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Die Erfindung bezieht sich auf eine Auswerteschaltung zur Ermittlung einer Induktivität oder einer Kapazität eines elektrischen Bauteils, mit einer Zeitmessvorrichtung, mittels der ein Zeitraum erfassbar ist, während dem eine von der Induktivität oder der Kapazität abhängige Messspannung von einem vorgebbaren Spannungsniveau auf eine vorgebbare Spannungsschwelle absinkt oder ansteigt, einem Spannungsteiler, mittels dem eine Referenzspannung erzeugbar ist, einem Komparator, der einen Referenzeingang, einen Messeingang und einen Ausgang aufweist, und einem Mikrocontroller, mittels dem ein Ausgangssignal des Komparators auswertbar und die Auswerteschaltung steuerbar ist, und auf ein entsprechendes Auswerteverfahren, bei dem der Zeitraum erfasst wird, in dem eine von der Induktivität oder der Kapazität abhängige Messspannung von einem vorgebbaren Spannungsniveau auf eine vorgebbare Spannungsschwelle absinkt oder ansteigt, eine Referenzspannung mittels eines Spannungsteilers erzeugt wird, die Messspannung und die Referenzspannung einem Komparator zugeführt werden und ein Ausgangssignal des Komparators einem Mikrocontroller zugeführt wird.
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Auswerteschaltungen und Auswerteverfahren, mit denen der Wert einer Induktivität oder einer Kapazität bestimmt wird, sind vor allem aus dem technischen Bereich der Sensorik bekannt. Kapazitive Sensoren sind z. B. die meisten Feuchtesensoren. Bei diesen ändert sich die Kapazität in Abhängigkeit von der Luftfeuchte. Des Weiteren sind viele Drucksensoren nach einem kapazitiven Messprinzip aufgebaut. Induktive Sensoren sind aus dem technischen Bereich der Weg- und Positionsmesstechnik bekannt.
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Aus der
DE 33 43 885 A1 ist eine Auswerteschaltung zur Bestimmung einer Induktivität bekannt, bei der die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt des Anlegens einer Spannung und dem Anstieg des resultierenden Stroms auf einen vorgegebenen Pegel gemessen wird. Die Ansteuerung der Induktivität und die Messung der Zeit wird von einem Mikrocontroller durchgeführt.
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Aus der
DE 44 44 409 ist eine Auswerteschaltung zur Bestimmung einer Induktivität bekannt, bei der der Messstrom mittels eines Messwiderstands in eine Spannung gewandelt wird und die Zeitdauer gemessen wird, bis die Spannung eine vorgebbare Schwelle erreicht hat.
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Bei dem vorstehend geschilderten Stand der Technik wird ein Mikrocontroller eingesetzt, dem als Zeitmessvorrichtung ein sog. Capture-Zähler zugeordnet ist. Hierbei handelt es sich in der Regel um einen in den Mikrocontroller integrierten Zähler, der mit einem in der Frequenz einstellbaren Takt zählt. Üblicherweise wird dieser Takt von einem stabilen Taktgeber abgeleitet, z. B. von einem Quarzoszillator. Der Capture-Zähler verfügt über einen Triggereingang, der das Capture-Ereignis auslöst. Das Capture-Ereignis bewirkt das Einfrieren des augenblicklichen Zählerstands. Die Wirkung entspricht quasi der einer Stoppuhr. Der eingefrorene Zählerstand kann dann programmtechnisch weiter verarbeitet werden. Der Triggereingang ist in der Regel ein digitaler Eingang, der in dem Moment des Capture-Ereignisses bzw. des zuvor definierten Pegelübergangs, den Zählerstand einfriert.
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Ein entscheidender Parameter für die Genauigkeit der Messung ist die Offset-Spannung des Komparators. Diese Offset-Spannung gibt an, wie groß der Unterschied zwischen den Differenz-Eingängen des Komparators sein kann, bis der Komparator umschaltet. Diese Werte unterliegen bei preiswerten Komparatoren einer großen Streuung und sind zudem stark von der Betriebstemperatur abhängig.
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Einige Mikrocontroller enthalten integrierte Komparatoren, die für die Auslösung des Capture-Ereignisses verwendet werden konnen. Derartige integrierte Komparatoren haben jedoch häufig noch schlechtere Offset-Spannungs-Parameter als die vorstehend genannten diskreten Komparatoren. Ohne schaltungstechnische Gegenmaßnahmen sind die vorgenannten Bausteine somit nicht geeignet, eine genaue Bestimmung einer Induktivität oder einer Kapazität über einen weiteren Temperaturbereich mit einem wirtschaftlichen Aufwand zu ermöglichen.
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Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Auswerteschaltung und ein entsprechendes Auswerteverfahren zu schaffen, die mit einfachen und preiswerten Mitteln eine sehr genaue Bestimmung einer Kapazität oder einer Induktivität eines elektrischen Bauteils über einen weiteren Temperaturbereich ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Auswerteschaltung zur Ermittlung einer Induktivität oder einer Kapazität eines elektrischen Bauteils dadurch gelöst, dass der Referenzeingang des Komparators an den Mikrocontroller angeschlossen ist, dass der Messeingang des Komparators wahlweise mit der Messspannung oder der Referenzspannung verbindbar ist, und dass eine Spannung am Referenzeingang des Komparators mittels des Mikrocontrollers so einstellbar ist, dass die Spannung am Referenzeingang des Komparators annähernd der Referenzspannung entspricht.
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Hinsichtlich des Auswerteverfahrens zur Ermittlung einer Induktivität oder einer Kapazität eines elektrischen Bauteils wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass dem Komparator als Referenzgröße an seinem Referenzeingang eine Spannung zugeführt wird, die mittels des Mikrocontrollers so eingestellt wird, dass sie annähernd der Referenzspannung entspricht.
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Im Falle der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung und des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens wird die vorgebbare Auslöseschwelle für das Capture-Ereignis programmtechnisch gesteuert an Veränderungen, z. B. an Veränderungen der Offset-Spannung des Komparators, angepasst. Mittels der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung bzw. des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens ist die hoch genaue Messung einer Induktivität und einer Kapazität in einem großen Temperaturbereich, z. B. zwischen –50 Grad C und +160 Grad C, unter Verwendung sehr preiswerter Bauteile möglich. Ein großer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäße Auswerteschaltung und das erfindungsgemäße Auswerteverfahren mittels Funktionsblöcken realisierbar ist, die in üblichen und preiswerten Mikrocontrollern ohnehin bereits integriert sind.
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Zweckmäßigerweise ist dem Messeingang des Komparators ein Schaltmittel zugeordnet, mittels dem der Messeingang programmgesteuert wahlweise mit der Messspannung oder der Referenzspannung beaufschlagbar ist. Beim eigentlichen Messvorgang wird der Messeingang an die Messspannung angeschlossen, wohingegen bei der Einstellung der Spannung am Referenzeingang des Komparators der Messeingang desselben mit der Referenzspannung verbunden wird.
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Ein derartiges Schaltmittel lässt sich in einfacher Weise realisieren, wenn es zwei Schalter aufweist, mittels denen der Messeingang des Komparators an einen die Messspannung führenden Anschlusspunkt oder an einen die Referenzspannung führenden Anschlusspunkt der Auswerteschaltung anschließbar ist. Die Schalter werden dann programmtechnisch gesteuert entsprechend geöffnet bzw. geschlossen.
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Die an die Referenzspannung angenäherte Spannung am Referenzeingang des Komparators lässt sich in wenig aufwendiger Weise und sehr exakt erzeugen, wenn zwischen dem Mikrocontroller und dem Referenzeingang des Komparators ein Digital-Analog-Wandler angeordnet und der Komparator als Analog-Komparator ausgebildet ist.
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Der Digital-Analog-Wandler kann im Mikrocontroller integriert sein, alternativ ist es möglich, dass der Digital-Analog-Wandler als separates IC-Bauteil ausgeführt ist.
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Zweckmäßigerweise wird eine Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers mittels des Mikrocontrollers schrittweise annähernd auf das Niveau der Referenzspannung eingestellt.
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Wenn die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Überwachung des Betriebs eines Neutralgangsensors eingesetzt wird, können Genauigkeiten von +/–0,02 mm bei einem Messweg von 6,00 mm und damit höchsten Qualitätsansprüchen genügende Werte erreicht werden.
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Vorteilhaft ist die Zeitmessvorrichtung als aus dem Stand der Technik an sich bekannter Capture-Zähler ausgebildet, der vorzugsweise im Mikrocomputer integriert ist und der mit einem in der Frequenz einstellbaren Takt zählt.
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Im Falle des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens wird vorteilhafterweise die dem Referenzeingang des Komparators zugeführte Spannung der Referenzspannung angenähert, indem die Referenzspannung dem Messeingang des Komparators zugeführt wird, indem die dem Referenzeingang des Komparators zugeführte Spannung auf einen Spannungswert eingestellt wird, der unterhalb der Referenzspannung liegt, so dass ein Ausgangspegel des Komparators auf „Low” wechselt, indem der Ausgangspegel des Komparators vom Mikrocontroller programmtechnisch überwacht wird, und indem die dem Referenzeingang des Komparators zugeführte Spannung vom Mikrocontroller schrittweise erhöht wird, bis der Ausgangspegel des Komparators auf „High” wechselt.
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Eine Annäherung der dem Komparator als Referenzgröße an seinem Referenzeingang zugeführten Spannung an die Referenzspannung wird zweckmäßigerweise durchgeführt, wenn sich Einflussparameter, z. B. die Temperaturverhältnisse, ändern. Eine entsprechende Annäherung kann auch zeitlich gesteuert oder vor jedem Messvorgang durchgeführt werden.
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Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die vom Mikrocontroller eingestellte und dem Referenzeingang des Komparators zugeführte Spannung erzeugt wird, indem ein vom Mikrocontroller erzeugtes Pulsweitenmodulationssignal in einem Tiefpass gefiltert wird.
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Darüber hinaus ist es möglich, die vom Mikrocontroller eingestellte und dem Referenzeingang des Komparators zugeführte Spannung zu erzeugen, indem IO-Ports des Mikrocontrollers mit Widerständen, die in einem Punkt zusammengeführt sind, beschaltet werden, und indem durch unterschiedliche Kombination von IO-Ports an einem Widerstand die einstellbare Spannung erzeugt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Auswerteschaltung zur Ermittlung einer Induktivität oder einer Kapazität eines elektrischen Bauteils zeigt.
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Ein in der einzigen Figur gezeigtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Auswerteschaltung 1 dient dazu, die Induktivität L eines elektrischen Bauteils zu ermitteln. Das die Induktivität L aufweisende elektrische Bauteil ist mit einem Widerstand Rm in Reihe geschaltet. Zwischen dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil und dem Widerstand Rm ist ein Anschlusspunkt 2 vorgesehen, von dem aus die dort vorhandene Messspannung Um an einen Messeingang 3 eines Analog-Komparators 4 weiterleitbar ist.
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Der Anordnung aus dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil und dem Widerstand Rm ist ein Spannungsteiler 5 zugeordnet, der der Erzeugung einer Referenzspannung Ur dient. Der Spannungsteiler 5 hat hierzu zwei in Reihe geschaltete Widerstände R1, R2. Zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 ist ein weiterer Anschlusspunkt 6 vorgesehen, von dem aus die Referenzspannung Uran den Messeingang 3 des Analog-Komparators 4 weiterleitbar ist.
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Der Messeingang 3 des Analog-Komparators 4 ist wahlweise an den Anschlusspunkt 2, der die Messspannung Um führt, oder den Anschlusspunkt 6, der die Referenzspannung Ur führt, anschließbar.
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Hierzu ist dem Messeingang 3 des Analog-Komparators 4 ein Schaltmittel 7 zugeordnet, welches zwei Schalter 8, 9 aufweist. Mittels des in der Figur oberen Schalters 8 ist der die Messspannung Um führende Anschlusspunkt 2 mittels des Schalters 9 der die Referenzspannung Ur führende Anschlusspunkt 6 an den Messeingang 3 des Analog-Komparators 4 anschließbar.
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Der Analog-Komparator 4 hat neben seinem Messeingang 3 einen Referenzeingang 10, der an einen Digital-Analog-Wandler 11 angeschlossen ist. Über den Digital-Analog-Wandler 11 ist eine Spannung U an den Referenzeingang 10 des Analog-Komparators 4 anlegbar.
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Ein Ausgang 12 des Analog-Komparators 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Auswerteschaltung 1 über einen Leitungszweig an einen Mikrocontroller 13 und über einen weiteren Leitungszweig an eine Zeitmessvorrichtung 14 angeschlossen. Als Zeitmessvorrichtung 14 kann insbesondere ein sog. Capture-Zähler zum Einsatz kommen. Hierbei handelt es sich um einen Zähler, der mit einem in der Frequenz einstellbaren Takt zählt. Dieser Takt wird beispielsweise von einem stabilen Taktgeber in Form eines Quarzoszillators abgeleitet. Der Capture-Zähler verfügt über einen Triggereingang, der das Capture-Ereignis auslöst. Dieses Capture-Ereignis bewirkt das Einfrieren des augenblicklichen Zählerstands, quasi in Art einer Stoppuhr. Dieser eingefrorene Zählerstand wird programmtechnisch weiterverarbeitet. Der Triggereingang des Capture-Zahlers ist in der Regel ein digitaler Eingang, der in dem Moment des Eintritts des Capture-Ereignisses, d. h. in dem Moment eines zuvor definierten Pegelübergangs, den Zählerstand einfriert.
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Des Weiteren ist der Mikrocontroller 13, der die Auswerteschaltung 1 steuert, an den Digital-Analog-Wandler 11 angeschlossen und geeignet, die vom Digital-Analog-Wandler 11 an den Referenzeingang 10 des Analog-Komparators 4 angelegten Wert der Spannung U vorzugeben.
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Das die Induktivität L aufweisende elektrische Bauteil ist über einen Schalter 15 mit einer Ladespannung U1 verbindbar. Ein weiterer Schalter 16 ist in einem Leitungszweig vorgesehen, der parallel zu der Anordnung aus dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil und dem Widerstand Rm verläuft.
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Die Schalter 8, 9, 15 und 16 sind mittels des Mikrocontrollers 13 programmtechnisch steuerbar. Auch der Digital-Analog-Wandler 11 ist mittels des Mikrocontrollers 13 steuerbar.
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Vor einem bzw. vor jedem Messvorgang, mittels dem durch die Auswerteschaltung 1 die für die Induktivität L des elektrischen Bauteils charakteristische Messspannung Um ermittelt wird, findet im Falle der Auswerteschaltung 1 eine Phase zur Einstellung der Spannung U am Referenzeingang 10 des Analog-Komparators 4 statt. Um diese Phase wird das Auswerteverfahref zur Ermittlung der Induktivität L des elektrischen Bauteils erweitert.
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Zur Einstellung des Digital-Analog-Wandlers 11 bzw. der am Referenzeingang 10 des Analog-Komparators 4 anliegenden Spannung U wird der Schalter 8 geöffnet und der Schalter 9 geschlossen. Entsprechend liegt die Referenzspannung Ur, d. h. diejenige Spannung, bei der der Ausgang 12 des Analog-Komparators 4 von „Low” nach „High” wechseln soll, am Messeingang 3 des Analog-Komparators 4 an.
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Programmtechnisch wird nun die Ausgangsspannung, d. h. die Spannung U des Digital-Analog-Wandlers 11, auf einen Wert eingestellt, der kleiner ist als die mittels der Widerstände R1 und R2 des Spannungsteilers 5 gebildete Referenzspannung Ur, so dass der Ausgang des Analog-Komparators 4 auf den „Low”-Pegel wechselt. Der Ausgangspegel des Analog-Komparators 4 wird vom Mikrocontroller 13 programmtechnisch überwacht.
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Dann wird der Ausgangspegel des Digital-Analog-Wandlers 11 vom Mikrocontroller 13 schrittweise erhöht, bis der Ausgang 12 des Analog-Komparators 4 auf den „High”-Pegel wechselt. Die nun eingestellte Ausgangsspannung bzw. Spannung U des Digital-Analog-Wandlers 11 entspricht somit annähernd der Referenzspannung Ur, die durch den die Widerstände R1 und R2 aufweisenden Spannungsteiler 5 erzeugt wird.
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Die Ausgangsspannung bzw. die Spannung U des Digital-Analog-Wandlers, die an den Referenzeingang 10 des Analog-Komparators 4 angelegt wird, wird bis zum nächsten Einstellvorgang nicht verändert. Die Häufigkeit der Einstellung der Spannung U kann von verschiedenen Bedingungen, z. B. von Temperaturveränderungen etc. abhängen, oder zeitlich gesteuert sein. Im einfachsten Fall findet dieser Abgleich bzw. dieser Einstellvorgang vor jeder Messung der Messspannung Um statt.
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Für den nach dieser der Einstellung der Spannung U dienenden Phase folgenden Messvorgang wird der Schalter 9 des Schaltmittels 7 geöffnet und der Schalter 8 des Schaltmittels 7 geschlossen. Nunmehr ist der Messeingang 3 des Analog-Komparators 4 an den Anschlusspunkt 2 angeschlossen, der die Messspannung Um führt.
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Das die Induktivität L aufweisende elektrische Bauteil wird mittels des Schalters 15 mit der Ladespannung U1 verbunden. Der Strom in dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil steigt in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten, die vom Koeffizienten aus der Induktivität L und dem Widerstand Rm abhängt, an, bis er auf einen stabilen Wert eingeschwungen ist.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch der die beiden Widerstände R1 und R2 aufweisende Spannungsteiler 5 an diese Ladespannung U1 angeschlossen ist.
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Nachdem der Strom in dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil auf den stabilen Wert eingeschwungen ist, setzt der Mikrocontroller 13 den Capture-Zähler 14 auf 0 und startet den Zählvorgang. Dieser Zählvorgang läuft, bis er durch einen Pegelübergang am Ausgang 12 des Analog-Komparators 4 und damit am Eingang des Capture-Zählers gestoppt wird.
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Annähernd zeitgleich wird nunmehr der Schalter 15, über den das die Induktivität L aufweisende elektrische Bauteil mit der Ladespannung U1 verbunden ist, geöffnet und der Schalter 16 in dem zu der Anordnung aus dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil und dem Widerstand RM parallelen Leitungszweig geschlossen. Die in dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil gespeicherte Energie wird nun über den Widerstand Rm entladen. Die Spannung über diesem Widerstand Rm fällt nach einer E-Funktion ab.
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Sobald die Spannung über dem Widerstand Rm kleiner als die am Referenzeingang 10 des Analog-Komparators 4 anliegende Spannung U ist, wechselt der Ausgang 12 des Analog-Komparators 4 vom „Low”- auf den „High”-Pegel und friert damit den Zählwert des Capture-Zählers 14 ein.
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Der Digital-Analog-Wandler 11 kann im Mikrocontroller 13 integriert oder als separates IC-Bauteil ausgeführt sein.
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Es ist auch möglich, ein vom Mikrocontroller 13 erzeugtes Pulsweitenmodulationssignal mittels eines Tiefpasses zu filtern und hierdurch die einstellbare Spannung U zu erzeugen.
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Eine alternative Möglichkeit ist die Beschaltung von IO-Ports des Mikrocontrollers 13 mit Widerständen, die in einem Punkt zusammengeführt sind. Durch unterschiedliche Kombinationen von IO-Port-Einstellungen kann dann an einem Widerstand die einstellbare Spannung U erzeugt werden.
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Auch weitere Möglichkeiten zur Einstellung der Spannung U sind denkbar.
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Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung 1 bzw. des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens angegeben, bei der bzw. bei dem die Induktivität L eines elektrischen Bauteils erfasst wurde. In analoger Weise kann selbstverständlich auch die Kapazität eines elektrischen Bauteils erfasst werden. Hierzu ist lediglich die Anordnung aus dem die Induktivität L aufweisenden elektrischen Bauteil und dem Widerstand Rm durch eine entsprechend vorgesehene Anordnung aus einem eine Kapazität aufweisenden elektrischen Bauteil und einem Widerstand Rm zu ersetzen, wobei dann der Widerstand Rm über einen Schalter an eine Ladespannung anschließbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3343885 A1 [0003]
- DE 4444409 [0004]
