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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Patentanmeldung betrifft die gleichzeitig anhängige eigene vorläufige
US-Patentanmeldung Nr. 62/696,223 mit dem Titel „COMPARATOR DIAGNOSTIC SYSTEMS AND METHODS“ unter namentlicher Nennung der Erfinder Daniel James Miller, Brian A. Miller, Syed Aftab, Daniel David Alexander und Jason Ferguson und eingereicht am 10. Juli 2018 und beansprucht deren Priorität gemäß 35 U.S.C. § 119(e), wobei die Anmeldung hier in ihrer Gesamtheit und für alle Zwecke durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein elektrische Datenerfassungssysteme und -verfahren. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere Datenerfassungssysteme, die unabhängige, redundante Messpfade umfassen.
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Hintergrund
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Typische Datenerfassungssysteme bestehen aus einer Messschaltung, z.B. einem Vergleicher oder einem Analog-Digital-Wandler (ADW), der zum Messen einer gewünschten Spannung oder eines gewünschten Stroms verwendet werden kann. Für sicherheitskritische Anwendungen, z.B. ein System, das dafür ausgelegt ist, Stapelbatteriespannungen in einem Auto zu überwachen, ist typischerweise ein alternativer, redundanter Messpfad erforderlich, um die Ergebnisse zu verifizieren. Es ist möglicherweise erforderlich, dass der redundante Messpfad eine andere Architektur als der erste besitzt, wodurch die Robustheit des Designs verbessert wird, z.B. ein SAR(Successive Approximation Register)-ADW-Hauptpfad und ein redundanter Vergleicherpfad .
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Redundante Messpfade zu haben, kann bezüglich Kosten und Stromverbrauch aufwendig sein. Es kann notwendig sein, die Genauigkeit des redundanten Messpfads zu reduzieren, um die Kosten und den Stromverbrauch zu reduzieren. Ein Vergleicher kann als der redundante Pfad verwendet werden, da Vergleicher oftmals unter Verwendung einer kleineren Anzahl von Komponenten oder eines kleineren Stroms als ein ADW ausgelegt werden können.
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Infolge der Vergleichergenauigkeitsdrift im Laufe der Zeit, aufgrund von Temperaturänderungen oder Materialalterungseffekten nimmt gleichermaßen die Gesamtgenauigkeit des redundanten Pfads ab. Bei gewissen Anwendungen, insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, ist es wünschenswert, die zulässige Drift eng zu begrenzen, um die Integrität des Vergleichsergebnisses der redundanten Schaltung sicherzustellen. Herkömmliche Kalibrierungstechniken für Vergleicherschaltungen involvieren eine komplexe Schaltungsanordnung und umständliche Verfahren, die zum Beispiel einen SAR-Suchalgorithmus verwenden, um genau zu bestimmen, wann ein Vergleicher eine bekannte Spannung kreuzt.
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Binäre Suchalgorithmen legen typischerweise eine bekannte feste Spannung an einen Eingang des Vergleichers und einen Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers (DAW) an den anderen Eingang an. Der DAW wird durchlaufen, bis der Vergleicher seinen Zustand ändert. Nach dem Detektieren einer Änderung bei dem Vergleicherausgangszustand wird die Ausgangsspannung des DAW mit der festen Eingangsspannung verglichen, um die Genauigkeit des Vergleichers zu bestimmen. Wenn der Fehler bekannt ist, kann der Vergleicher verstellt werden, um den Fehler zu kompensieren. In der Praxis sind Architekturen, die diese Art von Suchalgorithmen vom SAR-Typ zu Kalibrierungs- oder Diagnosezwecken einsetzen, zeitraubend und schwer zu implementieren.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, Systeme und Verfahren zu haben, die die Leistung eines Vergleichers ohne die unnötig komplexe Umsetzung einer SAR-Kalibrierungsroutine zum Durchlaufen von DAW-Spannungen diagnostizieren und verbessern können.
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KURZE DARSTELLUNG
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Verschiedene Ausführungsformen umfassen eine analoge Frontendschaltung zum Selbstkalibrieren eines Vergleichers, umfassend: einen Vergleicher in einem Vergleichermesspfad; einen durch einen Satz von Schaltern an den Vergleicher gekoppelten Vorverstärker; und einen an den Vorverstärker gekoppelten Verstärker, wobei der Vorverstärker ein Referenzsignal als einen ersten Eingang und eine benutzerdefinierbare Referenz als einen zweiten Eingang empfängt, wobei die benutzerdefinierbare Referenz einen benutzerdefinierbaren Wert generiert, der so gewählt ist, dass an einem Ausgang des Vorverstärkers eine bekannte Bedingung erzeugt wird, der Vorverstärker einen Restwert bestimmt, der einen Messfehler in einem den Vergleicher umfassenden Signalpfad repräsentiert und zum Verstellen des benutzerdefinierbaren Referenzwerts verwendet wird, um den Signalpfad derart zu kalibrieren, dass Schwellwertgrenzen für den Vergleicher verstellt werden können, um eine Vergleicherspezifikation zu verschärfen. Ausführungsformen umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale: Die Schaltung umfasst weiterhin einen oder mehrere Schalter, die ausgebildet sind zum Entkoppeln des Vorverstärkers von dem Vergleicher, um eine Kalibrierungsoperation durchzuführen. Das Referenzsignal und ein ADW können in regulärem Betrieb von dem Vorverstärker entkoppelt sein. Die Schaltung kann weiterhin ein programmierbares Datenregister umfassen, das ein digitales Eingangswort generiert, und ein Register, das einen gemessenen Fehler speichert. Die Schaltung kann weiterhin einen Referenzspannungspuffer umfassen, der das Referenzsignal als eine analoge Spannung generiert. In einer Diagnosephase kann ein DAW das Referenzsignal empfangen und die benutzerdefinierbare Referenz generieren. Der benutzerdefinierbare Wert ist bei Multiplikation mit einer ersten Eingangsverstärkung des Vorverstärkers im Wesentlichen gleich dem Verstärkerausgang multipliziert mit einer zweiten Eingangsverstärkung des Vorverstärkers.
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Verschiedene Ausführungsformen umfassen ein Verfahren zum Selbstkalibrieren eines Vergleichers in einer analogen Frontendschaltung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Referenz als einen ersten Eingang für einen Verstärker; Bereitstellen eines benutzerdefinierbaren Referenzwerts als einen zweiten Eingang zu dem Verstärker, wobei der benutzerdefinierbare Referenzwert so gewählt wird, dass an einem Ausgang eines Vorverstärkers eine bekannte Bedingung erzeugt wird; Messen des Ausgangs des Vorverstärkers, um einen Restwert zu bestimmen, der einen Messfehler in einem Vergleichersignalpfad repräsentiert; auf Basis des Restwerts, Verstellen des benutzerdefinierbaren Referenzwerts, um den Vergleichersignalpfad zu kalibrieren; und Ändern von Schwellenwertgrenzen für einen Vergleicher, um eine Spezifikation für den Vergleicher zu verschärfen. Umsetzungen können eine oder mehrere Umsetzungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: Das Verfahren, bei dem die benutzerdefinierbare Referenz verwendet wird, um zumindest einen Überspannungsschwellwert und/oder einen Unterspannungsschwellwert zu definieren oder auszulösen. Die benutzerdefinierbare Referenz kann zum Definieren oder Auslösen einer Komponentenausfallwarnung verwendet werden. Das Verfahren kann weiterhin im regulären Betrieb umfassen: Entkoppeln eines ADW in der analogen Frontend-Schaltung und der Referenz von dem Verstärker und Verwenden des ADW zum Prüfen einer Genauigkeit des Vergleichers und Durchführen einer Kalibrierung auf Verlangen, um die Vergleichergenauigkeit und -leistung zu verbessern. Das Verfahren kann weiterhin umfassen: das Entkoppeln des Vorverstärkers von dem Vergleicher, um eine Kalibrierungsoperation durchzuführen, und in einer Diagnosephase das Liefern eines Referenzsignals an einen DAW, der die benutzerdefinierbare Referenz generiert. Das Verfahren kann das Verwenden eines Referenzspannungspuffers umfassen, der das Referenzsignal als eine analoge Spannung generiert, und kann weiterhin das automatische Ändern des benutzerdefinierbaren Referenzwerts von einem Anfangswert umfassen.
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Figurenliste
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Es wird auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beiliegenden Figuren dargestellt sein können. Diese Figuren sollen veranschaulichend sein, nicht beschränkend. Obwohl die Erfindung allgemein im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben wird, versteht sich, dass sie den Schutzbereich der Erfindung nicht auf diese bestimmten Ausführungsformen beschränken soll.
- FIGUR (FIG.) 1 ist ein Funktionsblockdiagramm, das eine analoge Frontend-Schaltung darstellt, die eine Vergleicherdiagnoseschaltung umfasst, die einen Vergleicherkalibrierungspfad nutzt, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist ein Funktionsblockdiagramm, das eine Vergleicherdiagnoseschaltung darstellt, die einen Vergleichergenauigkeitspfad in der analogen Frontend-Schaltung in 1 nutzt.
- 3 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein beispielhaftes System darstellt, das eine Vergleicherdiagnoseschaltung umfasst, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 4 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zur Vergleicherdiagnose gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der folgenden Beschreibung werden zum Zweck der Erläuterung spezifische Details dargelegt, um ein Verständnis der Erfindung zu vermitteln. Der Fachmann versteht jedoch, dass die Erfindung ohne diese Details praktiziert werden kann. Weiterhin erkennt ein Fachmann, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, unten beschrieben, auf eine Vielzahl von Wegen umgesetzt werden können, wie etwa ein Prozess, eine Vorrichtung, ein System, eine Einrichtung oder ein Verfahren auf einem dinglichen computerlesbaren Medium.
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In Diagrammen gezeigte Komponenten oder Module veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und sollen das Verschleiern der Erfindung vermeiden. Es versteht sich ebenfalls, dass im Verlaufe dieser Erörterung Komponenten als separate Funktionseinheiten beschrieben werden können, die Teileinheiten umfassen können, aber der Fachmann erkennt, dass verschiedene Komponenten oder Abschnitte davon in separate Komponenten unterteilt werden oder miteinander integriert werden können, einschließlich integriert in ein einzelnes System oder eine einzelne Komponente. Es sei angemerkt, dass hierin erörterte Funktionen oder Operationen als Komponenten umgesetzt werden können. Komponenten können in Software, Hardware oder einer Kombination davon umgesetzt werden.
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Weiterhin sollen Verbindungen zwischen Komponenten oder Systemen in den Figuren nicht auf direkte Verbindungen beschränkt sein. Vielmehr können Daten zwischen diesen Komponenten modifiziert, umformatiert oder anderweitig durch dazwischenliegende Komponenten geändert werden. Außerdem können zusätzliche oder weniger Verbindungen verwendet werden. Es sei auch angemerkt, dass die Ausdrücke „gekoppelt“, „verbunden“ oder „kommunikativ gekoppelt“ so verstanden werden sollen, dass sie direkte Verbindungen, indirekte Verbindungen durch eine oder mehrere dazwischenliegende Einrichtungen und drahtlose Verbindungen beinhalten können.
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Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“, „bevorzugte Ausführungsform“ oder „Ausführungsformen“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur, Charakteristik oder Funktion, in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist und in mehr als einer Ausführungsform enthalten sein kann. Außerdem bezieht sich das Auftreten der oben erwähnten Ausdrücke an verschiedenen Stellen in der Beschreibung nicht notwendigerweise immer auf die gleiche Ausführungsform oder gleichen Ausführungsformen.
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Die Verwendung von gewissen Ausdrücken an verschiedenen Stellen in der Beschreibung dient der Veranschaulichung und sollte nicht als beschränkend ausgelegt werden. Ein Dienst, eine Funktion oder eine Ressource ist nicht auf einzelnen Dienst, eine einzelne Funktion oder eine einzelne Ressource beschränkt; die Nutzung dieser Ausdrücke kann sich auf eine Gruppierung von verwandten Diensten, Funktionen oder Ressourcen beziehen, die verteilt oder gebündelt sein können. Zudem kann die Verwendung von Speicher, Datenbank, Informationsbank, Datenablage, Tabellen, Hardware und dergleichen hier so verwendet werden, dass sie sich auf eine oder mehrere Systemkomponenten bezieht, in die Informationen eingegeben werden können oder in denen Informationen anderweitig aufgezeichnet werden können.
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Weiterhin sei angemerkt, dass, wenngleich hierin beschriebene Ausführungsformen im Kontext von Frontend-Verstärkern aufgeführt sind, der Fachmann erkennt, dass die Lehren der vorliegenden Offenbarung nicht auf Frontend-Verstärkeranwendungen beschränkt sind und gleichermaßen in anderen Schaltungsarchitekturen verwendet werden können, die Vergleicher involvieren, die von den Kalibrierungssystemen und -verfahren der vorliegenden Offenbarung profitieren würden.
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1 ist ein Funktionsblockdiagramm, das eine analoge Frontend-Schaltung darstellt, die eine Vergleicherdiagnoseschaltung umfasst, die einen Vergleicherkalibrierungspfad nutzt, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Bei Ausführungsformen umfasst die Schaltung 100 einen Vergleicher 102, einen Vorverstärker 104, einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 106, einen Digital-Analog-Wandler (DAW) 110, einen Referenzpuffer 112, ein Datenregister 120, einen Verstärker 130, einen Multiplexer 150 und einen Standard-ADW-Pfad 190. Bei Ausführungsformen kann die Schaltung 100 Schalter 176 umfassen, die zum Entkoppeln des Vorverstärkers 104 von dem Vergleicher 120 verwendet werden können, um zum Beispiel eine Kalibrierungsoperation durchzuführen. Bei Ausführungsformen umfasst der Vergleicherkalibrierungspfad 118 in der Ausbildung 100 einen Referenzspannungspuffer 112, einen Verstärker 130, einen Vorverstärker 104, einen Multiplexer 150, der Schalter 160, 162 umfasst, und den ADW 106.
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Der Referenzpuffer 112 kann eine analoge Spannungsquelle sein, die in die Schaltung 100 eingebettet ist oder sich außerhalb der Schaltung 100 befindet. Bei Ausführungsformen kann der Referenzpuffer 112 eine bekannte, feste analoge Spannung (z.B. 2,307 V) erzeugen, die in einer Diagnosephase als ein Referenzsignal sowohl für den ADW 106 als auch den Verstärker 130 dienen kann. Außerdem kann der Referenzspannungspuffer 112 als eine Vollskalenreferenz für den DAW 110 dienen.
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Das Register 120 kann ein benutzerdefiniertes Datenregister sein, das bei Ausführungsformen auf einen bestimmten Wert, z.B. ein digitales Eingangswort oder einen Code, vorprogrammiert sein kann, das oder der an den DAW 110 geliefert wird. Der DAW 110 kann z.B. als ein 10-Bit-DAW umgesetzt sein, der an seinem Eingang den Wert von dem Register 120 empfängt und ihn eine analoge Spannung umwandelt, die dem digitalen Eingang entspricht und skaliert ist, d.h. gemäß der Vollskala der Referenz 112 herunterdividiert ist. Die durch den DAW 110 generierte analoge Spannung kann dann an den Eingang 108 des Vorverstärkers 104 geliefert werden. Bei Ausführungsformen können die Eingänge 107, 108 des Vorverstärkers 104 jeweils eine unterschiedliche Verstärkung besitzen.
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Der ADW 106 kann z.B. als ein 12-Bit-SAR-basierter ADW umgesetzt sein, der eine Referenzspannung verwendet, die durch eine nichtgezeigte temperaturkompensierte Präzisionsspannungsquelle generiert wird. Bei Ausführungsformen kann der ADW 106 durch eine Spannungsversorgung bestromt werden und kann ausgebildet sein zum Empfangen der Ausgangsspannung des Vergleichervorverstärkers 104, z.B. über einen Multiplexer 150, um eine digitale Darstellung seines analogen Eingangs zu generieren. Der Multiplexer 150 kann zum Multiplexieren z.B. über den Schalter 162 der Ausgangsspannung des Vorverstärkers 104 an dem ADW 106 verwendet werden.
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Im Betrieb, z.B. in einer Kalibrierungsphase, können die Schalter 176 offen sein, so dass der Vergleicher 102 nicht elektrisch an den Vorverstärker 104 gekoppelt ist. Analog kann der Schalter 160 offen sein, so das der ADW 106 keine Signale über den standardmäßigen ADW-Pfad 190 empfängt. Wenn die Schaltung 100 in einer wie in 1 gezeigten Ausbildung betrieben wird, kann bei Ausführungsformen die analoge Ausgangsspannung des Vorverstärkers 104 an den Eingang des ADW 106 geliefert werden, der die analoge Spannung in einen digitalen Messwert umwandelt, der gespeichert werden kann, z.B. ein nichtgezeigtes Register, und weiter verarbeitet werden kann, wie nötig.
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Bei Ausführungsformen kann das Register 120 verwendet werden, um den DAW 110 zu programmieren, einen Referenzwert auszugeben, der bei Multiplikation mit der Eingangsverstärkung 108 des Vorverstärkers 104 idealerweise gleich dem Ausgangswert des Verstärkers 130 multipliziert mit der Eingangsverstärkung 107 des Vorverstärkers 104 ist. Bei Ausführungsformen wird der Referenzwert unter mehreren vorbestimmten Referenzwerten ausgewählt, die einer Spannung entsprechen, z.B. 2,307 V, generiert durch den Referenzpuffer 112, der auf eine bekannte Spannung gesetzt sein kann.
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Als ein Beispiel ist der Verstärker 130 in 1 so gezeigt, dass er eine Verstärkung von 1 besitzt, die durch den Vorverstärker 104 um einen Faktor 6 verstärkt wird und in einen ersten Eingang des Vorverstärkers 104 eingegeben wird. Analog kann die Ausgangsspannung des DAW 110 derart skaliert werden, dass bei Multiplikation mit 13, vor dem Eingeben in den zweiten Eingang des Vorverstärkers 104, beide Eingänge des Vorverstärkers 104 den gleichen Wert annehmen, so dass sie idealerweise einander aufheben. Infolgedessen gibt der Vorverstärker 104 eine bekannte Null aus.
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In der Praxis wird sich der Differenzausgang des Verstärkers 104 auf einen von null verschiedenen Wert einschwingen, der einen Fehler darstellt, der durch den ADW 106, zum Beispiel am Ausgang des Vorverstärkers 104, im Vergleicherkalibrierungspfad 118 gemessen werden kann.
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Bei Ausführungsformen stellt der Vergleicherkalibrierungspfad 118 eine Verbindung zwischen Vorverstärker und dem ADW 106 her, der die Funktionalität des Vergleichers 102 messen und z.B. gegenüber vorbestimmten Spezifikationswerten verifizieren kann. Außerdem kann der ADW 106 verwendet werden um zu verifizieren, ob der Vergleicher 102 gemäß spezifizierten Werten arbeitet. Wie unter Bezugnahme auf 2 ausführlicher erörtert werden wird, kann der gemessene Fehler z.B. im Register 120 gespeichert und zum Verstellen von Werten für den oberen und unteren Schwellwertspannungspegel des Vergleichers 102 verwendet werden. Bei Ausführungsformen kann der den Vergleicher 102 umfassende Vergleichermesspfad auf Basis des gemessenen Fehlers kalibriert werden. Vorteilhafterweise kann der ADW 106 während Zeitperioden verwendet werden, während denen sich der ADW 106 ansonsten möglicherweise in einem Leerlaufzustand befindet. Nachdem der ADW 106 eine Spannungsmessung z.B. am Eingang des Vergleichers 102 abschließt, um den Messfehler zu bestimmen, können der ADW 106 und der Referenzspannungspuffer 112 von dem Vorverstärker 104 entkoppelt werden, um z.B. einen regulären Betrieb wieder aufzunehmen.
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Es versteht sich, dass die in 1 dargestellte Vergleicherdiagnoseschaltung nicht auf das dort gezeigte oder in dem beiliegenden Text beschriebene Konstruktionsdetail beschränkt ist. Beispielsweise kann der Verstärker 130 eine Nicht-Einheitsverstärkung von z.B. 6/13 der vollen Skala besitzen, so dass ein 5-V-Differenzeingangssignal auf 2,307 V gedämpft werden kann, das als die Referenzspannung für einen Vergleich mit der Ausgangsspannung des DAW 110 dienen kann, die in 1 6/13 der vollen Skala beträgt. Außerdem kann, wie der Fachmann verstehen wird, der ADW 106 durch eine beliebige geeignete Messkomponente wie etwa einen zweiten Vergleicher ersetzt werden. Analog kann der Vergleicher 102 durch einen anderen ADW ersetzt werden.
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2 ist ein Funktionsblockdiagramm, das die Vergleicherdiagnoseschaltung darstellt, die einen Vergleichermesspfad in der analogen Frontend-Schaltung in 1 nutzt. Der Übersichtlichkeit halber sind Komponenten, die den in 1 gezeigten ähnlich sind, auf die gleiche Weise bezeichnet. Der Kürze halber wird hier keine Beschreibung oder ihre Funktion wiederholt.
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Bei Ausführungsformen ist der Vergleicherkalibrierungspfad 118, der den ADW 106 umfasst, genauer als der Vergleichermesspfad 216, der den Vergleicher 102 umfasst. Bei Ausführungsformen kann der Vergleicher 102 ein analoger Vergleicher sein, der ein Differenzsignal von dem Ausgang des Vorverstärkers 104 empfängt und ein Signal generiert, das eine Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen anzeigt. Es wird angemerkt, dass die Verbindung 270 eine interne Verbbindung sein kann, die in Ausführungsformen zum Kalibrieren des Vergleichers 102 verwendet wird, wie oben unter Bezugnahme auf 1 erörtert.
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Sobald ein Fehler in dem Vergleicherkalibrierungspfad 118 bestimmt ist, z.B. wie unter Verwendung der Ausbildung in 1 gemessen, kann bei Ausführungsformen das Ergebnis z.B. in einer Messphase verwendet werden, um den Fehler in dem Vergleichermesspfad 216 zum größten Teil oder ganz zu eliminieren. Bei Ausführungsformen kann dies bewerkstelligt werden durch Verstellen, gemäß dem Fehler, des benutzerdefinierten Referenzwerts, in dem Register 120, um die Grenzen des Vergleichers 102 zu beschränken. Infolgedessen ermöglichen zwei unabhängige Pfade 118, 216 zusammen einen redundanten Satz von Prüfungen (z.B. als Sicherheitsdiagnose), die in Ausführungsformen einen bekannten Fehler des Vergleichers 102 verwenden, um den Vergleichermesspfad 216 zu prüfen und zu kalibrieren, um z.B. die Spezifikationen zu verschärfen, wie als nächstes erörtert.
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Im Einzelnen ist im normalen Betrieb der Schalter 160 in 2 geschlossen, so dass der ADW 106 Signale empfangen kann, z.B. über den MUX 150 im standardmäßigen ADW-Pfad 190. Außerdem kann die Schaltung 176 geschlossen sein, um den Vergleicher 102 an den Vorverstärker 104 zu koppeln, um einen Vergleichermesspfad 216 auszubilden, der bei Ausführungsformen den Referenzspannungspuffer 112, den DAW 110, den Verstärker 130, der ausgebildet sein kann zum Empfangen einer Eingangsspannung, z.B. von einer nichtgezeigten Batteriezelle, den Vergleicher 102 und den Vorverstärker 104, der verwendet werden kann, um den Vergleicher 102 mit einem Differenzsignal anzusteuern, umfassen.
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Bei Ausführungsformen steuert der Vorverstärker 104 den Vergleicher 102 und empfängt an einem seiner Eingänge die Ausgangsspannung des Verstärkers 130 und empfängt an seinem zweiten Eingang den durch den DAW 110 generierten Referenzspannungswert. Der Vorverstärker 104 wendet einen Verstärkungsfaktor von z.B. 6 auf den ersten Eingang und einen Verstärkungsfaktor von z.B. 13 auf den zweiten Eingang an und vergleicht dann diese beiden verstärkten Spannungen miteinander, um eine Differenzausgangsspannung zu generieren, die in den Vergleicher 102 eingespeist wird.
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Bei Ausführungsformen kann der Vergleichermesspfad 216 als ein Hauptsignalpfad verwendet werden. Bei Ausführungsformen kann zusätzlich zum Verifizieren der Funktionalität der ADW 106 verwendet werden, um die Genauigkeit des Vergleichers 102 zu prüfen und eine Kalibrierung auf Verlangen durchführen, um beispielsweise vorbestimmte Spezifikationswerte zu erfüllen oder zu übertreffen, wodurch die Leistung und Genauigkeit des Vergleichers 102 jenseits einer gewissen anfänglichen Spezifikation verbessert werden. Bei Ausführungsformen kann dies beispielsweise am Ende einer Messungssequenz durch Berechnen von Fehlerwerten für den Vergleichermesspfad 216 erzielt werden, die dann zum (z.B. manuellen) Verstellen des oberen und unteren Vergleicherschwellwerts des Vergleichers 102 verwendet werden können, um sicherzustellen, dass die Schwellwerte die wahre Leistung des Vergleichers 102 wiedergeben.
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Bei Ausführungsformen kann das Register 120 z.B. auf benutzerdefinierte Referenzwerte gesetzt werden, die einen Überspannungs- oder Unterspannungsschwellwert darstellen können. Solche Schwellwerte können verwendet werden, um eine Überspannungs-, Unterspannungs- oder Komponentenausfallwarnung zu definieren und auszulösen. Es versteht sich, dass diese Schwellwerte sorgfältig gewählt werden sollten (z.B. +/- 5 DAW-Codes), um das Auslösen von falschen Warnungen zu vermeiden. Anstatt zusätzliche Sicherheitsspielräume einbauen zu müssen, um einen unbekannten Fehler zu berücksichtigen, wie dies typischerweise bei existierenden Designs geschieht, gestattet insgesamt das Verwenden einer Spannungsquelle am Eingang der Schaltung 200, eines benutzerdefinierten Schwellwerts im Register 120 und eines bekannten Restfehlers (z.B. die Kenntnis, wie weit der Vorverstärker 104 vom Fehler null entfernt ist), vorteilhafterweise Benutzern, Verstellungen an den Grenzen des Vergleichers 102 vorzunehmen, um z.B. eine Spezifikation durch Korrigieren von Schwellwerten im Register 120 nach oben oder unten zu verschärfen, so dass der Vergleicher 102 dem ADW 106 besser entsprechen kann.
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Es wird angemerkt, dass der Referenzwert im Register 120 anfänglich auf einen benutzerdefinierten Wert eingestellt und danach automatisch geändert werden kann, um beispielsweise eine Fehlergrenze zu setzen, die zum Auslösen eines Alarms verwendet werden kann. Bei Ausführungsformen kann eine aktualisierte Fehlergrenze z.B. zum Verschärfen zuvor spezifizierter Schwellwertgrenzen eines Vergleichers 102 verwendet werden.
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Falls als ein Beispiel für eine Schwellwertkorrektur ein durch den ADW 106 gemessener Fehler z.B. positive 100 mV beträgt, kann ein benutzerdefinierter Schwellwert im Register 120 auf einen Wert von negativen 100 mV nach unten verstellt werden, um den Fehler auszugleichen oder mindestens teilweise zu kompensieren, um eine genauere Darstellung des Vergleichers 102 zu erhalten. Bei Ausführungsformen können die im Register 120 gespeicherten Spannungswerte verstellt werden, um Potentialverschiebungen über der Zeit zu berücksichtigen, beispielsweise aufgrund von Drifts bei der Temperatur und der Komponentenalterung.
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Bei Ausführungsformen kann der Betrieb der Schaltung 100 selbst überwacht werden, um den ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb zu bestimmen. Angenommen, der Vergleicher 102 arbeitet ordnungsgemäß, aber der ADW 106, liegt um ein gewisses Ausmaß außerhalb, dann würden eine Nichtübereinstimmung bei den Messungen des ADW 106 und des Vergleichers 102 anzeigen, das sich z.B. aufgrund irgendeiner Fehlfunktion oder eines physischen Defekts an einer Komponente, die zu der Diskrepanz führen, möglicherweise etwas innerhalb der Schaltung 100 verschoben hat. Beispielsweise eine fehlerhafte Spannungsmessung, die außerhalb eines durch einen Wert in einer ADW-Tabelle spezifizierten Bereichs fällt, so dass eine bekannte Eingangsspannung zu einer erhöhten ADW-Messung führt, kann die Diskrepanz, die ansonsten undetektiert bleiben würde (z.B. in einer Schaltung, die nur einen ADW nutzt, aber keinen Vergleicher), durch den Vergleicher 102 detektiert werden, der als eine redundante Messung dient, die verwendet werden kann, um die Verschiebung zwischen den beiden Messpfaden oder einen gewissen Komponentenausfall zu bestimmen.
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Es versteht sich, dass in Ausführungsformen die Schaltung 200 andere und/oder zusätzliche Diagnosemessungen und -kalibrierungen durchführen kann, die kombiniert werden können, um die Genauigkeit von Komponenten zu verifizieren und Komponenten in der Schaltung 200 zu kalibrieren. Beispielsweise kann die durch die Schaltung 200 durchgeführte Diagnose mit einer Verstärkungskalibrierungsdiagnose kombiniert werden, die verifiziert, dass die Kalibrierung ordnungsgemäß funktioniert und z.B. der ADW 106 und der Verstärker 130 innerhalb vorbestimmter Bereiche, wie spezifiziert, arbeiten.
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Insgesamt erleichtern die Verwendung der Schaltung in 1 und 2 in Kombination mit den hierin präsentierten Kalibrierungs- und Diagnosetechniken ein Diagnosewerkzeug, das zum Validieren und/oder Verbessern der Genauigkeit des Vergleichermesspfads 216 und zum Durchführen von zusätzlichen Diagnosemessungen zur Fehlersuche an verschiedenen Schaltungskomponenten verwendet werden kann.
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Tatsächlich wird der ADW 106 zum Kalibrieren des Vergleichers 102 verwendet, und der Vergleicher 102 wird zum Beurteilen gegenüber dem ADW 106 verwendet, so dass eine Schaltungskomponente zum Überwachen der Funktionsfähigkeit und/oder Genauigkeit einer anderen Schaltungskomponente verwendet werden kann, wodurch sie sich gegenseitig kalibrieren. Die Genauigkeit eines Pfads, der z.B. einen weniger genauen und weniger stromhungrigen Vergleicher 102 (d.h. weniger Die-Fläche) umfasst, wird mit der Genauigkeit eines anderen Pfads verglichen und dagegen kalibriert, der z.B. einen genaueren ADW 106 umfasst, um einen Fehler zu bestimmen, der dann reduziert oder vollständig eliminiert werden kann, um sicherzustellen, dass die ADW-Messung innerhalb der Grenzen des Vergleichers 102 liegt und dass der Vergleicher 102 innerhalb relativ enger Spezifikationen gehalten wird.
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Es wird angemerkt, dass bei Ausführungsformen eine oder mehrere Messtechniken, die die Schaltung in 1 und 2 nutzen, parallel arbeiten können.
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3 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein beispielhaftes System darstellt, das eine Vergleicherdiagnoseschaltung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst. In Ausführungsformen umfasst das System 300 den Vergleicher 102, den Verstärker 104, den DAW 110, den Verstärker 130, eine digitale Steuerung 306 und einen Mikroprozessor 308. Die digitale Steuerung 306 ist eine Steuerschaltung, die eine Steuerlogik, Datenregister, arithmetische Logikeinheiten und dergleichen umfassen kann. In Ausführungsformen umfasst die digitale Steuerung 306 ein oder mehrere der Register, die an den Mikroprozessor 308 gekoppelt sein können.
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Nachdem die Diagnosetechniken, die effektiv eine Referenzspannung in einem Vergleichersignalkonditionierungspfad hinein und herausschalten, wie oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 erörtert, durchgeführt worden sind, kann der Vergleicher 102 im System 300 mit der digitalen Steuerung 306 verklinkt werden.
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Bei Ausführungsformen kann die digitale Steuerung 306 ausgebildet sein zum Empfangen, Speichern und weiteren Verarbeiten (z.B. mitteln) des durch den Vergleicher 102 generierten Ausgangssignals. Bei Ausführungsformen kann die digitale Steuerung 306 an den gleichen ADW (in 1 gezeigt) gekoppelt sein, der Teil des Vergleichersignalkonditionierungspfads ist, so dass die gleiche Logikkomponente vorteilhafterweise für den doppelten Zweck des Verarbeitens sowohl von Vergleicher- als auch ADW-Signalen benutzt werden kann.
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In Ausführungsformen ist die Schaltung 300 ausgebildet zum Messen einer oder mehrerer Eingangsspannungen, z.B. zum Überwachen eines Stapels von Batteriezellen, der jeweils seine eigene Spannung erzeugt. Der Verstärker 130 kann die relativ hohe Eingangsspannung der Zellen zu einer relativ niedrigeren Ausgangsspannung verschieben, die durch die Schaltung 300 verarbeitet werden kann. Außerdem sorgen Ausführungsformen für eine Redundanz, die die Nutzbarkeit in sicherheitsbezogenen Anwendungen vergrößert. Vorteilhafterweise verbessert die Unähnlichkeit der Technologien, die die Diagnosefähigkeiten erzeugen und die Redundanz bereitstellen, weiter die Systemzuverlässigkeit.
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Ein Fachmann versteht, dass das System 300 zusätzliche und/oder andere Elemente umfassen kann, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise kann das System 300 eine beliebige Anzahl von Vergleicherschaltungen umfassen, die jeweils über einen Multiplexer an eine digitale Steuerung 308 gekoppelt sein können.
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4 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses für eine Vergleicherdiagnostik gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Prozess 400 ist eine Genauigkeitsdiagnose, die einen Pfad in einer Schaltung mit einem zweiten Pfad validiert, wodurch für Redundanz und Genauigkeit gesorgt wird. Der Prozess 400 startet bei Schritt 402, wenn eine Referenzspannung verwendet wird, um z.B. bei einem Schaltungshochfahren eine erste Eingangsspannung für einen Verstärker zu generieren.
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Bei Schritt 404 wird ein benutzerdefinierbarer Referenzwert verwendet, um eine zweite Eingangsspannung zu dem Verstärker bereitzustellen. Der benutzerdefinierbare Referenzwert kann so gewählt werden, dass am Ausgang des Verstärkers eine bekannte Bedingung „null“ erzeugt wird.
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Bei Schritt 406 wird der Ausgang des Verstärkers z.B. unter Verwendung eines ADW gemessen, um einen Restwert zu bestimmen, der einen Messfehler in einem Vergleicherkalibrierungspfad darstellt. Bei Ausführungsformen kann der Vergleicher z.B. durch eine ADW-Schaltung ersetzt werden. Da der Fehler, der gemessen werden soll, typischerweise relativ klein ist - und idealerweise null beträgt - ist ein üblicher Vergleicher möglicherweise nicht die bevorzugte Wahl, da Vergleicher im Allgemeinen beim Arbeiten bei Werten nahe null eine suboptimale Auflösung besitzen.
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Schließlich können bei Schritt 408 die Schwellwertgrenzen für den Vergleicher so verstellt werden, dass eine oder mehrere Vergleicherspezifikationen verschärft werden.
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Es wird angemerkt, dass: (1) gewisse Schritte optional durchgeführt werden können; (2) Schritte möglicherweise nicht auf die hierin dargelegte spezifische Reihenfolge beschränkt sind; (3) gewisse Schritte möglicherweise in anderen Reihenfolgen durchgeführt werden; und (4) gewisse Schritte möglicherweise gleichzeitig durchgeführt werden.
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Der Fachmann erkennt, dass für die Ausübung der vorliegenden Erfindung kein Rechensystem oder keine Programmiersprache entscheidend ist. Der Fachmann erkennt auch, dass eine Anzahl der oben beschriebenen Elemente physisch und/oder funktional in Teilmodule getrennt oder miteinander kombiniert werden können.
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Der Fachmann versteht, dass die vorausgegangenen Beispiele und Ausführungsformen beispielhaft sind und den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken. Alle Permutationen, Steigerungen, Äquivalente, Kombinationen und Verbesserungen daran, die dem Fachmann bei einer Lektüre der Beschreibung und einem Studium der Zeichnungen offenbar sind, sollen innerhalb des wahren Gedankens und Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung enthalten sein. Es sei außerdem angemerkt, dass Elemente von beliebigen Ansprüchen unterschiedlich angeordnet sein können, einschließlich mit mehreren Abhängigkeiten, Ausbildungen und Kombinationen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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