技术领域
[0001] 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
[0002] 在
现有技术中，在
分压器电路中使用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，电位计的使用寿命会因为装载滑动触点而缩短。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
[0003] 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。 [0004] 所述目的通过模拟角度传感器电路来实现，该电路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，所述角度传感器的
输出电压与工作电压和角度传感器所测转动角度 成比例。
[0005] 根据所附
权利要求还可以形成其它有利的实施方式。
[0006] 下面，参照所附电路图更详细地介绍本发明的实施方式。
附图说明
[0007] 图1为根据本发明的比率角度传感器的方
框图；和
[0008] 图2为根据图1的角度传感器的详细电路图；
[0009] 其中图号
[0011] 12角度传感器
[0012] 14数字角度传感器
[0015] GND 接地
[0016] OUT 输出信号
[0017] PROG 编程输入
[0018] R1，R2输入分压器
[0019] R4，R5调节18放大率的分压器
[0021] D1，D2，D3过载和反向极性安全
二极管[0022] D4 编程导体不可逆中断的二极管
[0023] SI1 编程导体不可逆中断的安全元件
[0024] V1 输出安全阻抗
[0025] UB 电路的工作电压
[0026] UV 传感器的降低的工作电压
[0027] 具体实施方式
[0028] 图1为根据本发明的比率式角度传感器的简化方框图，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。
[0029] 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的另一个连接端与R2连接，后者的另一个空闲连接端接地(GND)。
[0030] 作为防过载和/或防反向极性的保护，
齐纳二极管D2与R2并联。而后，获得在电阻R1和R2之间降到一半的电源电压。在这个情况下，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＝1/2(+UB)。
[0031] 为了能够保持+UV非常精确恒定不变，且能不受载荷变化的制约，+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，但仍在不受载荷制约的很宽范围内，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可以是此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 006955U1中所介绍的霍
耳效应的
磁性角度传感器。
[0032] 合适的数字角度传感器14是现有技术中人们已知的。
[0033] 为此，模拟角度传感器12提供一种输出信号，该信号与所测角度 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，如果此处已经使用了运算放大器18，那么，该放大器也可以接到0到11V范围的电压上，这样，其可以同时放大传感器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则不得不通过另一个分压器R4和R5来进行。通过
导线连 接的电阻器R4、电阻器R5和运算放大器18组成了驱动电路。为了使该输出信号再次
覆盖0到11V的整个范围，电阻器R4和R5应优选，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。
[0034] 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。
[0035] 输出端OUT可以继续通过限压元件V1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过对运算放大器18的再次调整而得到补偿。 [0036] 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提供所需要的反向极性保护和过载保护。
[0037] 电阻器R1和R2所形成的分压器可以直接连接到+UB上，因为通过运算放大器10的电阻器R1和R2之间的所述分压器的输出端载荷很小，以至于电阻器R1和R2可以选择100kΩ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可确保反向极性保护。
[0038] 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100kΩ范围内的分压器R4和R5的电阻器来避免。
[0039] 最后，通过编程导体PROG来直接控制传感器元件12的输出，以向本电路提供可编程能
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，通过安全元件S 11直接运行连接端PROG和通过在所述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，使得安全元件SI1跳闸，从而迫使所述编程通道中断。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带来任何不利影响。
[0040] 图2示出了根据本发明的类似的比率式角度传感器，然而，该传感器的工作电压在7.5V到9V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1所示的数字角度传感器14和数模转换器的结合形式。
[0041] 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100kΩ，但是电阻器R1的阻值仅为64.9kΩ。因此，电阻R5也必须选择为64.9kΩ，而R4的阻值则依然为100kΩ。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而强制进行的放大率成反比。为此，应总是适用如下公式：R1/R2＝R5/R4，或者，在本案例中，甚至R1＝R5以及R2＝R4。图2还示出了如何通过相应选择电阻器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，实际传感器元件12的工作电压则始终保持在5V±10％。 [0042] 为此，本电路为磁性角度传感器提供了传感器元件和
位置编码磁
铁(后者图中未 示)，首次提供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器特性。这样，在需确定的角度测量范围Φ内的输出信号OUT与电源电压+UB成比例，并与所测角度 成比例，适用公式如下：
[0043]
[0044] 特别是，角度传感器12的信号范围和输出端OUT的输出信号范围在整个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。这可以通过角度传感器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％。 [0045] 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通过程序比例来使用，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道才可在全信号范围分析部分角度。
[0046] 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恒定的，不受所输出信号电压值的制约。此外，通过驱动-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。
[0047] 通过衰减系数为K＜1(图1：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OUT1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和R5组成的分压器而调整到1/K。所述分压器然后产生输出信号Uout，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°可以规定为测量范围Φ。传感器12的内部电源电压UV优选设定为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。
[0048] 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。
[0049] 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±10％。额定电源电压本身可以在7V到40V的范围内调整，其中，优选7V到16V的电压范围。
[0050] 作为传感器元件，不论是数字角度
编码器还是数模转换器都可以按图1所示进行选择，另一方面，也可以使用霍尔或GMR传感器。
[0051] 根据本发明，向传感器元件12提供的均匀电源电压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： [0052] 衰减级R1，R2，10接在传感器元件12的前部，而与之反向的带有放大系数的放大器级R4，R5，18则接到传感器元件的后面。所接通的电源电压+UB首先按系数K(K＜1)进行分配，所述部分电压+UV由运算放大器10进行缓冲，并用作传感器元件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压通过安全电路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之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电压+UB的10％到90％范围内。
[0053] 因此，根据本发明的电路是典型的现有技术电位计的最佳连接相容替换件。 [0054] 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，输出阻抗在反向极性连接的情况下具有限流和/或限压作用。限流阻抗R3(自复位PTC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作为限压元件插装到测量路径内，供电源电压送至运算放大器10的输入端。限流元件(R6)以及限压元件(V1和D3)都插装到信号输出端内。
[0055] 测量范围可以编程为部分角度范围，以便使用整个信号范围。 [0056] 通过确定分压器R1，R2和在运算放大器18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的典型电位计电源电压。
[0057] 另外，根据本发明的这种比率式角度传感器可以根据技术理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。
[0058] 本发明具有如下优点：
[0059] 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(0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/或限流元件作为防护措施，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测量范围。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。
[0060] 机械角度测量范围可以在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。 [0061] 分压器为例如，带有永久性
存储器的电子电位计，或者是通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。
