并可在部件制造后及 在最终装配前按照具体分压器比率对其编程。
权利要求
1. 一种带有接地端(GND)和电源电压连接端(+UB)及输出端(OUT)的模拟电子角度传感器电路，其包括实际传感器(12)和所述传感器(12)的合适接线，其中输出端(OUT)的对地电压与电源电压(+UB)和所测角度()的乘积成比例。
2. 根据权利要求1所述的模拟电子角度传感器电路，其中实际传感器(12)的信号 输出通过驱动电路(18, R4， R5)接到角度传感器电路的输出端(OUT)，这样， 输出端(OUT)的内部电阻是恒定的，不受所输出信号电压值的约束。
3. 根据权利要求2所述的模拟电子角度传感器电路，其中驱动电路(18, R4， R5) 包括以合适方式与电阻器(R4， R5)导线连接的运算放大器。
4. 根据权利要求1、 2或3所述的模拟电子角度传感器电路，其中实际传感器(12) 提供有特定电源电压(UV)，后者为模拟电子角度传感器电路的电源电压 (+UB)的恒定分数(l/k)。
5. 根据权利要求4所述的模拟电子角度传感器电路，其中实际传感器(12)的电源 电压连接端通过电阻器(R1)与模拟电子角度传感器电路的电源电压(+UB)连 接并通过另一个电阻器(R2)接地，这样，电阻器(R1， R2)所形成的分压器就 确定了电源电压(+UB)的恒定分数(l/k)，该恒定分数提供给实际传感器(12)。
6. 根据权利要求5所述的模拟电子角度传感器电路，其中运算放大器(10)作为驱 动器连接在由电阻器(Rl, R2)形成的分压器和实际角度传感器(12)电源电压 连接端之间。
7. 根据权利要求5或6所述的模拟电子角度传感器电路，其中驱动电路(18)包括 在输出端(OUT)处的放大率k，该放大率是电源电压的分数(l/k)的倒数，该分 数由电阻器(Rl, R2)所形成的分压器来确定。
8. 根据权利要求1到7中任一权利要求所述的模拟电子角度传感器电路，其中角 度传感器(12)为可编程的，这样，当角度只在部分角度范围上变化时，输出 变量在全部输出信号范围上变化。
9. 根据前述任一权利要求所述的模拟电子角度传感器电路，其中角度传感器 (12)是可编程的，这样，输出电压(OUT)与工作电压成比例，也与部分旋转 角度(9)<360。成比例。
10. 根据前述任一权利要求所述的模拟电子角度传感器电路，其中输出电压范 围为电源电压的10%到90%。
11. 根据前述任一权利要求所述的模拟电子角度传感器电路，其中分压器R1， R2和R4，R5都是可编程分压器，其通过编程导体调整到特定比率。
12. —种最佳电位计的电子仿真方法，其中输入电压(+UB)降到固定分数(l/k)， 模拟角度传感器(12)以这部分输入电压(+UB)作为工作电压(Uv)工作，其中所 述角度传感器的输出电压(OUTl)与工作电压和由所述角度传感器(12)所测的旋转角度(cp)成比例。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中输入电压(+UB)通过合适的分压器(Rl， R2)降到分数(l/k)。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中下降电压(UV)通过随后连接的放大率为 1的运算放大器(l O)进行缓冲。
15. 根据权利要求12或13所述的方法，其中角度传感器(U)的输出电压(OUTl) 由另一个运算放大器(18)以分数(i/k)的倒数(k)而放大，并仅在此后作为输出 信号(OUT)输出。
16. 根据权利要求12到15任一权利要求所述的方法，其中编程角度传感器(12)， 这样，当角度在部分角度范围内变^:时，其提供可覆盖整个输出信号范围的 输出信号。
全文摘要
本发明公开了一种带有接地端(GND)和电源电压连接端(+UB)及输出端(OUT)的模拟电了角度传感器电路，其包括实际传感器(12)和所述传感器(12)的合适接线，其中，输出端(OUT)的对地电压与电源电压(+UB)和所测角度(φ)的乘积成比例，以及一种最佳电位计的电子仿真方法，其中，输入电压(+UB)降到固定分数(1/k)，模拟角度传感器(12)以这部分输入电压(+UB)作为工作电压(U<sub>v</sub>)工作，其中，所述角度传感器的输出电压(OUT1)与工作电压和由所述角度传感器(12)所测的旋转角度(φ)成比例。
文档编号G01B7/30GK101487691SQ20091000054
公开日2009年7月22日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年1月15日
发明者皮特·沃斯 申请人:Asm自动传感器测量技术有限公司