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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Nutzsignalgewinnung
nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs. Aus der
DE
196 35 162 A1 ist eine Meßvorrichtung bekannt, die eine
Meßwertauswerteeinrichtung,
Sensormittel zur Erfassung einer Beeinflussungsgröße und eine
Signalvorverarbeitungseinrichtung umfasst. Über einen analogen Sensorausgang
geben die Sensormittel Sensorsignale aus, die über die Signalvorverarbeitung
der Meßwertauswerteeinrichtung
zugeführt
werden. Dabei wird in der Signalvorverarbeitung aus den Sensorsignalen
und dem Bezugssignal ein Differenzsignal gebildet und der Meßwertauswerteeinrichtung
zur Auswertung zugeführt.
Durch geeignete Wahl des Bezugssignals können verschiedene Meßbereiche bei
jeweils guter Meßauflösung gebildet
werden. Die Meßbereichsumschaltung
erfolgt in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal der Signalvorverarbeitung. Die
DE 44 22 867 A1 offenbart
einen Sensor
1 mit programmierbarer Schaltschwelle. Hierzu
wird in dem Messbereich des Hallsensorelements ein Magnet mit einem
vorbestimmten Magnetfeld angeordnet, welches die erste Schaltschwelle
des Sensors bestimmt. Das Ausgangssignal des Hallsensors wird mit
einem von einem Stromsignalgenerator erzeugten Ausgangsstrom I1 überlagert.
Dieser Ausgangsstrom I1 wird stufenweise so lange erhöht, bis
der Strom I1 so groß ist,
dass er die Ausgangsspannung des Hallsensorelements kompensiert
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nutzsignalerfassung für unterschiedliche
Anfangsbedingungen zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Nutzsignalgewinnung umfaßt
einen Nutzsignalerzeuger, der aus zumindest einem Eingangssignal
und einem Referenzsignal zumindest ein Nutzsignal erzeugt. Ein Referenzsignalerzeuger
generiert das Referenzsignal. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch
aus, daß der
Referenzsignalerzeuger das Referenzsignal in Abhängigkeit von der Sprungantwort
des Eingangssignals bildet. Durch die Berücksichtigung der Sprungantwort
des Eingangssignals bei der Bildung des Referenzsignals erhöht sich
die Genauigkeit bei der Nutzsignalerzeugung. Insbesondere bei stark schwankenden
Sensorsignalen, wie dies beispielsweise bei Ölpegelsensoren der Fall ist,
läßt sich
auf diese Art und Weise das Nutzsignal genau bestimmen, so daß sich die
Auflösung
bei der Erfassung dieses Nutzsignals erhöhen läßt.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
ist vorgesehen, daß der
Referenzsignalerzeuger zur Erzeugung des Referenzwerts das Eingangssignal speichert.
Als Referenzsignalerzeuger kommen beispielsweise sogenannte Sample-and-Hold-Glieder zum
Einsatz. Der gespeicherte Gleichanteil des Eingangssignals kann
als Referenzsignal verwendet werden, das für die Erzeugung des Nutzsignals
berücksichtigt
wird. Als Nutzsignalerzeuger kommt beispielsweise ein Operationsverstärker zum
Einsatz. Dem Operationsverstärker
ist an seinem invertierenden Eingang das Referenzsignal zugeführt. Am
Ausgang des Operationsverstärkers
wird das Nutzsignal abgegriffen. Bei unterschiedlichen Betriebszuständen wird
jedesmal neu durch entsprechende Abspeicherung des Eingangssignals
der zugehörige
Referenzwert gebildet. Dadurch läßt sich
der Referenzwert flexibel an unterschiedliche Betriebszustände anpassen.
Das Nutzsignal wird mit hoher Zuverlässigkeit bereitgestellt, indem
der die Störgröße repräsentierende
Referenzwert aktualisiert wird.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
ist vorgesehen, daß als
Referenzsignalerzeuger ein Mikroprozessor vorgesehen ist. In der
Regel kann auf einen bereits existierenden Mikroprozessor zurückgegriffen
werden, der beispielsweise einen das Eingangssignal liefernden Sensor
ansteuert. Da der Mikroprozessor bereits für bestimmte Funktionen vorgesehen
ist, sind zusätzliche
Mittel zur Referenzsignalerzeugung, wie beispielsweise Zenerdioden,
nicht mehr notwendig. Dadurch können
die Herstellungskosten verringert werden.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung
ist vorgesehen, daß das
analoge Eingangssignal in dem Mikroprozessor in ein digitales Signal
umgewandelt wird. Der Mikroprozessor liefert in Abhängigkeit
von dem Eingangssignal ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal.
Durch die A/D-Wandlung wird der Mikroprozessor in die Lage versetzt,
einen entsprechenden Referenzwert zu ermitteln. Gleichzeitig kann über die
Pulsweite in Verbindung mit einer Glättungseinrichtung das im Mikroprozessor
ermittelte Referenzsignal in ein analoges Referenzsignal umgewandelt
werden.
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Weitere
zweckmäßige Weiterbildungen
ergeben sich aus weiteren abhängigen
Ansprüchen und
aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen die 1 und 2 jeweils
ein Blockschaltbild, die 3 den zeitlichen Verlauf dreier
Signale eines ersten Ausführungsbeispiels,
die 4 ein Flußdiagramm
eines Steuerprogramms des Auführungsbeispiels,
sowie die 5 den zeitlichen Verlauf von
vier Signalen bei einem alternativen Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Ein
Mikroprozessor 10 erzeugt ein Steuersignal S, mit dem eine
Stromquelle 12 angesteuert wird. Die Stromquelle 12 versorgt
einen Sensor 13 mit Strom. Bei dem Sensor 13 handelt
es sich um einen temperaturabhängigen
Widerstand. Der Spannungsabfall an dem Sensor 13 dient
dem Mikroprozessor 10 als Eingangssignal E. Das Eingangssignal E
ist außerdem
einem Operationsverstärker,
der in Verbindung mit einem Rückkopplungswiderstand 15 zu
einem Differenzverstärker 14 verschaltet
wurde, zugeführt.
Der Mikroprozessor 10 erzeugt aus dem Eingangssignal E
ein Ausgangssignal A. Ein Referenzsignal R wird aus dem Ausgangssignal
A des Mikroprozessors 10 gebildet, das geglättet wird.
Zum Zweck der Glättung
sind ein gegen Masse geschalteter Kondensator 16 und ein
Widerstand 18, dem das Ausgangssignal A des Mikroprozessors 10 zugeführt ist,
vorgesehen. Das Ausgangssignal dieses Tiefpasses wird als Referenzsignal
R dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 14 zugeführt. Das
aus Eingangssignal E und Referenzsignal R gebildete Differenzsignal
wird durch den Differenzverstärker 14 verstärkt und
dem Mikroprozessor 10 als Nutzsignal N zugeführt. Der
Mikroprozessor 10 steuert eine Anzeige 20 an.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 unterscheidet
sich von dem der 1 darin, daß der Mikroprozessor 10 ein
Schaltmittel 22 ansteuert. Im geschlossenen Zustand des
Schaltmittels 22 gelangt das Eingangssignal E an einen
gegen Masse geschalteten Speicherkondensator 24. Das am
Schaltmittel 22 und am Speicherkondensator 24 gemeinsam
anliegende Potential wird dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 14 zugeführt.
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Bei
dem Ausfürungsbeispiel
gemäß 1 besteht
der Referenzsignalerzeuger aus dem Mikroprozessor 10 mit
einem Spei cher und der Glättung, die
aus dem Kondensator 16 und dem Widerstand 18 gebildet
wird. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 besteht
der Referenzsignalerzeuger aus dem Mikroprozessor 10, dem
Schaltmittel 22 und dem Speicherkondensator 24.
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Die
Schaltungsanordnungen gemäß der 1 und 2 dienen
der einfachen Offsetkompensation des von dem Sensor 13 gelieferten
Eingangssignals E. Ein beispielhafter Signalverlauf des Eingangssignals
E ist in 3 dargestellt. Der Mikroprozessor 10 aktiviert
mit dem Steuersignal S die Stromquelle 12. Der Sensor 13 reagiert,
abhängig von
der Umgebungstemperatur, mit einer Sprungantwort, die beispielsweise
den gezeigten Verlauf einnimmt. Die erste Sprungantwort 30 des
Eingangssignals E (Bezugszeichen 30) weist einen höheren Gleichanteil
auf und korrespondiert bei dem Anwendungsfall für einen Ölstandspegelsensor mit der
Situation, daß es
sich um relativ warmes Öl
handelt. Das Eingangssignal E des Sensors 13 bei kaltem Öl, mit dem
Bezugszeichen 32 versehen, weist hingegen einen geringeren
Gleichanteil auf. Die Anordnungen gemäß den 1 und 2 sollen
auch für
unterschiedliche Betriebszustände
(bei warmem und kaltem Öl)
sicher das Störsignal
eliminieren. Das Störsignal
ist der Gleichanteil des Eingangssignals E. Dieser Gleichanteil
wird als Referenzsignal R dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 14 zugeführt. Dadurch
verstärkt
der Differenzverstärker 14 nur
den Wechselanteil des Eingangssignals E. Am Ausgang des Differenzverstärkers 14 liegt
das Nutzsignal N an, das der Mikroprozessor 10 zur Sensorsignalauswertung
erfaßt.
Nach Herausfiltern des Offsetanteils kann der Verstärkungsfaktor
des als Differenzverstärker 14 verschalteten
Operationsverstärkers
erhöht
werden. Das daraus entstehende Nutzsignal N wird vom Mikroprozessor 10 optimal
erfaßt.
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Nachfolgend
wird die Bestimmung des Referenzsignals R beschrieben. Der Mikroprozessor 10 steuert
den Sensor 13 über
die Aktivierung der Stromquelle 12 mit Hilfe des Steuersignals
S an. Außerdem
führt der
Mikroprozessor 10 die Störgrößenkompensation durch gezielte
Vorgabe des Referenzsignals R durch. Soll das Eingangssignal E (Sensorausgangssignal)
zur Referenzwertermittlung erfaßt werden,
steuert der Mikroprozessor 10 die Stromquelle 12 im
Sinne eines Aktivierens an, vergleiche 3. Dem Mikroprozessor 10 ist
der Zeitpunkt der Ansteuerung der Stromquelle 12 bekannt.
Nach der Zeitspanne T1, gerechnet ab dem Aktivierungszeitpunkt der
Stromquelle 12, erfaßt
der Mikroprozessor 10 den ersten Meßwert M1 des Eingangssignals
E. Hierzu ist beispielsweise eine A/D-Wandlung vorzusehen. Die Zeitspanne
T1 ist so zu wählen,
daß der Gleichanteil
des Eingangssignals E. die Störgröße, ermittelt
wird und zugleich der Einschwingvorgang des Systems abgeschlossen
ist. Die Zeitspanne T1 liegt beispielsweise in der Größenordnung
von 10 ms. Der Mikroprozessor 10 speichert den nach der Zeitspanne
T1 erfaßten
ersten aus M1 abgeleiteten Meßwert
M1' und gibt eine
dem erfaßten
Meßwert
M1 proportionale Größe als Ausgangssignal
A aus. Der abgeleitete Messwert M1' kann entweder aus dem Einganssignal
E berechnet werden oder als Nutzsignal N gemessen werden. Bei dem
Ausgangssignal A handelt es sich um ein pulsweitenmoduliertes Signal, dessen
Pulsweite abhängt
von dem erfaßten
Meßwert
M1. Aus dem binären
Ausgangssignal A bildet das aus dem Kondensator 16 und
dem Widerstand 18 bestehende Glättungsglied das analoge Referenzsignal
R. Das dem Meßwert
M1 proportionale Referenzsignal R entspricht dem Gleichanteil des Eingangssignals
E nach der Zeitspanne T1. Dieses Referenzsignal R wird dem invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 14 zugeführt. Das
am Ausgang des Differenzverstärkers 14 anliegende
Nutzsignal N wurde um den Gleichanteil (entspricht dem Referenzsignal
R) kompensiert.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 unterscheidet
sich in der Ermittlung und Bereitstellung des Referenzsignals R.
Mit dem Aktivieren der Stromquelle 12 steuert der Mikroprozessor 10 das Schaltmittel 22 im
Sinne eines Schließens
an. Damit wird der Speicherkondensator 24 in Höhe des Gleichanteils
geladen. Nach der Zeitspanne T1 wird das Schaltmittel 22 sofort
wieder geöffnet,
damit nur der Gleichanteil des Eingangssignals E als Referenzsignal
R an den invertierten Eingang des Differenzverstärkers 14 gelangt.
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Das
in dem Mikroprozessor 10 hinterlegte Steuerprogramm ist
in 4 vereinfacht dargestellt. Nach dem Start, Schritt 101,
aktiviert der Mikroprozessor 10 die Stromquelle 12,
Schritt 103. Beginnend mit der Ausgabe des entsprechenden
Steuersignals S wartet der Mikroprozessor das Verstreichen der Zeitspanne
T1 (beispielsweise 10 ms) ab, Schritt 105. Erst dann wird
Schritt 107 erreicht, in dem der aktuelle erste Meßwert M1
ermittelt wird. Es schließt sich
in der Abfrage 109 ein Plausibilitätstest an. Das Eingangssignal
E mit zugehoerigem Messwert M1 beziehungsweise der erste abgeleitete
Meßwert
M1' sollten sich
innerhalb bestimmter Grenzen bewegen, beispielsweise zwischen 1,6
und 4,5 V. Ist der erste Meßwert
M1 kleiner als 1,6 V, gelangt man in Schritt 113. Ist der
erste Meßwert
M1 größer als
4,5 V, schließt
sich Schritt 111 an. Beide Schritte 111, 113 ziehen
einen Fehlerdiagnoseschritt 115 nach sich. Liegt der erste
Meßwert
M1 innerhalb der zulässigen Grenzen,
so generiert der Mikroprozessor 10 ein pulsweitenmoduliertes
Ausgangssignal A, das dem ersten Meßsignal M1 entspricht, Schritt 117.
Mit dem geglätteten
Ausgangssignal A, das dem Referenzsignal R entspricht, wird der
Differenzverstärker 14 beaufschlagt.
Am Ausgang des Operationsverstaerkers liegt nunmehr ein erster Vergleichswert
M1' an, welcher
fuer spaetere Berechnungen gespeichert wird. In einem sich anschließenden Schritt 119 läßt der Mikroprozessor 10 eine
zweite Zeitspanne T2 ver streichen, die beispielsweise bei 875 ms
liegt. Damit wird gewährleistet,
daß das
System einen aussagekräftigen
zweiten Meßwert
M2 erreicht. Nun wird das Nutzsignal N erfaßt, wodurch sich der zweite
Meßwert
M2 ergibt, Schritt 121. Es schließt sich eine erneute Plausibilitätsüberprüfung in
Schritt 123 an. Liegt der zweite Meßwert M2 außerhalb eines zulässigen Bereichs,
beispielsweise zwischen 1,3 und 4,5 V, schließt sich Schritt 129 an.
Anderenfalls wird die Veraenderung des Nutzsignals N auf den zweiten Meßwert M2
vom Mikroprozessor 10 erfasst, Schritt 125. Anschliessend
wird von diesem Wert M2 der Anfangswert M1' abgezogen und der Oelpegelstand berechnet.
Somit wird die Auflösung
der A/D-Wandlung des
erfaßten
physikalischen Nutzsignals N entsprechend dem nunmehr höher einstellbaren
Verstärkungsfaktor
des Operationsverstärkers
verbessert. Die Beschaltung des Operationsverstärkers wurde dementsprechend
ausgelegt.
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Die
Vorrichtung findet bevorzugte Verwendung bei der Auswertung von
Sensorsignalen, deren Störanteil
stark schwankt, wie beispielsweise bei einer Ölpegelstandserfassung. Die
Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
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In
einer alternativen Betriebsart der 1 werden ähnliche
Resultate erhalten, lediglich der Mikroprozessor 10 wird
in einer geschlossenen Regelkreisstruktur eingesetzt. Die korrespondierenden
und nachfolgend beschriebenen Signalverläufe sind in 5 gezeigt.
Zur Messwertermittlung wird die Stromquelle 12 für eine bestimmte
Zeitspanne aktiviert, wie der Verlauf des Steuersignals S zeigt.
Der Mikroprozessor 1c erfaßt das Eingangssignal E zum Zeitpunkt
T1 und berechnet den ersten Vergleichswert PWM-Anf, der gespeichert
wird. Zur Messwertermittlung erzeugt der Mikroprozessor 10 periodisch (1...n)
ein entsprechendes PWM-Ausgangssignal A, das nach Glättung als
Referenzsignal R dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 14 zugeführt wird.
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Steigt
das Eingangssignal in Folge von Erhitzung des Öls an (vgl. 5),
wird dieser Anstieg zur Neueinstellung des PWM-Signals A in der
Weise verwendet, daß das
Nutzsignal N insgesamt konstant gehalten wird. Nach einer definierten
Zeitspanne T2 wird erneut das PWM-Signal A erfaßt, woraus sich der zweite
Vergleichswert PWM-End ergibt. Der Ölstand ergibt sich aus PWM-End–PWM-Anf
und ist dieser Differenz proportional.