DE102009047099A1 - Method for detecting speed signal from Hall sensor in motor vehicle, involves converting digital current signal into another current signal using active circuits of converter circuit, where latter signal is detected by measuring circuit - Google Patents

Method for detecting speed signal from Hall sensor in motor vehicle, involves converting digital current signal into another current signal using active circuits of converter circuit, where latter signal is detected by measuring circuit Download PDF

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Abstract

The method involves converting a digital current signal (30) into another current signal i.e. digital current signal (40), under utilization of active circuits e.g. n-channel MOSFET (110) and operational amplifier (120), of a converter circuit (100), where the latter current signal is detected by a measuring circuit (140). The converter circuit is partially realized as an application specific integrated circuit (ASIC). The latter current signal is evaluated with respect to frequency and/or pulse control factor. An independent claim is also included for a converter circuit comprising an n-channel MOSFET.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals mit einer Messschaltung.The present invention relates to a method for detecting a first current signal output by a current-interface sensor with a measuring circuit.

Stand der TechnikState of the art

Sensoren und Stromschnittstellen werden häufig in rauen bzw. störungsbehafteten Umgebungen eingesetzt, da die Datenübertragung über eine Stromschnittstelle robuster als die Datenübertragung über eine Spannungsschnittstelle ist. Beispielsweise in Kraftfahrzeugen sind viele Sensoren mit einer Stromschnittstelle ausgestattet. Schaltungen, welche Elemente mit Stromschnittstelle enthalten, werden auch als Stromschleifen bezeichnet.Sensors and power interfaces are often used in harsh environments because data transmission over a power interface is more robust than data transmission over a voltage interface. For example, in automobiles, many sensors are equipped with a power interface. Circuits incorporating current interface elements are also referred to as current loops.

Zur Auswertung wird üblicherweise ein Messwiderstand bzw. Bürdenwiderstand in Reihe geschaltet und die an diesem Widerstand abfallende Spannung erfasst. Die Spannungsversorgung der Stromschleife muss somit zumindest den Spannungsabfall am Sensor und den Spannungsabfall am Messwiderstand bereitstellen, was eine relativ große Versorgungsspannung bedingt.For evaluation, a measuring resistor or load resistor is usually connected in series and the voltage dropping across this resistor is detected. The voltage supply of the current loop must thus at least provide the voltage drop across the sensor and the voltage drop across the measuring resistor, which requires a relatively large supply voltage.

Die am Bürdenwiderstand abfallende Spannung wird dann über einen nachgeschalteten Komparator mit oder ohne Schwellwertnachführung erfasst. Aufgrund der Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren müssen die Schwellwerte für den Komparator in einem sehr engen Toleranzband liegen. Der Bürdenwiderstand muss darüber hinaus für eine hohe, bei einem Kurzschluss auftretende Verlustleistung von bis zu 5 W ausgelegt werden. Alternativ muss ein zusätzliches Schaltelement vorgesehen werden, was den Schaltungsaufwand und damit die Kosten für Bauteile, Layout usw. erhöht.The voltage dropping across the load resistor is then detected via a downstream comparator with or without threshold value tracking. Due to the large number of different sensors, the threshold values for the comparator must lie within a very narrow tolerance range. In addition, the burden resistor must be designed for a high power loss of up to 5 W, which occurs in the event of a short circuit. Alternatively, an additional switching element must be provided, which increases the circuit complexity and thus the cost of components, layout, etc.

Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor mit Stromschnittstelle ausgegebenen Stromsignals anzugeben.It is therefore desirable to provide an improved method for detecting a current signal output from a current-interface sensor.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.This invention is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung beruht im Wesentlichen auf der Maßnahme, das eigentlich zu erfassende erste Stromsignal mittels einer aktiven Wandlerschaltung in ein zweites Stromsignal zu wandeln. Durch das Vorsehen einer aktiven Wandlerschaltung kann der herkömmlich im Strompfad vorhandene Bürdenwiderstand eingespart oder zumindest auf eine geringere Verlustleistung dimensioniert werden, so dass der Gesamtspannungsabfall im Sensorpfad reduziert werden kann. Der Sensor kann daher mit einer weniger leistungsfähigen Spannungsversorgung betrieben werden. Aufgrund der aktiven Wanderschaltung kann die Amplitude des Stromsignals verstärkt werden. Übliche Stromschnittstellen (20 mA-Schnittstelle) geben ein Stromsignal mit einer Amplitude von bis zu 20 mA aus. Bei Verwendung einer aktiven Wandlerschaltung ist die Amplitude des zweiten Stromsignals, welches der Messschaltung zugeführt wird, vom Fachmann in weiten Bereichen frei vorgebbar.The present invention is essentially based on the measure of converting the actual current signal to be detected by means of an active converter circuit into a second current signal. By providing an active converter circuit, the conventional load resistor existing in the current path can be saved or at least dimensioned to a lower power loss, so that the total voltage drop in the sensor path can be reduced. The sensor can therefore be operated with a less powerful power supply. Due to the active traveling circuit, the amplitude of the current signal can be amplified. Typical current interfaces (20 mA interface) output a current signal with an amplitude of up to 20 mA. When using an active converter circuit, the amplitude of the second current signal, which is supplied to the measuring circuit, freely definable by a person skilled in the art within wide ranges.

Weiterhin dient die aktive Wandlerschaltung dem Kurzschlussschutz, wenn die Wandlerschaltung im Falle eines Kurzschlusses deaktiviert wird. Insbesondere dadurch kann die Schaltung in einem ASIC kostengünstig integriert werden, da die im Betrieb abfallenden Verlustleistungen im Bereich weniger mW liegen.Furthermore, the active converter circuit serves the short-circuit protection, when the converter circuit is deactivated in the event of a short circuit. In particular, the circuit can be integrated cost-effectively in an ASIC because the power losses dropping during operation are in the range of a few mW.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Erfassung von digitalen Stromsignalen, wie sie beispielsweise von einem Drehzahlsensor (üblicherweise als Hallsensor ausgeführt) in einem Kraftfahrzeug ausgegeben werden. Das zweite Stromsignal wird in diesem Fall zweckmäßigerweise ebenfalls als digitales Stromsignal von der Wandlerschaltung ausgegeben. Ein solches Signal wird zweckmäßigerweise von der Messschaltung erfasst und bezüglich Frequenz und/oder Tastverhältnis ausgewertet. Digitale Stromsignale eignen sich besonders gut zur Wandlung, da sie auf einfachere Weise erfasst werden können als Analogsignale.The method according to the invention is particularly suitable for detecting digital current signals, such as those output by a speed sensor (usually designed as a Hall sensor) in a motor vehicle. The second current signal is expediently also output as a digital current signal from the converter circuit in this case. Such a signal is expediently detected by the measuring circuit and evaluated with respect to frequency and / or duty cycle. Digital current signals are particularly well suited for conversion, since they can be detected in a simpler way than analog signals.

Die Wandlung erfolgt zweckmäßigerweise unter Verwendung einer Schaltung, deren Spannungsabfall im Strompfad, vorzugsweise auf einen festen Wert, geregelt wird. Insbesondere bietet es sich an, den Spannungsabfall in der Stromschleife auf einen geringen Wert, wie z. B. 1 Volt, zu regeln, so dass die für den sicheren Betrieb der Schaltung notwendige Gesamtspannung gering bleibt. Wird die Wandlerschaltung zumindest teilweise als ASIC realisiert, können dabei insbesondere Bipolartransistoren und/oder n-Kanal MOSFET als Bestandteil der Wandlerschaltung verwendet werden.The conversion is expediently carried out using a circuit whose voltage drop in the current path, preferably to a fixed value, is regulated. In particular, it makes sense, the voltage drop in the current loop to a low value, such. B. 1 volts, so that the necessary for the safe operation of the circuit total voltage remains low. If the converter circuit is at least partially realized as an ASIC, in particular bipolar transistors and / or n-channel MOSFETs can be used as part of the converter circuit.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Wandlung unter Verwendung einer spannungsgesteuerten Stromquelle und/oder einer stromgesteuerten Stromquelle als Bestandteil der Wandlerschaltung. Als spannungsgesteuerte Stromquelle kann insbesondere eine aktive geregelte Endstufe, welche beispielsweise einen n-Kanal MOSFET enthält, dienen. In diesem Fall kann die Stromschleife zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des MOSFET verlaufen, wobei der Gate-Anschluss in Abhängigkeit vom ersten Stromsignal abwechselnd hochohmig und niederohmig geschaltet wird. Zur Ansteuerung des Gates kann insbesondere ein Operationsverstärker verwendet werden, an dessen invertierenden Eingang die Stromschnittstelle und an dessen nicht invertierenden Eingang ein Referenzsignal von beispielsweise 1 V angelegt wird.Conveniently, the conversion takes place using a voltage-controlled current source and / or a current-controlled current source as part of the converter circuit. In particular, an active regulated output stage, which contains, for example, an n-channel MOSFET, can serve as a voltage-controlled current source. In this case, the current loop may extend between the drain terminal and the source terminal of the MOSFET, wherein the gate terminal is alternately switched to high-resistance and low-resistance in dependence on the first current signal. In particular, an operational amplifier can be used to drive the gate, to the inverting input of which the current interface is applied and to whose non-inverting input a reference signal of, for example, 1 V is applied.

Als stromgesteuerte Stromquelle kann insbesondere ein Stromspiegel verwendet werden.As a current-controlled current source, in particular a current mirror can be used.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt einen Schaltplan mit einem Sensor und einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung. 1 shows a circuit diagram with a sensor and a first preferred embodiment of a converter circuit according to the invention.

2 zeigt einen Schaltplan mit einem Sensor und einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung. 2 shows a circuit diagram with a sensor and a second preferred embodiment of a converter circuit according to the invention.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

In den 1 und 2 ist jeweils dargestellt, wie ein erstes digitales Stromsignal 30, welches von einem Sensor 20, beispielsweise einem Hall-Drehzahlsensor in einem Kraftfahrzeug, ausgegeben wird, mittels einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung 100 bzw. 200 in ein zweites Stromsignal 40 gewandelt wird, welches zur Erfassung verwendet wird. Der Sensor 20 bzw. die komplette Stromschleife wird von einer Energiequelle 10 gegen Masse versorgt. Bei einer 20 mA-Schnittstelle kann das digitale Stromsignal bspw. bei high = 11...18 mA und low = 4...9 mA liegen.In the 1 and 2 is shown as a first digital current signal 30 which is from a sensor 20 , For example, a Hall speed sensor in a motor vehicle, is output by means of a converter circuit according to the invention 100 respectively. 200 in a second current signal 40 is converted, which is used for detection. The sensor 20 or the complete current loop is from an energy source 10 supplied to ground. With a 20 mA interface, the digital current signal can be, for example, at high = 11 ... 18 mA and low = 4 ... 9 mA.

Die in 1 dargestellte Wandlerschaltung 100 ist als ASIC ausgebildet. Sie weist eine aktiv geregelte Endstufe 110, hier einen n-Kanal MOSFET, auf, dessen Drain-Source-Strecke in die Stromschleife geschaltet ist. Ein Regelelement, beispielsweise ein Operationsverstärker 120, regelt den Drain-Anschluss D des MOSFET 110 auf eine Referenzspannung, hier 1 V. Dazu ist der Ausgang des Operationsverstärkers 120 mit dem Gate-Anschluss G des MOSFET 110 verbunden. Bei der Regelung wird das Gate durch entsprechende Strom- bzw. Spannungspulse geladen und entladen, d. h. die Drain-Source-Strecke des MOSFET 110 wird abwechselnd hochohmig und niederohmig geschaltet. Der MOSFET wird dazu ähnlich einem Klasse-A-Verstärker betrieben.In the 1 illustrated converter circuit 100 is trained as an ASIC. It has an active regulated output stage 110 , here an n-channel MOSFET, whose drain-source path is connected in the current loop. A control element, for example an operational amplifier 120 , regulates the drain terminal D of the MOSFET 110 to a reference voltage, here 1 V. This is the output of the operational amplifier 120 to the gate terminal G of the MOSFET 110 connected. During regulation, the gate is charged and discharged by means of corresponding current or voltage pulses, ie the drain-source path of the MOSFET 110 is alternately switched to high impedance and low impedance. The MOSFET is operated similarly to a Class A amplifier.

Die Ausgangsimpulse des Operationsverstärkers 120 werden hier über einen Messwiderstand 130 geführt und von einer Messschaltung 140 erfasst. Die Messschaltung 140 erzeugt daraus das digitale zweite Stromsignal 40. Jedoch sind auch andere im Stand der Technik übliche Methoden zur Stromerfassung an dieser Stelle einsetzbar.The output pulses of the operational amplifier 120 are here via a measuring resistor 130 guided and by a measuring circuit 140 detected. The measuring circuit 140 generates from this the digital second current signal 40 , However, other methods of current detection common in the art are useful at this point.

Die Wandlerschaltung 100 weist gegenüber herkömmlichen Bürdenwiderständen insbesondere den Vorteil eines niedrigeren Spannungsabfalls, hier nämlich nur 1 V, auf. Weiterhin muss die Wandlerschaltung nicht auf die maximal mögliche Verlustleistung von ca. 5 W ausgelegt werden, da bei einem Defekt der MOSFET 110 den Stromfluss sperrt.The converter circuit 100 has the advantage of a lower voltage drop, in this case only 1 V, in comparison to conventional load resistors. Furthermore, the converter circuit does not have to be designed for the maximum possible power loss of approximately 5 W, since in the case of a defect the MOSFET 110 the current flow blocks.

Die in 2 dargestellte Wandlerschaltung 200 basiert auf dem Prinzip der stromgesteuerten Stromquelle. Auch die Wandlerschaltung 200 wird vorzugsweise als ASIC realisiert, wobei zweckmäßigerweise bipolare Transistoren verwendet werden.In the 2 illustrated converter circuit 200 based on the principle of current-controlled current source. Also the converter circuit 200 is preferably realized as an ASIC, wherein expediently bipolar transistors are used.

Auch in der Wandlerschaltung 200 wird eine aktive Regelung des Spannungsabfalls in der Stromschleife, hier wiederum auf 1 V, verwendet. Dazu dient ein Operationsverstärker 220, der mit dem Kollektor C eines ersten Bipolartransistors 210 verbunden ist. Zur Wandlung des Stromsignals wird ein Stromspiegel 230 verwendet, der den Basisstrom I1 an dem Transistor 210 in einen Basisstrom I2 an einem zweiten, vorzugsweise baugleichen Transistor 240 wandelt. Der Kollektor C des zweiten Transistors 240 ist mit einer Energieversorgung 250 verbunden, der Emitter E ist über einen Bürdenwiderstand 260 gegen Masse geschaltet. Das über den Bürdenwiderstand 260 abfallende Signal wird von einer Schaltung 270 in das digitale zweite Stromsignal 40 umgewandelt. Bei dieser Ausgestaltung kann eine potentialfreie Stromwandlung erfolgen. Der Spannungsabfall in der Stromschleife des Sensors ist wiederum gering und beträgt im vorliegenden Beispiel nur 1 V.Also in the converter circuit 200 An active control of the voltage drop in the current loop, here again to 1 V, is used. This is done by an operational amplifier 220 connected to the collector C of a first bipolar transistor 210 connected is. To convert the current signal is a current mirror 230 used, the base current I 1 to the transistor 210 in a base current I 2 at a second, preferably identical transistor 240 converts. The collector C of the second transistor 240 is with a power supply 250 connected, the emitter E is a burden resistor 260 switched to ground. That over the burden resistor 260 Falling signal is from a circuit 270 in the digital second current signal 40 transformed. In this embodiment, a potential-free current conversion can take place. The voltage drop in the current loop of the sensor is again low and in the present example is only 1 V.

Claims (13)

Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor (20) mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals (30) mit einer Messschaltung, wobei das erste Stromsignal (30) mittels einer Wandlerschaltung (100; 200) in ein zweites Stromsignal (40) gewandelt wird und das zweite Stromsignal (40) von der Messschaltung erfasst wird.Method for detecting one of a sensor ( 20 ) with current interface output first current signal ( 30 ) with a measuring circuit, wherein the first current signal ( 30 ) by means of a converter circuit ( 100 ; 200 ) into a second current signal ( 40 ) and the second current signal ( 40 ) is detected by the measuring circuit. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Stromsignal (30) unter Verwendung einer aktiven Schaltung (110, 120; 140; 210, 220, 230, 240; 270) als Bestandteil der Wandlerschaltung (100; 200) in das zweite Stromsignal (40) gewandelt wird. Method according to claim 1, wherein the first current signal ( 30 ) using an active circuit ( 110 . 120 ; 140 ; 210 . 220 . 230 . 240 ; 270 ) as part of the converter circuit ( 100 ; 200 ) into the second current signal ( 40 ) is converted. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste Stromsignal (30) unter Verwendung einer Schaltung (110; 210), deren Spannungsabfall in der Stromschleife geregelt wird, als Bestandteil der Wandlerschaltung in das zweite Stromsignal (40) gewandelt wird.Method according to claim 2, wherein the first current signal ( 30 ) using a circuit ( 110 ; 210 ), whose voltage drop is regulated in the current loop, as part of the converter circuit in the second current signal ( 40 ) is converted. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Wandlung unter Verwendung einer spannungsgesteuerten Stromquelle (110, 120) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.A method according to claim 2 or 3, wherein the conversion is performed using a voltage controlled current source ( 110 . 120 ) takes place as part of the converter circuit. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Wandlung mittels einer aktiv geregelten Endstufe (110, 120) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.Method according to claim 4, wherein the conversion by means of an actively regulated output stage ( 110 . 120 ) takes place as part of the converter circuit. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Endstufe (110) in Abhängigkeit vom ersten Stromsignal (30) abwechselnd hochohmig und niederohmig geschaltet wird.Method according to claim 5, wherein the final stage ( 110 ) in response to the first current signal ( 30 ) is alternately switched high impedance and low impedance. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Wandlung unter Verwendung einer stromgesteuerten Stromquelle (230) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.Method according to claim 2 or 3, wherein the conversion is performed using a current-controlled current source ( 230 ) takes place as part of the converter circuit. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Wandlung mittels einer Stromspiegel-Schaltung (230) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.A method according to claim 6, wherein the conversion by means of a current mirror circuit ( 230 ) takes place as part of the converter circuit. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wandlerschaltung (100; 200) zumindest teilweise als ASIC realisiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the converter circuit ( 100 ; 200 ) is at least partially realized as an ASIC. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein von einem Hall-Sensor (20) ausgegebenes Drehzahlsignal (30) in einem Kraftfahrzeug erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, wherein one of a Hall sensor ( 20 ) output speed signal ( 30 ) is detected in a motor vehicle. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein digitales Stromsignal als zweites Stromsignal (40) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a digital current signal as a second current signal ( 40 ) is produced. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das zweite Stromsignal (40) von der Messschaltung erfasst und bezüglich Frequenz und/oder Tastverhältnis ausgewertet wird.Method according to claim 11, wherein the second current signal ( 40 ) is detected by the measuring circuit and evaluated in terms of frequency and / or duty cycle. Wandlerschaltung, welche Mittel (110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270) zur Wandlung eines von einem Sensor (20) mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals (30) in ein zweites Stromsignal (40) gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.Converter circuit, which means ( 110 . 120 . 130 . 140 ; 210 . 220 . 230 . 240 . 250 . 260 . 270 ) for converting one of a sensor ( 20 ) with current interface output first current signal ( 30 ) into a second current signal ( 40 ) according to a method according to any one of the preceding claims.
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