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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Simulation eines zwei äußere Anschlüsse aufweisenden und die Stromstärke und/oder den Widerstand zwischen diesen Anschlüssen in Abhängigkeit einer zu messenden Größe ändernden Sensors, mit einem die beiden Anschlüsse verbindenden Strompfad in dem zwei Feldeffekt-Transistoren und ein Widerstand angeordnet sind und mit einer die Gates der Transistoren ansteuernden Schaltung zur Steuerung und/oder Regelung des Stroms durch den Strompfad. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren und eine Simulatoreinrichtung mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Schaltungsanordnungen zur Simulation von Sensoren, die ihre Stromstärke und/oder ihren Widerstand zwischen einer Signalanschlussklemme – die oft auch als Signalpin bezeichnet wird – und einer Referenzspannungsanschlussklemme – die oft als Referenzpin bezeichnet wird – in Abhängigkeit einer zu messenden Größe ändern, werden zum Beispiel in der Vorentwicklung von Steuergeräten für Fahrzeugkomponenten von Kraftfahrzeugen benötigt. Ein derartiges Steuergerät kann zum Beispiel das Steuergerät einer Brennkraftmaschine sein, der zu simulierende Sensor beispielsweise ein seinen Stromstärke und/oder Widerstand in Abhängigkeit einer Drehzahl ändernder Rad-Drehzahlsensor vom Typ Bosch DF11s.
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Die Schaltungsanordnung ist dabei in eine Simulatoreinrichtung eingebunden und bildet eine Stromsenke. Derartige Schaltungsanordnungen sind als „Sensor Simulation Boards” für HiL-Anwendungen (HiL: Hardware in the Loop) bekannt bzw. werden, in den Fällen, in denen diese Schaltungsanordnungen ausschließlich als Stromsenke verwendet werden, oft als auch als „Current Sink” bezeichnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, preisgünstige, präzise und verpolungssichere Schaltungsanordnung, ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Simulatoreinrichtung anzugeben.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass der Widerstand als ein in einem Brückengleichrichter verschalteter Shunt-Widerstand ausgebildet ist und die Schaltung eine Regelschaltung ist, die den Strom im Strompfad über die an dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung erfasst und regelt. Eine derartige Schaltungsanordnung bildet eine bipolare Stromsenke mit großem Arbeitsbereich (Strom- und/oder Spannungs- und/oder Widerstandsbereich), die aus wenigen Standard-Bauelementen aufbaubar ist. Dies ist insbesondere bei einer Schaltungsanordnung von Vorteil, die nicht nur einen einzigen Sensor, sondern eine Vielzahl von Sensoren simulieren soll. Eine typische Anzahl n von zu simulierenden Sensoren einer solchen Schaltungsanordnung ist 2 ≤ n ≤ 50. Diese Anzahl hängt insbesondere von der Art und der Komplexität des zu simulierenden Systems ab. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass für Simulationsszenarien die Mehrzahl der Sensorsignale durch „echte” Sensoren bereitgestellt werden und beispielsweise nur ein oder zwei Sensorsignal(e) durch eine Sensorsimulation mittels einer oder zweier Schaltungsanordnung(en) der erfindungsgemäßen Art bereitgestellt wird/werden.
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Als Shunt-Widerstand ist im Rahmen der Erfindung ein elektrischer Widerstand zu verstehen, der für Mess- und/oder Regelungszwecke verwendet wird, wobei ein Spannungsabfall, der durch den Stromfluss durch den Shunt-Widerstand verursacht wird, ausgewertet wird.
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Der Strompfad der Schaltungsanordnung führt vom einem der äußeren Anschlüsse über den ersten der Feldeffekt-Transistoren und einen ersten Teil des Brückengleichrichters zum Shunt-Widerstand und von dort über einen zweiten Teil des Brückengleichrichters und den zweiten der Feldeffekt-Transistoren zum anderen der äußeren Anschlüsse. Da die Schaltungsanordnung eine bipolare Stromsenke darstellt, ergeben sich je nach Stromrichtung unterschiedliche Teilpfade innerhalb der Teile des Brückengleichrichters.
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Es ergeben sich folgende Vorteile: Vereinfachung der Schaltungsanordnung für Simulator-Einrichtungen, dadurch Reduzierung von Platzbedarf, Bauteilkosten, Stromverbrauch und Konfigurationsaufwand. Die Schaltungsanordnung arbeitet bidirektional, und regelt dabei den Betrag des Stroms.
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Die Schaltungsanordnung ist bevorzugt in eine Simulatoreinrichtung, insbesondere einen HiL-Simulator (HiL: Hardware in the Loop), eingebunden. „Hardware in the Loop” bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein eingebettetes System (zum Beispiel ein reales elektronisches Steuergerät oder eine reale mechatronische Komponente) über seine Ein- und Ausgänge an ein angepasstes Gegenstück, das im Allgemeinen HiL-Simulator genannt wird und als Nachbildung der realen Umgebung des Systems dient, angeschlossen wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelschaltung einen Operationsverstärker aufweist, dessen Ausgang über einen verzweigten Strompfad mit den Gates beider Transistoren verbunden ist. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Regelschaltung durch eine den Shunt-Widerstand aufweisende Messbrücke (als Messeinheit der Regelschaltung) und den Operationsverstärker realisiert ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regelschaltung einen Eingang für ein vorgebbares Soll-Signal als Führungsgröße der Regelung aufweist. Diese Führungsgröße gibt eine Soll-Stromstärke durch den Strompfad an.
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Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung einen Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler oder DAC: Digital-Analog Converter) am Eingang der Regelschaltung aufweist. Somit kann das Soll-Signal als digitales Signal vorgegeben werden. Diese wird mittels des DA-Wandlers in eine vorgebbare Sollspannung überführt.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Feldeffekt-Transistoren als MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) ausgebildet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Brückengleichrichter Schottky-Dioden auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im Strompfad zwischen einem der Anschlüsse und dem diesem Anschluss zugewandten Transistor eine Fehlereinführungseinheit (FIU: Failure Insertion Unit) angeordnet. Eine solche Einheit ist als Modul am Markt vorhanden. Die Fehlereinführungseinheit kann typische Fehler an einem Steuergerät simulieren, nämlich (i) insbesondere einen Kurzschluss gegen Masse, (ii) einen Kurzschluss gegen die Versorgungsspannung, (iii) einen Kurzschluss gegen eine beliebige andere Leitung, die insbesondere ein anderes Signal trägt und (iv) einen vollständigen oder teilweisen Kontaktverlust, d. h. insbesondere die Unterbrechung einer Signalleitung oder ein sogenanntes Kontaktprellen, das zu einer ungewollten Modulation führen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine Spannungsquelle und Einspeisepfade auf, die die Spannungsquelle mit einem ersten Einspeisepunkt und einem zweiten Einspeisepunkt verbinden, wobei der erste Einspeisepunkt im Strompfad zwischen dem einen Anschluss und dem einen Transistor und der zweite Einspeisepunkt im Strompfad zwischen dem zweiten Anschluss und dem zweiten Transistor angeordnet ist. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die zusätzliche Spannungsquelle ein weiterer Digital-Analog-Wandler ist oder einen weiteren Digital-Analog-Wandler aufweist. Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass mindestens einer der Einspeisepfade zumindest ein weiteres Schaltelement zu seiner steuerbaren Unterbrechung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Simulatoreinrichtung weist mindestens eine vorstehend genannten Schaltungsanordnung zur Simulation eines seine Stromstärke und/oder seinen Widerstand in Abhängigkeit einer zu messenden Größe ändernden und zwei äußere Anschlüsse aufweisenden Sensors und eine Steuerungseinheit auf, die der Schaltungsanordnung eine Sollspannung vorgibt. Die Steuerungseinheit ist insbesondere rechnerbasiert. Bevorzugt ist die Simulatoreinrichtung ein HiL-Simulator (HiL: Hardware in the Loop). Mit Vorteil ist der zu simulierende Sensor ein aktiver Sensor.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer vorstehend genannten Simulatoreinrichtung zum Testen von Steuergeräten, insbesondere Steuergeräten für Kraftfahrzeuge.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Simulation eines zwei äußere Anschlüsse aufweisenden und die Stromstärke und/oder den Widerstand zwischen diesen Anschlüssen in Abhängigkeit einer zu messenden Größe ändernden Sensors mittels einer Schaltungsanordnung, die (a) einen die beiden Anschlüsse verbindenden Strompfad in dem zwei Feldeffekt-Transistoren und ein Widerstand angeordnet sind und (b) eine die Gates der Transistoren ansteuernden Schaltung zur Steuerung und/oder Regelung des Stroms durch den Strompfad aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Widerstand als ein in einem Brückengleichrichter eingefasster Shunt-Widerstand ausgebildet ist und die Schaltung eine Regelschaltung ist, die den Strom im Strompfad über die an dem Shunt-Widerstand abfallende Spannung erfasst und regelt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 den Schaltplan einer Schaltungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
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2 eine schematische Darstellung einer als HiL-Simulator ausgebildeten Simulatoreinrichtung mit einer Schaltungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 zur Simulation eines zwei äußere Anschlüsse 12, 14 aufweisenden und die Stromstärke und/oder den Widerstand zwischen diesen Anschlüssen in Abhängigkeit einer zu messenden Größe ändernden Sensors. Die Schaltungsanordnung 10 weist neben den Anschlüssen 12, 14 auch einen diese beiden Anschlüsse 12, 14 verbindenden Strompfad 16 auf, in dem ein in einem Brückengleichrichter 18 verschalteter Shunt-Widerstand 20 und zwei den Brückengleichrichter 18 im Strompfad 16 einrahmende Feldeffekt-Transistoren 22, 24 auf, die im Wesentlichen miteinander identisch sind. Der. Shunt-Widerstand 20 ist ein Widerstand, an dem über den gesamten Arbeitsbereich der Simulation der Schaltanordnung 10 ein zum Strom I im Strompfad proportionale Spannung abgreifbar ist. Die Transistoren 22, 24 sind MOSFETs, die mit ihren Sources und Drains im Strompfad 16 gegensinnig zueinander verschaltet sind.
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Der Strompfad 16 führt von dem einem der äußeren Anschlüsse 12 über den ersten der Feldeffekt-Transistoren 22 und einen ersten Teil des Brückengleichrichters 18 zum Shunt-Widerstand 20 und von dort über einen zweiten Teil des Brückengleichrichters 18 und den zweiten der Feldeffekt-Transistoren 24 zum anderen der äußeren Anschlüsse 14. Da die Schaltungsanordnung 10 eine bipolare Stromsenke darstellt, ergeben sich daher – je nach Stromrichtung – unterschiedliche Teilpfade innerhalb der Teile des Brückengleichrichters 18.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist weiterhin eine die Gates 26, 28 der Transistoren 22, 24 ansteuernde Regelschaltung 30 zur Regelung des Stroms I durch den Strompfad 16 auf. Zentrales Bauelement dieser Regelschaltung 30 ist ein Operationsverstärker 32. Zur Regelung ist der Shunt-Widerstand 20 in einer Messeinheit (Messbrücke) 34 dieser Regelschaltung 30 verschaltet. Die Regelschaltung 30 erfasst mittels ihrer Messeinheit 34 den Strom I im Strompfad 16 über die an dem Shunt-Widerstand 20 abfallende Spannung und regelt diesen Strom I entsprechend eines vorgebbaren Soll-Signals. Dazu ist der Ausgang 36 des Operationsverstärkers 32 über einen verzweigten Strompfad 38 mit den Gates 26, 28 beider Transistoren 22, 24 verbunden. Dieser Ausgang 36 ist auch gleichzeitig der Ausgang der Regelschaltung 30. Der Operationsverstärker 32 weist eine Spannungsversorgung (in den Figuren nicht dargestellt) auf.
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Zum Empfang des Sollsignals weist die Schaltungsanordnung 10 einen Eingang 40 für ein vorgebbares Soll-Signal als Führungsgröße der Regelung auf. Dieser Eingang 40 der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 10 ist ein Eingang für ein digitales Signal, sodass zwischen diesem Eingang 40 der Schaltungsanordnung 10 und einem Eingang 42 der Regelschaltung 30 ein Digital-Analog-Wandler 44 (DAC) zwischengeschaltet ist. Bevorzugt ist die am Eingang 42 anliegende Spannung auf Massepotential (GND) bezogen.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist weiterhin optional eine zusätzliche Spannungsquelle 46 auf, die über Einspeisepfade 48, 49 mit Einspeisepunkten 50, 52 im Strompfad 16 elektrisch verbunden ist. Ein erster Einspeisepfad 48 führt von der zusätzlichen Spannungsquelle 46 zu einem ersten Einspeisepunkt 50, ein zweiter Einspeisepfad 49 bis zu einem zweiten Einspeisepunkt 52, wobei der erste Einspeisepunkt 50 im Strompfad 16 zwischen dem einen Anschluss 12 und dem einen Transistor 22 und der zweite Einspeisepunkt 52 im Strompfad 16 zwischen dem zweiten Transistor 24 und dem zweiten Anschluss 14 angeordnet ist. Die Spannungsquelle 46 ist eine ansteuerbare Spannungsquelle und weist einen weiteren Digital-Analog-Wandler 54 auf.
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Weiterhin ist im Strompfad 16 zwischen dem einen der Anschlüsse 12 und dem diesem Anschluss 12 zugewandten Transistor 26 (genauer zwischen dem einen der Anschlüsse 12 und dem diesem Anschluss 12 zugewandten Einspeisepunkt 50) eine Fehlereinführungseinheit (FIU: Failure Insertion Unit) 56 zwischengeschaltet.
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Es ergeben sich folgende funktionale Zusammenhänge und daraus resultierende Funktionen:
Die Schaltungsanordnung 10 arbeitet als bidirektionale Stromsenke zwischen den Anschlüssen 12, 14 mit zwei gegensinnig in Serie geschalteten Transistoren 22, 24. Dazwischen befindet sich der Shunt-Widerstand 20. Dieser ist in dem Brückengleichrichter 18 eingefasst. Die einen Operationsverstärker 32 umfassende Regelschaltung 30 misst die Spannung über dem Shunt-Widerstand 20, und stellt den Betrag des Stromes I durch den Shunt-Widerstand 20 ein. Die Sollwertvorgabe für die Stromregelung erfolgt über eine Analogspannung, die von dem Digital-Analog-Wandler 44 vorgegeben wird. Der Brückengleichrichter 18 trägt dabei nur die Spannung über den Shunt-Widerstand 20, nicht die der gesamten Stromsenke. So können in dem Brückengleichrichter 18 Schottky-Dioden mit niedriger Sperrspannung und damit auch geringer Durchlassspannung verwendet werden.
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Eigentlich wird für jeden zu simulierenden Sensor nur eine unidirektionale Stromsenke benötigt. Je nach Sensor muss ein bestimmter Strom entweder von einem Steuergerät nach Masse abgeführt werden, oder von einer positiven Spannung zum Steuergerät geführt werden. Um in beiden Fällen den Anschluss 12 in eine FIU 56 einzubeziehen, bräuchte man entweder zwei FIU-Kanäle, also pro Stromsenke drei zusätzliche Relais zzgl. Ansteuerung und Software, oder eine bipolare Stromsenke, deren jeweils benutzte Richtung auch in der Software durch Änderung des Sollwerts zu konfigurieren ist.
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Bei der Schaltungsanordnung 10 wird bevorzugt nur ein Anschluss 12 der Stromsenke (Signalpin genannt) mit einer FIU 56 versehen, der andere Anschluss 14 (Referenzpin genannt) wird im Kabelsatz zwischen Steuergerät und Simulatoreinrichtung (siehe 2) je nach zu simulierendem Sensor fest mit Masse, Versorgungsspannung oder in manchen Fällen einem anderen Potential beschaltet. Weder in der FIU 56 noch in der Sollwertvorgabe ist zusätzlicher Aufwand für die Einstellung bzw. Vorgabe der Signalrichtung erforderlich.
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Die verwendete Regelschaltung (OP-Schaltung) 30 kann für einen Großteil von Arbeitsspannungsbereichen, die üblicherweise von Anwendern gefordert werden, ohne Potentialtrennung betrieben werden. Bei unterschiedlichen Gleichtaktspannungen, oft auch als Common-Mode-Spannungen bezeichnet, führt der Strom durch die Widerstände, über die der Shunt-Widerstand 20 in der Regelschaltung verschaltet ist, in der Messeinheit 34 der Regelschaltung 30 zu Verfälschungen des Stroms durch den Signalpin (Anschluss 12). Dies kann jedoch für die zwei o. g. Beschaltungen theoretisch fast vollständig in der Hardware kompensiert werden. Dies geschieht hier durch einen Widerstand am Ausgang des einen Digital-Analogwandlers 44.
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Optional kann sich die Stromsenke ihre Ausgänge 12, 14 und optional auch die FIU 56 mit einem anderen Signalgenerator bzw. der zusätzlichen Spannungsquelle 46 teilen, z. B. dem weiteren Digital-Analog-Wandler (DAC) 54 mit Spannungsausgang. Bevorzugt wird zumindest einer der beiden Feldeffekt-Transistoren 22, 24 für die Aktivierungszeit der zusätzlichen Spannungsquelle 46 bzw. des weiteren Digital-Analog-Wandlers 54 in einen sperrenden Zustand versetzt, wodurch die zusätzliche Spannungsquelle 46 direkt auf die äußeren Anschlüsse 12, 14 wirkt und kein Strom von der zusätzlichen Spannungsquelle 46 via Shunt-Widerstand 20 abfließt. Die zusätzliche Spannungsquelle 46 kann wahlweise mittels eines weiteren Schaltelements 58, beispielsweise eines Schalttransistors, von zumindest einem äußeren Anschluss 12, 14 getrennt oder mit diesem verbunden werden.
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Die Source (Quelle) jedes der beiden Feldeffekt-Transistoren 22, 24 ist vorzugsweise jeweils über einen je eine Zener-Diode 60, 62 aufweisenden externen Pfad mit dem zugeordneten Gate 26, 28 dieses Feldeffekt-Transistors 22, 24 elektrisch verbunden. Diese Zener-Dioden 60, 62 dienen dem Schutz der Feldeffekt-Transistoren 22, 24, insbesondere vor zu hohen Gate-Source-Spannungen, die beispielsweise durch eine fehlerhafte Verdrahtung vor der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung 10 bzw. deren unsachgemäße Verwendung verursacht werden können.
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Die 2 zeigt in schematischer Darstellung die als HiL-Simulator ausgebildete Simulatoreinrichtung 64 mit der Schaltungsanordnung 10 und mit einer Steuerungseinheit 66, die der Regelschaltung 30 über den Digital-Analog-Wandler 44 eine Sollspannung eingibt, die den einzuregelnden Strom 1 durch den Strompfad vorgibt.
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Über die beiden Anschlüsse 12, 14 (Signalpin 12 und Referenzpin 16) ist die Simulatoreinrichtung 64 mit einem als Motor-Steuergerät einer Brennkraftmaschine (eines Verbrennungsmotors) ausgebildeten Steuergerät 68 (ECU) verbunden und simuliert für dieses Steuergerät 68 einen Sensor.
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Das Steuergerät 68 weist einen Mikrocontroller 70, eine Spannungsversorgung 72 und mindestens eine, bevorzugt aber diverse Schnittstelle/n 74, 76 auf. Über eine dieser Schnittstellen 74 ist die Simulatoreinrichtung 64 mit dem Steuergerät 68 zum simulieren weiterer Eingangsgrößen des Steuergeräts 68 signaltechnisch verbunden. Bevorzugt ist das Steuergerät 68 über mindestens eine andere Schnittstelle 76 mit einem zu steuernden bzw. zu regelnden System 78 signaltechnisch verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 12
- Anschluss
- 14
- Anschluss
- 16
- Strompfad
- 18
- Brückengleichrichter
- 20
- Shunt-Widerstand
- 22
- Feldeffekt-Transistor
- 24
- Feldeffekt-Transistor
- 26
- Gate
- 28
- Gate
- 30
- Regelschaltung
- 32
- Operationsverstärker
- 34
- Messeinheit
- 36
- Ausgang
- 38
- Verzweigter Strompfad
- 40
- Eingang
- 42
- Eingang
- 44
- Digital-Analog-Wandler
- 46
- Spannungsquelle
- 48
- Erster Einspeisepfad
- 49
- Zweiter Einspeisepfad
- 50
- Einspeisepunkt
- 52
- Einspeisepunkt
- 54
- Weiterer Digital-Analog-Wandler
- 56
- Fehlereinführungseinheit
- 58
- Weiteres Schaltelement
- 60
- Zener-Diode
- 62
- Zener-Diode
- 64
- Simulatoreinrichtung
- 66
- Steuerungseinheit
- 68
- Steuergerät
- 70
- Mikrocontroller
- 72
- Spannungsversorgung
- 74
- Schnittstelle
- 76
- Schnittstelle
- 78
- System
- I
- Strom
