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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungsversorgung von einem
analogen Sensor, bei welchem dem Sensor durch eine Spannungsquelle eine
Versorgungsspannung zugeführt
wird und eine am Sensor anstehende Analogspannung durch eine Auswerteeinheit
durch Vergleich mit einer Analogreferenz gemessen wird sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Steuergeräte, wie
sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen genutzt werden, verwenden
zur Spannungsversorgung von Sensoren separate Spannungsversorger,
um bei externen Kurzschlüssen
die Funktion des Steuergerätes
nicht zu beeinträchtigen. Solche
separate Spannungsversorger werden auf den Funktionsbereich der
angeschlossenen Sensoren abgestimmt.
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Es
ist bekannt, Spannungsversorger einzusetzen, die eine Trackingfunktion
gegenüber
einer Analogreferenz eines Mikrocontrollers aufweisen. Der Mikrocontroller
misst sowohl die von dem Spannungsversorger bereitgestellte Spannung
für die Sensoren,
als auch die Ausgangsspannung der Sensoren. Mittels der Trackingfunktion
wird die Ausgangsspannung der Sensoren so innerhalb der Analogreferenz
des Mikrocontrollers verschoben, dass die Sensorausgangsspannung
immer innerhalb der Analogreferenz des Mikrocontrollers liegt, da
die maximale, von dem Spannungsversorger bereitgestellte Versorgungsspannung
höher liegt
als der Wertebereich der Analogreferenz des Mikrocontrollers.
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Aus
diesem Grund sind zur Messung des von dem Spannungsversorger bereitgestellten
Spannungsistwertes und zur Auswertung des analogen Ausgangssig nals
des Sensors jeweils Spannungsteiler notwendig. Solche Spannungsteiler
haben prinzipiell eine Abgleichtoleranz.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Spannungsversorgung von einem analogen Sensor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, das auf Spannungsteiler zur
Messung der von der Spannungsquelle bereitgestellten Versorgungsspannung
und der Ausgangsspannung des Sensors verzichtet werden kann. Dadurch,
dass die Versorgungsspannung des Sensors in einem vorgegebenen Spannungsbereich
des Sensors liegt und kleiner ist als die minimale Analogreferenz
der Auswerteeinheit, verkürzt
sich die Fehlerkette infolge des Wegfalls der Spannungsteiler. Der
durch Spannungstoleranzen verursachte Fehler wird bis zu 10% verkleinert.
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Vorteilhafterweise
wird durch die Spannungsquelle die Versorgungsspannung des Sensors in
einem Bereich zwischen einer unteren Toleranz der Versorgungsspannung
und einer unteren Toleranz der Analogreferenz geregelt. Die Verwendung eines
Spannungsreglers zur Bereitstellung der Versorgungsspannung für den Sensor
ermöglicht
eine genaue Einstellung des gewünschten
Spannungswertes. Dabei werden auch Spannungstoleranzen, welche am
Sensor und an der Auswerteeinheit auftreten, bei der Regelung mit
berücksichtigt.
Die Spannungstoleranzen werden bei der Einstellung der Versorgungsspannung
voll ausgenutzt.
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In
einer Ausgestaltung umfasst die Auswerteeinheit einen A/D-Wandler,
durch welchen die Analogreferenz bereitgestellt wird. Durch die
Umwandlung der Analogwerte in Digitalwerte ist eine hochgenaue Auswertung
und Weiterverarbeitung der gemessenen Spannungsversorgung und der
Ausgangsspannung des Sensors möglich,
was insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen in einem Kraftfahrzeug
von großer
Bedeutung ist.
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In
einer Weiterbildung liegen die Versorgungsspannung und die Ausgangspannung
des Sensors innerhalb eines definierten Wertebereiches der Analogreferenz
des A/D-Wandlers, was durch die Ausnutzung der Spannungstoleranzen
des A/D-Wandlers möglich
wird.
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Zu
Diagnosezwecken misst die Auswerteeinheit die Ausgangsspannung und
die Versorgungsspannung des Sensors und bildet ein Verhältnis aus der
Ausgangs- und Versorgungsspannung.
Dabei wird die Auswerteeinheit gleichzeitig als Diagnoseeinrichtung
für die
externe Spannungsquelle des Sensors genutzt, weshalb auf weitere
externe Diagnoseeinrichtungen verzichtet werden kann. Darüber hinaus
kann die Diagnose gleich anschließend an den normalen Messvorgang
erfolgen, was eine zeitnahe Auswertung ermöglicht.
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In
einer anderen Weiterbildung weist eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung
von einem analogen Sensor eine Spannungsquelle auf, welche mit dem
Sensor verbunden ist und diesem eine Versorgungsspannung bereitstellt,
wobei der Sensor mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, welche
die am Sensor anstehende Analogspannung durch Vergleich mit einer
Analogreferenz misst. Um eine Auswertung der Sensorsignale auch
unter den schwierigsten Bedingungen zu ermöglichen, stellt die Spannungsquelle
die Versorgungsspannung des Sensors in einem vorgegebenen Spannungsbereich
des Sensors ein, wobei die Versorgungsspannung kleiner ist als die
minimale Analogreferenz der Auswerteeinheit. Durch diese Vorrichtung
kann auf Spannungsteiler zur Messung der Versorgungs- und der Ausgangsspannung
des Sensors verzichtet werden, wodurch eine mögliche Fehlerkette durch Auftreten
von Ungenauigkeiten reduziert wird. Es besteht somit eine direkte
Verbindung zwischen der Versorgungspannung beziehungsweise der Ausgangsspannung des
Sensors und der Auswerteeinheit.
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Vorteilhafterweise
weist die Auswerteeinheit einen A/D-Wandler auf, durch welchen die
Analogreferenz bereitgestellt wird. Durch die Umwandlung des analogen
Ausgangssignals des Sensors in ein digitales Signal ist eine genauere
Verarbeitung des Sensorsignals in der Auswerteeinheit möglich.
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In
einer Ausgestaltung ist die Spannungsquelle eine geregelte Spannungsquelle,
welche die Versorgungsspannung des Sensors in einem Bereich zwischen
einer unteren Toleranz der Versorgungsspannung und einer unteren
Toleranz der Analogreferenz regelt. Somit wird zuverlässig sichergestellt, dass
die Sensorversorgungsspannung und die Sensorausgangsspannung immer
innerhalb des Wertebereiches des A/D-Wandlers liegen.
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Die
Erfindung lässt
zahlreiche Ausführungsformen
zu. Eine davon soll anhand der in der Figur dargestellten Zeichnungen
näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1:
Prinzipaufbau einer Sensorspannungsversorgung und -auswertung nach
dem Stand der Technik
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2:
ein Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Sensorspannungsversorgung
und -auswertung
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3:
schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens
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4:
eine Ausführungsform
des Spannungsreglers Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein Spannungsregler 1 über
eine Versorgungsspannungsleitung 2 mit einem Sensor 3 verbunden,
welcher an Masse 4 liegt. Ein Mikrocontroller 5 misst über einen
Spannungsteiler 6 mit Tiefpass, welcher zwischen den Mikroprozessor 5 und die
Versorgungsspannungsleitung 2 in die Leitung 7 geschaltet
ist, das Versorgungsspannungssignal Vs, welches von dem Spannungsregler 1 erzeugt
wird.
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Das
Ausgangssignal Vout des Sensors 3 liegt in einer Leitung 9 über einem
zweiten Spannungsteiler 8 mit Tiefpass am Mikrocontroller 5 an. Das
Messsignal der Versorgungsspannung Vs als auch das Messsignal der
Sensorausgangsspannung Vout liegen an einem A/D-Wandler 10 an,
welcher Bestandteil des Mikrocontrollers 5 ist.
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Bei
dieser den Stand der Technik charakterisierenden Prinzipdarstellung
ist der Sensor als Drucksensor ausgebildet, welcher in einem Getriebe eines
Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
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Der
Spannungsregler 1 liefert beispielsweise eine Spannungsversorgung
Vs für
den Sensor von 5 V +/– 0,1
V Toleranz. Die Analogreferenz ADRef des A/D-Wandlers 10 inklusive
des Toleranzbereiches liegt bei 4,9 V bis 5,1 V. Durch den Spannungsteiler 8 wird
die Versorgungsspannung Vs des Sensors 3 auf das Sensorpotential
von 0 bis 5 V inklusive Toleranz heruntergeteilt. Dadurch wird der
Meßbereich
des Sensors, welcher zwischen 4,5 V bis 5,5 V liegt, bei der Messung
nicht ausgenutzt, da die Analogreferenz ADRef geringer
ist, wodurch der Auswertebereich des Mikrocontrollers 5 nur
zum Teil den Wertebereich des Ausgangssignals Vout des Sensors 3 abdeckt. Bei
einer Rückrechnung
der Ausgangsspannung Vout des Sensors 3 auf die Versorgungsspannung, welche
durch ein Rechenelement 11 des Mikrocontrollers 5 erfolgt,
gilt tau = Vout/Vs,wobei tau zwischen 0%
bis 100% liegt. Eine solche Rückrechnung
ist notwendig, um eine zuverlässige Einschätzung der
Messung der physikalischen Größe aus diesem
ratiometrischen Verhältnis
zu treffen.
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Bei
der beschriebenen Konstellation müsste die Ausgangsspannung Vout
mehr als 100% der Analogreferenz ADRef betragen,
wie aus dem in 1 enthaltenen Balkendiagramm
ersichtlich ist, da die Analogreferenz ADRef kleiner
ist als die Ausgangsspannung Vout des Sensors 3.
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Für die Ausgangsspannung
Vout gilt: Vout = 0%...104% × VRef wobei
VRef die Sensorreferenz darstellt.
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2 zeigt
einen möglichen
Aufbau nach der erfindungsgemäßen Lösung. Der
grundsätzliche Aufbau
entspricht dabei der 1, wobei ein externer Spannungsregler 1 über eine
Versorgungsleitung 2 mit dem Sensor 3 verbunden
ist, wobei das Spannungsausgangssignal Vout des Sensors 3 an
den Mikrocontroller 5 geführt ist. In der Leitung 9 ist
dabei lediglich ein Tiefpassfilter 13 vor den A/D-Wandler 10 des
Mikrocontrollers 5 geschaltet. Ein weiterer Tiefpassfilter 12 ist
in derselben Art und Weise in der Leitung 7 angeordnet,
welche die Versorgungsleitung 2 mit dem A/D-Wandler 10 des
Mikrocontrollers 5 verbindet.
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Auch
in diesem Fall gelten die bereits beschriebenen Bedingungen. Der
gemäß einer
Spezifikation bereitgestellte zulässige Versorgungsbereich des
Sensors 3 beträgt
4,5 V bis 5,5 V, während
der Toleranzbereich der Analogreferenz des A/D-Wandlers mit 4,9 V bis 5,1 V eingestellt
ist. Der Spannungsregler 1, der auf der Grundlage einer
Spannungsversorgung von 5 V arbeitet, stellt nun eine Versorgungsspannung
Vs von 4,7 V +/– 0,2
V Toleranz bereit. Diese Versorgungsspannung Vs ist so gewählt, dass
die Ausgangsspannung Vout des Sensors immer unterhalb der Analogreferenz
ADRef des A/D-Wandlers 10 liegt.
Darüber
hinaus ist mit einer Mindestversorgung des Sensors 3 immer
gewährleistet,
dass der Regelbereich der Sensorversorgung Vs in der unteren Toleranz
der zulässigen
Sensorversorgung Vs und somit immer im gültigen Spannungsbereich des
Sensors 3 liegt. Auf die Spannungsteiler kann somit verzichtet
werden, da die Sensorversorgungsspannung Vs und die Ausgangsspannung
Vout des Sensors 3 immer innerhalb des Wertebereiches des
A/D-Wandlers 10 liegen. Dies ist auch noch einmal im Balkendiagramm
der 2 dargestellt, wo der Bereich der Sensorreferenz
VRef und die Messwerte der Sensorversorgungsspannung
Vs und Ausgangsspannung Vout dargestellt sind. Für die Ausgangsspannung Vout
gilt: Vout = 0%...100% × VRef.
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Auch
in diesen Fall wird mit Hilfe des Rechenelementes 11 das
ratiometrische Verhältnis
tau bestimmt.
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Zur
Festlegung des Regelbereiches des Spannungsreglers 1 wird
gemäß 3 folgendes Verfahren
durchgeführt.
Im Block 101 wird aus der Spezifikation des Sensors 3 der
zulässige
Versorgungsbereich des Sensors 3 ermittelt. Anschließend erfolgt
im Block 102 die Festlegung des Auswertebereiches der Analogreferenz
ADRef. Im Block 103 wird nun die
untere Grenze des zulässigen
Versorgungsbereiches des Sensors 3 und die untere Toleranz
der Analogreferenz bestimmt. Der Spannungsregler 1 wird
im Block 104 so ausgewählt,
dass der obere und untere Toleranzwert der von dem Spannungsregler 1 an
den Sensor 3 ausgegebenen Versorgungsspannung Vs mit der
unteren Grenze des zulässigen
Versorgungsbereiches des Sensors 3 und der unteren Toleranz
der Analogreferenz ADRef übereinstimmen. Mit
einer so festgelegten Versorgungsspannung Vs wird der Sensor 3 im
Block 105 versorgt.
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In 4 ist
eine diskrete Beschaltung eines externen Spannungsreglers 1 dargestellt,
welcher zur Versorgung des Sensors 3 vorgesehen ist. Der Eingang 14 des
Spannungsreglers 1 ist mit einem Steuergerät 24 zur
Bereitstellung einer Spannungsversorgung verbunden. Weiterhin ist
der Spannungsregler 1 mit einem Pin des Mikrocontrollers 5 zur
Abschaltung desselben bei einem erkannten Fehler verbunden. Am Ausgang 16 des
Spannungsreglers 1 sind zwei Kondensatoren 17 und 18 angeordnet,
zwischen welchen eine Schutzdiode 19 angeordnet ist, welche
zum Schutz des Spannungsreglers 1 bei externen Kurzschlüssen und/oder
Rückspeisefestigkeiten
erforderlich ist. Die Leitung 20, die an den Sensor 3 führt, ist
mit einem Abgleichwiderstand 21 versehen, der an einen
zweiten Ausgang 22 des Spannungsreglers 1 führt. Mit
Hilfe des Abgleichwiderstandes 21 kann die Regler-Ausgangspannung
auf einen gewünschten
Wert eingestellt werden. In einer Diagnoseleitung 23, welche
vom Sensor 3 auf den A/D-Wandler 10 des Mikrocontrollers 5 zur
Messung des Sensorausgangsspannung Vout rückgeführt wird, ist ein Tiefpass 24, 25 zur
Unterbindung von Störungen
vorhanden.