Das Herzstück der Schaltung bilden zwei integrierte Schaltkreise vom Typ KMZ 51 (Philips). Der Sensor enthält bereits alle Komponenten, die für eine hochempfindliche Magnetfeldmessung benötigt werden, wie eine magnetoresistive Brücke, eine Kompensationsspule (in der Schaltung nicht verwendet) und eine Spule zur Ummagnetisierung der Brücke.

Letztere, im weiteren als Flip-Spule bezeichnet, erfüllt zwei Aufgaben. Zum einen dient sie dazu, die für die hohe Empfindlichkeit des Sensors notwendige Vormagnetisierung auch nach Einwirkung magnetischer Störeinflüsse wiederherzustellen, zum anderen stellt sie eine Möglichkeit dar, den Offset eines nachgeschalteten Differenzverstärkers zu eliminieren. Durch die Flip-Spule kann die Orientierung der Sensorvormagnetisierung und damit auch die Empfindlichkeit des Sensors umgedreht werden. Das heißt, je nach Vorzeichen der Magnetisierung liefert der Sensor ein zur Feldstärke positiv proportionales oder negativ proportionales Signal.

Wird dieses Signal nun einem offsetbehafteten Differenzverstärker zugeführt, so liefert dieser:

Sorgt man nun dafür, daß je ein Meßwert bei positiver und bei negativer Magnetisierung aufgenommen und aus beiden die Differenz gebildet wird, so erhält man:

Obige Überlegungen sind natürlich nur dann richtig, wenn der Verstärker trotz des Offsets im linearen Bereich arbeitet und der Offsetdrift zwischen positiver und negativer Messungen vernachlässigbar klein ist. Der Einsatz eines Differenzverstärkers mit niedriger Offsetspannung ist also trotzdem erforderlich.

2.2 Der verwendete Microcontroler

Zur Verarbeitung der Daten wird ein AT90S4433 (Atmel) verwendet. Die Wahl fiel auf diesen Microcontroler, da er als schneller 8-Bit-RISC-Prozessor mit 32 Registern ausgeführt ist und in einem PLCC 32-Gehäuse bereits den größten Teil der erforderlicher Prozessorperipherie enthält. Dazu gehören unter anderem:

Die einzigen zusätzlichen Komponenten, die für den Betrieb dieses Microcontrolers erforderlich sind, sind ein Quarz mit zwei Kondensatoren.

Stromversorgung

Die Betriebsspannung von 11 bis 16 Volt Gleichspannung liegt an den Pins 1 und 2 an. Diode D1 schützt die Schaltung vor unbeabsichtigter Verpolung, sichert die Ladung auf C4 bei kurzzeitigem Einbruch der Versorgungsspannung und dient bei Kurzschlüssen im weiteren Teil der Schaltung als »Sicherung«. IC 6 stabilisiert die Eingangsspannung auf 8 Volt, die für die Flip-Spule benötigt wird. Da beim Ummagnetisieren des Sensors Stromspitzen bis über 2A auftreten, dient C5 zur Glättung.

Diese Spannung von 8 Volt wird durch IC 7 auf 5 Volt herabgesetzt, und dient dem Logikteil als Versorgung. Die 5 Volt werden außerdem nach der Glättung über ein RC-Glied, bestehend aus R7 und C7 dem Analogteil zur Verfügung gestellt.

Einer der Operationsverstärker in IC 8 dient in Verbindung mit R8, R9, R32 und C17 dazu, um die für die Differenzverstärker benötigte halbe Betriebsspannung zu erzeugen.

Erzeugung der Ummagnetisierungspulse

Das Umschalten der Magnetisierung wird durch den Microcontroler ausgelöst. Dazu werden über den Port B, Pins 0 & 1 zwei Inverter bestehend aus T2, T3, R5, R6, R3 und R4 gesteuert. Diese dienen als Pegelumsetzer von 5 auf 8 Volt. Jeder der beiden Inverter steuert drei CMOS-Schmitt-Trigger-Inverter an, die zur Erhöhung des Ausgangsstromes auch ausgangsseitig parallelgeschaltet sind. Die Gatter treiben eine aus MOS-Transistoren bestehende Endstufe, die dank ihres niedrigen Innenwiderstandes von max. 0.1 W auch bei 8 Volt in der Lage ist, den zum Ummagnetisieren erforderlichen Strom von ca. 2 A durch die Flip-Spule mit ihrem Innenwiderstand von bis zu 5W zu treiben.

Bei dieser Art der Beschaltung ist durch die Firmware sicherzustellen, daß nie beide Transistoren gleichzeitig leitend sind, da dies sonst zu einem Einbruch der Versorgungsspannung und somit zum Neustart des Microcontrolers führen würde.

Das Einschalten der Anordnung ist auch bei unprogrammiertem Microcontroler unbedenklich, da die Ports des Prozessors dann hochohmig sind, T2 und T3 somit sperren, alle Gatterausgänge auf LOW liegen und daher nur der P-Kanal-Fet leitend ist.

Die Spannungsänderung, die beim Umschalten von T1 auftritt, wird durch den Tantalkondensator C1 in einen kurzen Stromimpuls durch die Flip-Spulen von IC1 und IC2 umgesetzt.

Laut Spezifikation der Sensoren muß der Strom durch die Flipspule für mindestens eine Mikrosekunde mindestens 800mA betragen. Dabei darf ein Wert von 1500mA nicht überschritten werden, um Schäden am IC zu vermeiden. Zur Strombegrenzung dienen die Widerstände R13, R14 und R15, sowie R16, R17 und R18, von denen je nach Widerstand der Flipspule, der zwischen 1 und 5 Ohm liegen kann, jeweils zwei oder drei bestückt sind.

Außerdem ist die Verlustleistung der Flip-Spule zu berücksichtigen, die maximal 50mW betragen darf. Unter der Worst-Case-Annahme, daß die Spulenversorgung 9V, der Flip-Spulenwiderstand 5W und daher der Vorwiderstand 3,3W beträgt, ergibt sich die Energie, die aus einer Kondensatorumladung in der Flip-Spule verbleibt zu

Die maximale Meßrate beträgt in diesem Fall 88.6 1/s, da zu einer Messung zwei Umladungen gehören. Dieser Wert wird im normalen Betrieb deutlich unterschritten.

Verstärkung des Sensorausgangssignals

Die Sensoren IC 1 und IC 2 liefern ein zum Magnetfeld proportionales Ausgangssignal von ca. 16 mV/V / kA/m. Das heißt, bei einer Betriebsspannung des Sensors von 5 Volt und einer Feldstärke des Erdmagnetfelds von 50A/m ist mit einem Ausgangsspannungshub von ±4mV bei unbelasteter Brücke zu rechnen. Diese Spannung soll nun auf einen Wert von ±1.25V verstärkt werden. Dazu ist ein Verstärkungsfaktor von 312 erforderlich.

IC 3 enthält zwei Präzisionsoperationsverstärker, die eine Offsetspannung von maximal 150µV, eine Verstärkung von mindestens

und ein niedriges Rauschen aufweisen.

Die Verstärkung dieser Differenzverstärkerstufen beträgt, durch R1, R2, R21 und R25 bzw. R22, R23, R24 und R26 eingestellt 47. Diese niedrige Verstärkung der ersten Stufe stellt einen Kompromiß dar. Dieser ist bedingt durch den Eingangswiderstand, der 100kW nicht unterschreiten sollte, da sonst die Belastung der Brücke (ca. 2kW Innenwiderstand) nicht mehr vernachlässigbar ist und den Gegenkopplungswiderstand, der nicht größer als 4,7MW ausfallen sollte, da sonst der Eingangswiderstand des Operationsverstärkers (ca. 300 MW) ebenfalls nicht mehr vernachlässigbar ist.

Das nun auf ca. 180mV verstärkte Differenzsignal wird erneut je einem Verstärker zugeführt, der augrund seiner Beschaltung eine regelbare Verstärkung zwischen 8.5 und 14.7 aufweist. Dieser Verstärker vom Typ TLC274 (Texas Instruments) besitzt zwar eine höhere Offsetspannung als IC3, diese spielt aber bei dem bereits verstärkten Signal kaum eine Rolle.

Der nun resultierende höhere Verstärkungsfaktor zwischen 400 und 690 hat sich in als sinnvoll erwiesen, da im normalen Anwendungsfall aufgrund der Inklination des Erdmagnetfelds die Magnetfeldlinien gegen die Hauptrichtung der Empfindlichkeit der Sensoren geneigt sind.

Die Kopplung zweier Verstärkerstufen wie im vorliegenden Fall besitzt einige Vorteile. Erstens reichen pro Zweig zwei Operationsverstärker aus, im Gegensatz zu einer Lösung mit einem Instrumentenverstärker, der drei OPs benötigt oder enthält [Elr95]. Zweitens muß hier nur der erste OP eine niedrige Offsetspannung aufweisen, was sich in den Schaltungskosten positiv auswirkt. Drittens ist eine Regelung der Verstärkung bei dieser Beschaltung einfacher, als dies bei einer einzelnen Differenzstufe der Fall wäre. Viertens kann der empfindliche Verstärker an die geglättete analoge Versorgungsspannung von 5 Volt angeschlossen werden und trotzdem erreicht der Ausgang des zweiten OPs einen Hub von mehr als 5 Volt, da er mit +8 Volt versorgt wird.

Die nun verstärkten Signale können über Pin 7 und Pin 8 zu Meßzwecken abgegriffen werden. Pin 9 dient dann als Masse.

Nach einer Glättung der Sensorsignale durch R19 und C15 bzw. R20 und C16, die einen Teil des Rauschens, die Störungen, die durch den Ummagnetisierungspuls entstehen und externe höherfrequente Einstreuungen dämpfen, werden die Spannungen den Multiplexereingängen des AD-Wandlers zugeführt.

Prozessorperipherie

Die rot/grüne Duoleuchtdiode D2 wird als Statusanzeige verwendet. Q1 sorgt in Verbindung mit C2 und C3, sowie dem prozessorinternen Oszillator für die Taktrate von 3.6864 Mhz, die auch zur Erzeugung des Datentakts für die RS232-Schnittstelle dient.

Letztere wird realisiert durch IC10. Der IC vom Typ ICL 232 setzt die vom Prozessor erhaltenen 5 Volt Logikpegel in Spannungen von ±10V um, die der IC mit Hilfe der Kondensatoren C10 bis C13 aus der Betriebsspannung von +5V selbst erzeugt. Außerdem werden ankommende RS232-Pegel in 5V Logikpegel umgesetzt. Der IC besitzt in jeder Richtung zwei Umsetzer, so daß die Signale RX, TX, DTR und DSR realisiert werden konnten.

Kompensationsmaßnahmen

Damit Schwankungen in der Versorgungsspannung nicht zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen, ist der Referenzeingang des AD-Wandlers auch an die Spannungsversorgung des Analogteils gekoppelt. Eine niedrigere Versorgungsspannung führt zu einer Senkung der Sensor-Brückenspannung. Diese wird linear verstärkt und dem Wandler zugeführt. Da aber die Referenzspannung des Wandlers in dem gleichen Maße sinkt, wie die Brückenspannung, wird dieser Fehler eliminiert.

Der Temperaturdrift des Sensors von -0.4%/K spielt ebenfalls keine Rolle, da für die Bestimmung der Richtung nur das Verhältnis der Meßgrößen relevant ist. Dieses bleibt immer konstant, weil sich aufgrund der geringen Entfernung der Sensoren beide gleichmäßig erwärmen. Lediglich die aus den Meßwerten berechnete Qualitätsangabe wird bei Änderung der Temperatur sinken.

2 Funktion der Schaltung