专利名称：用于测量磁场相对于基准轴布置在一平面中的角度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量磁场相对于基准轴布置在一平面中的角度的装 置，具有至少两个>^场传感器，该至少两个f兹场传感器的测量轴布置在平面中
和/或与平面平^亍，并JU^MMt^3地定向。jHi^卜，本发明还涉及一种用于测量 磁场相对于M轴布J^"^面中的角度的方法，其中，在平面中和/或与平面 平行地测量第一磁场^l:和与^jyt^地布置的第二磁场分量。
背景絲
2007年BEEE传感器会议上Reymond.S等人的"Tme 2D CMOS Integrated Hall Sensor"的第860-863页^L^了一种前述类型的装置，其4有半 "^^基片，称为磁场传感器64的垂直霍尔传感器^A^该半^^基片中。磁场 传感器^^匕以均匀的间^il样布置在位于半"f^^基片的芯片平面中的圆环上， 使得磁场传感器在其中延伸的平面分别与设想的中轴成径向布置，中轴穿过圆 环的中点且与芯片平面垂直。磁场传感器这样与扫描装置连接，使#1^磁场 传感器的测量信号可;^^口到用于絲扫^f言号的差动输出端子。即磁场传 感器周期性絲地^t读出信号。差动输出端子通itJ:动放大器与^^半导 体基片中的^t滤波器连接。借助于^if滤波器，放大器的才勤^T出信"f^L滤 ;狄;Uit为正弦形的信号。测出如》b^得的才勤以测量信号的itf:点，ja>W±f:
点位置确定经过半"H^基片的磁场相对于1^偉轴布l在芯片平面中的角度。
这种装置的缺陷在于，许多磁场传感器的读出是费时的。因此，尽管电路 开销很大，但该装置的带宽很小。j^卜，不利的是，未对接的樹w腿滤波器
在线性度械率特性方面必须满足高要求，逸就意"M半^芯片上的面积使
用量大且功率消耗大。
此外，2000年11月27曰的菲利普半*产品说明书DATA SHEET UZZ90001"Sensor Conditioning Electronic"披露了 一种前述类型的装置，两个^y^半科芯片中的磁阻传感辦为磁场传感器，它们的测量轴相互垂
直W置在一付面中。每个磁场传感^^别与构造为S-a调制器的才勤^:字转
换器连接。在每个模拟数字转换器后面分别连接有一个抽取滤波器
(Dezimationsfilter)，该4^i虑波器的输出端发送形式为15比特数字字的磁场 测量值。该数字字被传递到一个计算装置，该计算装置#^数字字的商的" 切计算经过半^H^基片的磁场相对于J^偉轴布置在芯片平面中的角度。oH^卜， itJ^4在电路开销成比例增大的弊端。由于J^计^f兹场角，产生了等待时间， iW装置在调节电路中的4M不利。
发明内容
因此，本发明的任务在于提^"种前述类型的装置，其结构简单、测量精 度高。j)^卜，本发明的任务在于提#~^种前述类型的方法，利用该方法能够以 简单的方式高度精确i^角定角度。
在装置方面，该任务是这样解决的，即该装置具有PLL相位调节电路，其 具有iM拟目位调节回路中的JM宗振荡器，3P宗振荡器具有至少一^4十对数字 振动信号的振荡输出端，磁场传感器这样与相位调节回路净給，使得数字振动 信号在360。的角度范围与由磁场传感器的测量信号的#^扫描形成的#^扫描 信号相位同步，并且振荡输出端与一相^^测器连接，以确定数字振动信号的 相位。
jH^卜，该装置具有结构简单、制iiA本^J:的锁相环(PLL)相位调节电 路，该PLL相位调节电路在^t字振动信号的相位方面与由磁场传感器的测量 信号输出端的#^出形成的#^扫^(言号的相位同步。扭匕情况下，"同步" 被,为数字振动信号的相位与^^扫对維号的相位"^^相同J^以已知的恒 定角度移动。因此，能够以简单的方^it过确定数字振动信号的相位测得磁场 相对于M轴布i4由磁场传感器的轴线伸展得到的平面中的角度。
有利的是，磁场传感器这样与一扫描装置连接，使得^f兹场传感器的测量 信号^淑口到用于絲扫^f言号的输出端子，并且，输出端子与PLL相位调 节电路的同步信号输入端连接，^H:情况下，扫描装置的后面可连接磁场传感 器的测量信号端子。^E也可想到，借助于扫描装置，A^里接通和切断磁场传 感器或接线部件，以^^力或去^t^Nl应的磁场传感器。在本发明的一符合目的的实施例中，每个磁场传感器分别具有与多路UU
器的输入端子连接的测量信号输出端，其中该多路jjfj器具有可与^r入端子 连接的输出端，该输出端构成用于#^扫^(言号的输出端子。由此该装置的构 造更为简单.
在本发明的一优^实施方式中，用于#^扫^(言号的输出端子与混频器的 第一输入端连接，而跟踪振荡器的振荡输出端与混频器的第二输入端连接，其 中混频器的混频输出端通过至少一个^it滤波器和至少一个带有时钟信号的比 较器与跟踪振荡器的频率控制输入端连接。在此情况下，借助于混频器和连接 在其后面的^^滤波器，在转动扫^f言号的转动频率与数字振动信号的频^: 间产生差频的才對以信号。随后，该才勤以信号借助于tb^器被转^^宗振荡器 的数字控制信号。相位调节回路的;^以低通滤波器能同时实现角m^言号带 中较强的回路放大和絲频率下较低的回路放大，于是从信号带中产生量化噪 声(戶/fi胃的噪声整形)的频"^^移。^f腿滤波器的排列械率特性可如在每个 Z-A调制器中那样与应用实际情》;L4目适应。
有利的是，相^^r测器具有象卩^^测器，^"有第一极^^则器和第^L
#^测器，第一极'^^测器的输入端与第一磁场传感器的测量信号输出端连接， 而第二极'l^测器的输入端与第二磁场传感器的测量信号输出端连接，并且， 第』场传感器的测量轴与第一磁场传感器的测量轴正交^x。这样能够^—
个象限唯一^S己测得的磁场角度，并由j^角定角度的数值和符号。
^^发明的一个 i^案中，磁场传感器为霍尔传感器，^ft"有转^^置， 以正交切换霍尔传感im电电流和霍尔电压分接，其中该转M置具有与时钟 信号^jt器连接的、用于转换时钟信号的时钟输入端。本发明由此也可与所谓 的自旋淑娘目结合。
有利的是，至少一个磁场传感器的转换时钟信号的时钟频率是这^it择的 使得^t场传感器的测量信号与相位调节回^^的扫描周期内，用于正交切 换的转^^置经历至少两个、最好是四个不同的切换状态。通it^t霍尔传感器 的四种可能的极性求平均，可絲减少测量时产生的偏移量。混频器带宽由于 转换时钟信号的时钟频率增大而增大。
在本发明另一有利的实施例中，至少一个磁场传感器的转换时钟信号的时 钟频率是这#^择的使得磁场传感器的霍尔传感H^电电流在转动扫描信号的每个转动周期后 —次其方向。自^期在,扫4制言号的四个转动周期 之后结束。自旋频率fspin-(^/4)"WW)，其中"为#^扫描信号的#^7 频率，而fdk为时钟信号发生器的时钟频率。磁场传感器的单相偏移由此自fN)
向f—移动。^>虑波器(Dezimierungsfflter)可抑制这些频^J:，从而可对 传感ll^移量i^f亍平均，不会增加开销。
to的是，比较器具有与时钟信号^A器连接的时钟信号输入端，其中这 样构造该时钟信号发生器使得 。到时钟信号输入端的比较器时钟信号的时 钟频率至少是4^扫掩f言号的循环频率的两倍。扭匕情况下利用了以下认识 混频器的输出信号在闭锁的相位调节回路中以fmix=2frot的频#荡。通itt嫩 器的较快的时钟节拍，可以'f狄测量磁场角度。
在本发明的一有利实施例中，多P宗振荡器具有多个用于^jtb^相移的数 字振动信号的振荡输出端，其在数目J^t应于与其测量轴^Dt匕^4黄向財置的 磁场传感器的数目，其中叙目位调节回路中，布置有与所述数目相对应的多个 混频器，每个混频^^别具有一个与分S條混频器的磁场传感器的测量信号输 出端相连接的第一输入端和一个与振荡输出端相连接的第^T入端，并且混频 器的混频输出端通必口法元件、至少一"氐通滤波器以及至少一个带有时钟信 号的比较器与5M^振荡器的频^t制输入端连接。tb^器的扫描速率^j^最好 ^_转动周期频率的四倍。由此可以更l5fei^;测量磁场角度。
应该M的是，还可这样提高该装置的测量精度使得对于每一测量轴分 别设置多个 匕平行布置的磁场传感器，并且测定这些磁场传感器的测量信号。
在前述类型的方法方面，所提出的任务这样得到解决使得产生至少一个 数字振动信号，这样调节数字振动信号的相位，使得其在360。的角度范围与由 磁场传感器的测量信号的#^扫描形成的转动扫4制言号的相位^#4目位同步， 并且角度由数字振动信号的相位中观'將。
因此，按照有利的方式，可以以简单的方^t过确定数字振动信号的相位 而测定磁场相对于基准轴布置在由磁场传感器的轴线伸展得到的平面中的角 度。
下面结合附图对本发明的实施例进^ifi^兌明。其中图1示出了用于测量磁场相对于Jj^布置在-""f面中的角度的装置的第
一实施例；
图2示出了所錄置的第二实施例；以及
图3示出了所ii^置的混频器输出端处的#^扫4射言号Vrot、数字振动信号 Svco和振动信号V^的图表，其中相应信号的时间位于横坐标上，而振敝于 鍵标上。
M实施方式
用于测量》兹场B相对于^轴布置在一平面2中的角度的装置总体上以1 表示，具有两个构造为霍尔传感器的磁场传感器3、 4,它们的测量轴;fetbi交。 第一磁场传感器3对磁场B的x^J:灵敏，而第^^^兹场传感器4对f兹场B的y
磁场传感器3、 4^y^图中未详细示出的半科芯片中。该磁场传感器3、 4各自具有一块单片^t半"!^基片中的霍尔板,该霍尔板的延伸平面与半导 体芯片的平面成直角。
如图1和2所示，装置1具有PLL相位调节电路5，该PLL相位调节电路 具有i^^f目位调节回路中的i^t振荡器6。在图1的实施例中，5M宗振荡器6 具有振荡输出端7，其用于^t为矩形的数字振动信号8。为了调节lt字振动信 号8的基频，跟踪振荡器6具有频韓制输入端9。数字振动信号8的基频与施 加到频^t制^T/v端9的电M关。
f兹场传感器3、 4这样与相位调节回i^^， 4吏4寻数字振动信号与由石兹场传 感器3、 4的测量信号的#^扫描形成的#^扫^(言号10相位同步。在图3中， 包含在，扫4剤言号10中的、由第一磁场传感器3的测量信号扫描得到的扫描 值分别用X+或X-表示，而由第J^^场传感器4的测量信号扫描得到的扫4維 分别用Y+或Y-表示。明M"出的是，在，扫^^言号10的每个转动周期11 中，对应于不同》兹场传感器3、 4的^t34維X+、 Y+、 X-、 Y-周期'^^U^连 续。jtb^卜，在图3中，虛线示出了对应于#^扫4射言号10的正弦曲线，扫描测 量值位于该正弦曲线上。
在图l示出的实施例中，》兹场传感器3、 4的测量信号输出端12、 13分别 与多路JJ )器14的输入端子连接。借助于多路^1器14,测量信号输出端12、13分别^周期',与iU在多路^l器14上的、用于絲扫4刮言号10的输 出端子15连接。jlt^卜，在图l中可看出，多路复用器14具有其J^口有^ 时钟信号的控制输入端16。絲时钟信号借助于雑器17由时钟信号处器 18的系统时钟形成。#^时钟信号的频率在图1中以f^表示，而系统时钟的频 率以G表示。賴器17的德比率n与絲周^^的时钟乐辦的数目才时 应。
用于絲扫4制言号10的输出端子15与用作相位调节电路5的同步信号输 入端的、混频器19的第一输入端连接，而i^i宗振荡器6的振荡输出端7与混频 器19的第-TJ^r入端连接。混频信号21淑口到混频器19的混频输出端20，该混 频信号21与絲扫:l别言号V^和数字振动信号8的^P湘对应(图3 )。
混频器19的混频输出端20通i^對以的^it滤波器22与通过#^时钟信号 作为时钟的t嫩器23的一个输入端相连接。t嫩器23在每个转动周^l^对 模拟滤波后的信号进e^H古。其^f率在最简单的情况下可以为1比特。在比 较器23的输出端Ji^口有数^f言号，该数字信"fi皮i^i^M宗振荡器6的频率 控制^T/v端9，以构成调节回路。
在图3中可看出，数字振动信号8在闭锁的相位调节电路中与絲扫^f言 号10相位同步或与虚线示出的正弦形曲斜目位同步。由于3W宗振荡器的特性， 数字振动信号8与,扫掩度号10之间产生大约卯。的相位偏移。
为了确定磁场B相对于lJ^布J^平面2中的角度，装置1具有^0^r 测器。该相4^^测器具有计数器24，用于给系统时钟的时钟步辦计数。计数器 24通过启动脉冲而启动，该启动脉冲标示出与角度测量的JJ1M^目对应的虛拟 目位25。只要在数字振动信号中出S^辦沿(Flanke)或鄉点，计数器24 便停止。在计数器24的输出端，翻口有与数字振动信号8的相位角对应的数字 信号9vco。计数器24的输出端与^it滤波器26的第一输入端连接。
jWW卜，相位^^则器还具有象卩tt测器，其4有第一极'l^r测器27和第^l #^测器28。第一极'^^测器27的输入端与第一磁场传感器3的测量信号输出 端12连接，而第二42l'^f^则器28的输入端与第二磁场传感器4的测量信号输 出端13连接。
相4i^^则器的输出端与^it滤波器26的第^^T入端连接。与磁场角度相对 应的测量4言号qw^o到低逸滤波器26的输出端。如图3所示，混频输出信号V^在闭锁的相位调节回路中以频率fmix-2U
振荡。由此可以省去絲相2和3，不会影响功能的实现。3^宗振荡器6随后仅 ^/f亍一半的周期。t嫩器同样以f』p-2WW成^Mfei^口时钟信号，使得回 路带宽械^i4^口倍。
回路带宽还可利用图2所示的实施例进一步加倍。在该实施例中，5W宗振 荡器6具有用于两个数字振动信号的振荡输出端7a、 7b。第一数字振动信号施 加到5M宗振荡器6的第一振荡输出端7a，而第二数字振动信号^/口到5M宗振荡 器6的第4荡输出端7b。徊匕，第一数字振动信号和第>^:字振动信号 匕 U 90°相移(卯。相差信号)。
it(^卜，在图2中可看出，拟目位调节回路中iO^有两个混频器19a、 19b。 第一混频器19a的第一输入端与第一不兹场传感器3的测量信号输出端12连接， 而第一混频器19a的第二输入端与第一振荡输出端7a连接。通對目应的方式， 第二混频器19b的第一输入端与第二^兹场传感器4的测量信号输出端13连接， 而第二混频器19b的第二#~入端与第二振荡输出端7b连接。因此，在图2中省 去了图1中所设置的多路复用器14或转动开关。
混频器19a、 19b的混频输出端20a、 20b分别与加法元件29的输入端连接。 加法元件29的输出端通过模拟的4^t滤波器22与通过时钟信号^口时钟的比 较器23的输入端连接。时钟信号的频率是时钟信号发生器18的时钟频率^k除 以N后的四倍大，N为一个转动周期持续的时钟脉冲的数目。遂M宗振荡器6的 扫描频率^WN,踏，緒率为ld(N)比特。
图2的相位检测器与图1的相一致，因此不作^i。
权利要求
1、一种用于测量磁场(B)相对于基准轴布置在一平面(2)中的角度的装置(1)，具有至少两个磁场传感器(2、4)，所述磁场传感器的测量轴布置在平面(2)中和/或与平面(2)平行，并且彼此成横向地定向，其特征在于，装置(1)具有PLL相位调节电路(5)，该PLL相位调节回路具有设置在相位调节回路中的跟踪振荡器(6)，跟踪振荡器(6)具有至少一个用于数字振动信号(8)的振荡输出端(7)，磁场传感器(3、4)这样与相位调节回路耦合，使得数字振动信号(8)与由磁场传感器(3、4)的测量信号的转动扫描形成的转动扫描信号(10)相位同步，并且振荡输出端(7)与一相位检测器连接，以确定数字振动信号(8)的相位。
2、 如糊要求1所述的装置(1),期争絲于，磁场传感器(3、 4)这样 与一扫描装置连，接，使得^^场传感器(3、 4)的测量信号^施加到转动扫 4制言号(10)的输出端子(15 )，并且输出端子(15)与PLL相位调节电路(5) 的同步^f言号^T7^端i^接。
3、 如权利要求1或2所述的装置(1 )， ^#棘于，每个磁场传感器(3; 4)分别具有与多路J^器(14)的输入端子连接的测量信号输出端，并且多路 JJ )器(14)具有能够与^T入端子连接的输出端，该输出端构成用于g扫 4射言号(10)的输出端子(15)。
4、 如^'要求1至3之一所述的装置(1)，其特#于，用于转动扫^f言 号(10)的输出端子(15)与混频器(19)的第一输入端连接，而遂M宗振荡器(6)的振荡输出端(7)与混频器(19)的第二输入端连接，并且混频器(19) 的混频输出端(20)通过至少"HM氐通滤波器(22)和至少一个带有时钟信号 的t嫩器(23)与5P宗振荡器(6)的频^制输入端(9)连接。
5、 如^M'J要求1至4之一所述的装置(1 )， M4iE^于，相^^则器具有 象PW^'J器，该象P^"测器具有第一极'I"^测器(27)和第^U錄测器(28 )， 第一极,I"^测器(27)的输入端与第一磁场传感器(3)的测量信号输出端(12) 连接，而第^L'^I^测器(28)的输入端与第二J兹场传感器(4)的测量信号输 出端(13)连接，并且第^T^兹场传感器(4)的测量轴与第一磁场传感器(3)的测:l:4^正交。
6、 如权利要求1至5之一所述的装置(1 )， ，;fiL^于，磁场传感器(3、 4)为霍尔传感器，^*有转^^置，用于正交切换霍尔传感緣电电;脉霍尔 电压分接，并且转^^置具有与时钟信号发生器连接的、用于转换时^H言号的 时微入端。
7、 如权利要求1至6之一所述的装置(1 )，其特征在于，至少一个》兹场传 感器(3、 4)的转换时钟信号的时钟频率是这#^择的，使得<^兹场传感器的 测量信号与相位调节回路耦合的扫描周期内，用于正交切换的转^^置经历至 少两个、最if;i四个不同的切换状态。
8、 如权利要求1至7之一所述的装置(1 )， ，;^于，至少一个f兹场传 感器(3、 4)的转换时钟信号的时钟频率是这#^择的，使得磁场传感器的霍 尔传感，电电沐在^扫4射言号(10)的每个#^/周期后 —次其方向。
9、 如权利要求1至8之一所述的装置(1 )，其特征在于，比较器(23)具 有与时钟信号j^器连接的时钟信号输入端，并_0^样构造该时钟信号^1器，使得施加到时钟信号输入端的tb^器时钟信号的时钟频率至少是⑩扫^f言号 (10)的周期频率的两倍。
10、 H又利要求1至9之一所述的装置(1),其特征在于，5P宗振荡器(6) 具有多个用于^jH^JL相移的数字振动信号的振荡输出端(7a、 7b)，该振荡输出端在数目Ji^应于与其测量轴;fi^匕^M躺W置的磁场传感器(3、 4)的数 目，拟目位调节回路中i5^有与所述数目对应的多个混频器(19a、 19b),每个 混频器(19a、 19b)分别具有一个与分酉&i^混频器(19a、 19b)的^i场传感器 (3、 4)的测量信号输出端(12、 13 )相连接的第一输入端和一个与振荡输出 端(7a、 7b)之一相连接的第二揄入端，并且混频器(19a、 19b)的混频输出 端通it^法元件(29 )、至少一^H^it滤波器(22 )以及至少一个带有时钟4言号 的t嫩器(23)与3P宗振荡器(6)的频^Ni制^r/^端(9)连接。
11、 一个用于测量》兹场(B)相对于1^轴布5^—平面(2)中的角度的 方法，其中在平面(2)中和/或与平面(2)平行地测量第一磁场^* (Vx)和 与^^向地布置的第二磁场分量(Vy )，其特征在于，产生至少一个数字振动 信号(8)，这样调节数字振动信号(8)的相位， <吏得其与由/^场传感器(3、 4) 的测量信号的絲扫描形成的絲扫4剤言号(10)的相位##^目位同步，并且 角度由数字振动信号(8)的相位中测得。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量磁场(B)相对于基准轴布置在一平面(2)中的角度的装置(1)，具有至少两个磁场传感器(2、4)，所述磁场传感器的测量轴布置在平面(2)中和/或与平面(2)平行，并且彼此成横向地定向。装置(1)具有PLL相位调节电路(5)，其具有设置在相位调节回路中的跟踪振荡器(6)，跟踪振荡器(6)具有用于至少一个数字振动信号(8)的振荡输出端(7)。磁场传感器(3、4)这样与相位调节回路耦合，使得数字振动信号(8)与由磁场传感器(3、4)的测量信号的转动扫描形成的转动扫描信号(10)相位同步。为了确定数字振动信号(8)的相位，振荡输出端(7)与一相位检测器连接。
文档编号G01R33/02GK101685145SQ20091021163
公开日2010年3月31日 申请日期2009年7月31日 优先权日2008年8月1日
发明者D·穆特尔斯 申请人:迈克纳斯公司