AT511664A2

AT511664A2 - Digitaler Ladungsverstärker

Info

Publication number: AT511664A2
Application number: AT504582012A
Authority: AT
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-01-15
Also published as: DE112013005030A5; WO2014060469A1; AT511664B1; AT511664A3

Abstract

Herkömmliche analoge und digitale Ladungsverstärker, zur Wandlung einer von einem piezoelektrischen Sensor abgegebenen Ladung in eine proportionale Spannung, benötigen eine analoge Integration, der eine Drift im Ausgangssignal inhärent ist. Um das zu vermeiden, wird ein digitaler Ladungsverstärker (1) vorgeschlagen, bei dem in Abhängigkeit vom Ausgang eines Komparators (5) ein positiver oder negativer konstanter Rückkopplungsstrom (if) auf den Eingang (2) rückgekoppelt wird und der Eingangsstrom (ie) kompensiert wird, wobei ein Zähler (7) die Zeitdauer, während der ein Rückkopplungsstrom (if) fließt, erfasst.

Description

Printed: 18-10-2012 E014.1

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Digitaler Ladungsverstärker

Die gegenständliche Erfindung betrifft einen digitalen Ladungsverstärker mit einem analogen Eingang an dem eine Eingangsspannung anliegt und ein Eingangsstrom fließt und mit einem digitalen Ausgang, sowie ein Verfahren zur Digitalisierung eines analogen Signals, das ei-5 nem Ladungsverstärker an einem analogen Eingang zugeführt wird.

Piezoelektrische Sensoren werden in der Regel mit Ladungsverstärkem betrieben, die die vom piezoelektrischen Sensor abgegebene Ladung in eine proportionale elektrische Spannung wandeln. Als Ladungsverstärker werden häufig Operationsverstärker mit einer kapazitiven Rückkopplung verwendet, die als Integrierer arbeiten. Der Nachteil solcher Ladungsver-1 o stärker für einen piezoelektrischen Sensor liegt bekanntermaßen darin, dass die vom Sensor abgegebene Ladung sehr gering sein kann, wodurch der Einsatz von störspannungsarmen Spezialkabeln, die teuer sind, zur Verbindung von Sensor und Ladungsverstärker notwendig wird. Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz des Ladungsverstärkers ist der Übertragungsweg auch empfindlich für elektromagnetische Felder, wodurch die Kabellängen auf wenige 15 Meter limitiert sind. Ein weiterer Nachteil solcher Ladungsverstärker ist die der analogen Integration inhärente Drift im Ausgangssignal, beispielsweise aufgrund der Leckageströme am Eingang, was eine Driftkompensation erforderlich macht.

Als Alternative dazu sind Impedanzwandler bekannt, die das hochimpedante Signal des piezoelektrischen Sensors in ein Spannungssignal mit niedriger Impedanz umwandelt, das 20 dann verlustarm über lange Leitungen übertragen werden kann. Der Impedanzwandler ist dabei häufig im Sensor integriert, was jedoch die Einsatzmöglichkeit beschränkt. Z.B. können solche Sensoren mit integrierter Elektronik nicht in Umgebungen mit hohem Druck und/oder Temperatur, wie z.B. als Druckaufnehmer im Zylinder eines Verbrennungsmotors, eingesetzt werden. 25 Neben den analogen Ladungsverstärkem sind auch digitale Ladungsverstärker bekannt geworden, die den Wert, der vom Sensor abgegebenen Ladung, bzw. einer dazu proportionalen Spannung, digital ausgeben. Dabei bleibt die Eingangsstufe aber nachwievor analog und lediglich das integrierte Eingangssignal wird digitalisiert und als Digitalwert ausgegeben. Die oben angeführten Probleme des analogen Ladungsverstärkers bleiben dabei erhalten. 30 Bekannt geworden sind auch Ladungsverstärker auf Basis eines Sigma-Delta Analog Digital Wandlers. Ein solcher Wandler geht z.B. aus der WO 2009/062494 A1, der EP 1 345 330 A2 oder der GB 2 292 028 A hervor. Dabei wird der digitale Ausgang des Wandlers über einen Digital-Analog Wandler auf den Eingang rückgekoppelt. Die Differenz zwischen Eingangs-strom und Rückkopplungsstrom wird integriert, quantisiert und mit hoher Abtastrate abgetas- -1- T7-10-2012 E014.1

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AV-3502 AT tet. Der Bitstrom am Ausgang stellt eine digitale Repräsentation der Eingangsspannung dar.

Am Ausgang kann auch noch ein digitales Filter vorgesehen sein. Dabei wird aber nachwie-vor eine analoge Integration mittels einer Kapazität am Eingang benötigt, weshalb auch damit die damit verbundenen Probleme nicht behoben werden können. 5 Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, einen digitalen Ladungsverstärker und ein Verfahren zur Digitalisierung eines analogen Signals anzugeben, die eine Verbesserung hinsichtlich der oben angeführten Nachteile herbeiführt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, indem ein Komparator vorgesehen ist, der die Eingangsspannung mit einem Bezugspotential vergleicht und der Ausgang des 10 Komparators eine Rückkopplungsstromquelle ansteuert, wobei die Rückkopplungsstromquelle in Abhängigkeit vom Ausgang des Komparators einen positiven oder negativen konstanten Rückkopplungsstrom erzeugt, der auf den Eingang rückgekoppelt ist und den Eingangsstrom kompensiert, wobei ein Zähler vorgesehen ist, dessen Zählrichtung durch den Ausgang des Komparators bestimmt ist und der Ausgang des Zählers als digitaler Ausgang 15 des digitalen Ladungsverstärkers vorgesehen ist.

Am Eingang des Komparators, bzw. am Eingang des Ladungsverstärkers, wird durch die Rückkopplung eines vom Komparator gesteuerten Rückkopplungsstromes ein virtueller Kurzschluss erzeugt, indem nämlich der Eingangsstrom durch den Rückkopplungsstrom kompensiert wird. Dabei wird die rückgekoppelte Ladungsmenge, die der vom piezoelektri-20 sehen Sensor abgegebenen Ladungsmenge entspricht, nicht wie bei herkömmlichen analogen und digitalen Ladungsverstärkern von der Stromstärke eingestellt, sondern durch die Zeitdauer, während der ein negativer oder positiver Referenzstrom rückgekoppelt wird. Die Zeitdauer wird dabei durch den Ausgang des Komparators bestimmt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die rückgekoppelte Ladungsmenge proportional einer Zeitdauer ist, die auf 25 einfache Weise mit Hilfe eines Zählers gemessen werden kann. Der Ausgang des Zählers ist somit abhängig vom Eingangsstrom und proportional zu der vom piezoelektrischen Sensor abgegebenen Ladung. Das Zählen entspricht somit der zeitlichen Integration des Eingangsstromes. Das gesuchte Messergebnis steht somit als Zählwert digital zur Verfügung, ohne eine analoge Integration vornehmen zu müssen. 30 In einer vorteilhaften einfachen Ausgestaltung steuert der Komparator eine Steuerlogik, die wiederum die Rückkopplungsstromquelle ansteuert. Dabei ist ganz besonders einfach, wenn die Steueriogik Zählimpulse für den Zähler erzeugt.

In einer weiteren vorteilhaften einfachen Umsetzung der Erfindung, wird als Bezugs potential für den Komparator das Bezugspotential des Eingangs, insbesondere Masse, vorgesehen. -2-

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Wenn eine Bezugspotentialerzeugungseinheit vorgesehen ist, in der ein Regler implementiert ist, der den zeitlichen Mittelwert des Rückkopplungsstromes, bzw. einer dazu proportionalen Rückkopplungsspannung eliminiert und als Stellgröße das Bezugs potential für den Komparator erzeugt, lassen sich auf einfachem Wege schädliche Auswirkung von Offset-5 Spannung und Biasstrom der Eingangsstufe eliminieren und man an erhält so einen praktisch driftfreien Ladungsverstärker.

Wenn als Komparator ein Fensterkomparator verwendet wird, kann in vorteilhafter Weise auch der Ruhezustand, also der Zustand in dem der Sensor keine Ladung abgibt, erfasst werden. io Um den Ladungsverstärker flexibler ersetzbar zu machen, können am Ladungsverstärker ein Empfindlichkeitseingang, über den die Empfindlichkeit der Rückkopplungsstromquelle einstellbar ist, und/oder ein Preset-Eingang, über definierter Ausgangspunkt des Zählers einstellbar ist, vorgesehen sein.

Die digitale Unsicherheit und eventuelle Querempfindlichkeiten zwischen analogem und 15 digitalem Schaltungsteil können reduziert werden, wenn der Rückkopplungsstrom im Takt einer Referenzfrequenzquelle moduliert ist.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5, die schematisch, beispielhaft und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen, näher erläutert. Dabei zeigt 20 Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers,

Fig. 2 ein detaillierteres Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers,

Fig. 3 eine einfache Implementierung des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers,

Fig. 4 eine Implementierung des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers mit Fensterkomparator und 25 Fig. 5 eine Implementierung des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers mit modulier tem Rückkopplungsstrom.

In Fig.1 ist ein erfindungsgemäßer digitaler Ladungsverstärker 2 über einen analogen Eingang 2 mit einem piezoelektrischen Sensor 1 verbunden. An einem digitalen Ausgang 3 des Ladungsverstärkers 2 wird ein digitales Signal ausgegeben, das proportional zur vom 30 piezoelektrischen Sensor 1 abgegebenen Ladung ist. Dazu ist im Ladungsverstärker 2 ein Komparator 5 vorgesehen, der die Eingangsspannung ue mit einer Bezugsspannung u0 vergleicht. Als Bezugsspannung uo ist hierz.B. das Massepotential des piezoelektrischen Sensors 1 vorgesehen. Der Ausgang des Komparators 5 steuert einerseits eine Rückkopplungsstromquelle 6 und auch einen Zähler 7 an. Die Rückkopplungsstromquelle 6 erzeugt einen -3-

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AV-3502 AT Rückkopplungsstrom if, der den Eingangsstrom ie kompensiert und somit einen virtuellen Kurzschluss am Eingang erzeugt. Die Zeitdauer, während der ein positiver oder negativer Rückkopplungsstrom (in Abhängigkeit vom Ausgang des Komparators 5) rückgekoppelt wird, wird durch den Zähler 7 erfasst. Die Zählrichtung des Zählers 7 wird dabei durch das Vorzei-s chen des Rückkopplungsstromes if bestimmt. Der Zählerstand des Zählers 7 ist damit abhängig vom Rückkopplungsstrom if und damit auch vom Eingangsstrom ie und somit proportional zur vom piezoelektrischen Sensor 1 abgegebenen Ladung. Die grundlegende Idee ist dabei folglich, die erforderliche Integration des Eingangsstromes ie nicht wie bisher analog mittels einer Kapazität, sondern digital und daher driftfrei mittels eines Zählers 7 durchzufüh-10 ren.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers 1 wird anhand einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Fig.2 nun näher erläutert. Die Eingangsstufe des Ladungsverstärkers 1 wird durch einen Komparator 5 gebildet, der die Eingangsspannung ue mit einem Bezugspotential uo vergleicht und sein Ergebnis - charakterisiert z.B. durch die Zustände größer, grö-15 ßer-gleich, kleiner, kleiner-gleich - an eine Steuerlogik 10 ausgibt. Der virtuelle Kurzschluss am Eingang, der für die Strom- bzw. Ladungsmessung angestrebt wird, wird hier z.B. dadurch erreicht, dass in der Rückkopplungsstromquelle 6 mit einer Referenzstromerzeugungseinheit 12 aus einer Referenzspannungsquelle 11 ein konstanter Rückkopplungsstrom if erzeugt wird, wie weiter unten noch im Detail beschrieben wird. Dazu kann am Ladungs-20 Verstärker 1 auch ein Empfindlichkeitseingang 13 zur Vorgabe bzw. zur Einstellung einer Empfindlichkeit E vorgesehen sein. Die Steuerlogik 10 steuert die Rückkopplungsstromquelle 6 so, dass der Eingangsstrom ie gerade kompensiert wird. Dabei wird, im Gegensatz zum konventionellen Ladungsverstärker, der rückgekoppelte Rückkopplungsstrom if (bzw. die rückgekoppelte Ladungsmenge) nicht durch den Momentanwert der Stromstärke eingestellt, 25 sondern durch die Zeitdauer, während der ein negativer oder positiver Rückkopplungsstrom if konstanter und definierter Stromstärke zugeschaltet wird. Die Stromstärke des Rückkopplungsstromes if ist durch die Referenzspannung uR und die eingestellte Empfindlichkeit E gegeben. Die Zeitdauer, während der ein Rückkopplungsstrom if erzeugt wird, wird durch die aus dem Ergebnis des Komparators 5 abgeleiteten Steuersignale bestimmt. Auf diese Art 30 wird erreicht, dass die rückgekoppelte Ladungsmenge proportional einer Zeitdauer ist, die auf einfache Art mit Hilfe einer Referenzfrequenz fR, die in einer Referenzfrequenzquelle 14 erzeugt wird, und eines Zählers 7 gemessen werden kann. Zu diesem Zweck werden aus dem Taktsignal der Referenzfrequenzquelle 14 und aus den Ergebnissignalen des Komparators 5 Zählpulse erzeugt, die vom Zähler 7 gezählt werden. Der Zähler 7 ist dabei vorteilhaft 35 in der Lage, sowohl aufwärts, als auch abwärts zu zählen. Dieses Zählen entspricht der zeitlichen Integration des Eingangsstromes ie und das momentane Zählergebnis ist also proportional zur Ladungsmenge, die vom piezoelektrischen Sensor 1 abgegeben wird. Damit steht -4-

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AV-3502 AT der gesuchte Messwert in digitaler Form zur Verfügung und kann als digitaler Wert am digitalen Ausgang 4 des Ladungsverstärkers 1 ausgegeben werden.

Zum Einstellen eines definierten Ausgangspunktes kann am Ladungsverstärker 1 ein Preset-Eingang 15 vorgesehen sein, über den der Zähler 7 rückgesetzt und/oder auf einen be-5 stimmten Zählerstand gesetzt werden kann. Das kann auch als Definition einer Integrationskonstanten gesehen werden und beispielsweise zum Einstellen des digitalen Ausgangssig-nais auf einen zu bestimmten Zeitpunkten bekannten Messwert des piezoelektrischen Sensors verwendet werden.

Das Bezugspotential u0 für den Komparator 5 kann in einer Bezugspotentialerzeugungsein-10 heit 16 erzeugt werden. Das Bezugspotential Uo am Eingang des Komparators 5 kann, wie bereits oben erwähnt, im einfachsten Fall das Bezugspotential der Eingangsleitung bzw. des piezoelektrischen Sensors 1, also z.B. Masse, sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, über eine Regelung von u0 die schädliche Auswirkung von Offsetspannung und Biasstrom der Eingangsstufe zu eliminieren. Man erhält so einen praktisch driftfreien Ladungsverstärker 15 1. Zum Erzeugen des Bezugspotentials u0 kann dabei zweckmäßigerweise ein Integralregler verwendet, der auch Proportionalanteile aulweisen kann. Der Regler hat die Aufgabe, den zeitlichen Mittelwert des Rückkopplungsstromes if, bzw. einer dazu proportionalen Rückkopplungsspannung ur, verschwinden zu lassen. Zu diesem Zweck vergleicht er den Istwert der Rückkopplungsspannung uf mit einem Sollwert, der z.B. durch das Bezugspotential der 20 Eingangsleitung bzw. des piezoelektrischen Sensor 1 gegeben ist. Aus der festgestellten Abweichung erzeugt er gemäß seiner Regelcharakteristik als Stellgröße das Bezugspotential u0 für den Komparator.

Eine sehr einfache Implementierung des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers 1 ist in Fig.3 dargestellt. Der Komparator 5 liefert hier nur zwei Zustände, nämlich größer-gleich oder 25 kleiner-gleich, die die Zählrichtung des Zählers 7 vorgegeben. Die Steuerlogik 10 ist ein einfacher Schalter, dessen Stellung über einen einfachen Differenzverstärker einen positiven oder negativen Rückkopplungsstrom if bewirkt. Der Ruhezustand wird hierbei vom Komparator 5 nicht detektiert, weshalb im Ruhezustand ständig zwischen positiven und negativen Rückkopplungsstrom if hin- und hergeschaltet wird. Das Bezugspotential u0 wird hier in Ab-30 hängigkeit von der Rückkopplungsspannung uf über einen IP-Regler, in Form eines Integrierers mit Proportionalanteil, eingestellt.

Fig.4 zeigt einen erfindungsgemäßen Ladungsverstärker 1 mit Fensterkomparator 20 und optionalem Vorverstärker 21 als Komparator 5. Damit kann auch der Ruhezustand detektiert werden, in dem kein Rückkopplungsstrom if erzeugt wird und in dem auch keine Zählpulse -5-

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10 2012/50458 AV-3502 AT für den Zähler 7 erzeugt werden. Je nach Ausgang des Komparators 5 zählt der Zähler 7 aufwärts oder abwärts oder gar nicht.

In der Ausgestaltung nach Fig.5 ist der negative und positive Rückkopplungsstrom if im Takt der Referenzfrequenz fR moduliert, hier pulsweitenmoduliert (PWM). Gleichzeitig 5 wird durch die dargestellte Schaltung sichergestellt, dass die Referenzspannung uR und damit auch der Rückkopplungsstrom if symmetrisch sind, also im zeitlichen Mittel Null sind. Dadurch können gegenüber den Schaltungen nach Fig.3 oder 4 die digitale Unsi-chertieit und eventuelle Querempfindlichkeiten zwischen analogem und digitalem Schaltungsteil reduziert werden. io Einzelne oder alle Komponenten des erfindungsgemäßen digitalen Ladungsverstärkers, z.ß. der Zähler oder die Driftregelung, die in den Figuren 1 bis 5 anhand von Hardware beschrieben werden, können natürlich auch als Software realisiert werden, z.B. auf einem Mikroprozessor, einem Digitalen Signalprozessor (DSP) oder einem speicherprogrammierbaren Bauteil. 15

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Claims

Printed: 18-10-2012 E014.1 10 2012/50458 AV-3502 AT Patentansprüche 1. Digitaler Ladungsverstärker mit einem analogen Eingang (2), an dem eine Eingangsspannung (ue) anliegt und ein Eingangsstrom (ie) fließt, und mit einem digitalen Ausgang (3), 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Komparator (5) vorgesehen ist, der die Eingangsspannung (Ue) mit einem Bezugspotential (u0) vergleicht, dass der Ausgang des Komparators (5) eine Rückkopplungsstromquelle (6) ansteuert, wobei die Rückkopplungsstromquelle (6) in Abhängigkeit vom Ausgang des Komparators (5) einen positiven oder negativen konstanten Rückkopplungsstrom (i() erzeugt, der auf den Eingang (2) rückgekoppelt ist und der den Ein-10 gangsstrom (ie) kompensiert und dass ein Zähler (7) vorgesehen ist, dessen Zählrichtung durch den Ausgang des Komparators (5) bestimmt ist und der Ausgang des Zählers (7) als digitaler Ausgang (3) des digitalen Ladungsverstärkers (1) vorgesehen ist.
2. Digitaler Ladungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (5) eine Steuerlogik (10) ansteuert, die die Rückkopplungsstromquelle (6) an- 15 steuert.
3. Digitaler Ladungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik (10) Zählimpulse für den Zähler (7) erzeugt.
4. Digitaler Ladungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Bezugspotential (u0) für den Komparator (5) das Bezugspotential des 20 Eingangs, insbesondere Masse, vorgesehen ist.
5. Digitaler Ladungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bezugspotentialerzeugungseinheit (16) vorgesehen ist, in der ein Regler implementiert ist, der den zeitlichen Mittelwert des Rückkopplungsstromes (if), bzw. einer dazu proportionalen Rückkopplungsspannung (uf), eliminiert und als Stellgröße das Bezugs- 25 potential (u0) für den Komparator (5) erzeugt.
6. Digitaler Ladungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Komparator (5) ein Fensterkomparator vorgesehen ist.
7. Digitaler Ladungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Ladungsverstärker (1) ein Empfindlichkeitseingang (13) vorgesehen ist, 30 über den die Empfindlichkeit (E) der Rückkopplungsstromquelle (6) einstellbar ist. -7- Printed: 18-10-2012 E014.1 10 2012/50458 AV-3502 AT
8. Digitaler Ladungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am LadungsVerstärker (1) ein Preset-Eingang (15) vorgesehen ist, über den ein definierter Ausgangspunkt des Zählers (7) einstellbar ist,
9. Digitaler Ladungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- 5 zeichnet, dass der Rückkopplungsstrom (ie) im Takt einer Referenzfrequenzquelle (14) moduliert ist.
10. Verfahren zur Digitalisierung eine analogen Signals, das einem Ladungsverstärker (1) an einem analogen Eingang (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die analoge Eingangsspannung (ue) in einem Komparator (5) mit einem Bezugspotential (u0) verglichen 10 wird, dass mit dem Ausgang des Komparators (2) eine Rückkopplungsstromquelie (6) angesteuert wird, die in Abhängigkeit vom Ausgang des Komparators (5) einen positiven oder negativen konstanten Rückkopplungsstrom (if) erzeugt, der auf den Eingang (2) rückgekoppelt wird und den Eingangsstrom (ie) kompensiert, und dass die Zeitdauer, während der ein positiver oder negativer Rückkopplungsstrom (if) in Abhängigkeit vom Ausgang des Kompa-15 rators (5) rückgekoppelt wird, durch einen Zähler (7), dessen Zählrichtung durch das Vorzeichen des Rückkopplungsstromes (if) bestimmt ist, erfasst wird, wobei der Ausgang des Zählers (7) als digitaler Ausgang (3) des digitalen Ladungsverstärkers (1) verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungsstrom (if) im Takt einer Referenzfrequenzquelle (14) moduliert wird. 20

17-10*2012