-
Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur
Umwandlung eines Signals, insbesondere eines sinusförmigen Signals,
in ein rechteckförmiges
Signal, wobei die Schaltungsanordnung einen Schmitt-Trigger aufweist.
-
Zur
Erfassung von Drehzahlen von sich drehenden Bauelementen in einem
Kraftfahrzeug, wie z. B. eine Getriebe- oder Kurbelwelle, werden üblicherweise
Sensoren eingesetzt. Anhand der Frequenz des Ausgangssignals solcher
Drehzahlsensoren kann die Drehzahl des jeweiligen Bauelementes bestimmt
werden. Mit Hilfe der so ermittelten Drehzahlen kann beispielsweise
die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges ermittelt werden.
-
Oftmals
wird ein induktiver Sensor als Drehzahlsensor verwendet. Dieser
Sensor ist im geringen Abstand zu einem Zahnrad angeordnet, welches
mit dem Bauelement, dessen Drehzahl erfasst werden soll, verbunden
ist. Eine Drehung des Zahnrades führt zu einer sinusförmigen Signalspannung
des Sensors. Zur Erhöhung
der Unempfindlichkeit gegenüber
elektromagnetischen Störungen
wird diese sinusförmige
Spannung üblicherweise
einer Schaltung zugeführt,
die das sinusförmige
in ein rechteckförmiges
Signal umwandelt. Elektromagnetische Störungen des Sensorsignals können z.
B. durch lange Leitungen zwischen Sensor und Steuergerät verursacht
werden.
-
Üblicherweise
wird für
die Umwandlung des sinusförmigen
Signals in ein recheckförmiges
Signal ein Schmitt-Trigger verwendet. Der Schmitt-Trigger stellt
einen Komparator dar, bei dem die Pegel für das Einschalten (High-Pegel
am Ausgang des Komparators) und das Ausschalten (Low-Pegel am Ausgang des
Komparators) nicht zusammenfallen, sondern sich um einen bestimmten,
vorgegebenen Wert, die so genannte Hysterese, un terscheiden. Die
Einschalt- und Ausschaltpegel des Komparators werden auch als obere
und untere Schaltschwelle bezeichnet. Die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers
sind über
dessen Hysterese fest vorgegeben. Aufgrund der im Kraftfahrzeug
auftretenden Störungen
muss die Hysterese relativ groß gewählt werden.
Hierdurch tritt aber das Problem auf, dass die Empfindlichkeit des
Schmitt-Triggers mit steigender Hysterese abnimmt. So muss z. B.
bei einer Hysterese von 1 V die Differenz zwischen dem positiven
und dem negativen Spitzenwert des dem Schmitt-Trigger zugeführten Signals
mindestens größer 1 V
betragen, damit die Umwandlung des Signals durch den Schmitt-Trigger fehlerfrei
erfolgen kann.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Schaltungsanordnung
und ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, welche auch in einer Umgebung, in der elektromagnetische
Störungen
auftreten, eine fehlerfreie Umwandlung eines Signals, insbesondere
eines sinusförmigen
Signals, in ein rechteckförmiges
Signal unter Verwendung eines Schmitt-Triggers ermöglichen.
-
Erfindungsgemäß wird die
vorliegende Aufgabe durch Mittel gelöst, die die Hysterese des Schmitt-Triggers
in Abhängigkeit
der Amplitude des Signals verändern.
Somit werden die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers automatisch
an die Amplitude des Signals angepasst. Für Signale mit sehr kleiner
Amplitude weist der Schmitt-Trigger eine geringe Hysterese auf und
besitzt somit eine sehr hohe Empfindlichkeit. Mit steigender Amplitude
des Signals nimmt auch die Hysterese des Schmitt-Triggers zu. Hierdurch steigt auch die
Unempfindlichkeit gegenüber
elektromagnetischen Störungen,
die dem Signal überlagert
sind. Je größer die
Hysterese, desto größer können die
dem Signal überlagerten
Störungen ausfallen,
ohne einen Fehler bei der Umwandlung hervorzurufen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist
somit den Vorteil auf, dass sowohl Signale kleiner Amplituden als
auch Signale hoher Amplituden, mit großen überlagerten Störungen,
fehlerfrei in ein rechteckför miges
Signal umgewandelt werden, da eine automatische Anpassung der Empfindlichkeit des
Schmitt-Triggers an die Amplitude des Signals erfolgt. Dagegen weisen
die üblicherweise
verwendeten Schmitt-Trigger mit konstanter Hysterese den Nachteil
auf, dass bei einer hohen Hysterese Signale mit kleiner Amplitude
nicht umgewandelt werden können,
wogegen bei einer geringen Hysterese die Empfindlichkeit gegenüber Störungen des
Signals hoch ist.
-
Des
Weiteren weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
die Vorteile auf, dass eine automatische Anpassung der Hysterese
an die Signalamplituden unterschiedlicher Sensoren erfolgt und dass
auch Alterungseffekte eines Sensors, die z. B. eine nachlassende
Amplitude zur Folge haben können,
berücksichtigt
werden.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass ein erster Eingang des Schmitt-Triggers mit dem Signal verbunden ist,
und die Mittel folgende Komponenten umfassen:
- – einen
positiven Spitzenwertgleichrichter, dessen Eingang mit dem Signal
verbunden ist und dessen Ausgangsspannung von der positiven Halbwelle des
Signals abhängt,
- – einen
negativen Spitzenwertgleichrichter, dessen Eingang mit dem Signal
verbunden ist und dessen Ausgangsspannung von der negativen Halbwelle
des Signals abhängt,
- – einen
ersten Addierer, wobei ein Eingang des Addieres mit dem Ausgang
des positiven Spitzenwertgleichrichters verbunden ist und ein anderer Eingang
mit einer Gleichspannung verbunden ist,
- – einen
zweiten Addierer, wobei ein Eingang des Addieres mit dem Ausgang
des negativen Spitzenwertgleichrichters verbunden ist und ein anderer
Eingang mit einer Gleichspannung verbunden ist,
- – und
einen Schalter mit einem Steuereingang, der einen zweiten Eingang
des Schmitt-Triggers entweder mit dem Ausgang des ersten Addierers oder
mit dem Ausgang des zweiten Addierers verbindet, wobei der Steuereingang
des Schalters mit dem Ausgang des Schmitt-Triggers verbunden ist.
-
Bei
dieser Ausführung
steigt die Hysterese proportional mit der Amplitude des Signals.
Die obere Schaltschwelle wird in Abhängigkeit der Amplitude der
positiven Halbwelle des Signals und die untere Schaltschwelle in
Abhängigkeit
der Amplitude der negativen Halbwelle des Signals verändert. Bei
symmetrischen Signalen entspricht die obere Schaltschwelle dabei
ca. dem 0,667-fachen der Differenz zwischen dem positiven und dem
negativen Spitzenwert des Signals. Die untere Schaltschwelle entspricht
ca. dem 0,333-fachen der Differenz zwischen dem positiven und dem
negativen Spitzenwert des Signals. Diese Ausführung kann kostengünstig hergestellt werden.
-
Besonders
vorteilhaft wird der Schalter durch einen Transistor realisiert.
Ein Transistor kann besonders kostengünstig hergestellt werden.
-
Bevorzugt
kann die Schaltungsanordnung zur Umwandlung des Signals eines Sensors
zur Erfassung einer Drehzahl in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden.
Bei dieser Anwendung wird die zu messende Drehzahl anhand der Frequenz
des Ausgangssignals des Komparators bestimmt. Da im Kraftfahrzeug
erhebliche elektromagnetische Störungen
auftreten können
und die Genauigkeit der Drehzahlmessung von der Umwandlung des Signals
abhängt,
kommen die mit der Erfindung verbundenen o. g. Vorteile besonders
stark zum Tragen.
-
Vorzugsweise
umfasst die Schaltungsanordnung einen Tiefpass zur Filterung des
Signals. Hierdurch wird die Störunempfindlichkeit
der Schaltungsanordnung erhöht.
-
Des
Weiteren beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung eines
Signals, insbesondere eines sinusförmigen Signals, in ein rechteckförmiges Signal,
wobei das Signal einem Eingang eines Schmitt-Triggers zugeführt wird
und das rechteckförmige
Signal am Ausgang des Schmitt-Triggers entnommen wird und die Hysterese
des Schmitt-Triggers in Abhängigkeit
der Amplitude des Signals verändert
wird.
-
Vorteilhaft
wird ein erster Eingang des Schmitt-Triggers mit dem Signal verbunden,
und es werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- – Bestimmung
des Spitzenwertes der positiven Halbwelle des Signals mittels eines
positiven Spitzenwertgleichrichters,
- – Bestimmung
des Spitzenwertes der negativen Halbwelle des Signals mittels eines
negativen Spitzenwertgleichrichters,
- – Addition
einer Gleichspannung mit dem Spitzenwert der positiven Halbwelle
des Signals mittels eines ersten Addierers,
- – Addition
einer Gleichspannung mit dem Spitzenwert der negativen Halbwelle
des Signals mittels eines zweiten Addierers,
- – Verbinden
eines zweiten Eingangs des Schmitt-Triggers mittels eines Schalters
entweder mit dem Ausgang des ersten oder des zweiten Addieres, wobei
der Schalter durch die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers gesteuert
wird.
-
Vorzugsweise
wird das Signal vor der Umwandlung einem Tiefpass zur Filterung
zugeführt.
-
Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer
Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
-
2 ein
Beispiel für
ein der Schaltungsanordnung gemäß
-
1 zugeführtes sinusförmiges Signal
und das hieraus resultierende umgewandelte rechteckförmige Signal.
-
Die
Schaltungsanordnung nach 1 sowie Teile davon sind zwar
als Blockschaltbilder dargestellt. Dieses bedeutet jedoch nicht,
dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
auf eine Realisierung mit Hilfe von einzelnen den Blöcken entsprechenden
Schaltungen beschränkt
ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist vielmehr in besonders vorteilhafter Weise mit Hilfe von hoch
integrierten Schaltungen realisierbar.
-
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 dargestellt.
Der Schaltungsanordnung 1 wird ein sinusförmiges Signal
Ue eines Sensors 2 zur Erfassung einer Drehzahl in einem
Kraftfahrzeug zugeführt.
Dabei entspricht die Drehzahl der Frequenz des sinusförmigen Signals
Ue. Das Signal Ue wird von der Schaltungsanordnung 1 in
ein rechteckförmiges
Signal Ua umgewandelt. Hierzu erfolgt eine Filterung des Signals
durch einen Tiefpass 3. Durch die Filterung mit dem Tiefpass 3 wird
die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung 1 gegenüber Störungen,
die dem Signal Ue überlagert
sein können,
erniedrigt. Die Widerstände
R1 und R2 dienen lediglich zur Herstellung eines festen Bezugs zwischen
dem Signal Ue und der Versorgungsspannung Vcc und Masse der Schaltungsanordnung 1.
-
Nach
der Filterung gelangt das Signal sowohl auf einen negativen Eingang
eines Schmitt-Triggers 9, der durch einen Komparator 9 realisiert
ist, als auch auf die Eingänge
eines positiven Spitzenwertdetektors 4 und eines negativen
Spitzenwertdetektors 5. Die Ausgangsspannung des positiven
Spitzenwertdetektors 4, der durch eine Diode D1 und einen
Kondensator Cp realisiert ist, ist proportional zum Spitzenwert
der positiven Halbwelle des Signals Ue. Entsprechend ist die Aus gangsspannung
des negativen Spitzenwertdetektors 5, der durch eine Diode D2
und einen Kondensator Cn realisiert ist, proportional zum Spitzenwert
der negativen Halbwelle des Signals Ue.
-
Die
Ausgangsspannung des positiven Spitzenwertgleichrichters 4 ist
mit einem Eingang eines ersten Addieres 6 verbunden. Ein
anderer Eingang des ersten Addierers 6 wird über einen
Spannungsteiler, gebildet durch einen Widerstand R3 und R4, mit
einer Gleichspannung beaufschlagt. Für dieses Beispiel hat R3 den
gleichen Wert wie R4, so dass die Gleichspannung die Hälfte von
Vcc beträgt.
Die Ausgangsspannung des ersten Addierers 6 entspricht
der Summe aus der Ausgangsspannung des positiven Spitzenwertgleichrichters 4 mit
der Gleichspannung. Durch die Addition mit der Gleichspannung wird
der korrekte Gleichspannungsarbeitspunkt der Schaltungsanordnung 1 eingestellt.
-
Analog
ist die Ausgangsspannung des negativen Spitzenwertgleichrichters 5 mit
einem Eingang eines zweiten Addieres 7 verbunden. Ein anderer Eingang
des zweiten Addierers 7 wird über den Spannungsteiler, gebildet
durch den Widerstand R3 und R4, mit der Gleichspannung beaufschlagt.
Die Ausgangsspannung des zweiten Addierers 7 entspricht
der Summe aus der Ausgangsspannung des negativen Spitzenwertgleichrichters 5 mit
der Gleichspannung.
-
Ein
Schalter 8 verbindet entweder den Ausgang des ersten Addierers 6 oder
den Ausgang des zweiten Addierers 7 mit dem positiven Eingang
des Komparators 9. Der Steuereingang des Schalters 8 ist
mit dem Ausgang des Komparators 9 verbunden, d. h. die
Umschaltung zwischen den Ausgängen
der Addierer 6, 7 erfolgt in Abhängigkeit
der Ausgangsspannung des Komparators 9. Der Schalter 8 kann
z. B. durch einen Transistor realisiert werden. Durch den Komparator 9 erfolgt
somit ein Vergleich des gefilterten sinusförmigen Signals Ue entweder
mit der Summe aus der Gleichspannung und der Ausgangsspannung des positiven
Spitzenwertgleichrichters 4 oder mit der Summe aus der
Gleichspannung und der Ausgangsspannung des negativen Spitzenwertgleichrichters 5.
-
Da
die Ausgangsspannung des positiven Spitzenwertgleichrichters 4 von
dem Spitzenwert der positiven Halbwelle des gefilterten Signals
Ue und die Ausgangsspannung des negativen Spitzenwertgleichrichters 5 von
dem Spitzenwert der negativen Halbwelle des gefilterten Signals
Ue abhängen,
wird die Hysterese des Schmitt-Triggers 9 automatisch an die
Amplitude des Signals Ue angepasst. Durch den von der Ausgangsspannung
Ua des Schmitt-Triggers 9 gesteuerten Schalter 8 wird
sichergestellt, dass für die
positive Halbwelle des Signals Ue ein Vergleich mit der oberen Schaltschwelle
des Schmitt-Triggers 9 erfolgt, wogegen der Vergleich für die negative
Halbwelle des Signals Ue mit der unteren Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 9 erfolgt.
Der Ausgang des Schmitt-Triggers 9 kann mit dem Eingang
eines Mikrocontrollers verbunden werden, welcher anhand der Frequenz
des rechteckförmigen
Signals Ua die mit dem Sensor 2 zu erfassende Drehzahl
bestimmt.
-
In 2 sind
die Zeitverläufe
ein der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 zugeführtes sinusförmiges Signal
Ue und das hieraus resultierende rechteckförmige Signal Ua am Ausgang
der Schaltungsanordnung 1 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass
das sinusförmige
Signal Ue von Störungen überlagert
ist. Trotz der überlagerten
Störungen
wird das sinusförmige
Signal Ue fehlerfrei in das rechteckförmige Signal Ua umgewandelt.
Die fehlerfreie Umwandlung wird durch die automatische Anpassung der
Hysterese an die Amplitude des sinusförmigen Signals Ue gewährleistet.
Die obere Schaltschwelle des Komparators 9 beträgt ca. dem
0,667-fachen der Differenz Vss zwischen dem positiven und dem negativen
Spitzenwert des sinusförmigen
Signals Ue. Die untere Schaltschwelle entspricht ca. dem 0,333-fachen
der Differenz zwischen dem positiven und dem negativen Spitzenwert
des sinusförmigen Signals
Ue. Dieses Verhältnis
zwischen den Schaltschwellen und den Spitzenwerten des sinusförmigen Signals
Ue bleibt auch bei Veränderungen
der Spitzenwerte erhalten, da durch die Schaltungsanordnung 1 eine
automatische Anpassung der Schaltschwellen an die Spitzenwerte erfolgt.
-
Zwischen
den Zeitpunkten t0 und t1 weist der Ausgang des Komparators 9 einen
Low-Pegel, zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 einen High-Pegel und
zwischen t2 und t3 einen Low-Pegel auf. Da das gefilterte sinusförmige Signal
Ue dem negativen Eingang des Schmitt-Triggers 9 zugeführt wird,
ist dieses Verhalten verständlich.
Es handelt sich hierbei um einen invertierenden Schmitt-Trigger 9.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 kann
natürlich
auch mit einem nichtinvertierenden Schmitt-Trigger 9 realisiert
werden.
-
- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Sensor
- 3
- Tiefpass
- 4
- positiver
Spitzenwertgleichrichter
- 5
- negativer
Spitzenwertgleichrichter
- 6
- erster
Addierer
- 7
- zweiter
Addierer
- 8
- Schalter
- 9
- Schmitt-Trigger,
Komparator
- Cp,
Cn
- Kondensatoren
- D1,
D2
- Dioden
- R1
bis R4
- Widerstände
- t
- Zeit
- t0
bis t3
- Zeitpunkte
- Ua
- rechteckförmiges Signal
- Ue
- sinusförmiges Signal
- Vcc
- Versorgungsspannung
der Schaltungsanordnung
- Vss
- Differenz
zwischen dem positiven und dem
-
- negativen
Spitzenwert von Ue