WO2015090426A1 - Integrated sensor evaluation circuit and method for operating said circuit - Google Patents

Integrated sensor evaluation circuit and method for operating said circuit Download PDF

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WO2015090426A1
WO2015090426A1 PCT/EP2013/077517 EP2013077517W WO2015090426A1 WO 2015090426 A1 WO2015090426 A1 WO 2015090426A1 EP 2013077517 W EP2013077517 W EP 2013077517W WO 2015090426 A1 WO2015090426 A1 WO 2015090426A1
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WO
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sensor
signal
evaluation circuit
configuration data
circuit
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PCT/EP2013/077517
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Krüger
Dominik GAUSA
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00Measuring or testing not otherwise provided for
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/7746Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the waveguide coupled to a cavity resonator

Definitions

  • the invention relates to an integrated sensor evaluation circuit having a plurality of signal generators and a processing block for evaluating sensor signals.
  • the invention further relates to a method of operating the same.
  • an array of optical micro-resonance rings (MRR) on an optical bus is arranged on a chip, as it is known for example from DE 20120182552.
  • the optical spectral signal of all MRR sums up or optical spectral components can be decoupled by MRR
  • the MRRs are thermally connected to a respective MRR
  • the individual intensity of the MRR can be measured at each optical spectral step Single sensor, or which Detektionss toff, which is associated with a single sensor, which causes change in the optical signal.
  • the lock-in amplifiers required for such a measuring principle are in principle available on the market, but can usually only generate a reference signal and / or rely on external reference signal generators and can not be synchronized with one another. Synchronization may be required, for example, to measure phase information synchronously at different frequencies. Therefore, only one sensor ring per lock-in amplifier and signal generator can be read out. Therefore, this measuring process has hitherto been carried out by means of complex measuring technology consisting of several signal generators, analog measuring technology and a software for measuring automation and data analysis, as described in [1]. Such a structure is complicated, costly, slow and not applicable for a portable, mobile use of the sensor. Such structures require enormous metrological effort.
  • US4539518 A describes a one-channel structure of a measuring method. This means a signal generator for generating a test signal and a fast Fourier transformation (Fast Fourier Transformation - FFT) evaluation.
  • Fast Fourier Transformation - FFT Fast Fourier Transformation
  • the patent EP2515099 A1 contains a description of an evaluation method of sensor signals and their application. It does not specifically address how this evaluation is performed, but only which signals are generated and which are evaluated.
  • the object of the present invention is therefore to provide a sensor evaluation circuit, so that a sensor signal with respect to several Sensoran Kunststoffsignale can be evaluated and to allow the evaluation while maintaining a phase synchronism between the Sensoran Kunststoffsignalen and additionally between the sensor signal, which at the same time an energy-efficient operation of Sensorauskraschal- device is possible.
  • the essence of the present invention is to have realized that the above object can be achieved by a common signal clock, which is applied to a plurality of signal generators and a signal processing block in an integrated circuit, a phase synchronism of the signal generators with each other and with respect to a signal processing block can allow. Furthermore, an evaluation of the sensor signal with the signal processing block based on configuration data, on which are based also generated by the signal generators Sensoran Kunststoffsignale, allow a faster and phase-synchronous evaluation.
  • the device can be miniaturized so that a digital integrated circuit can be realized which can provide results in real time and have low power consumption
  • an integrated sensor evaluation circuit for evaluating a sensor signal received by a sensor comprises a first connection for connection to the sensor and a second connection for connection to the sensor.
  • the integrated sensor evaluation circuit further comprises a configuration data memory, on which configuration data can be stored, a plurality of signal generators and a signal processing block.
  • the plurality of signal generators and the signal processing block are connected to the configuration data memory.
  • the plurality of signal generators are configured to supply sensor drive signals based on configuration data, the signal characteristics describe multiple Sensoran Kunststoffsignale and stored on the configuration data memory to provide.
  • the signal processing block is connected to the configuration data memory and configured to receive the sensor signal based on the plurality of sensor drive signals and to evaluate the received sensor signal based on the configuration data.
  • the signal processing block is further configured to provide an evaluation result.
  • the plurality of signal generators and the signal processing block are configured to receive a common clock signal, so that a phase synchronism between the plurality of signal generators and the signal processing block can be established.
  • An advantage of this embodiment is that a common signal clock, which is used to ensure the phase synchronism, a complex wiring between see the signal generators and / or the signal processing block can replace and a phase-synchronous evaluation of the sensor signal is made possible with respect to several Sensoran Kunststoffsignale.
  • the integrated sensor evaluation circuit comprises a clock, which is designed to provide the common signal clock.
  • An advantage of this embodiment is that can be dispensed with an arrangement of an external clock generator and a wiring between the clock generator and the signal evaluation circuit.
  • the signal processing block is configured to emulate the sensor drive signals of the signal generators.
  • An advantage of this embodiment is that providing the configuration data or the signal properties for the signal processing block allows parameterization of Signalan Kunststoffsignale, so that can be dispensed with a transfer of Sensoran Kunststoffsignale from the signal generators to the signal processing block and a current adjustment of Sensoran Kunststoffsignale with the clock , This allows a reduced computational effort and thus a faster, possibly in real time, calculation or provision of the evaluation result.
  • a sensor drive signal For example, it may be sufficiently parameterized by the frequency if an amplitude is standardized and a phase position of the common signal clock is determined.
  • the sensor evaluation circuit has a terminal configured to receive a user input or an external control signal.
  • the sensor evaluation circuit is configured according to the exemplary embodiment to program the plurality of signal generators based on the user input or based on the external control signal or to change the configuration data based on the user input or the external control signal.
  • the sensor of a sensor system comprises a plurality of optical resonators.
  • the sensor drive signals are designed to modulate optical properties in the plurality of signal generators.
  • the sensor evaluation circuit is configured to supply an excitation signal by means of a connection to the sensor, wherein the sensor is configured to drive the plurality of optical resonators with a carrier signal which is based on the excitation signal.
  • the plurality of optical resonators are configured to change the carrier signal based on a sensor parameter and based on one of the plurality of modulation signals.
  • the sensor is configured to provide the sensor signal based on the changed carrier signal.
  • the sensor evaluation circuit is configured to receive the sensor signal at a terminal.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an integrated sensor evaluation circuit for evaluating a sensor signal received by a sensor
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a further integrated sensor evaluation circuit which, compared to the integrated sensor evaluation circuit from FIG. 1, has a third connection for connection to a sensor and a drive circuit;
  • FIG. 3 is a schematic block diagram of a sensor evaluation circuit having an amplifier circuit
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of a sensor system with the integrated sensor evaluation circuit connected to the sensor.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an integrated sensor evaluation circuit 10 for evaluating a sensor signal 14 received by a sensor 12.
  • the integrated sensor evaluation circuit 10 comprises a configuration data memory 16, a plurality of signal generators 18 and a signal processing block 22.
  • the plurality of signal generators 18 and the signal processing block 22 are connected to the configuration data memory 16 and configured to operate with a common signal clock 24, ie, to receive a common clock signal with the signal clock 24, so that operations such as generation of signals by the plurality of signal generators 18 or signal processing in the signal processing block 22 are synchronous with the signal clock 24.
  • Each of the plurality of signal generators 18 is configured to provide, based on configuration data in the configuration data memory 16, sensor drive signals 26a-c configured to drive the sensor 12.
  • the plurality of signal generators 18 are connected to a first terminal 28a of the integrated sensor evaluation circuit 10.
  • the sensor activation signals 26a-c are applied to the first connection 28a, so that the sensor 12 can be activated by means of the sensor activation signals 26a-c when the sensor 12 is connected to the first connection 28a.
  • the sensor 12 may be, for example, an array of optical micro-resonant rings (MRR) disposed on an optical bus.
  • the sensor drive signals 26a-c may, for example, be modulation signals for a thermal modulation of the MRR of the sensor 12.
  • the sensor signal 14 may, for example, be an output signal which is based on a carrier signal of the sensor 12 which is influenced or modulated by the MRR.
  • the integrated sensor evaluation circuit 10 includes a second terminal 28b for receiving the sensor signal 14.
  • the configuration data may include parameters of the sensor drive signals 26a-c, such as frequency, Phaseniage and / or an amplitude.
  • the signal processing block 22 is connected to the second terminal 28 b and configured to evaluate the received sensor signal 14 based on the signal clock 24 and the configuration data of the configuration data memory 16 and to provide an evaluation result 32.
  • the evaluation result 32 may be provided at an output 28e to be received by an external device. Alternatively or additionally, the evaluation result 32 can also be stored in a memory of the integrated sensor evaluation circuit 10.
  • the signal processing block 22 may be configured to evaluate the sensor signal 14 based on a lock-in method and / or a frequency evaluation method such as a Fast Fourier Transformation (FFT).
  • the lock-in method is a phase-sensitive method in which a received signal, such as the sensor signal 14, is correlated with a reference signal. The correlation may comprise a multiplication of the (noisy) sensor signal with the reference signal.
  • a result value of an in-phase multiplication may be a value which corresponds to or can be assigned to an amplitude of the signal component to be amplified by means of the lock-in method in the sensor signal.
  • a result of the lock-in method is dependent on a phase position between the reference signal and the signal to be evaluated.
  • the or one of the optical resonance rings is, for example, designed to decouple a subregion of the wavelength range and to superimpose it as an interference signal on the carrier signal.
  • a phase shift between the carrier signal and the interference signal can lead to destructive interference in the subarea.
  • the destructive interference leads to a reduced signal amplitude in the corresponding wavelength range, which can be represented by a negative Gaussian curve.
  • a reduction of the signal amplitude can be detected by the integrated sensor evaluation circuit.
  • a measurement may be referred to as a detection of the sensor signal influenced by the resonant rings over a measurement period.
  • Comparability of several measurements with each other can be achieved by establishing a phase relationship between the measurements.
  • the phase relationship may, for example, be a constant phase offset of the modulators, ie of the signal generators 18.
  • a single measurement to be linked with others may, for example, be a measurement one or more optical resonance rings at two or more different times.
  • the measurements may also be measurements of two or more sensors which have a plurality of optical resonance rings or other sensor elements.
  • a phase measurement or a phase offset which is constant between the measurements, for example from 0 ° or another angle, makes it possible to compare the measurements.
  • phase information By maintaining the phase information, it can be achieved that a single or a comparatively large number of measurements can be reproduced, since the phase information can provide information about a relationship or dependence between a sensor input signal and the sensor output signal.
  • the sensor input signal may be, for example, an excitation in the form of a carrier signal or a modulation signal for influencing sensor elements.
  • an achieved measurement result is independent of a measuring device.
  • a faulty phase position between the sensor signal 14 and the reference signal of the lock-in method can lead to a faulty measurement result or evaluation result.
  • a joint loading of the plurality of signal generators 18 and the signal processing block 22 with the signal clock 24 allows a correct phase position and thus correct measurement and evaluation results.
  • the reference signal for the lock-in method may, for example, be one of the sensor drive signals 26a-c, a combination of the sensor drive signals 26a-c or the like.
  • the signal processing block 22 may be configured to emulate the sensor drive signals 26a-c of the plurality of signal generators 18 so that the sensor drive signals 26a-c may be present in the signal processing block 22, even if a tap of the sensor drive signals 26a-c is omitted.
  • the plurality of signal generators 18 may, for example, be implemented in the form of counters or corresponding functions implemented in software which, according to a counter value, signal a signal edge to a value of a logical "0" or a value of a logical "1" (high-low Clock).
  • an amplitude of the sensor drive signals 26a-c may be normalized to a voltage level of the integrated sensor evaluation circuit 10, such as 1, 3.5, 5, or 7 volts, and only in terms of frequency and / or duty cycle (duty cycle) ) differentiate the pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • An advantage of this embodiment is that an implementation of a plurality of evaluation circuits, such as lock-in amplifiers and ensuring phase synchronization, is made possible in an integrated circuit. Furthermore, it is possible to dispense with the transmission of a reference signal since the operations of individual function blocks, for example of the signal processing block 22 and of the signal generators 18, are based on the common signal clock 24.
  • the integrated signal evaluation circuit 10 may also be referred to as an electronic front-end for thermal modulation lab-on-chip systems.
  • the integrated sensor evaluation circuit 10 may be implemented as an FPGA or microcontroller, in which the first and / or second terminal 28a or 28b is a pin of the controller or the circuit.
  • Sensor parameters that is to say parameters which can be detected by the sensor 12, can be, for example, substances or a substance concentration which come into contact with one or more optical resonators of the sensor 12. Alternatively or additionally, the parameters may also be chemical properties or physical properties or optical properties of the substance. If the substance associated with the sensor 12 includes a property or component for which or for which the sensor 12 is sensitive, then a resonant frequency of the optical resonant ring may be altered.
  • a signal amplitude of the carrier signal or in the sensor signal 14 can be reduced based on a phase shift between the carrier signal and the interference of the optical resonant ring in the wavelength range.
  • a modulation such as a thermal modulation
  • a shift of the destructive interference ie a shift of the wavelength range, in the wavelength or frequency range
  • a shift in resonance can be measured.
  • the signal processing block can have knowledge of an application of the sensor drive signals 26a-c.
  • the measurement, d. H. the detection of a modulation reaction can take place in a defined time.
  • the defined time may vary depending on the modulation frequencies, i. H. the frequencies of the sensor drive signals 26a-c, be arbitrary.
  • a detection of the sensor signal 14 can take place over the duration of a defined number of periods of one of the modulation signals, for example the one with the lowest (or middle or highest) frequency. If the lowest modulation frequency is, for example, 20 kHz and a number of 20 periods is detected, the result is a measurement duration of 1 ms.
  • a reduced number of detected periods and / or an increased (eg lowest) frequency of the sensor drive signals 26a-c can lead to a reduced measurement duration.
  • the defined number of detected periods or the time of the resulting period durations may correspond to a minimum (for example, 1-fold) or other multiple of the frequency or period duration of the sensor drive signals 26a-c.
  • the measurement duration can also be determined by a time for acquiring a defined number of measured values, for example 2,048, 4,096, or 8,192, or another number of measured values used, for example, for an FFT.
  • a number of periods and / or a modulation or measurement frequency can be arbitrary.
  • the knowledge of the signal processing block 22 via the sensor drive signals 26a-c enables a coordinated control of the light source 42 and the detection of the measured values, so that the sensor 12-1 or substances or materials that are detected by the sensor 12-1 only briefly , are essentially influenced during the measurement.
  • a wavelength ⁇ of the light source 42 can be varied over several measurements.
  • a varying wavelength ⁇ may result in excitation of different resonant rings and / or destructive interference in different wavelength ranges. In other words, a short-term influence on the sensor is made possible during the measurement.
  • a short-term influence on the sensor may be advantageous if materials or substances to be detected by the sensor 12, for example bacteria, are to be influenced only briefly, for example if a lasting influence of bacterial colonies by a thermal modulation is undesirable or disadvantageous for the materials or substances ,
  • the measuring duration can be arbitrary, ie any short or long.
  • the, possibly destructive, interference of the micro-resonance rings 38a-d may have a varying phase position with a phase offset. Based on the common signal clock 24, the phase offset can be kept constant and possibly set to zero.
  • a course of the phase position of the micro-resonance rings 38a-d can be detected and provided with the measurement result 32 or derived therefrom.
  • This allows, for example, a representation of a graph representing the course of the sensor signal as a function of the varying phase position.
  • the representation can take place, for example, in an external device which receives the measurement result 32.
  • the representation can take place, for example, in a form A * sin (cp), where A is the amplitude of the sensor signal 14 and ⁇ is the angle of the phase position.
  • the representation can be called a phase curve. This allows a detection of a sign change of the function. Alternatively, any other function may be used.
  • changes in the amplitude or of the amplitude sign designated as rotation can also be detected via derivative functions and / or observations of different periods.
  • the common signal clock 24 allows comparability of different measurements.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of an integrated sensor evaluation circuit 20 which, compared to the integrated sensor evaluation circuit from FIG. 1, has a third connection 28c for connection to a sensor 12-1 and a control circuit 34.
  • the drive circuit 34 is connected to the configuration data memory 16 and the third terminal 28c and configured to generate an excitation signal 36 configured to drive the sensor, i. H. enable the sensor to provide an optical signal based on the drive signal 36.
  • the drive circuit 34 may also be referred to as an optical module.
  • the sensor 12-1 includes a plurality of micro-resonance rings 38a-d.
  • the excitation signal 36 is configured to drive a light source 42, such as a laser or a high power LED, which provides an input signal or carrier signal for an optical bus of the sensor 12-1, and hence the MRR 38a-d.
  • the sensor drive signals 26a-c are modulation signals for the MRR 38a-d for implementing a thermal modulus. lation.
  • the sensor 12-1 further includes a photoelement 44 configured to receive the modulated carrier signal and provide the sensor signal 14-1 in an analog form.
  • the integrated sensor evaluation circuit 20 further comprises an analog-to-digital converter (ADC) 46, which is configured to digitize the analog sensor signal 14-1.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the ADC 46 is further configured to receive the common signal clock 24 and to perform the conversion of the sensor signal 14-1 based on the common signal clock 24, so that the digitized sensor signal 14-1 is also present in phase synchronization and from a signal processing block 22-1 can be received.
  • the integrated sensor evaluation circuit 20 further comprises a result memory 48, which is connected to the signal processing block 22-1 and configured to receive the output value result 32 and to store.
  • the integrated sensor evaluation circuit 20 further comprises a digital interface 52 and a fourth connection 28 d, which is connected to the interface 52.
  • the interface 52 is further connected to the result memory 48, so that an evaluation result 32 stored in the result memory 48 can be output via the interface 52 and the fourth output 28d.
  • An output evaluation result 32 can be provided, for example, via a user interface (UI) of an external device, such as a computer, a printer, a monitor, or a device for contacting an external memory, such as USB memory.
  • UI user interface
  • the sensor evaluation circuit 20 is designed to receive a user input or an external control signal via the fourth terminal 28d and, after a conversion of the external control signal or the user input in the interface 52, the configuration data in the configuration data memory 16 based on the user input or the external control signal to change.
  • a user input or an external control signal may, for example, be a selection of a type or operating state of the sensor 12-1 and input via the user interface 54.
  • the external control signal may also be applied to the fourth port 28d via another device, such as a computer.
  • the sensor drive signals 26a-c may depend on the type or condition of the sensor 12-1.
  • a frequency of one or more sensor output signals 26a-c of materials or substances to be detected by the sensor 12-1 so that the frequency or PWM duty cycle of the sensor drive signals 26a-c may depend on the user input.
  • the state can be, for example, a type, sum or combination of materials whose presence is to be checked with the sensor 12-1.
  • the state may thus describe an operation or operating state of the sensor 12-1, which is influenced by materials or substances or a combination thereof, with which the sensor 12-1 is brought into connection.
  • the integrated Sensorauskraschal- device 20 can be adapted to different modes without this leading to increased wiring complexity.
  • the sensor 12-1 can be changed, the change can be communicated via the user interface 54 of the integrated sensor evaluation circuit 20, and an operation thereof can be continued.
  • a type or a type of the sensor 12-1 be carried out by an automated query or an automatically generated message (signal). If the sensor signal 14-1 is, for example, a digital signal, then a type, a type or an operating state of the sensor 12-1 can be integrated into the digital messages so that an adaptation of the configuration data in the configuration data memory 16 takes place via the sensor signal 14-1 can.
  • Fig. 2 shows an integration of a measurement setup in a highly integrated electronic front-end, which generates the signals that are necessary for the measurement and automatically performs a correlation with the signal to be measured.
  • the required measured values of the individual sensors ie the MRR
  • This can be done by a parallel generation of Sensoran Kunststoffsignale 26a-c by means of digital logic.
  • a digital signal instead of an analog reference signal, a digital signal, for example a square-wave signal, can be used for thermal modulation of the sensor. Due to the digital signal processing and the low-pass behavior of the heating elements and / or additional filters, the harmonic waves can be suppressed. By this physical behavior, the circuit complexity can be greatly reduced.
  • sensor evaluation circuits can be implemented to realize an energy-efficient and small-sized function of a multi-reference lock-in amplifier.
  • the number of reference channels is variable, which means that a basic structure of the integrated sensor evaluation circuits can remain unchanged by a varying number of optical sensors on the chip or the sensor.
  • the reference signals, d. H. the sensor drive signals 26a-c are generated by means of the plurality of signal generators 18, which receive the respective data from the configuration data memory 16.
  • Several signal generators 18 can be instantiated in order to be able to operate a corresponding number of sensors (MRR).
  • the signal generators 18 are synchronized with each other with respect to their phase position.
  • the output of the reference signal takes place to the chip of the multi-ring resonator, that is to say of the sensor 12-1.
  • the change in the configuration of the plurality of signal generators 18 or other parts of the integrated sensor evaluation circuit 20 may, for example, if the integrated sensor evaluation circuit comprises an FPGA such that the FPGA is reconfigured. A number of implemented signal generators 18 may be redetermined by reconfiguration.
  • a change in the integrated sensor evaluation circuit can also take place during operation, for example by changing a signal frequency of one or more signal generators or configuration data during a running operation of the integrated sensor evaluation circuit.
  • a readout of the sensor signal 14-1 can be carried out such that via a photoelectric converter, such as a photodiode, an analog voltage is measured according to the amplitude of the optical signal, that is, the signal of the sensors (MRR) is optically present , This voltage can be connected via an amplifier to the analog-to-digital Transducer 46 are connected, which digitizes the signals. The digitization is carried out in phase synchronization with the reference signals.
  • the signal processing that is, the signal processing block 22-1, the signals are correlated with the sensor drive signals 26a-c. As a result, the signals can be assigned to the individual optical rings 38a-d and separated.
  • the measurement results are stored in a memory 48.
  • the structure of the sensor evaluation circuit can be configured and the measured data can be read out.
  • a human-machine interface 54 controls the measurement and the output of the measured data.
  • the structure of the sensor evaluation circuit 20 can be designed based on purely digital electronics and thus replace a complex (analog-technical) measurement setup. This allows the use of the sensor chip in a portable, possibly battery-powered, application.
  • the measurement is carried out by parallel generation of the reference signals and parallel measurement processes much faster than in a discrete structure.
  • An expense for the external evaluation can be drastically reduced or accelerated by a described pre-analysis, such as an FFT in the signal processing block 22-1 over known methods and devices. Acceleration makes it possible to perform real-time measurements.
  • Real-time measurements describe measurement processes which deliver a sensor result over a period of time that is such that a process step following the evaluation of the measurement result can be carried out without a time delay.
  • the integrated sensor evaluation circuit 20 can be used, for example, as an evaluation unit for portable MRR array sensors in the form of a point-of-service device for chemical or biochemical analysis of samples. Furthermore, it is conceivable that such an arrangement is used as a portable device for substance detection in solids, liquids or in the air.
  • an application of the sensor evaluation circuit depends on the properties of the sensor, for example an activation layer of the optical ring resonators.
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of a sensor evaluation circuit 30 having an amplifier circuit 56 with an input side and an output side. On the input side, the amplifier circuit 56 with the plurality of signal generators 18 and connected on the output side to the first terminal 28a.
  • the amplifier circuit 56 is designed to receive and amplify the sensor drive signals 26a-c, so that the sensor drive signals, in addition to an independent frequency, can also have the same or individual signal amplitude or signal power, which is sufficiently large, for example for optical ring resonators provide thermal power.
  • An amplification factor for controlling the amplifier circuit or the amplification of the sensor drive signals 26a-c may be part of the configuration data.
  • the integrated sensor evaluation circuit 30 also has a converter circuit 58, which is connected to the drive circuit 34 and an optical emitter 62 of the integrated sensor evaluation circuit 30.
  • the converter circuit 58 is designed to receive the excitation signal 36 and to transform it such that the optical emitter 62, for example a laser (monochromatic or tunable) or a light source 42, emits an optical signal which is transmitted via the third connection 28c to a sensor 12. 2 can be issued.
  • the sensor 12-2 has an optical input 62 configured to receive the optical signal from the third port 28c.
  • a connection between the third terminal 28c and the sensor input 62 can be provided for example via an optical waveguide.
  • the converter circuit 58 may also be part of the drive circuit 34.
  • the integrated sensor evaluation circuit 30 further includes an internal clock 64, such as a system clock or a quartz element, configured to provide the common signal clock 24.
  • the integrated sensor evaluation circuit 30 may also be connected to an external clock generator, for example when the internal evaluation circuit 30 is a microcontroller having a clock input.
  • the external clock may, for example, be arranged on the same board as the corresponding microcontroller.
  • the amplifier circuit 56 may further include an analogizer configured to receive the sensor drive signals 26a-c in the form of digital square wave signals and to convert them to analog waveforms, such as a sine wave or a continuous time varying signal.
  • the analogizer is designed, for example, to convert the discrete signal stages into continuous signal levels by means of capacitors, coils and / or resistors.
  • An advantage of an analog signal form is that a generation of signal harmonics can be reduced by a system of analog signals and a measurement accuracy can be increased. This can be For example, be advantageous if a sensor connected to the integrated Sensorauswerteschari sensor elements, which have a lower or substantially lower inertia compared with optical resonance rings with a thermal inertia.
  • inertia can be understood to mean that a continuous or discontinuous change in a signal level at an input with delay causes a continuous change in a signal level of an output signal, as is the case, for example, in a charging curve of an electrical capacitor.
  • the sensor 12-2 is connected to the integrated sensor evaluation circuit 30 via a common signal line 66, which is designed to transmit a plurality of sensor drive signals 26a-c in common.
  • the common signal line 66 may be, for example, a multi-core cable in which a sensor drive signal 26a-c is transmitted via an individual wire.
  • the common signal line 66 has electrical or optical transmission links which are used in a frequency or time-division multiplexing method by a plurality of sensor drive signals 26a-c.
  • a signal processing block 22-2 of the integrated sensor evaluation circuit 30 has a buffer memory 68 which is designed to latch a plurality of values of the sensor signal 14-2 or the digitized values of the sensor signal 14-2. This can be advantageous, for example, when carrying out an FFT (Fast Fourier Transformation) if a certain number of, for example, 4,000, 8,000 or 16,000 measured values are stored and processed in a common FFT evaluation in the signal processing block 22-2.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the integrated sensor evaluation circuit 30 can be supplied, for example via a battery and a DC electrical voltage with electrical energy, so that one of a network connection independent portable, mobile operation is possible. Alternatively or additionally, the integrated sensor evaluation circuit 30 can be supplied with electrical energy via a mains connection and an electrical alternating voltage.
  • the sensor system 40 may be, for example, a chip, a circuit board or another system in which the integrated sensor evaluation circuit 10 is arranged in common with the sensor 12.
  • the sensor system 40 may include a circuit, a chip, a device or a system that invariably expands the sensor 12 through the integrated sensor evaluation circuit 10.
  • the sensor system 40 may be a lab-on-chip device, in which the sensor 12 is supplemented with an evaluation circuit 10.
  • the sensor system 40 may comprise another sensor.
  • the sensor system 40 may comprise a different sensor evaluation circuit.
  • the sensor system 40 may comprise a common housing in which the sensor evaluation circuit 10 and the sensor 12 are arranged.
  • the sensor system 40 may be configured such that the sensor 12 comprises a plurality of optical resonators.
  • the sensor drive signals may be modulation signals for changing optical characteristics of the plurality of optical resonators.
  • the integrated sensor evaluation circuit 10 includes the third terminal 28c and is configured to supply the excitation signal 36 to the sensor 12 via the third terminal 28c.
  • the sensor 12 is designed to drive the plurality of optical resonators with a carrier signal based on the excitation signal 36.
  • the plurality of optical resonators may be configured to change the carrier signal based on a sensor parameter and based on one of the plurality of modulation signals.
  • the sensor 12 is configured to provide the sensor signal 14 based on the changed carrier signal.
  • the integrated sensor evaluation circuit 10 is designed to receive the sensor signal at the second terminal 28b.
  • the sensor system 40 is configured such that the signal processing block of the integrated sensor evaluation circuit 10 is a lock-in amplifier configured to obtain information on the change of the carrier signal based on a correlation of the plurality of sensor drive signals and the sensor signal 14.
  • the change in the carrier signal may be based on a change in resonant frequencies and / or resonant wavelengths of optical resonant rings.
  • the change in resonant frequencies and / or wavelengths may be due to contact of a respective resonant ring with a substance, gas or material for which the resonant optical ring is sensitive.
  • the signal processing block has always been described as having the signal processing block configured to perform a lock-in procedure, the signal processing block may alternatively or additionally be configured to perform other signal amplification methods, such as a chopper method.
  • sensors with optical resonance rings it is also conceivable to evaluate optical sensors, resistive sensors, inductive or capacitive sensors by means of the integrated sensor evaluation circuits.
  • sensors for detecting inductive or capacitive measuring objects can also be arranged.
  • an arranged sensor is designed to detect properties of a bacterial or cell colony (such as a germ or cell density), for example by an impedance measurement or a capacitance measurement of a material having a corresponding colony.
  • a corresponding sensor is designed to detect a temperature or an air conductance.
  • the sensor may alternatively or additionally also be a microinert sensor, for example for detecting gyroscopic effects or accelerations.
  • the sensors used may be configured to provide sensor signals based on thermal modulation of sensor elements or components.
  • another modulation for example an amplitude modulation or a frequency modulation, can be used to separate or differentiate individual signal components.
  • a use of a modulation can also be dispensed with, for example if different sensors or sensor elements are designed to operate in different operating ranges, such as wavelength ranges of optical sensors or frequency ranges of capacitive sensors.
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device. Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software.
  • the implementation can using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk or other magnetic or optical memory are stored on the electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
  • some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
  • embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
  • inventions include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
  • a further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform one of the methods described herein.
  • the methods are performed by any hardware device. This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.

Abstract

Sensor evaluation device and method for operating said device Integrated sensor evaluation circuit for evaluating a sensor signal (14) received from a sensor (12), having a first connection (28a) for connection to the sensor and a second connection (28b) for connection to the sensor. The integrated sensor evaluation circuit comprises a configuration data memory (16) for storing configuration data which describe signal properties of a plurality of sensor control signals (26a-c). The integrated sensor evaluation circuit also comprises a plurality of signal generators (18) which are connected to the configuration data memory and to the first connection and are designed to each provide a sensor control signal on the basis of a common signal clock (24) and the configuration data. The integrated sensor evaluation circuit also comprises a signal processing block (22) which is connected to the configuration data memory and to the second connection. The signal processing block is designed to receive the sensor signal which is applied to the second connection and is based on the plurality of sensor control signals. The signal processing block is also designed to evaluate the received sensor signal on the basis of the signal clock and the configuration data in order to provide an evaluation result (32).

Description

Integrierte Sensorauswerteschaltung und Verfahren zum Betrieb derselben  Integrated sensor evaluation circuit and method of operating the same
Beschreibung description
Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Sensorauswerteschaltung mit einer Mehrzahl von Signalgeneratoren und einem Verarbeitungsblock zum Auswerten von Sensorsignalen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb derselben. The invention relates to an integrated sensor evaluation circuit having a plurality of signal generators and a processing block for evaluating sensor signals. The invention further relates to a method of operating the same.
Für Anwendungen im Bereich„Westentaschenlabor", auch Chip-Labor oder Lab-on-Chip, wird auf einem Chip, wie er beispielsweise aus DE 20120182552 bekannt ist, ein Array optischer Mikro-Resonanz-Ringe (MRR) an einem optischen Bus angeordnet. Das optisch spektrale Signal aller MRR summiert sich bzw. optisch spektrale Anteile können durch MRR ausgekoppelt werden. Um nun aus dem sich ergebenden optischen spektralen Gemisch die einzelnen optisch spektralen Signale den jeweiligen Einzelsensoren (MRR) zuordnen zu können, werden die MRR thermisch mit einer jeweiligen Modulationsfrequenz moduliert. Dadurch schwingen die jeweiligen optisch spektralen Signale der MRR mit den Modulationsfrequenzen. Durch eine frequenzspektrale Analyse der optischen Signalstärke kann nun bei jedem optisch spektralen Schritt die Einzelintensität der MRR gemessen werden. Durch die jeweilige Modulationsfrequenz kann zurückgeschlossen werden, welches Signal und damit welcher Einzelsensor, bzw. welcher Detektionsstoff, der einem Einzelsensor zugeordnet ist, welche Veränderung in dem optischen Signal bewirkt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in [1] beschrieben. For applications in the field of "Westentaschenlabor", also chip lab or lab-on-chip, an array of optical micro-resonance rings (MRR) on an optical bus is arranged on a chip, as it is known for example from DE 20120182552. The optical spectral signal of all MRR sums up or optical spectral components can be decoupled by MRR In order to be able to assign the individual optical spectral signals to the respective individual sensors (MRR) from the resulting optical spectral mixture, the MRRs are thermally connected to a respective MRR By modulating the frequency of the MRR with a frequency-spectral analysis of the optical signal strength, the individual intensity of the MRR can be measured at each optical spectral step Single sensor, or which Detektionss toff, which is associated with a single sensor, which causes change in the optical signal. Such a method is described, for example, in [1].
Die für ein derartiges Messprinzip benötigten Lock-In Verstärker sind prinzipiell am Markt verfügbar, können jedoch meist nur ein Referenzsignal generieren und/oder sind auf externe Referenzsignalgeneratoren angewiesen und können untereinander nicht synchronisiert werden. Eine Synchronisierung kann erforderlich sein, um beispielsweise Phasenin- formationen synchron bei unterschiedlichen Frequenzen zu messen. Deshalb ist lediglich ein Sensorring pro Lock-In Verstärker und Signalgenerator auslesbar. Daher wird dieser Messvorgang bisher mittels aufwendiger Messtechnik bestehend aus mehreren Signalgeneratoren, analoger Messtechnik sowie einer Software zur Messautomation und Datenanalyse durchgeführt, wie es in [1] beschrieben ist. Ein derartiger Aufbau ist aufwendig, kostenintensiv, langsam und für einen tragbaren, mobilen Einsatz des Sensors nicht anwendbar. Derartige Aufbauten erfordern einen enormen messtechnischen Aufwand. Mehrere Signalgeneratoren und analoge Messtechnik, wie etwa Laser-Controller oder Verstärker zur Verstärkung von Signalen, die von Photo-Dioden bereitgestellt werden, sowie eine zur Messautomation und Datenanalyse benötigte Software muss bislang verwendet werden, um eine Frequenz- und Phasenmessung mit mehreren Messkanälen mittels Lock-In Technik zu realisieren. Diese Technik ist für einen portablen Einsatz ungeeignet. Ferner weisen die Aufbauten lange Berechnungszeiten. Vereinfacht ausgedrückt sind die Aufbauten, um Messungen in Echtzeit zu gewährleisten, um einen Faktor 10 zu langsam, siehe [1]. The lock-in amplifiers required for such a measuring principle are in principle available on the market, but can usually only generate a reference signal and / or rely on external reference signal generators and can not be synchronized with one another. Synchronization may be required, for example, to measure phase information synchronously at different frequencies. Therefore, only one sensor ring per lock-in amplifier and signal generator can be read out. Therefore, this measuring process has hitherto been carried out by means of complex measuring technology consisting of several signal generators, analog measuring technology and a software for measuring automation and data analysis, as described in [1]. Such a structure is complicated, costly, slow and not applicable for a portable, mobile use of the sensor. Such structures require enormous metrological effort. Several signal generators and analogue measurement technology, such as laser controllers or amplifiers for amplifying signals provided by photo diodes, as well as a software required for measurement automation and data analysis must hitherto be used to lock a frequency and phase measurement with multiple measurement channels -In technology to realize. This technique is unsuitable for portable use. Furthermore, the structures have long calculation times. In simple terms, the structures are too slow by a factor of 10 to ensure real-time measurements, see [1].
Die US4539518 A beschreibt einen ein-Kanal-Aufbau eines Messverfahrens. Dies bedeutet einen Signalgenerator zum Erzeugen eines Testsignals und eine schnelle Fourier- Transformation (Fast Fourier Transformation - FFT) Auswertung. US4539518 A describes a one-channel structure of a measuring method. This means a signal generator for generating a test signal and a fast Fourier transformation (Fast Fourier Transformation - FFT) evaluation.
Die Patent EP2515099 A1 enthält eine Beschreibung einer Auswertemethode von Sensorsignalen und deren Anwendung. Dabei wird nicht spezifisch darauf eingegangen, wie diese Auswertung vollzogen wird, sondern nur welche Signale erzeugt und welche ausgewertet werden. The patent EP2515099 A1 contains a description of an evaluation method of sensor signals and their application. It does not specifically address how this evaluation is performed, but only which signals are generated and which are evaluated.
Die Veröffentlichung „Digital Lock-in Algorithm for Biomedical Spectroscopy and Imaging Instruments with Multiple Modulated Sources" (Masciotti, James M. Dept. of Biomed. Eng., Columbia Univ., New York, NY Lasker, Ü.M.; Hielscher, A.H.; Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. EMBS Ό6. 28th Annual International Conference of the IEEE) beschreibt eine Auswertung von multiplen Signalen via Lock-in Verfahren. Dies beinhaltet Signalgeneration und Auswertung mit einer seriellen Auswertelogik. The publication "Digital Lock-in Algorithm for Biomedical Spectroscopy and Imaging Instruments with Multiple Modulated Sources" (Masciotti, James M. Dept. of Biomed. Eng., Columbia Univ., New York, NY Lasker, TM, Hielscher, AH, Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. EMBS Ό6th 28th Annual International Conference of the IEEE) describes an evaluation of multiple signals via lock-in procedures, including signal generation and evaluation with serial evaluation logic.
Die Veröffentlichung„Digital field programmable gate array-based lock-in amplifier for high-performance photon counting applications" (Resteiii, A.; Department of Electronics and Information Technologies, Politecnico di Milano, Piazza Leonardo da Vinci 32, Milano, MI 20133, Italy, Abbiati, R. ; Geraci, A.; Review of Scientific Instruments (Volume: 76, Issue: 9)) beschreibt die Nutzung von in FPGA eingebettete Lock-in Methode zur Messung von Photonen. Es wird eine kostengünstige hohe Rechenleistung der FPGAs in diesem Gebiet erwähnt. Wünschenswert wäre demnach ein Konzept zur Auswertung von Sensorsignalen, welches eine schnelle Auswertung des Sensorsignals bezüglich mehreren Sensoransteuersignalen ermöglicht und gleichzeitig einen energiesparenden Betrieb ermöglicht. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Sensorauswerteschaltung zu schaffen, so dass ein Sensorsignal bezüglich mehrerer Sensoransteuersignale auswertbar ist und die Auswertung unter Beibehaltung einer Phasensynchronität zwischen den Sensoransteuersignalen und zusätzlich zwischen dem Sensorsignal zu ermöglichen, wobei gleichzeitig ein energieeffizienter Betrieb der Sensorauswerteschal- tung ermöglicht wird. The publication "Digital field programmable gate array-based lock-in amplifier for high-performance photonics counting applications" (Resteiii, A .; Department of Electronics and Information Technologies, Politecnico di Milano, Piazza Leonardo da Vinci 32, Milano, MI 20133, Italy, Abbiati, R.; Geraci, A. Review of Scientific Instruments (Volume: 76, Issue: 9)) describes the use of FPGA-embedded lock-in photon measurement technology to provide high-cost, high-performance FPGA computing mentioned in this area. It would therefore be desirable to have a concept for the evaluation of sensor signals, which enables a rapid evaluation of the sensor signal with respect to a plurality of sensor drive signals and at the same time enables energy-saving operation. The object of the present invention is therefore to provide a sensor evaluation circuit, so that a sensor signal with respect to several Sensoransteuersignale can be evaluated and to allow the evaluation while maintaining a phase synchronism between the Sensoransteuersignalen and additionally between the sensor signal, which at the same time an energy-efficient operation of Sensorauswerteschal- device is possible.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass ein gemeinsamer Signaltakt, welcher an einer Mehrzahl von Signalgeneratoren und an einem Signalverarbeitungsblock in einer integrierten Schaltung anliegt, eine Phasensynchronität der Signalgeneratoren untereinander und bezüglich eines Signalverarbeitungsblocks ermöglichen kann. Ferner kann eine Auswertung des Sensorsignals mit dem Signalverarbeitungsblock basierend auf Konfigurati- onsdaten, auf denen auch von den Signalgeneratoren generierte Sensoransteuersignale basieren, eine schnellere und phasensynchrone Auswertung ermöglichen. Die Vorrichtung ist miniaturisierbar, so dass eine digitale integrierte Schalung realisiert werden kann, die Ergebnisse in Echtzeit bereitstellen und einen niedrigen Energieverbrauch aufweisen kann The essence of the present invention is to have realized that the above object can be achieved by a common signal clock, which is applied to a plurality of signal generators and a signal processing block in an integrated circuit, a phase synchronism of the signal generators with each other and with respect to a signal processing block can allow. Furthermore, an evaluation of the sensor signal with the signal processing block based on configuration data, on which are based also generated by the signal generators Sensoransteuersignale, allow a faster and phase-synchronous evaluation. The device can be miniaturized so that a digital integrated circuit can be realized which can provide results in real time and have low power consumption
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine integrierte Sensorauswerteschaltung zum Auswerten eines von einem Sensor empfangenen Sensorsignals einen ersten Anschluss zur Verbindung mit dem Sensor und einen zweiten Anschluss zur Verbindung mit dem Sensor. Die integrierte Sensorauswerteschaltung umfasst ferner einen Konfigurati- onsdatenspeicher, auf welchem Konfigurationsdaten speicherbar sind, eine Mehrzahl von Signalgeneratoren und einen Signalverarbeitungsblock. According to one embodiment, an integrated sensor evaluation circuit for evaluating a sensor signal received by a sensor comprises a first connection for connection to the sensor and a second connection for connection to the sensor. The integrated sensor evaluation circuit further comprises a configuration data memory, on which configuration data can be stored, a plurality of signal generators and a signal processing block.
Die Mehrzahl von Signalgeneratoren und der Signalverarbeitungsblock sind mit dem Konfigurationsdatenspeicher verbunden. Die Mehrzahl von Signalgeneratoren ist ausgebildet, um Sensoransteuersignale basierend auf Konfigurationsdaten, die Signaleigenschaften mehrerer Sensoransteuersignale beschreiben und auf dem Konfigurationsdatenspeicher gespeichert sind, bereitzustellen. The plurality of signal generators and the signal processing block are connected to the configuration data memory. The plurality of signal generators are configured to supply sensor drive signals based on configuration data, the signal characteristics describe multiple Sensoransteuersignale and stored on the configuration data memory to provide.
Der Signalverarbeitungsblock ist mit dem Konfigurationsdatenspeicher verbunden und ausgebildet, um das Sensorsignal, welches auf der Mehrzahl von Sensoransteuersignalen basiert, zu empfangen und das empfangene Sensorsignal basierend auf den Konfigurationsdaten auszuwerten. Der Signalverarbeitungsblock ist ferner ausgebildet, um ein Auswerteergebnis bereitzustellen. Die Mehrzahl von Signalgeneratoren und der Signalverarbeitungsblock sind ausgebildet, um einen gemeinsamen Takt bzw. einen gemeinsamen Signaltakt zu empfangen, so dass eine Phasensynchronität zwischen der Mehrzahl von Signalgeneratoren und dem Signalverarbeitungsblock herstellbar ist. The signal processing block is connected to the configuration data memory and configured to receive the sensor signal based on the plurality of sensor drive signals and to evaluate the received sensor signal based on the configuration data. The signal processing block is further configured to provide an evaluation result. The plurality of signal generators and the signal processing block are configured to receive a common clock signal, so that a phase synchronism between the plurality of signal generators and the signal processing block can be established.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass ein gemeinsamer Signaltakt, der zur Gewährleistung der Phasensynchronität genutzt wird, eine aufwendige Verdrahtung zwi- sehen den Signalgeneratoren und/oder dem Signalverarbeitungsblock ersetzen kann und eine phasensynchrone Auswertung des Sensorsignals bezüglich mehrerer Sensoransteuersignale ermöglicht wird. An advantage of this embodiment is that a common signal clock, which is used to ensure the phase synchronism, a complex wiring between see the signal generators and / or the signal processing block can replace and a phase-synchronous evaluation of the sensor signal is made possible with respect to several Sensoransteuersignale.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst die integrierte Sensorauswer- teschaltung einen Taktgeber, der ausgebildet ist, um den gemeinsamen Signaltakt bereitzustellen. According to an alternative embodiment, the integrated sensor evaluation circuit comprises a clock, which is designed to provide the common signal clock.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass auf eine Anordnung eines externen Taktgenerators sowie einer Verdrahtung zwischen dem Taktgenerator und der Signal- auswerteschaltung verzichtet werden kann. An advantage of this embodiment is that can be dispensed with an arrangement of an external clock generator and a wiring between the clock generator and the signal evaluation circuit.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Signalverarbeitungsblock ausgebildet, um die Sensoransteuersignale der Signalgeneratoren nachzubilden. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass ein Bereitstellen der Konfigurationsdaten bzw. der Signaleigenschaften für den Signalverarbeitungsblock eine Parametrierung der Signalansteuersignale ermöglicht, so dass auf eine Übertragung der Sensoransteuersignale von den Signalgeneratoren zu dem Signalverarbeitungsblock sowie auf einen laufenden Abgleich der Sensoransteuersignale mit dem Takt verzichtet werden kann. Dies ermöglicht einen verringerten Rechenaufwand und somit eine schnellere, ggf. in Echtzeit, Berechnung oder Bereitstellung des Auswerteergebnisses. Ein Sensoransteuersignal kann bspw. durch die Frequenz hinreichend parametriert sein, wenn eine Amplitude normiert und eine Phasenlage von dem gemeinsamen Signaltakt bestimmt ist. According to an alternative embodiment, the signal processing block is configured to emulate the sensor drive signals of the signal generators. An advantage of this embodiment is that providing the configuration data or the signal properties for the signal processing block allows parameterization of Signalansteuersignale, so that can be dispensed with a transfer of Sensoransteuersignale from the signal generators to the signal processing block and a current adjustment of Sensoransteuersignale with the clock , This allows a reduced computational effort and thus a faster, possibly in real time, calculation or provision of the evaluation result. A sensor drive signal For example, it may be sufficiently parameterized by the frequency if an amplitude is standardized and a phase position of the common signal clock is determined.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Sensorauswerteschaltung einen Anschluss auf, der ausgebildet ist, um eine Benutzereingabe oder ein externes Steuersignal zu empfangen. Die Sensorauswerteschaltung ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um die Mehrzahl von Signalgeneratoren basierend auf der Benutzereingabe oder basierend auf dem externen Steuersignal zu programmieren oder, um die Konfigurationsdaten basierend auf der Benutzereingabe oder dem externen Steuersignal zu verän- dem. According to an alternative embodiment, the sensor evaluation circuit has a terminal configured to receive a user input or an external control signal. The sensor evaluation circuit is configured according to the exemplary embodiment to program the plurality of signal generators based on the user input or based on the external control signal or to change the configuration data based on the user input or the external control signal.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass durch ein externes Steuersignal oder eine Benutzereingabe eine Anpassung oder Selektion der Konfigurationsdaten bezüglich des das Sensorsignal bereitstellenden Sensors und ein Betrieb der integrierten Sensor- auswerteschaltung in Verbindung mit unterschiedlichen Sensoren ermöglicht wird. It is advantageous in this exemplary embodiment that adaptation or selection of the configuration data with respect to the sensor providing the sensor signal and operation of the integrated sensor evaluation circuit in conjunction with different sensors is made possible by an external control signal or user input.
Alternative Ausführungsbeispiele zeigen ein Sensorsystem mit einer integrierten Sensorauswerteschaltung und einem Sensor, der mit der Auswerteschaltung verbunden ist. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die integrierte Sensorauswerteschaltung auf den Sensor abstimmbar ist und das integrierte Sensorsystem in einer Umgebung, in welcher der Sensor eingesetzt werden soll, eingebracht werden kann. So kann ein Verdrahtungsaufwand weiter reduziert werden. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist der Sensor eines Sensorsystems eine Mehrzahl von optischen Resonatoren auf. Die Sensoransteuersignale sind ausgebildet, um bei der Mehrzahl von Signalgeneratoren optische Eigenschaften zu modulieren. Die Sensorauswerteschaltung ist ausgebildet, um ein Anregungssignal mittels eines Anschlusses an den Sensor zu liefern, wobei der Sensor ausgebildet ist, um die Mehrzahl von optischen Resonatoren mit einem Trägersignal, das auf dem Anregungssignal basiert, anzusteuern. Die Mehrzahl von optischen Resonatoren ist ausgebildet, das Trägersignal basierend auf einem Sensorparameter und basierend auf einem der Mehrzahl von Modulationssignalen zu verändern. Der Sensor ist ausgebildet, um das Sensorsignal basierend auf dem veränderten Trägersignal bereitzustellen. Die Sensorauswerteschaltung ist ausgebildet, um das Sensorsignal an einem Anschluss zu empfangen. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die Sensorauswerteschaltung mit dem Sensor kombinierbar ist, so dass das Sensorsystem als integriertes Lab-on-Chip-System, ggf. mit autarker Energieversorgung, ausführbar ist. Alternative embodiments show a sensor system with an integrated sensor evaluation circuit and a sensor which is connected to the evaluation circuit. An advantage of this embodiment is that the integrated sensor evaluation circuit can be tuned to the sensor and the integrated sensor system can be introduced in an environment in which the sensor is to be used. Thus, a wiring effort can be further reduced. According to an alternative embodiment, the sensor of a sensor system comprises a plurality of optical resonators. The sensor drive signals are designed to modulate optical properties in the plurality of signal generators. The sensor evaluation circuit is configured to supply an excitation signal by means of a connection to the sensor, wherein the sensor is configured to drive the plurality of optical resonators with a carrier signal which is based on the excitation signal. The plurality of optical resonators are configured to change the carrier signal based on a sensor parameter and based on one of the plurality of modulation signals. The sensor is configured to provide the sensor signal based on the changed carrier signal. The sensor evaluation circuit is configured to receive the sensor signal at a terminal. An advantage of this embodiment is that the sensor evaluation circuit can be combined with the sensor, so that the sensor system as an integrated lab-on-chip system, possibly with self-sufficient power supply, executable.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer integrierten Sensorauswerteschaltung zum Auswerten eines von einem Sensor empfangenen Sensorsignals; 1 shows a schematic block diagram of an integrated sensor evaluation circuit for evaluating a sensor signal received by a sensor;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren integrierten Sensorauswerteschaltung, die gegenüber der integrierten Sensorauswerteschaltung aus Fig. 1 einen dritten Anschluss zur Verbindung mit einem Sensor und eine Ansteuerschaltung aufweist; FIG. 2 shows a schematic block diagram of a further integrated sensor evaluation circuit which, compared to the integrated sensor evaluation circuit from FIG. 1, has a third connection for connection to a sensor and a drive circuit;
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Sensorauswerteschaltung, die eine Verstärkerschaltung aufweist; und 3 is a schematic block diagram of a sensor evaluation circuit having an amplifier circuit; and
Fig. 4 eine schematisches Blockschaltbild eines Sensorsystems mit der integrierten Sensorauswerteschaltung, die mit dem Sensor verbunden ist. 4 is a schematic block diagram of a sensor system with the integrated sensor evaluation circuit connected to the sensor.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Before embodiments of the present invention are explained in more detail in detail with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and / or structures in the different figures are provided with the same reference numerals, so that shown in different embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to each other.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer integrierten Sensorauswerteschaltung 10 zum Auswerten eines von einem Sensor 12 empfangenen Sensorsignals 14. Die integrierte Sensorauswerteschaltung 10 umfasst einen Konfigurationsdatenspeicher 16, eine Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 und einen Signalverarbeitungsblock 22. Die Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 und der Signalverarbeitungsblock 22 sind mit dem Konfigurationsdatenspeicher 16 verbunden und ausgebildet, um mit einem gemeinsamen Signaltakt 24 beaufschlagt zu werden, d. h. ein gemeinsames Taktsignal mit dem Signaltakt 24 zu empfangen, so dass Arbeitsschritte, wie etwa eine Erzeugung von Signalen mittels der Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 oder eine Signalverarbeitung in dem Signalverarbeitungsblock 22 synchron zu dem Signaltakt 24 erfolgt. FIG. 1 shows a schematic block diagram of an integrated sensor evaluation circuit 10 for evaluating a sensor signal 14 received by a sensor 12. The integrated sensor evaluation circuit 10 comprises a configuration data memory 16, a plurality of signal generators 18 and a signal processing block 22. The plurality of signal generators 18 and the signal processing block 22 are connected to the configuration data memory 16 and configured to operate with a common signal clock 24, ie, to receive a common clock signal with the signal clock 24, so that operations such as generation of signals by the plurality of signal generators 18 or signal processing in the signal processing block 22 are synchronous with the signal clock 24.
Jeder der Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 ist ausgebildet, um basierend auf Konfigurationsdaten in dem Konfigurationsdatenspeicher 16 Sensoransteuersignale 26a-c, die ausgebildet sind, um den Sensor 12 anzusteuern, bereitzustellen. Die Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 ist mit einem ersten Anschluss 28a der integrierten Sensorauswer- teschaltung 10 verbunden. Vereinfacht ausgedrückt liegen an dem ersten Anschluss 28a die Sensoransteuersignale 26a-c an, so dass der Sensor 12 mittels der Sensoransteuersignale 26a-c ansteuerbar ist, wenn der Sensor 12 mit dem ersten Anschluss 28a verbunden ist. Bei dem Sensor 12 kann es sich beispielsweise um ein Array optischer Mikro-Resonanz- Ringe (MRR) handeln, die auf einem optischen Bus angeordnet sind. Die Sensoransteuersignale 26a-c können beispielsweise Modulationssignale für eine thermische Modulation der MRR des Sensors 12 sein. Das Sensorsignal 14 kann beispielsweise ein Ausgangssignal sein, welches auf einem von den MRR beeinflussten, bzw. modulierten Trägersig- nal des Sensors 12 basiert. Each of the plurality of signal generators 18 is configured to provide, based on configuration data in the configuration data memory 16, sensor drive signals 26a-c configured to drive the sensor 12. The plurality of signal generators 18 are connected to a first terminal 28a of the integrated sensor evaluation circuit 10. Expressed in simple terms, the sensor activation signals 26a-c are applied to the first connection 28a, so that the sensor 12 can be activated by means of the sensor activation signals 26a-c when the sensor 12 is connected to the first connection 28a. The sensor 12 may be, for example, an array of optical micro-resonant rings (MRR) disposed on an optical bus. The sensor drive signals 26a-c may, for example, be modulation signals for a thermal modulation of the MRR of the sensor 12. The sensor signal 14 may, for example, be an output signal which is based on a carrier signal of the sensor 12 which is influenced or modulated by the MRR.
Die integrierte Sensorauswerteschaltung 10 umfasst einen zweiten Anschluss 28b zum Empfang des Sensorsignals 14. Die Konfigurationsdaten können Parameter der Sensoransteuersignale 26a-c umfassen, wie Frequenz, Phaseniage und/oder eine Amplitude. The integrated sensor evaluation circuit 10 includes a second terminal 28b for receiving the sensor signal 14. The configuration data may include parameters of the sensor drive signals 26a-c, such as frequency, Phaseniage and / or an amplitude.
Der Signalverarbeitungsblock 22 ist mit dem zweiten Anschluss 28b verbunden und ausgebildet, um das empfangene Sensorsignal 14 basierend auf dem Signaltakt 24 und den Konfigurationsdaten des Konfigurationsdatenspeichers 16 auszuwerten und ein Auswerteergebnis 32 bereitzustellen. Das Auswerteergebnis 32 kann an einem Ausgang 28e bereitgestellt werden, um von einer externen Vorrichtung empfangen zu werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Auswerteergebnis 32 auch in einem Speicher der integrierten Sensorauswerteschaltung 10 gespeichert werden. Der Signalverarbeitungsblock 22 kann ausgebildet sein, um das Sensorsignal 14 basierend auf einem Lock-In Verfahren und/oder einer Frequenzauswertemethode wie einer schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier Transformation - FFT) auszuwerten. Das Lock-In Verfahren ist ein phasensensitives Verfahren, bei welchem ein empfangenes Sig- nal, wie etwa das Sensorsignal 14, mit einem Referenzsignal korreliert wird. Die Korrelation kann eine Multiplikation des (verrauschten) Sensorsignals mit dem Referenzsignal umfassen. Ein Ergebniswert einer phasenrichtigen Multiplikation kann ein Wert sein, der einer Amplitude des mittels des Lock-In Verfahrens zu verstärkenden Signalanteils in dem Sensorsignal entspricht oder zugeordnet werden kann. Ein Ergebnis des Lock-In Verfah- rens ist dabei abhängig von einer Phasenlage zwischen dem Referenzsignal und dem auszuwertenden Signal. The signal processing block 22 is connected to the second terminal 28 b and configured to evaluate the received sensor signal 14 based on the signal clock 24 and the configuration data of the configuration data memory 16 and to provide an evaluation result 32. The evaluation result 32 may be provided at an output 28e to be received by an external device. Alternatively or additionally, the evaluation result 32 can also be stored in a memory of the integrated sensor evaluation circuit 10. The signal processing block 22 may be configured to evaluate the sensor signal 14 based on a lock-in method and / or a frequency evaluation method such as a Fast Fourier Transformation (FFT). The lock-in method is a phase-sensitive method in which a received signal, such as the sensor signal 14, is correlated with a reference signal. The correlation may comprise a multiplication of the (noisy) sensor signal with the reference signal. A result value of an in-phase multiplication may be a value which corresponds to or can be assigned to an amplitude of the signal component to be amplified by means of the lock-in method in the sensor signal. A result of the lock-in method is dependent on a phase position between the reference signal and the signal to be evaluated.
Bei einer fehlerhaften Phasenlage zwischen dem Sensorsignal 14 und dem Referenzsignal kann bei dem Lock-In Verfahren, die lediglich eine Amplitude des Sensorsignals aus- werten, basierend auf Nulldurchgängen in Sinus- bzw. Cosinus-Funktionen (sin (0°) = 0; cos(90°) = 0) ein fehlerhaftes Messergebnis oder ein fehlerhafter Wert von Null erhalten werden. Durch Erfassung beider Komponenten (Sinus und Cosinus), wie etwa durch einen Realteil und einen Imaginärteil des komplexwertigen Sensorsignals 14 kann dies reduziert oder verhindert werden. In the case of a faulty phase position between the sensor signal 14 and the reference signal, in the lock-in method, which evaluate only an amplitude of the sensor signal based on zero crossings in sine or cosine functions (sin (0 °) = 0; cos (90 °) = 0) a faulty measurement result or a faulty value of zero can be obtained. By detecting both components (sine and cosine), such as a real part and an imaginary part of the complex-valued sensor signal 14, this can be reduced or prevented.
Ist der Sensor 12 ein Sensor mit einem oder mehreren optischen Resonanzringen, so ist der oder einer der optischen Resonanzringe bspw. ausgebildet, um einen Teilbereich des Wellenlängenbereichs auszukoppeln und als Interferenzsignal dem Trägersignal zu überlagern. In Abhängigkeit einer, ggf. durch eine thermische Modulation beeinflusste, Weg- länge des optischen Resonators kann eine Phasenverschiebung zwischen dem Trägersignal und dem Interferenzsignal zu einer destruktiven Interferenz in dem Teilbereich führen. Die destruktive Interferenz führt zu einer reduzierten Signalamplitude in dem entsprechenden Wellenlängenbereich, die etwa durch eine negative Gauß-Kurve darstellbar ist. Eine Reduzierung der Signalamplitude kann von der integrierten Sensorauswerteschal- tung detektiert werden. Eine Messung kann als eine Erfassung des von den Resonanzringen beeinflussten Sensorsignals über einen Messzeitraum bezeichnet werden. If the sensor 12 is a sensor with one or more optical resonance rings, the or one of the optical resonance rings is, for example, designed to decouple a subregion of the wavelength range and to superimpose it as an interference signal on the carrier signal. Depending on a path length of the optical resonator, possibly influenced by thermal modulation, a phase shift between the carrier signal and the interference signal can lead to destructive interference in the subarea. The destructive interference leads to a reduced signal amplitude in the corresponding wavelength range, which can be represented by a negative Gaussian curve. A reduction of the signal amplitude can be detected by the integrated sensor evaluation circuit. A measurement may be referred to as a detection of the sensor signal influenced by the resonant rings over a measurement period.
Eine Vergleichbarkeit mehrerer Messungen untereinander kann durch eine Herstellung einer Phasenbeziehung zwischen den Messungen erreicht werden. Die Phasenbeziehung kann bspw. ein konstanter Phasenoffset der Modulatoren, d. h. der Signalgeneratoren 18 sein. Eine einzelne, mit anderen zu verknüpfende Messung kann bspw. eine Messung eines oder mehrerer optischer Resonanzringe zu zwei oder mehreren verschiedenen Zeitpunkten sein. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei den Messungen auch um Messungen zweier oder mehrerer Sensoren handeln, die mehrere optische Resonanzringe oder andere Sensorelemente aufweisen. In anderen Worten ermöglicht eine Phasen- messung bzw. ein zwischen den Messungen konstanter Phasenoffset, etwa von 0° oder einem anderen Winkel, eine Vergleichbarkeit der Messungen. Comparability of several measurements with each other can be achieved by establishing a phase relationship between the measurements. The phase relationship may, for example, be a constant phase offset of the modulators, ie of the signal generators 18. A single measurement to be linked with others may, for example, be a measurement one or more optical resonance rings at two or more different times. Alternatively or additionally, the measurements may also be measurements of two or more sensors which have a plurality of optical resonance rings or other sensor elements. In other words, a phase measurement or a phase offset which is constant between the measurements, for example from 0 ° or another angle, makes it possible to compare the measurements.
Durch Beibehaltung der Phaseninformation kann erreicht werden, dass eine einzelne oder eine mit einander zu vergleichende Mehrzahl an Messungen reproduzierbar ist, da die Phaseninformation Aufschluss über eine Beziehung oder Abhängigkeit zwischen einem Sensoreingangssignal und dem Sensorausgangssignal liefern kann. Das Sensoreingangssignal kann etwa eine Anregung in Form eines Trägersignals oder ein Modulationssignal zur Beeinflussung von Sensorelementen sein. So kann erreicht werden, dass ein erreichtes Messergebnis unabhängig von einer Messeinrichtung wird. By maintaining the phase information, it can be achieved that a single or a comparatively large number of measurements can be reproduced, since the phase information can provide information about a relationship or dependence between a sensor input signal and the sensor output signal. The sensor input signal may be, for example, an excitation in the form of a carrier signal or a modulation signal for influencing sensor elements. Thus, it can be achieved that an achieved measurement result is independent of a measuring device.
Vereinfacht ausgedrückt kann eine fehlerhafte Phasenlage zwischen dem Sensorsignal 14 und dem Referenzsignal des Lock-In Verfahrens (Sensoransteuersignal) zu einem fehlerhaften Messergebnis bzw. Auswerteergebnis führen. Eine gemeinsame Beaufschlagung der Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 und des Signalverarbeitungsblocks 22 mit dem Signaltakt 24 ermöglicht eine korrekte Phasenlage und mithin korrekte Mess- bzw. Auswerteergebnisse. Das Referenzsignal für das Lock-In Verfahren kann beispielsweise eines der Sensoransteuersignale 26a-c, eine Kombination der Sensoransteuersignale 26a-c oder dergleichen sein. Der Signalverarbeitungsblock 22 kann ausgebildet sein, um die Sensoransteuersignale 26a-c der Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 nachzubilden, so dass die Sensoransteuersignale 26a-c in dem Signalverarbeitungsblock 22 vorliegen können, auch wenn auf einem Abgriff der Sensoransteuersignale 26a-c verzichtet wird. In simple terms, a faulty phase position between the sensor signal 14 and the reference signal of the lock-in method (sensor drive signal) can lead to a faulty measurement result or evaluation result. A joint loading of the plurality of signal generators 18 and the signal processing block 22 with the signal clock 24 allows a correct phase position and thus correct measurement and evaluation results. The reference signal for the lock-in method may, for example, be one of the sensor drive signals 26a-c, a combination of the sensor drive signals 26a-c or the like. The signal processing block 22 may be configured to emulate the sensor drive signals 26a-c of the plurality of signal generators 18 so that the sensor drive signals 26a-c may be present in the signal processing block 22, even if a tap of the sensor drive signals 26a-c is omitted.
Die Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 kann beispielsweise in Form von Zählern (Engl. Counter) oder entsprechenden in Softwareimplementierten Funktionen umgesetzt sein, die entsprechend einem Zählerwert eine Signalflanke auf einen Wert einer logischen„0" oder einen Wert einer logischen„1" (High-Low Takt) setzen. In diesem Fall kann eine Amplitude der Sensoransteuersignale 26a-c auf ein Spannungslevel der integrierten Sensorauswerteschaltung 10, wie etwa 1 , 3,5, 5 oder 7 Volt, normiert sein und sich lediglich bezüglich der Frequenz und/oder eines Tastverhältnisses (engl. Duty Cycle) der Pulswei- tenmodulation (PWM) unterscheiden. Diese Eigenschaften können in parametrisierter Form, wie etwa in Form einer einfachen Frequenzangabe, in dem Konfigurationsdaten- Speicher 16 hinterlegt sein. Dies ermöglicht eine Rekonstruktion der Sensoransteuersignale 26a-c in dem Signalverarbeitungsblock 22. Dies ermöglicht eine reduzierte Auslastung von Kommunikationsbussen zwischen Signalgeneratoren 18 und dem Signalverarbeitungsblock 22 durch einen Wegfall einer Übertragung des eigentlichen Sensoransteu- ersignals 26a-c an den Signalverarbeitungsblock 22. The plurality of signal generators 18 may, for example, be implemented in the form of counters or corresponding functions implemented in software which, according to a counter value, signal a signal edge to a value of a logical "0" or a value of a logical "1" (high-low Clock). In this case, an amplitude of the sensor drive signals 26a-c may be normalized to a voltage level of the integrated sensor evaluation circuit 10, such as 1, 3.5, 5, or 7 volts, and only in terms of frequency and / or duty cycle (duty cycle) ) differentiate the pulse width modulation (PWM). These properties can be set in parameterized form, such as in the form of a simple frequency specification, in the configuration data Memory 16 deposited. This allows a reconstruction of the sensor drive signals 26a-c in the signal processing block 22. This allows a reduced utilization of communication buses between signal generators 18 and the signal processing block 22 by eliminating a transmission of the actual Sensoransteu- signal 26a-c to the signal processing block 22nd
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Implementierung mehrerer Auswerteschaltungen, wie etwa Lock-In Verstärkern und eine Sicherstellung einer Phasen- synchronität, in einer integrierten Schaltung ermöglicht wird. Ferner kann auf die Übertra- gung eines Referenzsignals verzichtet werden, da die Operationen einzelner Funktionsbausteine, etwa des Signalverarbeitungsblocks 22 und der Signalgeneratoren 18 auf dem gemeinsamen Signaltakt 24 basieren. An advantage of this embodiment is that an implementation of a plurality of evaluation circuits, such as lock-in amplifiers and ensuring phase synchronization, is made possible in an integrated circuit. Furthermore, it is possible to dispense with the transmission of a reference signal since the operations of individual function blocks, for example of the signal processing block 22 and of the signal generators 18, are based on the common signal clock 24.
Die integrierte Signalauswerteschaltung 10 kann auch als elektronisches Front-End für Lab-on-Chip Systeme mit thermischer Modulation bezeichnet werden. Die integrierte Sensorauswerteschaltung 10 kann als FPGA oder MikroController ausgeführt sein, bei dem der erste und/oder zweite Anschluss 28a oder 28b ein Pin des Controllers oder der Schaltung ist. Sensorparameter, also Parameter, welche von dem Sensor 12 erfassbar sind, können beispielsweise Stoffe oder eine Stoffkonzentration sein, die mit einem oder mehreren optischen Resonatoren des Sensors 12 in Kontakt kommen. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei den Parametern auch um chemische Eigenschaften oder um physikalische Eigenschaften oder um optische Eigenschaften des Stoffes handeln. Umfasst der Stoff, der mit dem Sensor 12 in Verbindung gebracht wird, eine Eigenschaft oder einen Bestandteil, für welche oder für welchen der Sensor 12 sensitiv ist, so kann eine Resonanzfrequenz des optischen Resonanzrings verändert werden. In einem Wellenlängenbereich, der von der Resonanzfrequenz beeinflusst ist, kann basierend auf einer Phasenverschiebung zwischen dem Trägersignal und dem von dem optischen Resonanzring destruktive Interferenz in dem Wellenlängenbereich eine Signalamplitude des Trägersignals bzw. in dem Sensorsignal 14 reduziert sein. Basierend auf einer Modulation, wie etwa einer thermischen Modulation, kann eine Verschiebung der destruktiven Interferenz , d. h. eine Verschiebung des Wellenlängenbereichs, im Wellenlängen- oder Frequenzbereich durch die integrierte Sensorauswerteschaltung 10 detektiert werden. In anderen Worten kann eine Verschiebung der Resonanz gemessen werden. Basierend auf dem gemeinsamen Signaltakt 24 und einer gemeinsamen Verbindung der Signalgeneratoren 18 bzw. des Signalverarbeitungsblocks 22 mit dem Konfigurationsdatenspeicher 16 kann eine Modulationsreaktion erfasst werden. Vereinfacht ausgedrückt kann der Signalverarbeitungsblock Kenntnis von einer Anlegung der Sensoransteuersig- nale 26a-c haben. The integrated signal evaluation circuit 10 may also be referred to as an electronic front-end for thermal modulation lab-on-chip systems. The integrated sensor evaluation circuit 10 may be implemented as an FPGA or microcontroller, in which the first and / or second terminal 28a or 28b is a pin of the controller or the circuit. Sensor parameters, that is to say parameters which can be detected by the sensor 12, can be, for example, substances or a substance concentration which come into contact with one or more optical resonators of the sensor 12. Alternatively or additionally, the parameters may also be chemical properties or physical properties or optical properties of the substance. If the substance associated with the sensor 12 includes a property or component for which or for which the sensor 12 is sensitive, then a resonant frequency of the optical resonant ring may be altered. In a wavelength range which is influenced by the resonance frequency, a signal amplitude of the carrier signal or in the sensor signal 14 can be reduced based on a phase shift between the carrier signal and the interference of the optical resonant ring in the wavelength range. Based on a modulation, such as a thermal modulation, a shift of the destructive interference, ie a shift of the wavelength range, in the wavelength or frequency range can be detected by the integrated sensor evaluation circuit 10. In other words, a shift in resonance can be measured. Based on the common signal clock 24 and a common connection of the signal generators 18 and the signal processing block 22 with the configuration data memory 16, a modulation response can be detected. In simple terms, the signal processing block can have knowledge of an application of the sensor drive signals 26a-c.
Die Messung, d. h. die Erfassung einer Modulationsreaktion, kann in einer definierten Zeit erfolgen. Die definierte Zeit kann in Abhängigkeit der Modulationsfrequenzen, d. h. der Frequenzen der Sensoransteuersignale 26a-c, beliebig sein. Eine Erfassung des Sensor- Signals 14 kann über die Zeitdauer einer definierten Anzahl von Perioden eines der Modulationssignale erfolgen, bspw. desjenigen mit der geringsten (oder mittleren oder höchsten) Frequenz. Beträgt die geringste Modulationsfrequenz bspw. 20 kHz und wird eine Anzahl von 20 Perioden erfasst, so ergibt sich eine Messdauer von 1 ms. Eine reduzierte Anzahl von erfassten Perioden und/oder eine erhöhte (bspw. geringste) Frequenz der Sensoransteuersignale 26a-c kann zu einer reduzierten Messdauer führen. Die definierte Anzahl an erfassten Perioden bzw. die Zeit der resultierenden Periodendauern kann einem minimalen (bspw. 1-fach) oder sonstigen Vielfachen der Frequenz bzw. Periodendauer der Sensoransteuersignale 26a-c entsprechen. Alternativ kann auch die Messdauer auch von einer Zeit zur Erfassung einer definierten Anzahl von Messwerten, bspw. 2.048, 4.096, oder 8.192 oder eine andere, etwa für eine FFT verwendete, Anzahl von Messwerten bestimmt sein. Prinzipiell kann eine Anzahl von Perioden und/oder eine Modulationsoder Messfrequenz beliebig sein. The measurement, d. H. the detection of a modulation reaction can take place in a defined time. The defined time may vary depending on the modulation frequencies, i. H. the frequencies of the sensor drive signals 26a-c, be arbitrary. A detection of the sensor signal 14 can take place over the duration of a defined number of periods of one of the modulation signals, for example the one with the lowest (or middle or highest) frequency. If the lowest modulation frequency is, for example, 20 kHz and a number of 20 periods is detected, the result is a measurement duration of 1 ms. A reduced number of detected periods and / or an increased (eg lowest) frequency of the sensor drive signals 26a-c can lead to a reduced measurement duration. The defined number of detected periods or the time of the resulting period durations may correspond to a minimum (for example, 1-fold) or other multiple of the frequency or period duration of the sensor drive signals 26a-c. Alternatively, the measurement duration can also be determined by a time for acquiring a defined number of measured values, for example 2,048, 4,096, or 8,192, or another number of measured values used, for example, for an FFT. In principle, a number of periods and / or a modulation or measurement frequency can be arbitrary.
Die Kenntnis des Signalverarbeitungsblocks 22 über die Sensoransteuersignale 26a-c ermöglicht eine auf einander abgestimmte Ansteuerung der Lichtquelle 42 und der Erfassung der Messwerte, so dass der Sensor 12-1 bzw. Stoffe oder Materialien, die von dem Sensor 12-1 erfasst werden nur kurz, im Wesentlichen während der Messung, beeinflusst werden. Über mehrere Messungen kann bspw. eine Wellenlänge λ der Lichtquelle 42 variiert werden. Eine variierende Wellenlänge λ kann zu einer Anregung unterschiedlicher Resonanzringe und/oder einer destruktiven Interferenz in verschiedenen Wellenlängenbereichen führen. In anderen Worten wird eine kurzzeitige Beeinflussung des Sensors während der Messung ermöglicht. Eine kurzzeitige Beeinflussung des Sensors kann vorteilhaft sein, wenn von dem Sensor 12 zu erfassende Materialien oder Stoffe, bspw. Bakterien, nur kurzzeitig beeinflusst werden sollen, etwa wenn eine dauerhafte Beeinflussung von Bakterienkolonien durch eine thermische Modulation unerwünscht oder nachteilig für die Materialien oder Stoffe ist. Dadurch kann die Reaktion des Sensors bei gegebenen Parametern (wie etwa einer Wellenlänge λ der Lichtquelle 42) in sehr kurzer Zeit bestimmt werden bzw. der Sensor wird von der Messung nur kurzzeitig beeinflusst. Die Messdauer kann beliebig, d. h. beliebig kurz oder lang sein. Dabei können die, möglicherweise destruktiven, Interferenzen der Mikro-Resonanzringe 38a-d eine variierende Phasenlage mit einem Phasenoffset aufweisen. Basierend auf dem gemeinsamen Signaltakt 24 kann der Phasenoffset konstant gehalten und ggf. zu Null gesetzt werden. So kann über eine Anzahl von Messungen ein Verlauf der Phasenlage der Mikro-Resonanz-Ringe 38a-d erfasst und mit dem Messergebnis 32 bereitgestellt oder daraus abgeleitet werden. Dies ermöglicht bspw. eine Darstellung eines Graphen, Verlauf des Sensorsignals in Abhängigkeit der variierenden Phasenlage darstellt. Die Darstellung kann bspw. in einer externen Vorrichtung erfolgen, die das Messergebnis 32 empfängt. Die Darstellung kann bspw. in einer Form A * sin(cp) erfolgen, wobei A die Amplitude des Sensorsignals 14 und φ der Winkel der Phasenlage ist. Die Darstellung kann als Phasenkurve bezeichnet werden. Dies ermöglicht eine Detektion eines Vorzeichenwechsels der Funktion. Alternativ kann auch eine beliebige andere Funktion verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können über Ableitungsfunktionen und/oder Betrachtungen unterschiedlicher Perioden auch Wechsel der oder als Drehung (etwa um 180°) bezeichnete Änderungen der Amplitude oder des Amplitudenvorzeichens detektiert werden. In anderen Worten ermöglicht der gemeinsame Signaltakt 24 eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Messungen. The knowledge of the signal processing block 22 via the sensor drive signals 26a-c enables a coordinated control of the light source 42 and the detection of the measured values, so that the sensor 12-1 or substances or materials that are detected by the sensor 12-1 only briefly , are essentially influenced during the measurement. For example, a wavelength λ of the light source 42 can be varied over several measurements. A varying wavelength λ may result in excitation of different resonant rings and / or destructive interference in different wavelength ranges. In other words, a short-term influence on the sensor is made possible during the measurement. A short-term influence on the sensor may be advantageous if materials or substances to be detected by the sensor 12, for example bacteria, are to be influenced only briefly, for example if a lasting influence of bacterial colonies by a thermal modulation is undesirable or disadvantageous for the materials or substances , This allows the reaction of the sensor given Parameters (such as a wavelength λ of the light source 42) are determined in a very short time or the sensor is influenced by the measurement only for a short time. The measuring duration can be arbitrary, ie any short or long. In this case, the, possibly destructive, interference of the micro-resonance rings 38a-d may have a varying phase position with a phase offset. Based on the common signal clock 24, the phase offset can be kept constant and possibly set to zero. Thus, over a number of measurements, a course of the phase position of the micro-resonance rings 38a-d can be detected and provided with the measurement result 32 or derived therefrom. This allows, for example, a representation of a graph representing the course of the sensor signal as a function of the varying phase position. The representation can take place, for example, in an external device which receives the measurement result 32. The representation can take place, for example, in a form A * sin (cp), where A is the amplitude of the sensor signal 14 and φ is the angle of the phase position. The representation can be called a phase curve. This allows a detection of a sign change of the function. Alternatively, any other function may be used. Alternatively or additionally, changes in the amplitude or of the amplitude sign designated as rotation (approximately by 180 °) can also be detected via derivative functions and / or observations of different periods. In other words, the common signal clock 24 allows comparability of different measurements.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer integrierten Sensorauswerteschaltung 20, die gegenüber der integrierten Sensorauswerteschaltung aus Fig. 1 einen dritten An- schluss 28c zur Verbindung mit einem Sensor 12-1 und eine Ansteuerschaltung 34 aufweist. Die Ansteuerschaltung 34 ist mit dem Konfigurationsdatenspeicher 16 und dem dritten Anschluss 28c verbunden und ausgebildet, um ein Anregungssignal 36 zu erzeugen, das ausgebildet ist, um den Sensor anzusteuern, d. h. den Sensor in die Lage zu versetzen ein optisches Signal basierend auf dem Ansteuersignal 36 bereitzustellen. Die Ansteuerschaltung 34 kann auch als optisches Modul bezeichnet werden. FIG. 2 shows a schematic block diagram of an integrated sensor evaluation circuit 20 which, compared to the integrated sensor evaluation circuit from FIG. 1, has a third connection 28c for connection to a sensor 12-1 and a control circuit 34. The drive circuit 34 is connected to the configuration data memory 16 and the third terminal 28c and configured to generate an excitation signal 36 configured to drive the sensor, i. H. enable the sensor to provide an optical signal based on the drive signal 36. The drive circuit 34 may also be referred to as an optical module.
Der Sensor 12-1 umfasst mehrere Mikro-Resonanz-Ringe 38a-d. Das Anregungssignal 36 ist ausgebildet, um eine Lichtquelle 42, wie etwa einen Laser oder eine Hochleistungs- LED anzusteuern, die ein Eingangssignal oder ein Trägersignal für einen optischen Bus des Sensors 12-1 und mithin die MRR 38a-d bereitstellt. Die Sensoransteuersignale 26a-c sind Modulationssignale für die MRR 38a-d zur Implementierung einer thermischen Modu- lation. Der Sensor 12-1 weist ferner ein Photoelement 44 auf, das ausgebildet ist, um das modulierte Trägersignal zu empfangen und das Sensorsignal 14-1 in einer analogen Form bereitzustellen. Die integrierte Sensorauswerteschaltung 20 umfasst ferner einen Analog-zu-Digital- Konverter (Analog-to-Digital Converter - ADC) 46, der ausgebildet ist, um das analoge Sensorsignal 14-1 zu digitalisieren. Der ADC 46 ist ferner ausgebildet, um den gemeinsamen Signaltakt 24 zu empfangen und die Konversion des Sensorsignals 14-1 basierend auf dem gemeinsamen Signaltakt 24 durchzuführen, so dass das digitalisierte Sensorsig- nal 14-1 ebenfalls phasensynchron vorliegt und von einem Signalverarbeitungsblock 22-1 empfangen werden kann. The sensor 12-1 includes a plurality of micro-resonance rings 38a-d. The excitation signal 36 is configured to drive a light source 42, such as a laser or a high power LED, which provides an input signal or carrier signal for an optical bus of the sensor 12-1, and hence the MRR 38a-d. The sensor drive signals 26a-c are modulation signals for the MRR 38a-d for implementing a thermal modulus. lation. The sensor 12-1 further includes a photoelement 44 configured to receive the modulated carrier signal and provide the sensor signal 14-1 in an analog form. The integrated sensor evaluation circuit 20 further comprises an analog-to-digital converter (ADC) 46, which is configured to digitize the analog sensor signal 14-1. The ADC 46 is further configured to receive the common signal clock 24 and to perform the conversion of the sensor signal 14-1 based on the common signal clock 24, so that the digitized sensor signal 14-1 is also present in phase synchronization and from a signal processing block 22-1 can be received.
Die integrierte Sensorauswerteschaltung 20 umfasst ferner einen Ergebnisspeicher 48, der mit dem Signalverarbeitungsblock 22-1 verbunden und ausgebildet ist, um das Aus- Werteergebnis 32 zu empfangen und zu speichern. The integrated sensor evaluation circuit 20 further comprises a result memory 48, which is connected to the signal processing block 22-1 and configured to receive the output value result 32 and to store.
Die integrierte Sensorauswerteschaltung 20 umfasst ferner eine digitale Schnittstelle 52 und einen vierten Anschluss 28d, der mit der Schnittstelle 52 verbunden ist. Die Schnittstelle 52 ist ferner mit dem Ergebnisspeicher 48 verbunden, so dass ein in dem Ergebnis- Speicher 48 gespeichertes Auswerteergebnis 32 über die Schnittstelle 52 und den vierten Ausgang 28d ausgebbar ist. Ein ausgegebenes Auswerteergebnis 32 kann beispielsweise über eine Nutzer-Schnittstelle 54 (User Interface - Ul) einer externen Vorrichtung bereitgestellt werden, etwa einem Computer, einem Drucker, einem Monitor oder einer Vorrichtung zur Kontaktierung mit einem externer Speicher, wie etwa USB-Speicher. The integrated sensor evaluation circuit 20 further comprises a digital interface 52 and a fourth connection 28 d, which is connected to the interface 52. The interface 52 is further connected to the result memory 48, so that an evaluation result 32 stored in the result memory 48 can be output via the interface 52 and the fourth output 28d. An output evaluation result 32 can be provided, for example, via a user interface (UI) of an external device, such as a computer, a printer, a monitor, or a device for contacting an external memory, such as USB memory.
Die Sensorauswerteschaltung 20 ist ausgebildet, um über den vierten Anschluss 28d eine Benutzereingabe oder ein externes Steuersignal zu empfangen und nach einer Konversion des externen Steuersignals oder der Benutzereingabe in der Schnittstelle 52 die Konfigurationsdaten in dem Konfigurationsdatenspeicher 16 basierend auf der Benutzereinga- be oder dem externen Steuersignal zu verändern. Eine Benutzereingabe oder ein externes Steuersignal kann beispielsweise eine Selektion eines Typs oder Betriebszustandes des Sensors 12-1 sein und über das User-Interface 54 eingegeben werden. Alternativ kann das externes Steuersignal auch über eine weitere Vorrichtung, wie etwa einen Computer an den vierten Anschluss 28d angelegt werden. Die Sensoransteuersignale 26a-c können von dem Typ oder dem Zustands des Sensors 12-1 abhängen. Beispielsweise kann eine Frequenz eines oder mehrerer Sensorausgangssignale 26a-c von Materialien oder Stoffen abhängen, die von dem Sensor 12-1 erfasst werden sollen, so dass die Frequenz oder ein PWM-Tastverhältnis der Sensoransteuersignale 26a-c von der Benutzereingabe abhängen kann. Bei dem Zustand kann es sich beispielsweise um eine Art, Summe oder Zusammenstellung von Materialien handeln, deren Anwesenheit mit dem Sensor 12-1 überprüft werden soll. Der Zustand kann also einen Betrieb oder Betriebszustand des Sensors 12-1 beschreiben, der von Materialien oder Stoffen oder eine Kombination davon beeinflusst ist, mit denen der Sensor 12-1 in Verbindung gebracht wird. The sensor evaluation circuit 20 is designed to receive a user input or an external control signal via the fourth terminal 28d and, after a conversion of the external control signal or the user input in the interface 52, the configuration data in the configuration data memory 16 based on the user input or the external control signal to change. A user input or an external control signal may, for example, be a selection of a type or operating state of the sensor 12-1 and input via the user interface 54. Alternatively, the external control signal may also be applied to the fourth port 28d via another device, such as a computer. The sensor drive signals 26a-c may depend on the type or condition of the sensor 12-1. For example, a frequency of one or more sensor output signals 26a-c of materials or substances to be detected by the sensor 12-1 so that the frequency or PWM duty cycle of the sensor drive signals 26a-c may depend on the user input. The state can be, for example, a type, sum or combination of materials whose presence is to be checked with the sensor 12-1. The state may thus describe an operation or operating state of the sensor 12-1, which is influenced by materials or substances or a combination thereof, with which the sensor 12-1 is brought into connection.
Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die integrierte Sensorauswerteschal- tung 20 an verschiedene Betriebsarten angepasst werden kann, ohne dass dies zu einem erhöhten Verdrahtungsaufwand führt. So kann beispielsweise der Sensor 12-1 gewechselt werden, der Wechsel über das User Interface 54 der integrierten Sensorauswerteschaltung 20 mitgeteilt und ein Betrieb derselben fortgesetzt werden. Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass eine Art oder ein Typ des Sensors 12-1 durch eine automatisierte Abfrage oder eine automatisch generierte Mitteilung (Signal) erfolgen. Ist das Sensorsignal 14-1 beispielsweise ein digitales Signal, so kann eine Art, ein Typ oder ein Betriebszustand des Sensors 12-1 in die digitalen Nachrichten integriert werden, so dass eine Anpassung der Konfigurationsdaten in dem Konfigurationsdatenspeicher 16 über das Sensorsignal 14-1 erfolgen kann. An advantage of this embodiment is that the integrated Sensorauswerteschal- device 20 can be adapted to different modes without this leading to increased wiring complexity. For example, the sensor 12-1 can be changed, the change can be communicated via the user interface 54 of the integrated sensor evaluation circuit 20, and an operation thereof can be continued. Alternatively, it is also conceivable that a type or a type of the sensor 12-1 be carried out by an automated query or an automatically generated message (signal). If the sensor signal 14-1 is, for example, a digital signal, then a type, a type or an operating state of the sensor 12-1 can be integrated into the digital messages so that an adaptation of the configuration data in the configuration data memory 16 takes place via the sensor signal 14-1 can.
In anderen Worten zeigt Fig. 2 eine Integration eines Messaufbaus in ein hoch integriertes elektronisches Front-End, welches die Signale generiert, die zur Messung notwendig sind und automatisiert eine Korrelation mit dem zu messenden Signal durchführt. Als Ergebnis können direkt die benötigten Messwerte der Einzelsensoren, das heißt der MRR, ausgelesen werden. Dies kann durch eine parallele Generierung der Sensoransteuersignale 26a-c mittels digitaler Logik erfolgen. Im Gegensatz zu klassischen Lock-In Verstärkern kann anstelle eines analogen Referenzsignals ein digitales Signal, beispielsweise ein Rechtecksignal, zur thermischen Modulation des Sensors genutzt werden. Durch die digi- tale Signalverarbeitung und das Tiefpassverhalten der Heizelemente und/oder zusätzliche Filter können die harmonischen Oberwellen unterdrückt werden. Durch dieses physikalische Verhalten kann der Schaltungsaufwand stark reduziert werden. Die Implementierung der Signalgeneratoren und der Signalverarbeitung in eine parallele Architektur, wie es beispielsweise durch Field Programmable Gate Arrays (FPGA) erfolgen kann, ermöglicht einen genauen und schnellen Messvorgang, da die Phasensynchronität bzw. Phasensyn- chronizität sichergestellt ist. Ist genug Platz für die Elektronik vorhanden, so kann durch einen geringen Mehraufwand auch ein analoges Signal erzeugt werden, um Sensorsysteme, welche nicht in einem solchen Maße wie der optische Sensor der thermischen Trägheit unterliegen und damit ein geringeres oder kein Tiefpassverhalten aufweisen oder für welche höhere harmonische Schwingungen kritisch wären, zu implementieren. In other words, Fig. 2 shows an integration of a measurement setup in a highly integrated electronic front-end, which generates the signals that are necessary for the measurement and automatically performs a correlation with the signal to be measured. As a result, the required measured values of the individual sensors, ie the MRR, can be read out directly. This can be done by a parallel generation of Sensoransteuersignale 26a-c by means of digital logic. In contrast to conventional lock-in amplifiers, instead of an analog reference signal, a digital signal, for example a square-wave signal, can be used for thermal modulation of the sensor. Due to the digital signal processing and the low-pass behavior of the heating elements and / or additional filters, the harmonic waves can be suppressed. By this physical behavior, the circuit complexity can be greatly reduced. The implementation of the signal generators and the signal processing in a parallel architecture, as can be done for example by Field Programmable Gate Arrays (FPGA), allows a precise and fast measurement process, since the phase synchronicity or phase synchronicity is ensured. If there is enough space for the electronics, an analog signal can be generated by a slight additional effort to sensor systems, which are not subject to thermal inertia to such an extent as the optical sensor and thus have a low or no low-pass behavior or for which higher harmonic oscillations would be critical to implement.
Für einen portablen und möglicherweise batteriebetriebenen Einsatz können Sensorauswerteschaltungen so implementiert werden, dass eine energieeffiziente und auf geringer Baugröße bereitgestellte Funktion eines Multi-Referenz-Lock-In Verstärkers realisierbar ist. Die Anzahl der Referenzkanäle ist dabei veränderlich, das bedeutet, dass eine Grundstruktur der integrierten Sensorauswerteschaltungen durch eine variierende Anzahl von optischen Sensoren auf dem Chip bzw. dem Sensor unverändert bleiben kann. Die Referenzsignale, d. h. die Sensoransteuersignale 26a-c werden mittels der Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 erzeugt, welche die jeweiligen Daten aus dem Konfigurationsdatenspeicher 16 erhalten. Es können mehrere Signalgeneratoren 18 instanziiert werden, um entsprechend viele Sensoren (MRR) betreiben zu können. Die Signalgeneratoren 18 sind bezüglich ihrer Phasenlage untereinander synchronisiert. Die Ausgabe des Refe- renzsignals, das heißt der Summe aller Sensoransteuersignale, erfolgt zum Chip des Mul- ti-Ring-Resonators, das heißt des Sensors 12-1. Die Änderung der Konfiguration der Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 oder anderer Teile der integrierten Sensorauswerteschaltung 20 kann, wenn die integrierte Sensorauswerteschaltung ein FPGA umfasst, beispielsweise derart erfolgen, dass das FPGA neu konfiguriert wird. Eine Anzahl von implementierten Signalgeneratoren 18 kann durch eine Neukonfiguration neu bestimmt werden. For portable and possibly battery-powered use, sensor evaluation circuits can be implemented to realize an energy-efficient and small-sized function of a multi-reference lock-in amplifier. The number of reference channels is variable, which means that a basic structure of the integrated sensor evaluation circuits can remain unchanged by a varying number of optical sensors on the chip or the sensor. The reference signals, d. H. the sensor drive signals 26a-c are generated by means of the plurality of signal generators 18, which receive the respective data from the configuration data memory 16. Several signal generators 18 can be instantiated in order to be able to operate a corresponding number of sensors (MRR). The signal generators 18 are synchronized with each other with respect to their phase position. The output of the reference signal, that is to say the sum of all sensor drive signals, takes place to the chip of the multi-ring resonator, that is to say of the sensor 12-1. The change in the configuration of the plurality of signal generators 18 or other parts of the integrated sensor evaluation circuit 20 may, for example, if the integrated sensor evaluation circuit comprises an FPGA such that the FPGA is reconfigured. A number of implemented signal generators 18 may be redetermined by reconfiguration.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der integrierten Sensorauswerteschaltung auch im laufenden Betrieb erfolgen, etwa indem eine Signalfrequenz eines oder mehrerer Signalgeneratoren oder Konfigurationsdaten während eines laufenden Betriebs der integrierten Sensorauswerteschaltung verändert werden. Alternatively or additionally, a change in the integrated sensor evaluation circuit can also take place during operation, for example by changing a signal frequency of one or more signal generators or configuration data during a running operation of the integrated sensor evaluation circuit.
Ein Auslesen des Sensor-Signals 14-1 kann derart erfolgen, dass über einen photoelektrischen Wandler, wie etwa eine Photodiode eine analoge Spannung gemäß den Amplitu- den des optischen Signals gemessen wird, das bedeutet, das Signal der Sensoren (MRR) liegt optisch vor. Diese Spannung kann über einen Verstärker an dem Analog-zu-Digital Wandler 46 angeschlossen werden, der die Signale digitalisiert. Die Digitalisierung erfolgt dabei phasensynchron zu den Referenzsignalen. Über die Signalverarbeitung, das bedeutet die Signalverarbeitungsblock 22-1 , werden die Signale mit den Sensoransteuersignalen 26a-c korreliert. Dadurch können die Signale den einzelnen optischen Ringe 38a-d zugeordnet und separiert werden. Die Messergebnisse werden in einem Speicher 48 abgelegt. A readout of the sensor signal 14-1 can be carried out such that via a photoelectric converter, such as a photodiode, an analog voltage is measured according to the amplitude of the optical signal, that is, the signal of the sensors (MRR) is optically present , This voltage can be connected via an amplifier to the analog-to-digital Transducer 46 are connected, which digitizes the signals. The digitization is carried out in phase synchronization with the reference signals. Through the signal processing, that is, the signal processing block 22-1, the signals are correlated with the sensor drive signals 26a-c. As a result, the signals can be assigned to the individual optical rings 38a-d and separated. The measurement results are stored in a memory 48.
Über ein digitales Interface 52 kann der Aufbau der Sensorauswerteschaltung konfiguriert und die Messdaten ausgelesen werden. Über ein Mensch-Maschine-Interface 54 erfolgen die Steuerung der Messung und die Ausgabe der Messdaten. Via a digital interface 52, the structure of the sensor evaluation circuit can be configured and the measured data can be read out. A human-machine interface 54 controls the measurement and the output of the measured data.
Die Struktur der Sensorauswerteschaltung 20 kann basierend auf rein digitaler Elektronik ausgeführt sein und so einen aufwendigen (analogtechnischen) Messaufbau ersetzen. Dies ermöglicht den Einsatz des Sensor-Chips in einer portablen, gegebenenfalls batte- riebetriebenen, Anwendung. Die Messung erfolgt dabei durch parallele Generierung der Referenzsignale und parallele Messvorgänge wesentlich schneller als bei einem diskreten Aufbau. Ein Aufwand für die externe Auswertung kann durch eine beschriebene Voranalyse, etwa eine FFT in dem Signalverarbeitungsblock 22-1 gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen drastisch gesenkt oder beschleunigt werden. Durch die Beschleu- nigung ist es möglich, Echtzeitmessungen mit durchzuführen. Echtzeitmessungen beschreiben Messvorgänge, die ein Sensorergebnis in einer Zeitspanne liefern, die in einem Umfang liegen, dass ein auf das Auswerten des Messergebnisses folgender Prozessschritt ohne zeitliche Verzögerung durchführbar ist. Die integrierte Sensorauswerteschaltung 20 kann beispielsweise als Auswerte-Einheit für portable MRR-Array-Sensoren in Form eines Point-of-Service-Geräts für chemische oder biochemische Analysen von Proben eingesetzt werden. Ferner ist vorstellbar, dass eine derartige Anordnung als tragbares Gerät zur Stoffdetektion in Feststoffen, Flüssigkeiten oder in der Luft eingesetzt wird. The structure of the sensor evaluation circuit 20 can be designed based on purely digital electronics and thus replace a complex (analog-technical) measurement setup. This allows the use of the sensor chip in a portable, possibly battery-powered, application. The measurement is carried out by parallel generation of the reference signals and parallel measurement processes much faster than in a discrete structure. An expense for the external evaluation can be drastically reduced or accelerated by a described pre-analysis, such as an FFT in the signal processing block 22-1 over known methods and devices. Acceleration makes it possible to perform real-time measurements. Real-time measurements describe measurement processes which deliver a sensor result over a period of time that is such that a process step following the evaluation of the measurement result can be carried out without a time delay. The integrated sensor evaluation circuit 20 can be used, for example, as an evaluation unit for portable MRR array sensors in the form of a point-of-service device for chemical or biochemical analysis of samples. Furthermore, it is conceivable that such an arrangement is used as a portable device for substance detection in solids, liquids or in the air.
Prinzipiell hängt eine Anwendung der Sensorauswerteschaltung von den Eigenschaften des Sensors, beispielsweise einer Aktivierungsschicht der optischen Ringresonatoren ab. In principle, an application of the sensor evaluation circuit depends on the properties of the sensor, for example an activation layer of the optical ring resonators.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sensorauswerteschaltung 30, die eine Verstärkerschaltung 56, mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite aufweist. Eingangsseitig ist die Verstärkerschaltung 56 mit der Mehrzahl von Signalgeneratoren 18 und ausgangsseitig mit dem ersten Anschluss 28a verbunden. Die Verstärkerschaltung 56 ist ausgebildet, um die Sensoransteuersignale 26a-c zu empfangen und zu verstärken, so dass die Sensoransteuersignale neben einer voneinander unabhängigen Frequenz auch eine gleiche oder individuelle Signalamplitude bzw. eine Signalleistung aufweisen können, die hinreichend groß ist, um beispielsweise für optische Ringresonatoren thermische Leistung bereitzustellen. Ein Verstärkungsfaktor zur Steuerung der Verstärkerschaltung bzw. der Verstärkung der Sensoransteuersignale 26a-c kann Teil der Konfigurationsdaten sein. 3 shows a schematic block diagram of a sensor evaluation circuit 30 having an amplifier circuit 56 with an input side and an output side. On the input side, the amplifier circuit 56 with the plurality of signal generators 18 and connected on the output side to the first terminal 28a. The amplifier circuit 56 is designed to receive and amplify the sensor drive signals 26a-c, so that the sensor drive signals, in addition to an independent frequency, can also have the same or individual signal amplitude or signal power, which is sufficiently large, for example for optical ring resonators provide thermal power. An amplification factor for controlling the amplifier circuit or the amplification of the sensor drive signals 26a-c may be part of the configuration data.
Die integrierte Sensorauswerteschaltung 30 weist ferner eine Umsetzerschaltung 58 auf, die mit der Ansteuerschaltung 34 und einem optischen Emitter 62 der integrierten Sensorauswerteschaltung 30 verbunden ist. Die Umsetzerschaltung 58 ist ausgebildet, um das Anregungssignal 36 zu empfangen und so umzuformen, dass der optische Emitter 62, beispielsweise ein Laser (monochromatisch oder durchstimmbar) oder einer Lichtquelle 42 ein optisches Signal emittiert, das über den dritten Anschluss 28c an einem Sensor 12- 2 ausgegeben werden kann. Der Sensor 12-2 weist einen optischen Eingang 62 auf, der ausgebildet ist, um das optische Signal von dem dritten Anschluss 28c zu empfangen. Eine Verbindung zwischen dem dritten Anschluss 28c und dem Sensoreingang 62 kann beispielsweise über einen Lichtwellenleiter bereitgestellt werden. Prinzipiell kann die Umsetzerschaltung 58 auch Teil der Ansteuerschaltung 34 sein. The integrated sensor evaluation circuit 30 also has a converter circuit 58, which is connected to the drive circuit 34 and an optical emitter 62 of the integrated sensor evaluation circuit 30. The converter circuit 58 is designed to receive the excitation signal 36 and to transform it such that the optical emitter 62, for example a laser (monochromatic or tunable) or a light source 42, emits an optical signal which is transmitted via the third connection 28c to a sensor 12. 2 can be issued. The sensor 12-2 has an optical input 62 configured to receive the optical signal from the third port 28c. A connection between the third terminal 28c and the sensor input 62 can be provided for example via an optical waveguide. In principle, the converter circuit 58 may also be part of the drive circuit 34.
Die integrierte Sensorauswerteschaltung 30 weist ferner einen internen Taktgeber 64, beispielsweise ein Systemtakt oder ein Quarzelement, auf, das ausgebildet ist, um den gemeinsamen Signaltakt 24 bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die integrierte Sensorauswerteschaltung 30 auch mit einem externen Taktgeber verbunden sein, bei- spielsweise wenn die interne Auswerteschaltung 30 ein Mikrocontroller ist, der einen Takteingang aufweist. Der externe Taktgeber kann beispielsweise auf der gleichen Platine wie der entsprechende Mikrocontroller angeordnet sein. The integrated sensor evaluation circuit 30 further includes an internal clock 64, such as a system clock or a quartz element, configured to provide the common signal clock 24. Alternatively or additionally, the integrated sensor evaluation circuit 30 may also be connected to an external clock generator, for example when the internal evaluation circuit 30 is a microcontroller having a clock input. The external clock may, for example, be arranged on the same board as the corresponding microcontroller.
Die Verstärkerschaltung 56 kann ferner einen Analogisierer aufweisen, der ausgebildet ist, um die Sensoransteuersignale 26a-c in Form von digitalen Rechtecksignale zu empfangen und in analoge Signalformen, beispielsweise eine Sinusschwingung oder ein zeitlich kontinuierlich variierendes Signal umzuformen. Vereinfacht ausgedrückt ist der Analogisierer ausgebildet, um bspw. mittels Kondensatoren, Spulen und/oder Widerstände die diskrete Signalstufen in kontinuierliche Signalpegel zu überführen. Vorteilhaft an einer analogen Signalform ist, dass eine Entstehung von Signaloberwellen durch ein Anlagen analoger Signale reduziert und eine Messgenauigkeit erhöht werden kann. Dies kann bei- spielsweise vorteilhaft sein, wenn ein an der integrierten Sensorauswerteschaltung angeschlossener Sensor Sensorelemente aufweist, die verglichen mit optischen Resonanzringen mit einer thermischen Trägheit eine geringere oder wesentlich geringere Trägheit aufweisen. Der Begriff Trägheit kann so verstanden werden, dass eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Veränderung eines Signalpegels an einem Eingang mit Verzögerung eine kontinuierliche Veränderung eines Signalpegels eines Ausgangssignals bewirkt, wie beispielsweise bei einer Ladekurve eines elektrischen Kondensators der Fall ist. The amplifier circuit 56 may further include an analogizer configured to receive the sensor drive signals 26a-c in the form of digital square wave signals and to convert them to analog waveforms, such as a sine wave or a continuous time varying signal. In simple terms, the analogizer is designed, for example, to convert the discrete signal stages into continuous signal levels by means of capacitors, coils and / or resistors. An advantage of an analog signal form is that a generation of signal harmonics can be reduced by a system of analog signals and a measurement accuracy can be increased. This can be For example, be advantageous if a sensor connected to the integrated Sensorauswerteschaltung sensor elements, which have a lower or substantially lower inertia compared with optical resonance rings with a thermal inertia. The term inertia can be understood to mean that a continuous or discontinuous change in a signal level at an input with delay causes a continuous change in a signal level of an output signal, as is the case, for example, in a charging curve of an electrical capacitor.
Der Sensor 12-2 ist mit der integrierten Sensorauswerteschaltung 30 über eine gemein- same Signalleitung 66 verbunden, die ausgebildet ist, um mehrere Sensoransteuersignale 26a-c gemeinsam zu übertragen. Die gemeinsame Signalleitung 66 kann beispielsweise ein mehradriges Kabel sein, bei dem ein Sensoransteuersignal 26a-c über eine individuelle Ader übertragen wird. Alternativ ist ebenfalls vorstellbar, dass die gemeinsame Signalleitung 66 elektrische oder optische Übertragungsstrecken aufweist, die in einem Fre- quenz- oder Zeitmultiplexverfahren von mehreren Sensoransteuersignalen 26a-c genutzt werden. The sensor 12-2 is connected to the integrated sensor evaluation circuit 30 via a common signal line 66, which is designed to transmit a plurality of sensor drive signals 26a-c in common. The common signal line 66 may be, for example, a multi-core cable in which a sensor drive signal 26a-c is transmitted via an individual wire. Alternatively, it is also conceivable that the common signal line 66 has electrical or optical transmission links which are used in a frequency or time-division multiplexing method by a plurality of sensor drive signals 26a-c.
Ein Signalverarbeitungsblock 22-2 der integrierten Sensorauswerteschaltung 30 weist einen Zwischenspeicher 68 auf, der ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von Werten des Sensorsignals 14-2 bzw. der digitalisierten Werte des Sensorsignals 14-2 zwischenzu- speichern. Dies kann beispielsweise bei einer Durchführung einer FFT (Fast Fourier Transformation) vorteilhaft sein, wenn eine gewisse Anzahl von beispielsweise 4.000, 8.000 oder 16.000 Messwerte gespeichert werden und in einer gemeinsamen FFT- Auswertung in dem Signalverarbeitungsblock 22-2 verarbeitet werden. A signal processing block 22-2 of the integrated sensor evaluation circuit 30 has a buffer memory 68 which is designed to latch a plurality of values of the sensor signal 14-2 or the digitized values of the sensor signal 14-2. This can be advantageous, for example, when carrying out an FFT (Fast Fourier Transformation) if a certain number of, for example, 4,000, 8,000 or 16,000 measured values are stored and processed in a common FFT evaluation in the signal processing block 22-2.
Die integrierte Sensorauswerteschaltung 30 kann beispielsweise über eine Batterie und eine elektrische Gleichspannung mit elektrischer Energie versorgt werden, so dass ein von einem Netzanschluss unabhängiger portabler, mobiler Betrieb ermöglicht ist. Alternativ oder zusätzlich kann die integrierte Sensorauswerteschaltung 30 über einen Netzan- schluss und eine elektrische Wechselspannung mit elektrischer Energie versorgt wird. The integrated sensor evaluation circuit 30 can be supplied, for example via a battery and a DC electrical voltage with electrical energy, so that one of a network connection independent portable, mobile operation is possible. Alternatively or additionally, the integrated sensor evaluation circuit 30 can be supplied with electrical energy via a mains connection and an electrical alternating voltage.
Fig. 4 zeigt eine schematisches Blockschaltbild eines Sensorsystems 40 mit der integrierten Sensorauswerteschaltung 10, die mit dem Sensor 12 des Sensorsystems 40 verbunden ist. Das Sensorsystem 40 kann beispielsweise ein Chip, eine Platine oder ein sonsti- ges System sein, bei dem die integrierte Sensorauswerteschaltung 10 mit dem Sensor 12 gemeinsam angeordnet ist. Beispielsweise kann das Sensorsystem 40 eine Schaltung, ein Chip, eine Vorrichtung oder ein System sein, das den Sensor 12 unveränderlich durch die integriere Sensorauswerteschaltung 10 erweitert. In anderen Worten kann das Sensorsystem 40 eine Lab-on-Chip Vorrichtung sein, bei der der Sensor 12 mit einer Auswerteschaltung 10 ergänzt ist. Alternativ oder zusätzlich zu dem Sensor 12 kann das Sensor- system 40 einen anderen Sensor umfassen. Alternativ oder zusätzlich zu der Sensorauswerteschalung 10 kann das Sensorsystem 40 eine andere Sensorauswerteschaltung umfassen. Das Sensorsystem 40 kann ein gemeinsames Gehäuse umfassen, in welchem die Sensorauswerteschaltung 10 und der Sensor 12 angeordnet ist. Das Sensorsystem 40 kann so ausgeführt sein, dass der Sensor 12 eine Mehrzahl von optischen Resonatoren aufweist. Die Sensoransteuersignale können Modulationssignale zur Änderung optischer Eigenschaften der Mehrzahl der optischen Resonatoren sein. Die integrierte Sensorauswerteschaltung 10 umfasst den dritten Anschluss 28c und ist ausgebildet, um das Anregungssignal 36 mittels des dritten Anschlusses 28c an dem Sensor 12 zu liefern. Der Sensor 12 ist ausgebildet, um die Mehrzahl von optischen Resonatoren mit einem Trägersignal, das auf dem Anregungssignal 36 basiert, anzusteuern. Die Mehrzahl von optischen Resonatoren kann bspw. ausgebildet sein, das Trägersignal basierend auf einem Sensorparameter und basierend auf einem der Mehrzahl von Modulationssignalen zu verändern. Der Sensor 12 ist ausgebildet, um das Sensorsignal 14 basierend auf dem veränderten Trägersignal bereitzustellen. Die integrierte Sensorauswerteschaltung 10 ist ausgebildet, um das Sensorsignal an dem zweiten Anschluss 28b zu empfangen. 4 shows a schematic block diagram of a sensor system 40 with the integrated sensor evaluation circuit 10, which is connected to the sensor 12 of the sensor system 40. The sensor system 40 may be, for example, a chip, a circuit board or another system in which the integrated sensor evaluation circuit 10 is arranged in common with the sensor 12. For example, the sensor system 40 may include a circuit, a chip, a device or a system that invariably expands the sensor 12 through the integrated sensor evaluation circuit 10. In other words, the sensor system 40 may be a lab-on-chip device, in which the sensor 12 is supplemented with an evaluation circuit 10. Alternatively or in addition to the sensor 12, the sensor system 40 may comprise another sensor. Alternatively or in addition to the sensor evaluation circuit 10, the sensor system 40 may comprise a different sensor evaluation circuit. The sensor system 40 may comprise a common housing in which the sensor evaluation circuit 10 and the sensor 12 are arranged. The sensor system 40 may be configured such that the sensor 12 comprises a plurality of optical resonators. The sensor drive signals may be modulation signals for changing optical characteristics of the plurality of optical resonators. The integrated sensor evaluation circuit 10 includes the third terminal 28c and is configured to supply the excitation signal 36 to the sensor 12 via the third terminal 28c. The sensor 12 is designed to drive the plurality of optical resonators with a carrier signal based on the excitation signal 36. For example, the plurality of optical resonators may be configured to change the carrier signal based on a sensor parameter and based on one of the plurality of modulation signals. The sensor 12 is configured to provide the sensor signal 14 based on the changed carrier signal. The integrated sensor evaluation circuit 10 is designed to receive the sensor signal at the second terminal 28b.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Sensorsystem 40 so ausgeführt, dass der Signalverarbeitungsblock der integrierten Sensorauswerteschaltung 10 ein Lock-In Verstärker ist, der ausgebildet ist, um basierend auf einer Korrelierung der Mehrzahl von Sensoransteuersignalen und des Sensorsignals 14 eine Information über die Veränderung des Trägersignals zu erhalten. Die Veränderung des Trägersignals kann auf einer Veränderung von Resonanzfrequenzen und/oder Resonanzwellenlängen von optischen Resonanzringen basieren. Die Veränderung der Resonanzfrequenzen und/oder -Wellenlängen kann auf einem Kontakt eines entsprechenden Resonanzrings mit einem Stoff, einem Gas oder einem Material beruhen, für den der optische Resonanzring sensitiv ist. According to embodiments, the sensor system 40 is configured such that the signal processing block of the integrated sensor evaluation circuit 10 is a lock-in amplifier configured to obtain information on the change of the carrier signal based on a correlation of the plurality of sensor drive signals and the sensor signal 14. The change in the carrier signal may be based on a change in resonant frequencies and / or resonant wavelengths of optical resonant rings. The change in resonant frequencies and / or wavelengths may be due to contact of a respective resonant ring with a substance, gas or material for which the resonant optical ring is sensitive.
Obwohl in vorangegangenen Ausführungsbeispielen der Signalverarbeitungsblock stets so beschrieben wurde, dass der Signalverarbeitungsblock ausgebildet ist, um ein Lock-In Verfahren durchzuführen, kann der Signalverarbeitungsblock alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, um andere Signalverstärkungsverfahren auszuführen, beispielsweise ein Chopper- Verfahren. Although in previous embodiments the signal processing block has always been described as having the signal processing block configured to perform a lock-in procedure, the signal processing block may alternatively or additionally be configured to perform other signal amplification methods, such as a chopper method.
Obwohl in vorangegangenen Ausführungsbeispielen die Auswertung von Sensoren mit optischen Resonanzringen beschrieben wurde, ist es ebenfalls vorstellbar, optische Sensoren, resistive Sensoren, induktive oder kapazitive Sensoren mittels der integrierten Sensorauswerteschaltungen auszuwerten. Alternativ oder zusätzlich können auch Sensoren zur Erfassung von induktiven oder kapazitiven Messobjekten angeordnet werden. Ebenfalls ist vorstellbar, dass ein angeordneter Sensor ausgebildet ist, um Eigenschaften einer Bakterien- oder Zellkolonie (etwa eine Keim- oder Zelldichte) zu erfassen, etwa durch eine Impedanzmessung oder eine Kapazitätsmessung eines Materials, das eine entsprechende Kolonie aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls vorstellbar, dass ein entsprechender Sensor ausgebildet ist, um eine Temperatur oder einen Luftleitwert zu erfassen. Der Sensor kann alternativ oder zusätzlich auch ein mikroinerter Sensor, etwa zur Erfassung gyroskopischer Effekte oder Beschleunigungen sein. Although in previous embodiments the evaluation of sensors with optical resonance rings has been described, it is also conceivable to evaluate optical sensors, resistive sensors, inductive or capacitive sensors by means of the integrated sensor evaluation circuits. Alternatively or additionally, sensors for detecting inductive or capacitive measuring objects can also be arranged. It is also conceivable that an arranged sensor is designed to detect properties of a bacterial or cell colony (such as a germ or cell density), for example by an impedance measurement or a capacitance measurement of a material having a corresponding colony. Alternatively or additionally, it is also conceivable that a corresponding sensor is designed to detect a temperature or an air conductance. The sensor may alternatively or additionally also be a microinert sensor, for example for detecting gyroscopic effects or accelerations.
Die verwendeten Sensoren können ausgebildet sein, um Sensorsignale basierend auf einer thermischen Modulation von Sensoreiementen oder -komponenten bereitzustellen. Alternativ kann eine andere Modulation, bspw. eine Amplitudenmodulation oder einer Frequenzmodulation verwendet werden, um einzelne Signalanteile zu separieren oder von einander zu unterscheiden. Alternativ kann auf eine Verwendung einer Modulation auch verzichtet werden, bspw., wenn unterschiedliche Sensoren oder Sensorelemente ausgebildet sind, um in von einander verschiedenen Betriebsbereichen, wie Wellenlängenbereiche optischer Sensoren oder Frequenzbereiche kapazitiver Sensoren, betrieben zu werden. The sensors used may be configured to provide sensor signals based on thermal modulation of sensor elements or components. Alternatively, another modulation, for example an amplitude modulation or a frequency modulation, can be used to separate or differentiate individual signal components. Alternatively, a use of a modulation can also be dispensed with, for example if different sensors or sensor elements are designed to operate in different operating ranges, such as wavelength ranges of optical sensors or frequency ranges of capacitive sensors.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steu- ersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Com- putersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device. Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. The implementation can using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk or other magnetic or optical memory are stored on the electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable. Thus, some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein. In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer. The program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Other embodiments include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be- schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. In other words, an exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer. A further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist. A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet. Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein. Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC. In some embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform one of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed by any hardware device. This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
Literaturverzeichnis bibliography
[1 ] P. Lützow, D. Pergande und H. Heidrich, „Integrated optical sensor platform for multiparameter bio-chemical analysis," Optics Express Vol 19, Issue 14, 2011. [1] P. Lützow, D. Pergande, and H. Heidrich, "Integrated Optical Sensor Platform for Multiparameter Bio-chemical Analysis," Optics Express Vol. 19, Issue 14, 2011.

Claims

Patentansprüche  claims
1. Integrierte Sensorauswerteschaltung zum Auswerten eines von einem Sensor (12; 1. Integrated sensor evaluation circuit for evaluating one of a sensor (12;
12-1 ; 12-2) empfangenen Sensorsignals (14; 14-1 ; 14-2), mit einem ersten Anschluss (28a) zur Verbindung mit dem Sensor (12; 2-1 ; 12-2); einem zweiten Anschluss (28b) zur Verbindung mit dem Sensor (12; 12-1 ; 12-2); einem Konfigurationsdatenspeicher (16) zum Speichern von Konfigurationsdaten, die Signaleigenschaften mehrerer Sensoransteuersignale (26a-c) beschreiben; einer Mehrzahl von Signalgeneratoren (18), die mit dem Konfigurationsdatenspeicher (16) und dem ersten Anschluss (28a) verbunden sind und ausgebildet sind, um basierend auf einem gemeinsamen Signaltakt (24) und den Konfigurationsdaten jeweils ein Sensoransteuersignal (26a-c) bereitzustellen; und einem Signalverarbeitungsblock (22; 22-1 ;22-2), der mit dem Konfigurationsdatenspeicher (16) und dem zweiten Anschluss (28b) verbunden ist, und ausgebildet ist, um das an dem zweiten Anschluss (28b) anliegende Sensorsignal (14; 14-1 ; 14-2), das auf der Mehrzahl von Sensoransteuersignalen (26a-c) basiert, zu empfangen, um das empfangene Sensorsignal (14; 14-1 ; 14-2) basierend auf dem Signaltakt (24) und den Konfigurationsdaten auszuwerten und um ein Auswerteergebnis (32) bereitzustellen.  12-1; 12-2), having a first terminal (28a) for connection to the sensor (12; 2-1; 12-2); a second port (28b) for connection to the sensor (12; 12-1; 12-2); a configuration data memory (16) for storing configuration data describing signal characteristics of a plurality of sensor drive signals (26a-c); a plurality of signal generators (18) connected to the configuration data memory (16) and the first terminal (28a) and configured to provide a sensor drive signal (26a-c) based on a common signal clock (24) and the configuration data, respectively; and a signal processing block (22; 22-1; 22-2) connected to the configuration data memory (16) and the second terminal (28b) and configured to receive the sensor signal (14; 14-1; 14-2) based on the plurality of sensor drive signals (26a-c) to receive the received sensor signal (14; 14-1; 14-2) based on the signal clock (24) and the configuration data evaluate and provide an evaluation result (32).
Sensorauswerteschaltung gemäß Anspruch 1 , die ferner einen Taktgeber (64) aufweist, der ausgebildet ist, um den Signaltakt (24) bereitzustellen. The sensor evaluation circuit of claim 1, further comprising a clock generator (64) configured to provide the signal clock (24).
Sensorauswerteschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Signalverarbeitungsblock (22; 22-1 ;22-2) ausgebildet ist, um die Sensoransteuersignale (26a-c) basierend auf den Konfigurationsdaten nachzubilden. A sensor evaluation circuit according to claim 1 or 2, wherein the signal processing block (22; 22-1; 22-2) is adapted to model the sensor drive signals (26a-c) based on the configuration data.
Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ferner einen dritten Anschluss (28c) zur Verbindung mit dem Sensor (12; 12-1 ; 12-2) und eine Ansteuerschaltung (34) aufweist, wobei der dritte Anschluss (28c) mit der Ansteuerschaltung (34) verbunden ist und wobei die Ansteuerschaltung (34) ausgebildet ist, um ein Anregungssignal (36) zu erzeugen, das ausgebildet ist, um den Sensor (12; 12-1 ; 12-2) anzusteuern. Sensor evaluation circuit according to one of the preceding claims, further comprising a third terminal (28c) for connection to the sensor (12; 12-1; 12-2) and a drive circuit (34), wherein the third terminal (28c) with the Driving circuit (34) is connected and wherein the drive circuit (34) is designed to generate an excitation signal (36) which is designed to drive the sensor (12; 12-1; 12-2).
Sensorauswerteschaltung gemäß Anspruch 4, bei dem die Ansteuerschaltung (34) ein optisches Modul ist, und bei der das Anregungssignal (36) ausgebildet ist, einen Laser (42) anzusteuern. Sensor evaluation circuit according to claim 4, wherein the drive circuit (34) is an optical module, and wherein the excitation signal (36) is adapted to drive a laser (42).
Sensorauswerteschaltung gemäß Anspruch 4 oder 5, die ferner eine Umsetzerschaltung (58) und einen optischen Emitter (62) aufweist, wobei die Umsetzerschaltung (58) mit der Ansteuerschaltung (34) und dem optischen Emitter (62) verbunden ist, wobei der optische Emitter (62) mit der Umsetzerschaltung (58) und dem dritten Anschluss (28c) verbunden ist, wobei die Umsetzerschaltung (58) ausgebildet ist, um das Anregungssignal (36) zu empfangen und den optischen Emitter (62) basierend auf dem Anregungssignal (36) zu einer optischen Emission anzuregen. Sensor evaluation circuit according to claim 4 or 5, further comprising a converter circuit (58) and an optical emitter (62), wherein the converter circuit (58) is connected to the drive circuit (34) and the optical emitter (62), wherein the optical emitter ( 62) is connected to the converter circuit (58) and the third terminal (28c), wherein the converter circuit (58) is adapted to receive the excitation signal (36) and to supply the optical emitter (62) based on the excitation signal (36) to stimulate an optical emission.
Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ferner einen Ergebnisspeicher (48) aufweist, der ausgebildet ist, um das Auswerteergebnis (32) zu speichern. Sensor evaluation circuit according to one of the preceding claims, further comprising a result memory (48) which is designed to store the evaluation result (32).
Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Signalverarbeitungsblock (22; 22-1 ;22-2) einen Zwischenspeicher (68) aufweist, der ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von Werten des Sensorsignals (14; 14-1 ; 14- 2) zwischenzuspeichern und, um die Mehrzahl von Werten mit einer Frequenzauswertemethode auszuwerten. A sensor evaluation circuit according to any one of the preceding claims, wherein the signal processing block (22; 22-1; 22-2) comprises a latch (68) adapted to receive a plurality of values of the sensor signal (14; 14-1; 14-2 ) and to evaluate the plurality of values with a frequency evaluation method.
Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ferner einen vierten Anschluss (28d) aufweist, der ausgebildet ist, um eine Benutzereingabe oder ein externes Steuersignal zu empfangen, wobei die Sensorauswerteschaltung ausgebildet ist, um zumindest einen der Mehrzahl von Signalgeneratoren (18) basierend auf der Benutzereingabe oder basierend auf dem externen Steuersignal zu programmieren oder um die Konfigurationsdaten zu verändern. The sensor evaluation circuit of claim 1, further comprising a fourth terminal configured to receive a user input or an external control signal, wherein the sensor evaluation circuit is configured to connect at least one of the plurality of signal generators based on the To program user input or based on the external control signal or to change the configuration data.
Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ferner ausgebildet ist, mit einer elektrischen Wechselspannung oder einer elektrischen Gleichspannung betrieben zu werden. 1 1 . Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ausgebildet ist, um die Mehrzahl von Sensoransteuersignalen (26a-c) an dem ersten Anschluss (28a) über eine gemeinsame Verbindung an den Sensor (12; 12-1 ; 12-2) zu liefern. Sensor evaluation circuit according to one of the preceding claims, which is further configured to be operated with an AC electrical voltage or a DC electrical voltage. 1 1. A sensor evaluation circuit according to any one of the preceding claims, arranged to supply the plurality of sensor drive signals (26a-c) at the first terminal (28a) to the sensor (12; 12-1; 12-2) via a common connection.
12. Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ausgebildet ist, um das Sensorsignal (14; 14-1 ; 14-2) in einer analogen Form an dem zweiten Anschluss (28b) zu empfangen. A sensor evaluation circuit according to any one of the preceding claims, arranged to receive the sensor signal (14; 14-1; 14-2) in an analog form at the second terminal (28b).
13. Sensorauswerteschaltung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ferner eine Verstärkerschaltung (56) aufweist, die mit dem ersten Anschluss (28a) und der Mehrzahl von Signalgeneratoren (18) verbunden ist und ausgebildet ist, um die Mehrzahl an Sensoransteuersignalen (26a-c) zu verstärken und um die verstärkten Sensoransteuersignale (26a-c) an dem ersten Anschluss (28a) bereitzustellen. 13. A sensor evaluation circuit according to claim 1, further comprising an amplifier circuit connected to the first terminal and the plurality of signal generators, and configured to generate the plurality of sensor drive signals (26a-c). and to provide the amplified sensor drive signals (26a-c) at the first port (28a).
14. Sensorsystem (40) mit: einer Sensorauswerteschaltung (10; 20; 30) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und einem Sensor (12; 12-1 ; 12-2), der mit der Sensorauswerteschaltung (10; 20; 30) verbunden ist. 15. Sensorsystem (40) gemäß Anspruch 16, bei dem der Sensor (12; 12-1 ; 12-2) eine Mehrzahl von optischen Resonatoren (38a-d) aufweist; bei dem die Sensoransteuersignale (26a-c) der Mehrzahl von Signalgeneratoren (18) Modulationssignale zur Änderung optischer Eigenschaften der Mehrzahl der optischen Resonatoren (38a-d) sind; bei dem die Sensorauswerteschaltung einen dritten Anschluss (28c) aufweist und ausgebildet ist, um ein Anregungssignal (36) mittels des dritten Anschlusses (28c) an den Sensor (12; 12-1 ; 12-2) zu liefern, wobei der Sensor (12; 12-1 ; 12-2) ausge- bildet ist, um die Mehrzahl von optischen Resonatoren (38a-d) mit einem Trägersignal, das auf dem Anregungssignal (36) basiert, anzusteuern; bei dem jeder der Mehrzahl von optischen Resonatoren (38a-d) ausgebildet ist, das Trägersignal basierend auf einem Sensorparameter und basierend auf einem der Mehrzahl von Modulationssignalen (26a-c) zu verändern; bei dem der Sensor (12; 12-1 ; 12-2) ausgebildet ist, um das Sensorsignal (14; 14-1 ; 14-2) basierend auf dem veränderten Trägersignal bereitzustellen; und bei dem die Sensorauswerteschaltung ausgebildet ist, um das Sensorsignal (14; 14- 1 ; 14-2) an dem zweiten Anschluss (28b) zu empfangen. 14. A sensor system (40) comprising: a sensor evaluation circuit (10; 20; 30) according to one of the preceding claims; and a sensor (12; 12-1; 12-2) connected to the sensor evaluation circuit (10; 20; 30). The sensor system (40) of claim 16, wherein the sensor (12; 12-1; 12-2) comprises a plurality of optical resonators (38a-d); wherein the sensor drive signals (26a-c) of the plurality of signal generators (18) are modulation signals for changing optical characteristics of the plurality of optical resonators (38a-d); in which the sensor evaluation circuit has a third terminal (28c) and is designed to supply an excitation signal (36) to the sensor (12; 12-1; 12-2) by means of the third terminal (28c), the sensor (12 12-1, 12-2). is formed to drive the plurality of optical resonators (38a-d) with a carrier signal based on the excitation signal (36); wherein each of the plurality of optical resonators (38a-d) is configured to change the carrier signal based on a sensor parameter and based on one of the plurality of modulation signals (26a-c); wherein the sensor (12; 12-1; 12-2) is configured to provide the sensor signal (14; 14-1; 14-2) based on the changed carrier signal; and wherein the sensor evaluation circuit is configured to receive the sensor signal (14; 14-1; 14-2) at the second terminal (28b).
Sensorsystem gemäß Anspruch 15, bei dem der Signalverarbeitungsblock (22; 22- 1 ;22-2) ein Lock-In Verstärker ist, der ausgebildet ist, um basierend auf einer Korrelierung der Mehrzahl von Sensoransteuersignalen (26a-c) und des Sensorsignals (14; 14-1 ; 14-2) eine Information über die Veränderung des Trägersignals durch die Mehrzahl von optischen Resonatoren (38a-d) zu erhalten. The sensor system of claim 15, wherein the signal processing block (22; 22-1; 22-2) is a lock-in amplifier configured to generate, based on a correlation of the plurality of sensor drive signals (26a-c) and the sensor signal (14 14-1; 14-2) obtain information about the change of the carrier signal by the plurality of optical resonators (38a-d).
Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, bei dem die Sensorparameter zumindest eines aus einer Stoffkonzentration, einer chemischen Eigenschaft, einer physikalischen Eigenschaft oder einer optischen Eigenschaft eines Stoffes, der mit dem Sensor in Verbindung gebracht wird, umfassen. A sensor system according to any one of claims 15 or 16, wherein the sensor parameters comprise at least one of a substance concentration, a chemical property, a physical property, or an optical property of a substance associated with the sensor.
Verfahren zum Auswerten eines von einem Sensor (12; 12-1 ; 12-2) empfangenen Sensorsignals (14; 14-1 ; 14-2) mit einer integrierten Sensorschaltung mit folgenden Schritten: Method for evaluating a sensor signal (14; 14-1; 14-2) received from a sensor (12; 12-1; 12-2) with an integrated sensor circuit comprising the following steps:
Verbinden des Sensors (12; 12-1 ; 12-2) mit der Sensorschaltung (10; 20; 30) einem ersten Anschluss (28a); Connecting the sensor (12; 12-1; 12-2) to the sensor circuit (10; 20; 30) to a first terminal (28a);
Verbinden des Sensors (12; 12-1 ; 12-2) mit der Sensorschaltung (10; 20; 30) an einem zweiten Anschluss (28b); Connecting the sensor (12; 12-1; 12-2) to the sensor circuit (10; 20; 30) at a second terminal (28b);
Speichern von Konfigurationsdaten, die Signaleigenschaften mehrerer Sensoransteuersignale (26a-c) beschreiben; Bereitstellen einer Mehrzahl von Sensoransteuersignalen (26a-c) an dem ersten Anschluss (28a) basierend auf einem Signaltakt (24) und den Konfigurationsdaten; Empfangen des Sensorsignals (14; 14-1 ; 14-2) an dem zweiten Anschluss (28b); Storing configuration data describing signal characteristics of a plurality of sensor drive signals (26a-c); Providing a plurality of sensor drive signals (26a-c) to the first port (28a) based on a signal clock (24) and the configuration data; Receiving the sensor signal (14; 14-1; 14-2) at the second port (28b);
Auswerten des Sensorsignals (14; 14-1 ; 14-2) basierend auf dem Signaltakt (24) und den Konfigurationsdaten; und Bereitstellen eines Auswerteergebnisses (32). Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 18, wenn das Programm auf einem Computer läuft. Evaluating the sensor signal (14; 14-1; 14-2) based on the signal clock (24) and the configuration data; and providing an evaluation result (32). A computer program comprising program code for carrying out the method of claim 18 when the program is run on a computer.
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