DE102019212757A1

DE102019212757A1 - Schaltungsanordnung zum Wandeln eines Eingangssignals in ein rechteckförmi-ges Ausgangssignal

Info

Publication number: DE102019212757A1
Application number: DE102019212757.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fischer; Tobias Kirchner; Jonathan Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (100) zum Wandeln eines referenzbasierten Eingangssignals in ein rechteckförmiges Ausgangssignal, umfassend einen Eingangseinschluss (In) zur Einspeisung des referenzbasierten Eingangssignals in einen Eingangssignalpfad; einen ersten Potentialanschluss (V+) und einen zweiten Potentialanschluss (V-); einen Ausgangsanschluss (Out) zur Ausgabe des rechteckförmigen Ausgangssignals; eine Signalauswertungseinheit (150) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, die dazu eingerichtet ist, an ihrem Ausgang darzustellen, ob das Eingangssignal eine positive oder eine negative Spannung im Vergleich zu einem Referenzpotential (V_ref) aufweist, wobei über den Signaleingangspfad der erste Eingang der Signalauswertungseinheit (+) mit dem Eingangseinschluss (In) verbunden ist, und der zweite Eingang der Signalauswertungseinheit mit einem Referenzpotential (V_ref) verbunden ist, und wobei der Ausgang der Signalauswertungseinheit (150) mit dem Ausgangsanschluss (Out) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Wandeln eines Eingangssignals in ein rechteckförmiges Ausgangssignal und ein Verfahren unter Verwendung einer solchen Schaltung, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Die Drehwinkelposition und die Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sind wesentliche Eingangsgrößen für viele Funktionen der elektronischen Motorsteuerung. Zu ihrer Ermittlung können auf einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierenden Körper in gleichen Winkelabständen Markierungen vorgesehen sein. Das Vorbeistreichen einer Markierung infolge der Kurbelwellendrehung kann durch einen Sensor erfasst und als elektrisches Signal an eine Auswertelektronik weitergegeben werden.
Diese Elektronik bestimmt für die jeweilige Drehwinkelposition der Kurbelwelle das jeweils hierfür hinterlegte Signal für die Markierung bzw. misst eine Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen und kann aufgrund des bekannten Winkelabstands zweier Markierungen zueinander die Winkelgeschwindigkeit und daraus die Drehzahl ermitteln. Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere ATV (engl. All Terrain Vehicle), Motorrädern, Mopeds oder Krafträdern, können die Markierungen beispielweise durch Zähne eines metallischen Zahnrads, eines sogenannten Geberrads, bereitgestellt werden, welche durch ihre Bewegung in dem Sensor eine Änderung des Magnetfelds bewirken. Aus der Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen kann damit die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt werden.
Eine Lücke von einigen Zähnen kann als Bezugsmarke zur Erkennung der absoluten Position bzw. des Drehwinkels dienen. Insbesondere die Erkennung des oberen Totpunkts ist von Interesse.
Abhängig vom Motortyp müssen über andere Sensoren weitere Größen erfasst werden. Bei einem 4-Taktmotor mit einem Zylinder vollzieht die Kurbelwelle zwei vollständige Umdrehungen pro Arbeitsspiel, sodass über die Zahnlücke zwar die Kurbelwellenposition, nicht jedoch der Arbeitstakt bestimmt werden kann. So ergibt sich z.B. ein oberer Totpunkt am Ende des Kompressionstakts (Zünd-OT: ZOT) und ein OT am Ende des Ausblastakts (Gaswechsel-OT: GOT), welche nicht durch die Zahnlückeninformation unterschieden werden können. Diese Unterscheidung wird bei den hier betrachteten Motorrädern z.B. durch die Auswertung des Saugrohrdrucks getroffen.
Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine ist ein Generator verbaut, der durch die Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird und elektrische Signale liefert, die zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie dienen. Die vorhandenen elektrischen Ausgangsgrößen eines solchen Generators, der starr oder mit konstanter Übersetzung mit der Kurbelwelle verbunden ist, können verwendet werden, um daraus Drehzahlinformationen zu gewinnen. Diese können die durch ein Geberrad gewonnenen Informationen ergänzen oder ersetzen.
Ein solches System wird beispielsweise in der DE 10 2014 206 173 A1 zur Drehzahlbestimmung verwendet. Zu diesem Zweck werden ein oder mehrere Signale der elektrischen Maschine ausgewertet, die jeweils ein oder mehrere Werte aufweisen, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors der elektrischen Maschine auftreten. Durch Berechnen einer Zeitdifferenz zwischen zwei Auftrittszeitpunkten von Werten wird die Drehzahl berechnet.
Ferner wird in der DE 10 2016 221 459 A1 offenbart, derartige elektrische Ausgangsgrößen zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu verwenden. Zu diesem Zweck kann ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts eines Phasensignals der elektrischen Maschine, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftritt, zur Bestimmung einer Drehwinkellage des Rotors genutzt werden. Die Drehwinkelposition der Kurbelwelle wird aus der Drehwinkellage und einem Winkelversatz berechnet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung zum Wandeln eines Eingangssignals, insbesondere eines referenzbasierten Eingangssignals bzw. single-ended-Signals, in ein rechteckförmiges Ausgangssignal, ein Verfahren unter Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Insbesondere wird eine Schaltungsanordnung zum Wandeln eines Eingangssignals in ein rechteckförmiges Ausgangssignal vorgeschlagen, welche die folgenden Elemente umfasst: einen Eingangseinschluss (In) zur Einspeisung des Eingangssignals in einen Eingangssignalpfad; einen ersten Potentialanschluss und einen zweiten Potentialanschluss; einen Ausgangsanschluss zur Ausgabe des rechteckförmigen Ausgangssignals; eine Signalauswertungseinheit mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, die dazu eingerichtet ist, an ihrem Ausgang darzustellen, ob zwischen dem Eingangssignal und einem Referenzpotential eine positive oder negative Potentialdifferenz bzw. Eingangsspannung herrscht, wobei über den Signaleingangspfad der erste Eingang der Signalauswertungseinheit mit dem Eingangseinschluss verbunden ist, und der zweite Eingang der Signalauswertungseinheit mit einem Referenzpotential verbunden ist, welche aus dem zweiten Potential erzeugt wird, und wobei der Ausgang der Signalauswertungseinheit mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Mit einer solchen Schaltung kann aus einem - insbesondere referenzbasierten bzw. Single-Ended-Signal, z.B. aus einem Phasensignal eines Generators, ein rechteckförmiges Signal gewonnen werden, das anzeigt, ob das Eingangssignal ein positives oder negatives Potential im Vergleich zur Referenz aufweist und dessen Flanken die Nulldurchgänge der Potentialdifferenz markieren. Das Rechtecksignal kann dann für weitere Zwecke digital ausgewertet werden.
Bevorzugt umfasst die Schaltung weiter eine Versorgungsspannungseinheit, welche einen Spannungsregler umfasst, um aus dem ersten Potential und dem zweiten Potential eine vorgegebene Versorgungsspannung für die Signalauswertungseinheit zu erzeugen. Außerdem kann die Signalauswertungseinheit einen Spannungsteiler aufweisen, welcher zwei Widerstände umfasst, wobei der Spannungsteiler aus der Versorgungsspannung und dem zweiten Potential das Referenzpotential erzeugt. Auf diese Weise können aus geeigneten externen Spannungsversorgungen innerhalb der Schaltung die benötigten Versorgungs- und Vergleichsspannungen für die Signalauswertung erzeugt werden. Beispielsweise können der erste Potentialanschluss und der zweite Potentialanschluss durch eine Fahrzeugbatterie gespeist werden, so dass bei Verwendung der Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug keine weitere Spannungsquelle nötig ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Eingangssignalpfad der Schaltungsanordnung weiter eine Signalaufbereitungseinheit umfassen, welche einen Tiefpassfilter für das Eingangssignal aufweist. Ein solcher Tiefpassfilter kann aus einem Widerstand und einer Kapazität als RC-Glied gebildet werden und kann so hochfrequente Störungen auf dem Eingangssignal unterdrücken.
Weiter kann der Eingangssignalpfad der Schaltungsanordnung eine Begrenzungseinheit umfassen, welche mindestens einen Widerstand und eine Diode umfasst und welche ausgelegt ist, den Strom und/oder die Spannung des Eingangssignals in dem Eingangssignalpfad zu begrenzen, beispielsweise um die folgenden Schaltungsbestandteile nicht zu überlasten. Dabei können einzelne Elemente wie der Widerstand der Begrenzungseinheit auch gleichzeitig den Widerstand der optionalen Signalaufbereitungseinheit umfassen und entsprechend dimensioniert sein, um beide Aufgaben zu erfüllen. Die Begrenzungseinheit kann auch weitere Elemente, z.B. eine weitere antiparallel geschaltete Diode, umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst die Signalauswertungseinheit mindestens einen Operationsverstärker, dessen Ausgang den Ausgang der Signalauswertungseinheit bildet, wobei zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und einem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein Rückkoppelzweig eingesetzt ist, und wobei der Rückkoppelzweig zumindest eine Kapazität und einen Widerstand in Reihe geschaltet umfasst. Eine derartige Rückkopplung kann dazu dienen, unerwünschte Effekte durch Rauschen bzw. kleine Schwankungen des Eingangssignals zu unterdrücken, indem das Potential des Eingangssignals jeweils minimal nach oben bzw. nach unten gezogen wird. Ein Rückkoppelzweig kann dazu weitere Elemente umfassen, wie beispielsweise ein antiparalleles Diodenpaar und/oder einen weiteren Widerstand. Zusätzlich oder alternativ zu dieser Rückkopplung kann zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein Feldeffekttransistor eingesetzt sein, der ebenfalls zur Rauschunterdrückung dient. Bevorzugt kann der Operationsverstärker ein Komparator sein.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren vorgeschlagen, welches die folgenden Schritte umfasst: Erfassen mindestens eines elektrischen Signals eines mehrphasigen Generators; Umwandeln des mindestens einen elektrischen Signals in ein Rechtecksignal unter Verwendung einer Schaltungsanordnung wie vorstehend beschrieben; Erhalten einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition einer Welle, die mit dem Generator verbunden ist, aus dem Rechtecksignal. Auf diese Weise kann insbesondere ein Signal eines mehrphasigen Generators, der starr mit der Kurbelwelle eines Fahrzeugs verbunden ist, genutzt werden, um mittels einer Schaltungsanordnung wie vorstehend beschrieben hochaufgelöste Drehzahlinformationen zu gewinnen. Das mindestens eine elektrische Signal kann beispielsweise ein Phasensignal des mehrphasigen Generators sein.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein solches Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung schematisch als ein Blockdiagramm;
2 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;
3 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung; und
4 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
Zur Auswertung der elektrischen Signale des Generators als Drehzahlinformation ist es erforderlich, die Signale in einer für digitale Auswerteeinheiten geeigneten Signalform zu gewinnen. Als elektrische Signale stehen vom Generator je nach Aufbau verschiedene Größen zur Verfügung. Bei einer üblichen mehrphasigen Drehstrommaschine können dies beispielsweise die Phasenspannungen sein, welche beispielsweise zwischen je einer Phase und einem Bezugssignal, z.B. Masse herrschen.
Das Generatorsignal wird dann erfindungsgemäß in Bezug auf seine Nulldurchgänge ausgewertet, indem eine Schaltung die Nulldurchgänge detektiert und diese als Flanken eines Rechtecksignals am Ausgang darstellt. Das Ausgangssignal zeigt dabei an, ob aktuell am Eingang ein positives oder negatives Potential bezogen auf eine Referenz anliegt.
Die einzelnen Phasensignale eines mehrphasigen Generators sind zueinander um 360° geteilt durch die Anzahl der Phasen verschoben, d.h. bei einem dreiphasigen Generator als Beispiel um 120°. Können die einzelnen Signale nicht gegen ein Bezugssignal gemessen werden, insbesondere bei einer Dreiecksschaltung oder wenn bei einer Sternschaltung der Sternpunkt nicht nach außen geführt ist, müssen die zur Verfügung stehenden Generatorsignale einzeln als referenzbasierte bzw. single-ended Signale verarbeitet werden. Dafür können verschiedene Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung verwendet werden. Die Ausgangssignale einer solchen Schaltung können dann in einer geeigneten Verarbeitungseinheit, wie etwa einem Prozessor oder insbesondere einem Steuergerät eines Fahrzeugs, weiterverarbeitet werden.
In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt. Die einzelnen in 1 dargestellten Funktionsblöcke repräsentieren dabei verschiedene Schaltungsteile der Schaltungsanordnung 100.
Eine geeignete Schaltung kann über insgesamt drei Eingänge und einen Ausgang verfügen. Über die Eingänge V+ und V- wird eine Spannungsversorgung angeschlossen. Hierfür kann direkt die Batteriespannung z.B. der Fahrzeugbatterie verwendet werden. Über den Eingang In wird ein Single-Ended-Analogsignal angeschlossen, aus welchem die Schaltung ein Rechtecksignal generiert, dessen Flanken die Nulldurchgänge der Eingangsspannung zwischen In und V-markieren und dessen Pegel darstellt, ob am Eingang ein positives oder negatives Potential gegenüber V- anliegt.
Die Schaltungsanordnung 100 weist einen ersten Potentialanschluss V+ und einen zweiten Potentialanschluss V- zur Verbindung mit einer Versorgungsspannung auf.
Ein erster Funktionsblock 110 kann zur Versorgung für die nachfolgenden Funktionsblöcke vorgesehen sein. Je nach an den Potentialanschlüssen V+ und V-angeschlossener Versorgungsspannungsquelle kann diese Versorgungsspannung entsprechend stabilisiert werden und deren Spannungsniveau angepasst werden, um einen stabilen Betrieb der nachfolgenden Schaltungsteile zu ermöglichen. Hierfür kann der Funktionsblock 110 beispielsweise Stützkapazitäten, Spannungsregler, Spannungs- oder Strombegrenzer (insbesondere Widerstände) umfassen.
Ferner kann die Schaltungsanordnung 100 einen Eingangsanschluss In zur Einspeisung eines insbesondere referenzbasierten (single-ended) Eingangssignals in einen Eingangssignalpfad umfassen, welches von den Funktionsblöcken 120, 130, 140, 150 und 160 in ein rechteckförmiges Ausgangssignal gewandelt wird, welches an einem Ausgangsanschluss Out ausgegeben wird.
Die Schaltung kann weiter einen Funktionsblock 120 als eine Begrenzungseinheit für eine Spannungs- und/oder Strombegrenzung umfassen. Je nach Spannungsamplitude oder Leistung des Eingangssignals kann es sinnvoll sein, dessen Spannung und Strom eingangsseitig mit Hilfe des Funktionsblocks 120 zu begrenzen, um die nachfolgenden Schaltungsteile nicht zu überlasten oder zu beschädigen.
Der Funktionsblock 130 ist als eine Signalaufbereitungseinheit vorgesehen. Gegebenenfalls kann es notwendig sein, ein limitiertes Eingangssignal aufzubereiten, um eine Verarbeitung in den nachfolgenden Schritten zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Eingangssignal zu diesem Zweck von dem Funktionsblock 130 mit einem Spannungsoffset versehen werden, um es in einen optimalen Arbeitspunkt nachfolgender Blöcke zu verschieben.
Der Funktionsblock 140 ist als eine Signalverarbeitungseinheit vorgesehen. Um eine brauchbare Auswertung des Signals zu ermöglichen, kann es sinnvoll sein, verschiedene Verarbeitungsschritte durchzuführen. Beispielsweise können in dem Funktionsblock 140 Störungen aus dem Eingangssignal mit Hilfe eines Filters entfernt werden, z.B. mittels eines Tiefpass-Filters.
Der Funktionsblock 150 ist als eine Signalauswertungseinheit ausgeführt. Die Schaltungsanordnung 100 ist dazu vorgesehen, an ihrem Ausgang darzustellen, ob das Eingangssignal ein positives oder negatives Potential im Vergleich zu V-aufweist. Das Eingangssignal wird zu diesem Zweck in dem Funktionsblock 150 derart ausgewertet bzw. umgewandelt, dass Nulldurchgänge dieser Potentialdifferenz an dem Ausgang als (möglichst steile) Signalflanken ausgegeben werden, so dass aus einem beliebigen Eingangssignal ein rechteckförmiges Ausgangssignal entsteht, welches das Vorzeichen der Eingangsspannung zwischen In und V- durch dessen Pegel und die Nulldurchgänge der Spannung bzw. Potentialdifferenz als steigende beziehungsweise fallende Flanken darstellt. Ein positives Vorzeichen der Eingangsspannung wird dabei insbesondere als High-Pegel dargestellt und ein negatives Vorzeichen insbesondere als Low-Pegel. Hierfür wird in diesem Funktionsblock 150 insbesondere ausgewertet, welches Vorzeichen das Eingangspotential bezogen auf V- aufweist und ein entsprechendes Signal für die Ausgangsstufe erzeugt.
In dem Funktionsblock 160, der zur Erzeugung des endgültigen Ausgangssignals dient, kann das Ausgangssignal optional je nach benötigter Ausgangsspannung und Ausgangsleistung entsprechend verstärkt und an dem Ausgang der Schaltungsanordnung 100 ausgegeben werden.
Dabei können die beschriebenen Funktionsblöcke auch in einer anderen Reihenfolge umgesetzt werden. Ebenso ist es möglich, statt der Nulldurchgänge der Spannung in Funktionsblock 150 ein Unterschreiten oder Überschreiten eines bestimmten Referenzwerts (ungleich Null) auszuwerten. Entsprechend wird das Potential an In nicht mehr mit V- verglichen, sondern dem gewählten Referenzwert.
2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 als ein Schaltdiagramm.
Der zentrale Funktionsblock 150 der Schaltung umfasst ein aktives Halbleiterbauelement U1, das die Nulldurchgänge der Eingangsspannung (Potentialdifferenz zwischen In und Referenzpotential (bzw. V-)) wie beschrieben auswertet. Dabei kann es sich um einen Komparator, einen Operationsverstärker, einen Differenzverstärker oder eine andere geeignete Schaltung handeln. Wichtig ist eine möglichst präzise Auswertung der Eingangsspannung auf deren Vorzeichen und die Möglichkeit, am Ausgang steile Schaltflanken darzustellen. Auch wenn im Folgenden das Bauteil beispielhaft als Komparator U1 besprochen wird, sind alle entsprechenden Alternativen ebenso einsetzbar. Der Komparator muss mit einer unipolaren Versorgungsspannung Vcc/V- betreibbar sein; außerdem müssen die Eingänge auch kleine negative Spannungen gegenüber V- auswerten können.
Die Versorgungsspannung V_cc für den Komparator bzw. die gesamte weitere Schaltung wird in Funktionsblock 110 aus einer Spannungsquelle mit den Eingangsspannungen V+ und V- erzeugt, die bevorzugt direkt aus einer Fahrzeugbatterie stammen können. Dabei generieren ein Widerstand R1 und eine Zenerdiode D1, die in Reihe zwischen V+ und V- geschaltet sind, eine Referenzspannung für die Versorgungsspannung. Weiter kann ein Bipolartransistor Q1 (npn) mit der Basis zwischen R1 und D1 geschaltet werden, während der Kollektor von Q1 mit dem positiven Spannungseingang V+ verbunden werden kann. Damit regelt Q1 als Längsregler die Versorgungsspannung des Komparators Vcc auf die gegebene Versorgungsreferenzspannung an seiner Basis abzüglich dem Spannungsabfall von Basis nach Emitter ein. Der Kondensator C1, der mit dem Emitter und dem negativen Spannungseingang V- verbunden ist, dient als Pufferkapazität dazu, bei Schaltvorgängen der nachfolgenden Schaltungen Spannungs- und/oder Stromspitzen zu filtern.
Funktionsblock 120 kann einen Widerstand R2 und eine Diode D2 umfassen, durch welche das Eingangssignal In strom- bzw. spannungsbegrenzt wird, um die nachfolgenden Schaltungsteile nicht zu überlasten. Dazu wird in diesem Beispiel ein Widerstand R2 zwischen den Signaleingang In und die Anode der Diode D2 geschaltet, während die Kathode der Diode D2 mit dem negativen Potentialanschluss V- verbunden wird. Auf diese Weise wird lediglich eine Spannungsbegrenzung der positiven Signalspannungen gegenüber V- vorgenommen, so dass bei der vorliegenden Anordnung negative Potentiale am Eingang In nicht zu groß ausfallen sollten. Falls eine zusätzliche Begrenzung des negativen Potentials gewünscht ist, kann antiparallel D2 eine weitere Diode D3 verwendet werden, die in 1 nicht gezeigt ist.
Ein Funktionsblock 140 zur Signalaufbereitung umfasst ebenfalls den Widerstand R2 sowie eine Kapazität C2, die zwischen den Widerstand R2 und das negative Potential V- geschaltet ist. Neben der Strombegrenzung bildet der Widerstand R2 damit gleichzeitig zusammen mit der Kapazität C2 einen Tiefpassfilter, der in der Lage ist, hochfrequente Störungen auf dem Eingangssignal zu unterdrücken. Die Filterfrequenz kann über die Dimensionierung der Bauteile gewählt werden. Dabei sollte beachtet werden, dass R2 gleichzeitig als Teil des strombegrenzenden Funktionsblocks 120 wirkt und daher ausreichend groß bleiben muss, um eine Strombegrenzung zu gewährleisten.
Um eine negative Eingangsspannung an den zulässigen Bereich des verwendeten Komparators anzupassen, kann ein Spannungsteiler (Funktionsblock 130) verwendet werden, der die Widerstandselemente R3 und R4 umfasst, wobei R3 mit dem Ausgang des Funktionsblocks 140 bzw. mit dem Kondensator C2 verbunden ist, während R4 zwischen das negative Potential V- und den positiven (nicht invertierenden) Komparatoreingang am Komparator U1 geschaltet wird.
Die eigentliche Auswertung des Signalpotentials geschieht in diesem Ausführungsbeispiel in Funktionsblock 150 durch das Halbleiterbauelement U1. Um bei fehlendem Eingangssignal beziehungsweise bei einem Eingangssignal mit Pegel auf V- ein Schwingen der Schaltung zu vermeiden, findet der Vergleich im Komparator vorzugsweise nicht gegen das negative Potential V- statt, sondern gegen ein minimal höheres Referenzpotential Vref. Dieses wird durch einen Spannungsteiler generiert, der die Widerstände R6 und R7 umfasst, die hier jeweils zwischen V_cc (Ausgang des Funktionsblocks 110) und den negativen (invertierenden) Komparatoreingang bzw. zwischen V- und den negativen (invertierenden) Komparatoreingang geschaltet sind. Typischerweise liegt die Abweichung des Referenzpotentials von V- im niedrigen Millivolt-Bereich (5-50mV).
Damit kann nun der Komparator U1 vergleichen, ob das Potential des verarbeiteten Eingangssignals an seinem nicht-invertierenden Eingang größer oder kleiner als das Referenzpotential Vref ist, das an seinem invertierenden Eingang anliegt. Entsprechend wird das Ausgangssignal auf die Versorgungsspannung Vcc oder auf V- gezogen. Auf diese Weise wird ein Rechtecksignal ausgegeben, das anzeigt, ob die Differenz zwischen Eingangssignal und Referenzpotential momentan eine positive oder negative Spannung aufweist und dessen Flanken die Nulldurchgänge markieren.
Der damit verbundene Schaltvorgang kann über die Bauteile R5, C3 und C4 vom Ausgang an den positiven/nicht-invertierenden Eingang des Komparators zurückgeleitet werden. Dadurch wird dessen Potential bei steigender Flanke (also steigender Eingangsspannung) nach oben gezogen und bei fallender Flanke nach unten gezogen; somit kann ein Schwingen des Ausgangs durch Rauschen im Umschaltpunkt (V_in = V_ref) vermieden werden.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gezeigt. Gegenüber dem ersten Beispiel aus 2 wurden die Eingangsbeschaltung des Komparators U1 sowie der Rückkoppelzweig vom Ausgang des Komparators U1 auf dessen positiven (nicht-invertierenden) Eingang verändert.
Funktionsblock 110 entspricht in Aufbau und Funktion vollständig dem entsprechenden Funktionsblock 110 aus dem ersten Beispiel in 2 und umfasst wieder die Bauteile R1, D1, Q1 und C1 zum Erzeugen der Versorgungsspannung V_cc.
In Funktionsblock 120 zur Strom- und Spannungsbegrenzung wurde wie schon vorgeschlagen eine weitere Diode D3 ergänzt, die antiparallel zur Diode D2 gesetzt ist. Diese kann auftretende negative Spannungsspitzen begrenzen, die durch die geänderte Rückkopplung verursacht werden können.
Funktionsblock 140 und damit die Kapazität C2 kann in diesem Ausführungsbeispiel entfallen, da eine Rauschunterdrückung mittels RC-Glied in dieser Anordnung nicht zwingend benötigt wird.
Die wesentlichen Änderungen gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel sind, wie in 3 gezeigt, im Komparator-Funktionsblock 150 vorgenommen. Der Rückkoppelzweig zwischen dem Ausgang des Komparators U1 und dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators wird neben den bereits zu 2 beschriebenen Elementen C3 und R5 um ein antiparalleles Diodenpaar D4 und D5 ergänzt, die nach dem Komparatorausgang in den Rückkoppelzweig eingesetzt werden. Diese sorgen dafür, dass die Rückkopplung auf den nicht-invertierenden Eingang des Komparators U1 deutlich weniger sensitiv gegenüber kleinen, z.B. rauschbedingten Änderungen der Eingangsspannung reagiert.
Darüber hinaus kann ein MOSFET (Feldeffekttransistor) M1 eingesetzt werden, über welchen der Ausgang des Komparators auf den invertierenden Eingang des Komparators zurückgekoppelt wird. Dabei ist die Gate-Elektrode mit dem Komparatorausgang verbunden, während die Source-Elektrode auf V- gelegt ist und die Drain-Elektrode mit dem invertierenden Komparatoreingang verbunden ist. Durch diesen MOSFET M1 verhält sich die Rückkopplung invertiert zum Ausgang des Komparators U1 und zieht den negativen/invertierenden Eingang gegen V-, sobald der Ausgang auf V+ gezogen wird. Damit ergibt sich eine Hysterese des Referenzpotentials, die wie schon im ersten Beispiel durch den Spannungsteiler aus den Widerständen R6 und R7 bereitgestellt wird. Durch die Hysterese wird die Rauschempfindlichkeit ebenfalls deutlich erhöht.
Um nur einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R6 und R7, für mehrere Schaltungen verwenden zu können, wird zur Reduzierung der Belastung ein strombegrenzender Widerstand R9 in Richtung des negativen Komparatoreingangs geschaltet.
Die beiden vorgestellten Rauschunterdrückungsmöglichkeiten, d.h. einmal die Rückkopplung auf den positiven Eingang und zum anderen die Rückkopplung über einen MOSFET auf den negativen Eingang, lassen sich unabhängig voneinander verwenden. Daher müssen nicht beide Rückkopplungen verwendet werden, sondern es können in einer Schaltung entweder beide oder alternativ nur eine der beiden Varianten einzeln verwendet werden.
Durch die über den MOSFET M1 realisierte Hysterese in diesem Beispiel vergleicht der Komparator U1 nur für fallende Eingangsspannung auf einen realen Nulldurchgang der Spannung, unter Vernachlässigung des geringen Spannungsabfalls über M1. Für steigende Eingangspotentiale wird dagegen der Schnittpunkt des Eingangspotentials mit dem Referenzpotential des Spannungsteilers R6, R7 (Spannung größer 0 Volt) verglichen. Damit wird der Ausgang für steigende Nulldurchgänge (Übergang von negativer zu positiver Spannung) der Eingangsspannung leicht verzögert zum realen Nulldurchgang umgeschaltet.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schaltanordnung zum Umwandeln des Single-Ended-Signals in ein Rechtecksignal. Hier wird der fallende Nulldurchgang (Übergang von positiver zu negativer Spannung) der Eingangsspannung verzögert am Ausgang abgebildet und der steigende Nulldurchgang verzögerungsfrei abgebildet, so dass ein invertiertes Hystereseverhalten vorliegt.
Die Funktionsblöcke 110, 120 und 130 sind wie im zweiten Ausführungsbeispiel in 3 realisiert und werden daher nicht erneut beschrieben.
Die MOSFET-Rückkopplung des Komparators über das Bauteil M1, die in dem Beispiel aus 3 gezeigt wurde, entfällt hier, kann aber grundsätzlich auch wie bereits beschrieben eingesetzt werden. Ebenfalls ist in diesem Fall keine Erzeugung eines Referenzpotentials Vref durch die Widerstände R6, R7 und optional R9 erforderlich.
Die Rückkopplung des Komparatorausgangs auf den nicht-invertierenden Eingang wird dagegen um einen Widerstand R6 erweitert, der parallel zu der auch in 3 vorliegenden Serienschaltung aus C3, D4 und D5 geschaltet wird. Bevorzugt wird dieser Widerstand R6 sehr hochohmig gewählt, um lediglich eine sehr kleine Hysterese zu verwirklichen. Damit wird die Schaltung unempfindlich auf Rauschen am Eingang und kann trotzdem kleine „echte“ Eingangssignale auf deren Nulldurchgang auswerten.
Da der Rückkopplungswiderstand R6 also die Eingangsspannung leicht in Richtung V+ zieht, wenn der Ausgang des Komparators U1 auf V+ gezogen wird, liegt ein leicht positives Potential am nicht-invertierenden Eingang des Komparators U1 vor, solange kein Eingangssignal anliegt. Rauschen sorgt damit für keinen Nulldurchgang der Eingangsspannung des Komparators U1.
Liegt der Ausgang des Komparators U1 auf V-, wird die Eingangsspannung nicht verfälscht, es wird also tatsächlich ein Nulldurchgang der Eingangsspannung für den Fall einer steigenden Spannung detektiert. Liegt der Ausgang des Komparators U1 auf dem positiven Potential V+ und zieht das Potential am Signaleingang In leicht nach oben, wird für fallende Eingangsspannung nicht auf einen Nulldurchgang verglichen, sondern erst für negative Eingangssignale (entsprechend dem Inversen des durch R6 verursachten Offsets) ein Nulldurchgang festgestellt, so dass das Umschalten des Ausgangs dann leicht verzögert auftritt.
Eine mögliche weitere Verstärkung oder sonstige Verarbeitung des Ausgangssignals, wie sie in Funktionsblock 160 geschehen kann, ist in den vorliegenden Schaltungsbeispielen nicht gezeigt. Das aus dem Komparator U1 gewonnene Ausgangssignal kann also in allen Beispielen durch weitere Schaltbauteile verarbeitet werden und/oder beispielsweise einer Steuereinheit, wie etwa einem Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, zugeführt werden. Aus dem Rechtecksignal kann dann, falls als Eingangssignal ein geeignetes Generatorsignal wie Strangspannungen des Generators verwendet wurden, wie bereits beschrieben eine Drehzahlinformation, d.h. die Drehzahl und/oder die Winkelposition, direkt gewonnen werden. Diese können wiederum im Steuergerät zur Steuerung eines Verbrennungsmotors genutzt werden und damit anders gewonnene Drehzahlinformationen entweder ergänzen oder vollständig ersetzen.
Für alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, insbesondere die in 2 bis 4 beschriebenen Schaltungen, können weitere Anpassungen bei Bedarf vorgenommen werden, die im Folgenden beschrieben werden.
Falls beispielsweise U1 als ein Komparator mit einem Open-Collector-Ausgang (Ausgang kann über einen integrierten Transistor (typischerweise MOSFET) lediglich gegen die untere Versorgungsspannung V-, nicht aber gegen die obere Versorgungsspannung V+ gezogen werden) vorliegt, kann der Widerstand R8 wie in allen Beispielen gezeigt als Pull-Up-Widerstand eingesetzt werden, um den High-Pegel am Ausgang zu erzeugen. Dazu wird der Widerstand R8 zwischen dem Ausgang und der Versorgungsspannung V_cc eingesetzt.
Je nach Empfindlichkeit des Komparators auf Schwankungen der Versorgungsspannung V_cc kann direkt an den Anschlüssen der Versorgungsspannung des Komparators eine zusätzliche Stützkapazität C5 vorgesehen werden.
Statt der in Funktionsblock 110 gezeigten Bauteile R1, D1 und Q1 kann zur Generierung der Versorgungsspannung auch ein alternativer Spannungsregler verwendet werden. Beispiele hierfür sind integrierte Linearspannungsregler oder Schaltungsspannungsregler. Falls die Versorgungsspannung zwischen V+ und V- bereits ausreichend stabil und auf passendem Spannungsniveau vorliegt, kann auf diesen Teil der Schaltung, d.h. auf Funktionsblock 110, auch vollständig verzichtet werden. Falls dagegen eine nur leicht schwankende Versorgungsspannung vorliegt, können beispielsweise R1 und D1 weggelassen werden und der Transistor Q1 durch einen Widerstand zur Strombegrenzung ersetzt werden. Dieser Widerstand würde dann zusammen mit der Kapazität C1 als Tiefpass zur Filterung von Schwankungen der Versorgungsspannung wirken. Statt eines Bipolartransistors kann für das Bauteil Q1 in allen Beispielen auch ein anderer Transistortyp, beispielsweise ein MOSFET, gewählt werden.
Falls eine bipolare Versorgungsspannung vorhanden ist, können auch entsprechende Komparatoren, Operationsverstärker oder Differenzverstärker mit bipolarer Versorgungsspannung verwendet werden.
Falls die Ausgangsspannung der Schaltung einen bestimmten Wert nicht überschreiten soll, kann hierfür beispielsweise eine Zenerdiode mit entsprechender Zener-Spannung zur Spannungsbegrenzung zwischen den Komparatorausgang und V- geschaltet werden, wobei die Anode mit V- und die Kathode mit dem Ausgang verbunden wird. Alternativ könnte der Pull-Up-Widerstand R8 statt mit der Versorgungsspannung mit einer entsprechend geeigneten anderen Spannungsquelle verbunden werden.
Wird eine höhere Stabilität des mittels der Widerstände R6 und R7 erzeugten Referenzpotentials Vref erwünscht, so kann R7 durch eine Zener-Diode mit gewünschter Zener-Spannung ersetzt werden, wobei die Anode mit V- und die Kathode mit R6 verbunden wird. In diesem Fall wirkt R6 als Strombegrenzer zum Schutz der Zener-Diode und nicht mehr als Teil eines Spannungsteilers.
Statt einzelner Komparatoren kann für das Bauteil U1 auch ein Element gewählt werden, das integriert mehrere Komparatoren bereitstellt, insbesondere für den Fall, dass mehrere Eingangssignale (z.B. mehrere Strangspannungen) durch jeweils eine Schaltung der vorgestellten Art verarbeitet werden sollen.
Ebenso besteht die Möglichkeit, Teile der vorgestellten diskreten Schaltungen oder die gesamte Schaltung als integrierte Schaltung (IC, integrated circuit) zu verwirklichen. Auf diese Weise kann Platinenplatz gespart werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014206173 A1 [0007]
DE 102016221459 A1 [0008]

Claims

Schaltungsanordnung (100) zum Wandeln eines Eingangssignals in ein rechteckförmiges Ausgangssignal, umfassend: einen Eingangseinschluss (In) zur Einspeisung des referenzbasierten Eingangssignals in einen Eingangssignalpfad; einen ersten Potentialanschluss (V+) und einen zweiten Potentialanschluss (V-); einen Ausgangsanschluss (Out) zur Ausgabe des rechteckförmigen Ausgangssignals; eine Signalauswertungseinheit (150) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang, die dazu eingerichtet ist, an ihrem Ausgang darzustellen, ob zwischen dem Eingangssignal und einem Referenzpotential (V_ref) eine positive oder negative Eingangsspannung herrscht, wobei über den Signaleingangspfad der erste Eingang der Signalauswertungseinheit (150) mit dem Eingangseinschluss (In) verbunden ist, und der zweite Eingang der Signalauswertungseinheit (150) mit einem Referenzpotential (V_ref) verbunden ist, und wobei der Ausgang der Signalauswertungseinheit (150) mit dem Ausgangsanschluss (Out) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Signalauswertungseinheit (150) einen Spannungsteiler aufweist, welcher zwei Widerstände (R6, R7) umfasst, wobei der Spannungsteiler aus einer Versorgungsspannung (V+, V-, V_cc) und dem zweiten Potential (V-) das Referenzpotential (V_ref) erzeugt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das zweite Potential (V-) das Referenzpotential (V_ref) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalauswertungseinheit mindestens einen Operationsverstärker (U1) umfasst, dessen Ausgang den Ausgang der Signalauswertungseinheit bildet, und wobei zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers (U1) und einem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (U1) ein Rückkoppelzweig eingesetzt ist, und wobei der Rückkoppelzweig zumindest eine Kapazität (C3) und/oder einen Widerstand (R5) und/oder ein antiparalleles Diodenpaar (D4, D5) in Reihe geschaltet umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalauswertungseinheit mindestens einen Operationsverstärker (U1) umfasst, und wobei zwischen einem Ausgang des Operationsverstärkers (U1) und einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (U1) ein Feldeffekttransistor verschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Operationsverstärker (U1) ein Komparator ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Versorgungsspannungseinheit, welche einen Spannungsregler umfasst, um aus dem ersten Potential (V+) und dem zweiten Potential (V-) eine vorgegebene Versorgungsspannung (Vcc) für die Signalauswertungseinheit (150) zu erzeugen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingangssignalpfad der Schaltungsanordnung weiter eine Signalaufbereitungseinheit (140) umfasst, welche einen Tiefpassfilter für das referenzbasierte Eingangssignal aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Eingangssignalpfad der Schaltungsanordnung weiter eine Begrenzungseinheit (120) umfasst, welche mindestens einen Widerstand (R2) und eine Diode (D2) umfasst und welche ausgelegt ist, den Strom und/oder die Spannung des Eingangssignals in dem Eingangssignalpfad zu begrenzen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Potentialanschluss und der zweite Potentialanschluss durch eine Fahrzeugbatterie gespeist werden.
Verfahren, umfassend: Erfassen mindestens eines elektrischen Signals eines mehrphasigen Generators; Umwandeln des mindestens einen elektrischen Signals in ein Rechtecksignal unter Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; Erhalten einer Drehzahl und/oder einer Winkelposition einer Welle, die mit dem Generator verbunden ist, aus dem Rechtecksignal.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das mindestens eine elektrische Signal ein Phasensignal des mehrphasigen Generators ist.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach Anspruch 11 oder 12 durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, alle Verfahrensschritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.