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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für einen kapazitiven Beschleunigungssensor sowie eine Vorrichtung zur Detektion einer Beschleunigung.
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Stand der Technik
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Moderne Kraftfahrzeuge verfügen über eine Vielzahl von Sensoren. Diese Sensoren dienen unter anderem zu Erfassung von Parametern auf deren Basis zahlreiche Funktionen des Fahrzeugs gesteuert werden. Unter anderem können auch sicherheitsrelevante Funktionen, wie zum Beispiel eine elektronische Stabilitätskontrolle oder das Auslösen eines Airbags auf Basis solcher Sensoren gesteuert werden. Daher werden an die Zuverlässigkeit der Signale solcher Sensoren ohne Anforderungen gestellt.
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Die Druckschrift
EP 2751580 A1 offenbart eine Ausleseschaltung für einen kapazitiven Transducer. Hierbei wird eine Schaltungsanordnung zur Dämpfung von unerwünschten Störungen vorgeschlagen. Eine Verstärkerschaltung erzeugt ein verstärktes Wandlersignal. Dieses verstärkte Wandlersignal wird zwei Summationsgliedern zugeführt, welche das verstärkte Wandlersignal mit einer positiven und einer negativen Referenzspannung verknüpfen. Die Summe aus verstärktem Wandlersignal und der Referenzspannungen wird an den Transducer zurückgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Auswerteschaltung für einen kapazitiven Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Detektion einer Beschleunigung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Auswerteschaltung für einen kapazitiven Beschleunigungssensor mit einem ersten Ausgangsanschluss, einem zweiten Ausgangsanschluss und einem Schaltelement. Der Ausgangsanschluss ist dazu ausgelegt, eine erste elektrische Spannung an einem ersten Beschleunigungssensor bereitzustellen. Der zweite Ausgangsanschluss ist dazu ausgelegt, eine zweite elektrische Spannung an einem zweiten Beschleunigungssensor bereitzustellen. Das Schaltelement ist elektrisch zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Beschleunigungssensor angeordnet. Insbesondere ist das Schaltelement dazu ausgelegt, die Polarität der zweiten elektrischen Spannung umzukehren.
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Ferner ist vorgesehen:
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Eine Vorrichtung zur Detektion einer Beschleunigung mit einer erfindungsgemäßen Auswerteschaltung für einen kapazitiven Beschleunigungssensor sowie einem ersten und einem zweiten kapazitiven Beschleunigungssensor. Der erste kapazitive Beschleunigungssensor ist mit dem ersten Ausgangsanschluss der Auswerteschaltung elektrisch gekoppelt. Der zweite kapazitive Beschleunigungssensor ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss der Auswerteschaltung elektrisch gekoppelt.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei dem Betrieb eines kapazitiven Beschleunigungssensors Störungen aufgrund von parasitären Effekten, wie zum Beispiel parasitärer Kapazitäten, auftreten können. Darüber hinaus können bei solchen Sensoren, insbesondere bei kapazitiven Beschleunigungssensore„auch Verunreinigungen, wie zum Beispiel Partikel im Sensorbereich, zu einer Fehlfunktion somit einem fehlerhaften Sensorwert führen.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Auswerteschaltung für einen kapazitiven Beschleunigungssensor vorzusehen, welche es ermöglicht, störende Einflüsse, wie zum Beispiel parasitäre Kapazitäten oder auch Verunreinigungen und eine damit verbundene Fehlfunktion der eingesetzten Beschleunigungssensor zuverlässig zu erkennen. Durch das erfindungsgemäße Überprüfen der Funktionsfähigkeit angeschlossener Beschleunigungssensoren mittels einer geeigneten Auswerteschaltung können Fehlfunktionen und damit verbundene fehlerhafte Sensorwerte zuverlässig erkannt werden. Auf diese Weise können Steuer- oder Regelprozesse, welche auf derartigen Sensorwerten beruhen, bei einer detektierten Störung angepasst werden. Insbesondere können falsche Reaktionen eines Systems aufgrund von gestörten Sensorwerten vermieden werden. Somit steigt die Betriebssicherheit des Systems.
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Bei den Beschleunigungssensoren, welche durch die erfindungsgemäße Auswerteschaltung erfasst und überprüft werden, kann es sich insbesondere um ein Paar aus zwei gleichen oder zumindest gleichartigen kapazitiven Beschleunigungssensoren handeln.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Auswerteschaltung einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss. Der erste Eingangsanschluss ist mit einem Sensoranschluss des ersten Beschleunigungssensors koppelbar. Der zweite Eingangsanschluss ist mit einem Sensoranschluss des zweiten Beschleunigungssensors koppelbar. Auf diese Weise können die Ausgangssignale zweier Beschleunigungssensoren beispielsweise in einem differenzierten Betriebsmodus gemeinsam ausgewertet werden. Insbesondere kann es sich bei den Beschleunigungssensoren um gleiche oder zumindest gleichartige Beschleunigungssensoren handeln.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Schaltelement der Auswerteschaltung dazu ausgelegt, in einem ersten Schaltzustand ein erstes Anschlusselements des zweiten Ausgangsanschluss mit einem ersten Spannungsanschluss des zweiten Beschleunigungssensors zu koppeln und ein zweites Anschlusselemente des zweiten Ausgangsanschluss mit einem zweiten Spannungsanschluss des Beschleunigungssensor zu koppeln. Ferner ist das Schaltelement der Auswerteschaltung dazu ausgelegt, in einem zweiten Schaltzustand ein erstes Anschlusselements des zweiten Ausgangsanschluss mit dem zweiten Spannungsanschluss des zweiten Beschleunigungssensors zu koppeln und das erste Anschlusselement des zweiten Ausgangsanschluss mit dem zweiten Spannungsanschluss des Beschleunigungssensor zu koppeln. Auf diese Weise kann je nach Schaltzustands des Schaltelements die Polarität der von der Auswerteschaltung an dem zweiten Beschleunigungssensor bereitgestellten Spannung eingestellt werden. Insbesondere kann durch einen Wechsel des Schaltzustandes des Schaltelements die Polarität der Spannung an dem zweiten Beschleunigungssensor umgekehrt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Auswerteschaltung eine Messeschaltung. Die Messeschaltung ist dazu ausgelegt, ein zu einer Beschleunigung korrespondierendes Ausgangssignal bereitzustellen, falls sich das Schaltelement in dem ersten Schaltzustand befindet. Ferner kann die Auswerteschaltung eine Analyseeinrichtung umfassen. Die Analyseeinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Funktionsstörung des ersten Beschleunigungssensors und/oder des zweiten Beschleunigungssensors zu detektieren, falls sich das Schaltelement in dem zweiten Schaltzustand befindet. Auf diese Weise kann je nach Zustand des Schaltelements entweder ein zu der Beschleunigung korrespondierendes Ausgangssignal bereitgestellt werden, oder alternativ die Funktionsfähigkeit des Beschleunigungssensor überprüft werden, um gegebenenfalls vorhandene Störeinflüsse zu detektieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Analyseeinrichtung dazu ausgelegt, eine Funktionsstörung des ersten Beschleunigungssensors und/oder des zweiten Beschleunigungssensors zu detektieren, falls ein Ausgangssignal des ersten Beschleunigungssensors von einem Ausgangssignal der zweiten Beschleunigungssensors um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert abweicht. Auf diese Weise kann durch einfaches Umschalten in dem Schaltelement der Auswerteschaltung eine Funktionsüberprüfung der verwendeten Beschleunigungssensoren durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Analyseeinrichtung dazu ausgelegt, eine Überprüfung des ersten Beschleunigungssensors und des zweiten Beschleunigungssensors durchzuführen, falls die Auswerteschaltung initialisiert wird. Auf diese Weise kann bei jeder Initialisierung der Auswerteschaltung eine Überprüfung der angeschlossenen Beschleunigungssensoren durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Analyseeinrichtung dazu ausgelegt, eine Überprüfung des ersten Beschleunigungssensors und des zweiten Beschleunigungssensors in vorbestimmten Zeitabständen durchzuführen. Auf diese Weise kann eine regelmäßige Überprüfung der Zuverlässigkeit des Messesystems mit den Beschleunigungssensoren durchgeführt werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds zur Ansteuerung eines kapazitive Beschleunigungssensors; und
- 2: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion eine Beschleunigung mit einer Auswerteschaltung gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes zur Ansteuerung und Auswertung eines kapazitiven Beschleunigungssensors 100. Ein solcher kapazitive Beschleunigungssensor 100 kann als Serienschaltung zweier Kapazitäten C1 und C2 angesehen werden. Erfährt ein solcher Beschleunigungssensor 100 eine Beschleunigung, so verändern sich die Kapazitäten C1 und C2 und damit auch das Spannungspotenzial an dem Knotenpunkt an welchen die beiden Kapazitäten Clund C2 gekoppelt sind. Diese Veränderung des Spannungspotenzials kann durch eine an dem Knotenpunkt angeschlossene Auswerteschaltung, in 1 durch die Elemente 101 und 102 dargestellt, ausgewertet werden. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Element 101 um einen Integrator handeln und bei dem zweiten Element 102 um eine Verstärkerschaltung. Als Ausgangssignal Uacc liefert eine solche Schaltungsanordnung eine Spannung, die zu einer Beschleunigung an dem Beschleunigungssensor 100 korrespondiert.
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Der Beschleunigungssensor 100 kann dabei grundsätzlich mit einer beliebigen Spannung zwischen den beiden äußeren Anschlüssen betrieben werden. Beispielsweise kann an den äußeren Anschlüssen des Beschleunigungssensors 100 eine positive Referenzspannung V+ und eine negative Referenzspannung V- angelegt werden. Darüber hinaus kann auch die Ausgangsspannung Uacc über Summierglieder 103 und 104 mit den Referenzspannungen V+ und V- verknüpft werden. Auf diese Weise ist es möglich, auftretende Störungen zu unterdrücken oder zumindest zu minimieren.
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Für eine weitere Steigerung der Genauigkeit und/oder der Zuverlässigkeit können auch beispielsweise zwei Beschleunigungssensoren miteinander kombiniert werden. Eine entsprechende Schaltungsanordnung, wie Sie auch dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel zu Grunde liegt, ist beispielsweise in der Druckschrift „A Fully Differential Charge-Balanced Accelerometer for Electronic Stability Control“ (Petkov, Vladimir P.; Balachandran, Ganesh K.; Beintner, Jochen. IEEE Journal of Solid-State Circuits , Januar 2014, Vol. 49 Issue 1, Seite 262-270) offenbart.
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Wie in 2 dargestellt ist, umfasst der Beschleunigungsdetektor hierbei zwei Beschleunigungssensoren 110 und 120. Bei den beiden Beschleunigungssensor 110 und 120 handelt sich dabei um kapazitive Beschleunigungssensoren. Der erste Beschleunigungssensor 110 bildet dabei eine Serienschaltung der beiden Kapazitäten 111 und 112, wobei der Knotenpunkt, an dem die beiden Kapazitäten 111 und 112 mit einander verbunden sind, als Ausgang für das Sensorsignal dient. Zwischen den beiden anderen Anschlüssen der Kapazitäten 111 und 112 wird eine Versorgungsspannung angelegt. Diese Versorgungsspannung wird durch den ersten Ausgangsanschluss A1 der Auswerteschaltung 1 bereitgestellt. Analog umfasst der zweite Beschleunigungssensor 120 die beiden Kapazitäten 121 und 122. Auch hier wird an dem Knotenpunkt, der die beiden Kapazitäten 121 und 122 miteinander verbindet das Sensorsignal bereitgestellt. An den beiden anderen Anschlüsse der Kapazitäten 121 und 122 wird eine Versorgungsspannung bereitgestellt, die durch den zweiten Ausgangsanschluss A2 der Auswerteschaltung 1 bereitgestellt wird.
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Das erste Sensorsignal von dem ersten Beschleunigungssensor 110 wird an einem ersten Eingangsanschluss S1 der Auswerteschaltung 1 bereitgestellt. Das zweite Sensorsignal von dem zweiten Beschleunigungssensor 120 wird an einem zweiten Eingangsanschluss S2 der Auswerteschaltung 1 bereitgestellt. Die Auswerteschaltung 1 umfasst eine Messschaltung 20, welche die beiden Sensorsignale der Beschleunigungssensor und 110 und 120 auswertet und unter Verwendung der Sensorsignale ein Ausgangssignal bereitstellt, welches zu einer Beschleunigung an den Beschleunigungssensor 110 und 120 korrespondiert. Beispielsweise kann die Messschaltung 20 analog zu der Schaltung aus 1 einen Integrator 21 und einen Verstärker 22 umfassen. Darüber hinaus sind auch weitere Schaltungsanordnungen zur Auswertung der Sensorsignale der Beschleunigungssensor 110 und 120 möglich.
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In einem normalen Betriebsmodus werden dabei durch die Ausgangsanschlüsse A1 und A2 der Auswerteschaltung 1 in gleicher Weise die Referenzspannungen für die Beschleunigungssensor 110 und 120 bereitgestellt. Darüber hinaus kann in einem weiteren Test-Betriebsmodus die Polarität der Referenzspannungen für eine der beiden Beschleunigungssensoren 110 oder 120 umgekehrt werden. In der hier dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise durch das Schaltelement 10 die Polarität der Referenzspannungen für den zweiten Beschleunigungssensor 120 umgekehrt werden. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung jedoch in gleicher Weise auch durch Umkehren der Polarität der Referenzspannung für den ersten Beschleunigungssensor 110 realisiert werden.
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In einem normalen Betriebsmodus werden die beiden Beschleunigungssensoren 110 und 120 durch Anlegen entsprechende Referenzspannungen in einem differenzierten Betriebsmodus betrieben. Hierbei kann durch die Auswertung der Differenz der Sensorspannungen ein zur Beschleunigung korrespondierendes Ausgangssignal generiert werden. Wird durch das Schaltelement 10 die Polarität der Referenzspannung für einen der beiden Beschleunigungssensoren 110 oder 120 umgekehrt, so liefert die beiden Sensorsignale der Beschleunigungssensoren 110 und 120 bei fehlerfreien, identischen Beschleunigungssensoren annähernd gleiche Ausgangssignale.
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Durch Vergleichen der beiden Sensorsignale der Beschleunigungssensoren 110 und 120 in einem solchen Test-Betriebsmodus, bei dem die Referenzspannung eines Beschleunigungssensors 110 oder 120 durch das Schaltelement 10 umgekehrt wurde, kann die Konfiguration und Funktionsfähigkeit des Beschleunigungsdetektors überprüft werden. Wird beispielsweise durch das Schaltelement 10 die Polarität der Referenzspannung für einen der beiden Beschleunigungssensor 110 oder 120 umgekehrt, so kann daraufhin eine Analyseeinrichtung 30 die beiden Sensorsignale der Beschleunigungssensoren 110 und 120 miteinander vergleichen. Sind die beiden Sensorsignale der Beschleunigungssensor 110 und 120 gleich oder weichen zumindest um maximal einen vorgegebenen Schwellwert voneinander ab, so kann dies als Indiz für eine fehlerfreie Konfiguration angesehen werden. Stellt die Analyseeinrichtung 30 dagegen fest, dass in dem Test-Betriebsmodus die beiden Sensorsignale um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen, so ist dies ein Hinweis auf eine Störung. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung aufgrund von parasitären Kapazitäten beeinflusst werden, so dass eine präzise, fehlerfreie Auswertung der Beschleunigung nicht mehr möglich ist. Ferner ist es auch möglich, dass beispielsweise einer der beiden Beschleunigungssensoren 110 oder 120 durch Verschmutzungen, zum Beispiel Partikel im Inneren der Beschleunigungssensoren 110, 120, gestört ist. Auch in diesem Fall, falls in den beiden Beschleunigungssensoren 110 und 120 unterschiedliche Beeinträchtigungen vorhanden sind, weichen die beiden Sensorsignale während des Test-Betriebsmodus voneinander ab.
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Wird durch die Analyseeinrichtung 30 während des Betriebsmodus festgestellt, dass die Sensorsignale der beiden Beschleunigungssensor 110 und 120 voneinander abweichen, so kann hierauf ein Signal für eine Störung ausgegeben werden. In diesem Fall kann das ausgegebene Beschleunigungssignal als unzuverlässig klassifiziert werden. Hierdurch können gegebenenfalls bei der weiteren Verarbeitung des Beschleunigungssignals entsprechende Steuer- oder Regelprozesse angepasst oder gegebenenfalls auch ausgesetzt werden. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Vorgängen kann bei Detektion einer Störung in den Beschleunigungssensoren 110 oder 120 in einen alternativen Steuervorgang gewechselt werden, bei welchem das bereitgestellte Beschleunigungssignal nicht mit einbezogen wird.
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Die Überprüfung der Beschleunigungssensoren 110 und 120 durch den zuvor beschriebenen Test-Betriebsmodus kann zum Beispiel bei der Initialisierung des Beschleunigungsdetektors ausgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Überprüfung der Beschleunigungssensoren 110 und 120 auch während des Betriebs zu vorgegebenen Zeitpunkten durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Überprüfung regelmäßig innerhalb vorgegebenen Zeitintervallen wiederholt werden, um auch bei einem längeren Betrieb die Zuverlässigkeit der Beschleunigungssignale gewährleisten zu können.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen zusätzlichen Test-Betriebsmodus für einen Beschleunigungsdetektor mit zwei Beschleunigungssensoren in einem differenzierten Betriebsmodus. Hierzu ist ein zusätzlicher Test-Betriebsmodus vorgesehen, bei dem die Referenzspannung für einen Beschleunigungssensor invertiert wird. Durch Vergleich der Ausgangssignale der Beschleunigungssensoren und während des Test-Betriebsmodus kann eine Störung, insbesondere eine Verunreinigung der Sensoren oder Einflüsse durch parasitäre Kapazitäten in der Sensoranordnung detektiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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