DE102023101564B3

DE102023101564B3 - Spannungsbasierte diagnose eines lautsprechers in einem audioausgabesystem

Info

Publication number: DE102023101564B3
Application number: DE102023101564.8A
Authority: DE
Inventors: Jens König
Original assignee: Cariad SE
Current assignee: Cariad SE
Priority date: 2023-01-23
Filing date: 2023-01-23
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2043-01-24

Abstract

In der Erfindung geht es darum, die Funktionsfähigkeit eines Lautsprechers (10) in einem Audioausgabesystem (1) festzustellen. Dazu wird eine Diagnoseschaltung (40) eingesetzt. Mittels der Diagnoseschaltung (40) wird am differenziellen Verstärkereingang (31) eines Audioleistungsverstärkers (30) ein Offset erzeugt, der als niederfrequentes Signal unterhalb einer Frequenz eines Audiosignals (A) mit kleiner Spannungsamplitude unterhalb einer Auslösespannung eines Überlastungsschutzes des Audioleistungsverstärkers (30) an den Verstärkerausgang (32) übertragen wird. Mit dem am Verstärkerausgang (32) daraus erzeugten Signal kann der Lautsprecher (10) zum Überprüfen von dessen Funktionsfähigkeit beaufschlagt werden. Die Veränderungen dieses Signals können als Messsignal (M) mittels einer Auswerteelektronik (50) ermittelt und zum Auswerten zum Beispiel einer anderen Auswertelogik (51) übertragen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Diagnoseschaltung zum Erzeugen eines Diagnosesignals für eine Diagnose eines Lautsprechers in einem Audioausgabesystem. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Audioausgabesystem mit einer entsprechenden Diagnoseschaltung. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Diagnoseschaltung und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Audioausgabesystems.
Mit einem Audioausgabesystem können Audiosignale, wie zum Beispiel Musik oder eine Stimme, über einen Lautsprecher ausgegeben werden. Im Kraftfahrzeugbereich wird ein solches Audioausgabesystem zum Beispiel in einem automatischen Notrufsystem, dem sogenannten eCall, eingesetzt. Weitere Einsatzbereiche sind zum Beispiel ein Infotainmentsystem oder Autoradio oder ein Soundgenerator, wie er zum Erzeugen eines künstliches Fahrgeräuschs für ein Elektrofahrzeug, verwendet wird. Gerade für sicherheitsrelevante Systeme eines Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel den eCall und den Soundgenerator, ist es wichtig, dass ein Lautsprecher des Audioausgabesystems und die zu ihm führenden Leitungen funktionsfähig sind. Deshalb gibt es für Audioausgabesysteme die Möglichkeit, eine Diagnose des Lautsprechers durchzuführen, um dessen Funktionsfähigkeit und die der Leitungen zu überprüfen.
Zum Beispiel offenbart die DE 101 20 460 C1 ein Verfahren zur Diagnose des Anschlusses eines Lautsprechersystems an eine Empfangsanlage.
Die DE 10 2018 220 461 B3 offenbart einen Lautsprecher für ein Kraftfahrzeug mit einer Recheneinrichtung, mittels welcher die Funktionalität des Lautsprechers geprüft wird. Dadurch ist eine Selbstdiagnose des Lautsprechers umgesetzt.
Die EP 2 871 095 B1 offenbart eine Näherungsalarmvorrichtung, die mit einem externen Lautsprecher verbunden werden kann. Die Näherungsalarmvorrichtung kann zum Beispiel an einem Elektrofahrzeug angebracht werden, um einen Fußgänger vor dem herannahenden Fahrzeug zu warnen. Für eine Fehlerdiagnose des Näherungsalarmsystems kann das Audiosignal verstärkt werden und ein resultierender Spannungswert mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden.
Die US 2014 / 0 348 335 A1 und US 2022 / 0 103 957 A1 offenbaren jeweils Vorrichtungen zum Überprüfen von elektroakustischen Wandlern. Die US 2014 / 0 348 335 A1 offenbart hierzu die Beaufschlagung des Wandlers mit einem Offsetsignal. Die US 2022 / 0 103 957 A1 zeigt eine Schaltung zur Überwachung des Stroms, der durch einen Lautsprecher fliest.
Beim Nutzen eines Audiosignals für die Diagnose ergibt sich der Nachteil, dass immer das Audiosignal vorhanden sein muss, damit festgestellt werden kann, ob der Lautsprecher noch funktioniert. Im gemuteten oder stummgeschalteten Zustand der Audioquelle des Audioausgabesystems ist dann keine Diagnose möglich. Auch eignet sich nicht jedes Musik- oder Sprachsignal dazu, eine vollständige Diagnose (oder gar eine Impedanzmessung über einen bestimmten Frequenzbereich) durchzuführen.
Aus dem internen Stand der Technik ist deshalb ein alternativer Ansatz bekannt, bei dem ein separates Messsignal zum Beispiel mittels eines externen DSP (Digital Signal Processor - digitaler Signalprozessor) für das eCall-Systems erzeugt und für die Diagnose der daraus folgende Stromverbrauch des Lautsprechers und die anliegende Spannung im DSP analysiert wird.
Bevorzugt wird das Messsignal möglichst niederfrequent eingestellt, also insbesondere unterhalb des Frequenzbereichs des Audiosignals liegt, der üblicherweise zwischen 20 Hz und 20 kHz liegt. So soll vermieden werden, dass bei aktivierter Audioübertragung das Audiosignal verzerrt wird und es zum Beispiel zum Übersprechen kommt. Gleichzeitig kann auch vermeiden werden, dass das Messsignal am Lautsprecher für einen Menschen hörbar wahrgenommen wird. Als Messsignal eignet sich zum Beispiel ein 1 Hz Sinussignal, welches aus Sicht des Lautsprechers im Wesentlichen als DC-Signal (DC: Direct Current - Gleichstrom) wahrgenommen wird oder wirkt. Außerdem ist darauf zu achten, dass die gewählte Amplitude (maximaler Strom- oder Spannungswert) des Messsignals so gering gewählt ist, dass zum Beispiel eine integrierter Überlastschutz (DC Offset Protection) eines Audioleistungsverstärkers (Endstufe), der vor den Lautsprecher geschaltet ist, nicht ausgelöst wird. Dazu eignet sich beispielweise ein Spitzenwert (peak-to-peak Wert - Spitze-Tal-Wert) kleiner 1 V, zum Beispiel von 100 mV.
Für die Diagnose wird somit ein zusätzlicher DSP gebraucht, der häufig von Lieferanten eines eCall-Systems nicht mitgeliefert wird, oder nicht für die Diagnosefähigkeit ausgelegt ist, beispielsweise weil die Rechenleitung fehlt, der Aufwand in der Softwareentwicklung für ein entsprechendes Diagnoseprogramm aufwendig ist oder ein zusätzlicher Eingangskanal fehlt. Die Diagnose ist dadurch aufwändig und erfordert zusätzlich eine erhöhte Rechenleistung.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einem Audioausgabesystem die Diagnose eines Lautsprechers besonders aufwandsarm und eigenständig zu realisieren.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche, die Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass unabhängig von der Audioausgabe besonders einfach eine Lautsprecherdiagnose umgesetzt werden kann, wenn mittels einer Diagnoseschaltung am differentiellen Verstärkereingang eines Audioleistungsverstärkers gezielt ein Offset, also eine Spannungsdifferenz, erzeugt wird. Dazu kann mittels der Diagnoseschaltung eine interne Biasspannung der beiden Eingangsanschlüsse am Verstärkereingang abgenommen werden. Die Biasspannung kann mittels der Diagnoseschaltung um einen steuerbaren Betrag, der dem Offset entspricht, verändert werden und der steuerbare Betrag kann anschließend nur einem der beiden Eingangsanschlüsse hinzugefügt werden. Da bei einem Audioleistungsverstärker beide Eingangsanschlüsse üblicherweise die gleiche Biasspannung aufweisen, kann so der Offset erzielt werden. Dieser Offset hat eine Aussteuerung des Verstärkers zur Folge, sodass auch am differentiellen Verstärkerausgang die verstärkte Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen messbar und verfügbar ist. Infolge dieser Aussteuerung kann somit ein Strom in den Leitungen zum Lautsprecher und eine Spannung an den Anschlussklemmen zum Lautsprecher selbst hervorgerufen und gemessen werden. Dieser Strom beziehungsweise diese Spannung können jeweils als Messsignal ausgewertet werden, um die Funktionsfähigkeit des Lautsprechers zu ermitteln.
Um diese Diagnosefähigkeit umzusetzen, schlägt die Erfindung gemäß einem Aspekt eine Diagnoseschaltung vor, die auch als Offsetschaltung bezeichnet werden kann, und die zum Erzeugen eines Diagnosesignals für eine Diagnose eines Lautsprechers in einem Audioausgabesystem ausgebildet ist. Die Diagnoseschaltung umfasst einen ersten Verbindungsanschluss zum Anschließen an einen ersten Verstärkereingangsanschluss eines Audioleistungsverstärkers des Audioausgabesystems. Die Diagnoseschaltung umfasst einen zweiten Verbindungsanschluss zum Anschließen an einen zweiten Verstärkereingangsanschluss des Audioleistungsverstärkers. Bevorzugt sind die Verstärkeranschlüsse, also der erste und der zweite Verstärkereingangsanschluss, für eine Differenzverstärkung eines differentiellen Eingangssignals vorgesehen. Zum Beispiel kann es sich bei dem Audiosignal der besagten Audioquelle um ein differentielles Signal handeln.
Die Diagnoseschaltung umfasst zudem einen Steueranschluss zum Anschließen einer Signalquelle der Diagnoseschaltung. Die Verbindungsanschlüsse (und somit auch die Verstärkereingangsanschlüsse) sind über den Steueranschluss miteinander gekoppelt. Die Diagnoseschaltung umfasst weiterhin einen ersten Impedanzwandler mit einer am Impedanzwandlerausgang wirksamen, vorgegebenen Ausgangsimpedanz. Der erste Verbindungsanschluss ist mit dem Impedanzwandlereingang des ersten Impedanzwandlers verbunden. Der Steueranschluss ist mit dem Impedanzwandlerausgang des ersten Impedanzwandlers gekoppelt. Das heißt, der erste Verbindungsanschluss und der Steueranschluss sind über den ersten Impedanzwandler miteinander verbunden.
Die Diagnoseschaltung umfasst zudem einen zweiten Impedanzwandler, mit dessen Impedanzwandlereingang der Steueranschluss gekoppelt ist. Der zweite Verbindungsanschluss ist mit dem Impedanzwandlerausgang des zweiten Impedanzwandlers gekoppelt. Das heißt, der Steueranschluss und der zweite Verbindungsanschluss sind über den zweiten Impedanzwandler miteinander verbunden.
Die Signalquelle der Diagnoseschaltung ist nun ausgebildet, den Steueranschluss mit einem Spannungssignal zu beaufschlagen. Das heißt, mittels der Signalquelle kann eine elektrische Spannung am Steueranschluss in die Diagnoseschaltung eingeprägt werden. Da der erste Impedanzwandler die Biassspannung des ersten Verstärkereingangsanschlusses zum Steueranschluss durchleitet oder überträgt, entsteht dort durch die Überlagerung der durchgeleiteten Biasspannung mit dem Spannungssignal eine „veränderte Biasspannung“, die hier als Diagnosesignal bezeichnet ist. Liegt noch ein Audiosignal aus der Audioquelle vor, können auch Reste des Audiosignals vorhanden sein, aber diese sind für das Verständnis der Erfindung vernachlässigbar.
Die Diagnoseschaltung ist also ausgebildet, das Spannungssignal mit einem Ausgangssignal des ersten Impedanzwandlers (durchgeleitete Biasspannung und eventuelles Audiosignal) an dessen Ausgangsimpedanz zu überlagern und hierdurch das Diagnosesignal zu erzeugen und den zweiten Verbindungsanschluss, insbesondere ausschließlich den zweiten Verbindungsanschluss, mit dem Diagnosesignal zu beaufschlagen. Das heißt, nur am zweiten Verbindungsanschluss und nicht am ersten Verbindungsanschluss ist das Diagnosesignal abgreifbar. Am ersten Verbindungsanschluss bleibt unverändert die Biasspannung (zuzüglich eines eventuellen Audiosignals erhalten) erhalten. Dieser Effekt ergibt sich aufgrund der Verwendung der Impedanzwandler in der Diagnoseschaltung. Diese blockieren sozusagen die Signalflussrichtung von dem zweiten zum ersten Verbindunganschluss, sodass sich das Spannungssignal nur auf den zweiten Verbindungsanschluss auswirkt. Die Signalflussrichtung von dem ersten auf den zweiten Verbindungsanschluss ist hingegen freigegeben oder unblockiert. Mittels der Impedanzwandler sind die Verbindungsanschlüsse somit für eine Signalrückwirkung vom zweiten auf den ersten Verbindungsanschluss entkoppelt.
Das Diagnosesignal am zweiten Verbindungsanschluss unterscheidet sich nun um ein von dem Spannungssignal abhängigen Offsetbetrag von einem über den jeweiligen Verstärkereingangsanschluss an dem jeweiligen Verbindungsanschluss anliegenden oder bereitgestellten Eingangssignal. Das Eingangssignal kann zum Beispiel die vorgenannte Biasspannung und optional das Audiosignal sein. Dadurch wird der Offset, also die Spannungsdifferenz oder ein Potentialunterschied, zwischen den Anschlüssen am Verstärkereingang erzeugt. Das Diagnosesignal kann somit zum Beispiel dem jeweiligen Eingangssignal plus dem Offset entsprechen. Der Offset kann mit der Diagnoseschaltung bei gemuteter und/oder bei aktiver Audiosignalquelle erzeugt werden. Der Offset folgt in seinem zeitlichen Verlauf demjenigen des Spannungssignals, sodass auch von einem Offsetsignal gesprochen werden kann, das nun am Verstärkereingang anliegt und somit vom Verstärker (mit)verstärkt wird. Wird das Spannungssignal mit einer „unhörbaren“ Frequenz von weniger als 10 Hz oder 5 Hz erzeugt, so hat dies keinen Einfluss auf die klangliche Ausgabe des Lautsprechers.
Um zu vermeiden, dass die Diagnoseschaltung zu Veränderungen oder Verzerrungen im Audiosignal bei der Audioausgabe führt, weist die Diagnoseschaltung zudem eine an dem ersten Verbindungsanschluss wirksame Eingangsimpedanz auf, die einen identischen Impedanzwert, insbesondere im Audiobereich im Wesentlichen identischen Impedanzwert, zu einer an dem zweiten Verbindungsanschluss wirksamen Ausgangsimpedanz aufweist. Das heißt, die Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz der Diagnoseschaltung sind vorzugsweise symmetrisch oder identisch zueinander, zumindest im Frequenzbereich des Audiosignals, das zum Beispiel mittels einer Audiosignalquelle in dem Audioausgabesystem übertragen werden soll. Mit „identisch“ ist vorliegend und im Folgenden gemeint, dass ein Unterschied von höchstens 5% der Impedanzwerte vorliegt, bezogen auf den größeren Impedanzwert. Dadurch bleibt die Diagnoseschaltung für Audiosignalübertragung unschädlich. Das Audiosignal wird durch die Diagnoseschaltung insbesondere nicht oder zumindest nicht in einem für den Menschen hörbaren Frequenzbereich verändert. So können bei der Diagnose Oberwellen im Audiosignal vermieden werden.
Die beschriebene Diagnoseschaltung kann besonders einfach in einen bestehenden Aufbau eines Audioausgabesystems integriert werden, ohne die Audiosignalübertragung zu stören. Durch Beaufschlagen des Audioleistungsverstärkers mit dem Offset kann besonders einfach das eingangs erwähnte Messsignal erzeugt werden, und die Auswertung kann kostengünstig mit einem geringen Rechenaufwand, zum Beispiel mit einem einfachen Mikrocontroller und einer Messschaltung, erfolgen. Eine konkrete Umsetzung der Auswertung wird im späteren Verlauf noch näher beschrieben.
Bevorzugt weist der Offsetbetrag einen Wert kleiner als 50 mV, insbesondere kleiner als 25 mV, besonders bevorzugt kleiner als 15 mV, auf. So kann abhängig von einem Verstärkungsfaktor des Audioleistungsverstärkers sichergestellt werden, dass eine vorgegebene Auslösespannung für eine verstärkerinterne Defektdiagnoseschaltung des Audioleistungsverstärkers, also zum Beispiel die eingangs erwähnte DC-Offset Protection, durch das Diagnosesignal nicht ausgelöst wird. Bei einem Audioleistungsverstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 20 kann so zum Beispiel eine Ausgangsspannung am Verstärkerausgang erzeugt werden, deren Potentialdifferenz kleiner ist als 1 V, bevorzugt kleiner als 500 mV, insbesondere kleiner als 300 mV.
Mit einem Impedanzwandler ist vorliegend eine an sich bekannte elektrische Baugruppe gemeint, die die Impedanz (Wechselstromwiderstand) einer Quelle an die eines Verbrauchers anpasst. Bevorzugt wird hierzu ein Operationsverstärker eingesetzt.
Mit einem Audiosignal ist zum Beispiel ein Sprachsignal oder Musiksignal gemeint, welches bei Beaufschlagen eines Lautsprechers zu einem für einen Menschen hörbaren Schall führt. Der Frequenzbereich des Audiosignals liegt üblicherweise innerhalb des menschlichen Hörfelds. Das heißt, die Untergrenze der Audiofrequenz ist insbesondere größer 10 Hz oder 20 Hz, die Obergrenze ist beispielsweise kleiner als 20 kHz oder 30 kHz.
Zu der Erfindung gehören Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Verbindungsanschluss über ein erstes Tiefpassfilter mit dem ersten Impedanzwandler verbunden. Dieses erste Tiefpassfilter stellt dabei die am ersten Verbindungsanschluss wirksame Eingangsimpedanz bereit. Zusätzlich oder alternativ ist der erste Impedanzwandler über ein zweites Tiefpassfilter mit dem Steueranschluss verbunden. Das zweite Tiefpassfilter stellt dabei die Ausgangsimpedanz des ersten Impedanzwandlers an dessen Impedanzwandlerausgang bereit. Zusätzlich oder alternativ ist der Steueranschluss über ein drittes Tiefpassfilter mit dem zweiten Verbindungsanschluss verbunden. Das dritte Tiefpassfilter umfasst bevorzugt den zweiten Impedanzwandler.
Das jeweilige Tiefpassfilter ist nun dazu eingerichtet, ein über den jeweiligen Verstärkereingangsanschluss in die Diagnoseschaltung übertragenes Audiosignal für Frequenzen oberhalb einer Frequenz des Diagnosesignals zu dämpfen. Es geht also darum, das Audiosignal aus einem jeweiligen Eingangssignal, das an den Verstärkereingangsanschlüssen anliegt, zu filtern. So kann ein Übersprechen oder Überkoppeln des Audiosignals zwischen dem ersten und zweiten Verstärkereingangsanschluss vermieden werden.
Mit Tiefpass ist vorliegend ein an sich bekanntes elektronisches Bauelement oder eine Schaltung gemeint, die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lassen, Anteile mit höheren Frequenzen dagegen dämpfen. Vorliegend kann die Grenzfrequenz der Tiefpässe zum Beispiel die Untergrenze oder kleiner als die Untergrenze des Audiosignals sein.
Das jeweilige Tiefpassfilter, insbesondere das erste und zweite Tiefpassfilter kann zum Beispiel als Tiefpass erster Ordnung, also zum Beispiel als sogenanntes RC-Glied realisiert sein. Natürlich sind auch andere Tiefpassfilterdesigns, beispielsweise ein Tiefpass höherer Ordnung denkbar. Das dritte Tiefpassfilter kann zum Beispiel als Sallen-Key Filter umgesetzt sein. Ein Operationsverstärker in dem dritten Tiefpassfilter wirkt dabei wie ein Impedanzwandler (hier der zweite Impedanzwandler) in dem Filterdesign.
Gemäß einer Ausführungsform ist das jeweilige Tiefpassfilter, insbesondere das zweite Tiefpassfilter ausgebildet, ausschließlich einen niederfrequenten Signalanteil des Diagnosesignals mit Frequenzen kleiner als 20 Hz, insbesondere kleiner als 1 Hz, bevorzugt kleiner als 0,5 Hz an den zweiten Verbindungsanschluss bereitzustellen. Dem Fachmann ist klar, dass vorliegend mit „ausschließlich“ eine Filterwirkung gemein ist, die mit herkömmlichen Tiefpassfiltern erreicht werden kann. Das heißt, die Grenzfrequenz des jeweiligen Tiefpassfilters kann bei 20 Hz oder kleiner liegen. Bevorzugt liegt die Grenzfrequenz des jeweiligen Tiefpassfilters zwischen der Frequenz für das Diagnosesignal und der Frequenz des Audiobereichs des Audiosignals. Das Diagnosesignal kann somit ausschließlich im Durchlassbereich des jeweiligen Tiefpassfilters liegen, während das Audiosignal ausschließlich im Sperrbereich des jeweiligen Tiefpassfilters liegen kann.
Für die Diagnose wird somit als das Diagnosesignal ein niederfrequentes Wechselsignal (AC-Signal) verwendet. Ein derart niederfrequentes Signal wird in dem Audioausgabesystem, insbesondere vom Lautsprecher im Wesentlichen als Gleichsignal, also als DC-Signal, interpretiert. Dadurch kann besonders einfach ein ohmscher Widerstand, den der Lautsprecher in Abhängigkeit von dem Diagnosesignal aufweist, ermittelt werden. So können besonders geringe Schwankungen oder Veränderungen in einer Spannung am Lautsprecher oder einem Strom in den Lautsprecherleitungen festgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Signalquelle eine Brückenschaltung zumindest mit zwei elektronischen Schaltelementen. Die Brückenschaltung umfasst zudem zumindest einen mit den Schaltelementen gekoppelten elektrischen Widerstand. Somit kann eine sogenannte Halbbrücke aus den Schaltelementen und dem oder den elektrischen Widerständen realisiert werden. Eine Steuerlogik der Diagnoseschaltung ist dazu ausgebildet, die Schaltelemente in einem vorgegebenen Schaltbetrieb zu schalten. Dadurch ist die Signalquelle ausgebildet, einen Mittelabgriff der Brückenschaltung, der an dem Steueranschluss angeschlossen ist, mit dem Spannungssignal zu beaufschlagen.
Durch diese Art der Signalquelle kann somit ein Spannungssignal erzeugt werden, das um einen vorgegebenen Biaspunkt, hier also zum Beispiel die Spannung, die an dem ersten Verstärkereingangsanschluss und somit an dem ersten Verbindungsanschluss der Diagnoseschaltung anliegt, schwingt. So kann besonders einfach der Offset zwischen den Verbindungsanschlüssen erzeugt werden.
Bei den Schaltelementen kann es sich bevorzugt um Halbleiterschalter oder elektronische Schalter handeln. Ein Schaltelement kann vorliegend insbesondere ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Metalloxidfeldeffekttransistor (MOSFET) oder ein Bipolartransistor oder ein Thyristor oder ein Halbleiterrelais sein. Die Schaltelemente werden im Schaltbetrieb betrieben. Das heißt, die Schaltelemente können mittels der Steuerlogik zumindest zwischen einem eingeschalteten und einem ausgeschalteten Schaltzustand hin und her geschaltet werden. In dem (vollständig) ausgeschalteten Schaltzustand wirkt das Schaltelement als ein im Wesentlichen unendlich hoher Widerstand, sodass ein Stromfluss über das Schaltelement verhindert oder blockiert wird. In dem (vollständig) eingeschalteten Schaltzustand wirkt das Schaltelement als ein im Wesentlichen unendlich geringer Widerstand, sodass ein der Strom im Wesentlichen ungehindert über das Schaltelement fließen kann.
Die Steuerlogik kann zum Beispiel als Treiberschaltung für die Schaltelemente verstanden werden. Bevorzugt kann es sich bei der Steuerlogik zum Beispiel um eine Prozessoreinrichtung handeln. Die Prozessoreinrichtung kann zum Beispiel zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung den Schaltbetrieb durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Die Prozessoreinrichtung kann z.B. auf zumindest einer Schaltungsplatine und/oder auf zumindest einem SoC (System on Chip) basieren.
Der Schaltbetrieb der Schaltelemente kann so gewählt sein, dass beide Schaltelemente zum Beispiel in einem Gegentakt, also einem gegenläufigen Schaltbetrieb, betrieben werden. Alternativ kann eines der Schaltelemente dauerhaft in einem ausgeschalteten Schaltzustand versetzt sein, während das andere der Schaltelemente gepulst, also umgeschaltet wird.
Bevorzugt werden in der Brückenschaltung zwei elektrische Widerstände eingesetzt, die jeweils in Reihe mit einem der Schaltelemente geschaltet sind. Die Reihenschaltung aus Schaltelementen und Widerständen können über den Mittelabgriff miteinander verbunden sein. Bevorzugt können die Widerstandswerte der elektrischen Widerstände so gewählt sein, dass eine Potentialverschiebung an dem Steueranschluss bewirkt werden kann, um den Offset zu erzeugen.
In einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Brückenschaltung mit einem Masseanschluss an ein vorbestimmtes Massepotential angeschlossen ist und mit einem Betriebsanschluss an ein vorbestimmtes Betriebspotential angeschlossen ist. Das Massepotential und das Betriebspotential weisen im Schaltbetrieb dabei eine Potentialdifferenz auf, die bevorzugt größer ist als die Biasspannung des Audioleistungsverstärkers. Die Potentialdifferenz weist beispielsweise einen-Betrag von 0,5 V bis 10 V, insbesondere von 2 V bis 5,5 V, bevorzugt von 3,3 V auf. Die Schaltelemente werden im Schaltbetrieb somit zwischen dem Massepotential zum Beispiel von 0 V und Betriebspotential zum Beispiel von 3,3 V geschaltet. Das Betriebspotential kann zum Beispiel ein Betriebspotential, also zum Beispiel eine Versorgungsspannung, sein, die die Steuerlogik für deren Betrieb aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerlogik ausgebildet, die Schaltelemente in dem Schaltbetrieb mittels Pulsweitenmodulation mit einer Modulation der Pulsweite mit einer Frequenz größer 20 kHz, bevorzugt mit einer Frequenz größer 100 kHz, zu betreiben. Das heißt für den Betrieb der Schaltelemente ist insbesondere ein derart hochfrequentes Wechselsignal gewählt, das oberhalb des Frequenzbereichs des Audiosignals liegt. So kann vermieden werden, dass durch den Betrieb der Schaltelemente das Audiosignal beeinträchtigt wird.
Um das an dem Mittelabgriff und somit an dem Steueranschluss abgreifbare resultierende Spannungssignal zu glätten, sind die Tiefpassfilter, insbesondere das zweite Tiefpassfilter, in der Diagnoseschaltung hilfreich. So können Störgeräusche am Lautsprecher zum Beispiel durch Oberwellen im Betrieb der Schaltelemente vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Audioausgabesystem zur Diagnose eines Lautsprechers. Das Audioausgabesystem umfasst eine Audiosignalquelle, einen Audioleistungsverstärker und den Lautsprecher. Der Audioleistungsverstärker weist einen Verstärkereingang, insbesondere einen differenziellen Verstärkereingang, mit einem ersten und einem zweiten Verstärkereingangsanschluss zum Koppeln mit der Audiosignalquelle auf. Ein Verstärkerausgang des Audioleistungsverstärkers ist zum Koppeln über eine Leitung mit dem Lautsprecher ausgebildet. Analog zu dem Verstärkereingang kann auch der Verstärkerausgang differenziell ausgebildet sein und zum Beispiel einen ersten und einen zweiten Verstärkerausgangsanschluss aufweisen.
In dem Audioausgabesystem ist an dem Verstärkereingang eine Diagnoseschaltung angeschlossen, wie sie zuvor beschrieben wurde. Die Diagnoseschaltung ist ausgebildet, deren zweiten Verbindungsanschluss, der an dem zweiten Verstärkereingangsanschluss angeschlossenen ist, mit dem Diagnosesignal zu beaufschlagen. Dadurch ergibt sich an den Verstärkereingangsanschlüssen der zuvor beschriebene Offset, wobei der Audioleistungsverstärker den Offset mitverstärkt und am Verstärkerausgang ausgibt.
An den Verstärkerausgang ist nun eine Auswerteelektronik mit einer Auswertelogik angeschlossen. Die Auswertelogik ist ausgebildet, ein in Abhängigkeit von dem Diagnosesignal über den Audioleistungsverstärker an die Auswerteelektronik übertragenes Messsignal gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium auszuwerten. Das Messsignal kann zum Beispiel ein mittels der Auswerteelektronik verarbeitetes Ausgangssignal am Verstärkerausgang sein. In Abhängigkeit von einem Ergebnis des Auswertens ist die Auswertelogik ausgebildet, eine Funktionsstörung des Lautsprechers und/oder der Leitung zu ermitteln. Das heißt, mittels der Auswerteelektronik kann ein Defekt des Lautsprechers oder dessen Zuleitungen, wie zum Beispiel ein Kurzschluss oder Leerlauf, festgestellt werden. Das kann zum Beispiel passieren, wenn eine Zuleitung zum Lautsprecher abgerissen ist oder die Leitungen oder der Lautsprecher selbst zum Beispiel kurzgeschlossen sind.
Der Audioleistungsverstärker ist bevorzugt als Differenzverstärker zur differenziellen Signalverstärkung ausgebildet. Insbesondere kann der Audioleistungsverstärker somit als Vierpol verstanden werden, der eine angelegte Eingangsspannung um einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor verstärkt, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten. Solche Arten von Leistungsverstärkern sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Der Audioleistungsverstärker kann einen verstärkerinternen Überlastungsschutz, also zum Beispiel die eingangs erwähnte DC-Offset Protection aufweisen. Dabei handelt es sich um eine an sich bekannte Baugruppe zum Erkennen und Schutz vor hohen Gleichspannungen, in der Regel größer 1 V am Verstärkerausgang. Da das Diagnosesignal und damit das am Verstärkerausgang anliegende Ausgangssignal niederfrequent ist, wird es im Audioausgabesystem im Wesentlichen als Gleichspannung wahrgenommen werden. Um zu vermeiden, die Auslösespannung des Überlastungsschutzes zu überschreiten, wird das Diagnosesignal, insbesondere der Offsetbetrag bevorzugt an einen Verstärkungsfaktor des Audioleistungsverstärkers und den Wert der Auslösespannung angepasst. Insbesondere wird der Offsetbetrag anhängig von dem Spannungssignal so gewählt, dass sich am Verstärkerausgang eine Spannungsdifferenz kleiner der Auslösespannung einstellt. Diese Spannungsdifferenz ist bevorzugt kleiner als 1 V, besonders bevorzugt kleiner als 500 mV, insbesondere kleiner als 300 mV.
Durch das Auswertekriterium kann zum Beispiel ein vorbestimmter Grenzwert oder Schwellenwert für einen Strom oder eine Spannung des Messsignals festlegen sein. Mittels der Steuerlogik kann beim Auswerten überprüft werden, ob ein Wert des Messsignals den jeweiligen Schwellenwert über- oder unterschreitet. Für jeden Werteberich oberhalb oder unterhalb des Schwellenwerts kann in einer Zuordnungsvorschrift zum Beispiel ein Funktionszustand des Lausprechers hinterlegt sein. Die Steuerlogik kann, abhängig vom Ergebnis des Vergleichs mit dem Schwellenwert, gemäß der Zuordnungsvorschrift den Funktionszustand ermitteln. Die Zuordnungsvorschrift kann zum Beispiel in einer Look-up-Table oder einer Berechnungsfunktion umgesetzt sein. Vorliegend können zum Beispiel genau zwei Funktionszustände vorliegen: Defekt, also dass der Lautsprecher oder die Leitungen eine Funktionsstörung aufweisen und Funktionstüchtig, also dass der Lautsprecher und die Leitungen für die geplante Funktion der Audioausgabe funktionsfähig sind.
Die Auswertelogik kann insbesondere als eine Prozessoreinrichtung umgesetzt sein, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der Steuerlogik beschrieben wurde. Bevorzugt kann die Auswertelogik die Steuerlogik der Diagnoseschaltung ausbilden. Alternativ können die Auswertelogik und die Steuerlogik als separate Bauteile vorgesehen sein. Die Auswertelogik kann zum Beispiel einen Analog-Digital-Wandler umfassen, an den die Auswerteelektronik für die Diagnose des Messsignals angeschlossen ist.
Das Audioausgabesystem kann zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Bei dem Audioausgabesystem kann es sich zum Beispiel um ein Infotainmentsystem oder ein Notrufsystem, wie zum Beispiel ein eCall-System, oder einen Soundgenerator für das Kraftfahrzeug, welches in diesem Zusammenhang insbesondere als Elektrofahrzeug ausgebildet ist, handeln. Bevorzugt kann in der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Audioausgabesystem vorgesehen sei. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Das Audioausgabesystem kann zum Beispiel zwei oder mehrere Lautsprecher umfassen, die jeweils in analoger Weise an den Audioleistungsverstärker angeschlossen sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Audioleistungsverstärker zumindest eine Biassignalquelle für eine Biasspannung. Die zumindest eine Biassignalquelle ist ausgebildet, den ersten und den zweiten Verstärkereingangsanschluss jeweils mit einem identischen oder symmetrischen Biassignal, also der Biasspannung, zu beaufschlagen. Dieser Bias kann mittels der eingangs genannten Diagnoseschaltung abgegriffen und um den Offsetbetrag erweitert werden, sodass am ersten Verstärkereingangsanschluss das Biassignal und am zweiten Verstärkereingangsanschluss das Diagnosesignal anliegt. Somit kann das jeweilige Eingangssignal an den Verbindungsanschlüssen der Diagnoseschaltung zumindest das Biassignal umfassen. Wie eingangs erwähnt, sind die Biassignale zwar identisch, deren Wert unterliegt jedoch Schwankungen und ist deshalb nicht eindeutig bekannt. Durch Verwendung der Diagnoseschaltung kann nun unabhängig vom genauen Wert des Biassignals dennoch ein konkreter Offset zwischen den Anschlüssen erzeugt werden. Denn die Diagnoseschaltung nutzt den Wert des Biasignals als Biaspunkt, um die das Spannungssignal der Spannungsquelle pendelt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Audioleistungsverstärker eine an dem ersten Verstärkereingangsanschluss wirksame Eingangsimpedanz auf, die einen (weitestgehend) identischen Impedanzwert zu einer an dem zweiten Verstärkereingangsanschluss wirksamen Eingangsimpedanz aufweist. Die Gleichheit der Impedanzwerte der Eingangsimpedanz und der Ausgangsimpedanz gelten insbesondere im Bereich der Frequenz des Audiosignals, wie es zuvor in Zusammenhang mit den Impedanzen der Diagnoseschaltung beschrieben wurde. So können unsymmetrische Signalveränderungen zwischen den beiden Eingangsanschlüssen im Eingangssignal vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Auswerteelektronik eine Strommessschaltung. Die Diagnose wird somit als Strommessung durchgeführt. Es geht insbesondere darum für die Diagnose einen Strom durch die Leitung zum Lausprecher zu messen. Dazu umfasst die Strommessschaltung einen Shunt-Widerstand, also einen sogenannten Nebenschlusswiderstand. Dieser ist in einer Leitung zwischen einem Verstärkerausgangsanschluss des Verstärkerausgangs und einem Lautsprecheranschluss des Lautsprechers angeschlossen ist. Das heißt, einer der Verstärkerausgangsanschlüsse ist über den Shunt-Widerstand mit einem der Lautsprecheranschlüsse verbunden. Die Strommessschaltung ist nun ausgebildet, das Messsignal als Stromsignal, das abhängig von einem an dem Verstärkerausgangsanschluss bereitgestellten Ausgangssignal an dem Shunt-Widerstand abfällt, bereitzustellen. So kann mittels der Strommessschaltung ein Strom in Abhängigkeit von einer über den Shunt-Widerstand abfallenden Spannung gemessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Strommessschaltung eine Detektorschaltung, die ausgebildet ist, innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls einen von dem Ausgangssignal abhängigen Spitzenwert des Stromsignals als das Messsignal bereitzustellen. Anders ausgedrückt, kann die Strommessschaltung als Peak-and-Hold-Detektor umgesetzt sein. Das Zeitintervall, innerhalb dem die Stromstärke betrachtet wird, kann zum Beispiel durch eine Kapazität eines Kondensators der Strommessschaltung, der mit der Zeit aufgeladen wird, vorgegeben sein. Somit wird nur der Spitzenwert des Stroms, der in dem vorbestimmten Zeitraum über die Strommessschaltung geflossen ist, an die Steuerlogik zum Auswerten übergeben. Dadurch kann auf besonders einfache Weise überprüft werden, ob zum Beispiel ein Abriss des Lautsprechers stattgefunden hat.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Auswerteelektronik eine Spannungsmessschaltung, wobei die Spannungsmessschaltung ausgebildet ist, das Messsignal als Spannungssignal abhängig von einer über den Verstärkerausgang an den Lautsprecher bereitgestellten Ausgangsspannung bereitzustellen. Mittels der Spannungsmessschaltung wird somit eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen, die über die Leitung von dem Audioleistungsverstärker an den Lautsprecher übertragen werden, gemessen. Sinkt diese Ausgangsspannung auf 0 oder in einen vorgegebenen Grenzbereich gegen 0, kann so ein Kurzschluss des Lautsprechers festgestellt werden. Die Diagnose wird somit als Spannungsmessung durchgeführt. Es geht insbesondere darum für die Diagnose eine Spannung an den Lautsprecheranschlüssen zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Auswerteelektronik zumindest eine Tiefpass-Verstärkerschaltung. Die Tiefpass-Verstärkerschaltung ist ausgebildet, ausschließlich einen niederfrequenten Signalanteil des Messsignals mit Frequenzen kleiner als 20 Hz, insbesondere kleiner als 1 Hz, bevorzugt kleiner als 0,5 Hz, an die Auswertelogik bereitzustellen und zu verstärken. Das heißt, es geht darum, das Audiosignal aus dem jeweiligen Signal am Verstärkerausgang zu dämpfen, also das Audiosignal zu filtern. Zudem soll das gefilterte Ausgangssignal verstärkt werden, um geringe Schwankungen im Signal feststellen zu können. Denn gerade bei einem typischen (ohmschen) Innenwiderstand von 4 Ohm, die ein Lautsprecher gegenüber dem niederfrequenten Teil des Ausgangssignals, der auf das Diagnosesignal zurückzuführen ist, aufweist, können geringe Schwankungen von wenigen Millivolt bereits den Unterscheid zwischen Funktionstüchtigkeit und Defekt ausmachen.
Die jeweilige Tiefpass-Verstärkerschaltung kann zum Beispiel in die Strommessschaltung oder die Spannungsmessschaltung integriert sein. Vorzugsweise kann die Auswerteelektronik zwei oder mehrere Tiefpass-Verstärkerschaltungen, die zum Beispiel nacheinander oder in Serie geschaltet sind, aufweisen. Bevorzugt kann die Tiefpass-Verstärkerschaltung als ein Tiefpassfilter in Verbindung mit einem Operationsverstärker realisiert sein. Beispielsweise kann ein sogenannter Sallen-Key Tiefpass für die Tiefpass-Verstärkerschaltung eingesetzt werden.
Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Diagnoseschaltung wie sie zuvor beschrieben wurde. In dem Verfahren wird mittels der Signalquelle der Steueranschluss mit dem Spannungssignal beaufschlagt. Dadurch wird in Abhängigkeit von der Diagnoseschaltung, insbesondere deren Verschaltung, der zweite Verbindungsanschluss mit dem Diagnosesignal beaufschlagt. Dieses Diagnosesignal unterscheidet sich um einen von dem Spannungssignal abhängigen Offsetbetrag von dem über den jeweiligen Verstärkereingangsanschluss an den jeweiligen Verbindungsanschluss bereitgestellten Eingangssignal. Mittels der Diagnoseschaltung wird zudem eine an dem ersten Verbindungsanschluss wirksame Eingangsimpedanz bereitgestellt, die einen identischen, insbesondere im Audiobereich weitgehend identischen, Impedanzwert zu einer an dem zweiten Verbindungsanschluss wirksamen Ausgangsimpedanz aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Audioausgabesystems wie es zuvor beschrieben wurde. Dabei wird mittels der Diagnoseschaltung in einem Betrieb gemäß einem Verfahren, wie es zuvor beschrieben wurde, deren zweiter Verbindungsanschluss, der an den zweiten Verstärkereingangsanschluss angeschlossenen ist, mit dem Diagnosesignal beaufschlagt. Mittels der Auswertelogik der Auswerteelektronik wird ein in Abhängigkeit von dem Diagnosesignal über den Audioleistungsverstärker an die Auswerteelektronik übertragenes Messsignal gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium ausgewertet. In Abhängigkeit von einem Ergebnis des Auswertens wird eine Funktionsstörung des Lautsprechers und/oder der Leitung ermittelt.
Zum Ausführen der Verfahren können zum Beispiel die Steuerlogik und/oder die Auswertelogik, wie sie im Zusammenhang mit der Diagnoseschaltung und des Audioausgabesystems beschrieben worden sind, eingesetzt werden.
Für Anwendungsfälle oder Anwendungssituationen, die sich bei den genannten Verfahren ergeben können und die hier nicht explizit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Aufforderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initialzustand eingestellt wird.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Audioausgabesystems und der erfindungsgemäßen Verfahren, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Diagnoseschaltung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Audioausgabesystems und der erfindungsgemäßen Verfahren hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Audioausgabesystems zur Diagnose eines Lautsprechers;
2 einen schematischen Prinzipschaltplan für eine Audiosignalquelle;
3 einen schematischen Prinzipschaltplan für einen Lautsprecher;
4 einen schematischen Prinzipschaltplan für einen Audioleistungsverstärker;
5 einen schematischen Prinzipschaltplan für eine Diagnoseschaltung;
6 einen schematischen Prinzipschaltplan für eine Signalquelle der Diagnoseschaltung;
7 einen schematischen Prinzipschaltplan für eine Auswertelogik;
8 einen schematischen Prinzipschaltplan für eine Strommessschaltung einer Auswerteelektronik; und
9 einen schematischen Prinzipschaltplan für eine Spannungsmessschaltung einer Auswerteelektronik.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung für ein Audioausgabesystem 1, wie es zum Beispiel im Kraftfahrzeug für eine eCall-Funktion eingesetzt sein kann. Das in 1 gezeigte Audioausgabesystem 1 umfasst einen Lautsprecher 10, eine Audiosignalquelle 20 und einen Audioleistungsverstärker 30. Der Audioleistungsverstärker 30 ist als differenzieller Verstärker ausgebildet und ist somit elektrisch als Viertor oder Vierpol zu verstehen. Das heißt, der Audioleistungsverstärker 30 weist einen Verstärkereingang 31 mit einem ersten und einem zweiten Verstärkereingangsanschluss 31a, 31b (im Schaltplan: AMPINN, AMPINP) und einen Verstärkerausgang 32 mit einem ersten und einem zweiten Verstärkerausgangsanschluss 32a, 32b auf. (im Schaltplan: AMPOUTP, AMPOUTN) auf.
Der Lautsprecher 10 und die Audiosignalquelle 20 sind jeweils entsprechend als Zweitor oder Zweipol ausgebildet. Das heißt, die Audiosignalquelle 20 weist einen Audioausgang 21 mit einem ersten Audioanschluss 21a und einen zweiten Audioanschluss 21b auf. Mit den Audioausgang 21 ist die Audiosignalquelle 20 an den an den Eingangsanschluss 31 des Audioleistungsverstärkers 30 angeschlossen. Dabei ist der Audioanschluss 21a mit dem ersten Verstärkereingangsanschluss 31a verbunden. Der zweite Audioanschluss 21b ist mit dem zweiten Verstärkereingangsanschluss 31b verbunden. Analog weist der Lautsprecher 10 einen Lautsprechereingang 11 mit einem ersten Lautsprecheranschluss 11a und einen zweiten Lautsprecheranschluss 11b auf. Über eine Leitung 12 mit zwei entsprechenden Leiterkabeln oder Leiterdrähten ist der Lautsprechereingang 11 an den Ausgangsanschluss 32 des Audioleistungsverstärkers 30 angeschlossen. Dabei ist der erste Lautsprecheranschluss 11a mit dem ersten Verstärkerausgangsanschluss 32a verbunden. Der zweite Lautsprecheranschluss 11b ist mit dem zweiten Verstärkerausgangsanschluss 32b verbunden.
Im Betrieb des Audioausgabesystems 1, wie es bisher beschrieben wurde, kann nun mittels der Audiosignalquelle 20 ein Audiosignal A ausgegeben werden. Bei dem Audiosignal A kann es sich zum Beispiel um ein Musiksignal oder ein Sprachsignal handeln. Das Audiosignal A kann zum Beispiel als Spannung zwischen den Audioanschlüssen 21 a und 21 b abgegriffen werden. In bekannter Weise handelt es sich bei dem Audiosignal A um ein höherfrequentes Wechselsignal, mit einer Frequenz im insbesondere für den Menschen hörbaren Bereich. Der Frequenzbereich des Audiosignals A kann zum Beispiel in einem Bereich von 20 Hz bis 20 kHz liegen. Mittels des Audioleistungsverstärkers 30 kann das Audiosignal A erfasst und in gewünschter Weise verstärkt werden. Da der Audioleistungsverstärker 30 als differenzieller Verstärker ausgebildet ist, wird insbesondere eine Potentialdifferenz zwischen den Eingangssignalen E, die am ersten und am zweiten Verstärkereingangsanschluss 31 a, 31 b anliegen, verstärkt. Das verstärkte Signal wird am Verstärkerausgangsanschluss 32 als Ausgangssignal O ausgegeben. Über die Leitung 12 kann dieses Ausgangssignal O an den Lautsprecher 10 übertragen werden. Der Lautsprecher kann dadurch angeregt werden, wobei der Lautsprecher 10 nach dem Prinzip eines Schwallwandlers das elektrische Ausgangssignal O in ein Schallsignal umwandeln kann. Dieses Schallsignal kann eine Person als Sprache oder Musik wahrnehmen.
Üblicherweise ist die Leitung 12 sehr lang, insbesondere mehrere Meter lang. Das liegt daran, dass der Lautsprecher 10 im Kraftfahrzeug üblicherweise an einer anderen Stelle verbaut ist als die Audiosignalquelle 20 und der Audioleistungsverstärker 30. Dadurch kann es bei der Nutzung des Fahrzeugs leicht zu einem Abriss der Leitung oder einen Defekt im Lautsprecher kommen.Für bestimmte Anwendungen, wie zum Beispiel die eCall-Funktion, ist es wichtig, sicherzustellen, dass der Lautsprecher 10 und die Leitung 12 einwandfrei funktioniert. Deshalb ist es notwendig, den Lautsprecher 10 beziehungsweise die Leitung 12 zu diagnostizieren und so auf deren Funktionsfähigkeit zu überprüfen.
Dazu umfasst das Audioausgabesystem 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 eine Diagnoseschaltung 40 und eine Auswerteelektronik 50. Die Diagnoseschaltung 40 ist mit einem ersten Verbindungsanschluss 41a an den ersten Verstärkereingangsanschluss 31a angeschlossen. Mit einem zweiten Verbindungsanschluss 41 b ist die Diagnoseschaltung 40 an den zweiten Verstärkereingangsanschluss 31b angeschlossen. Der erste und zweite Verstärkereingangsanschluss 31a, 31b sind somit über die Diagnoseschaltung 40 miteinander verbunden. Die Diagnoseschaltung 40 ist ausgebildet, den zweiten Verbindungsanschluss 41 b und somit den zweiten Verstärkereingangsanschluss 31 b mit einem Diagnosesignal D zu beaufschlagen, welches sich um einen vorgegebenen Offsetbetrag Δx von einem von einem über den jeweiligen Verstärkereingangsanschluss 31 a, 31b an den jeweiligen Verbindungsanschluss 41a, 41b übertragenen Eingangssignal E unterscheidet. Das Eingangssignal E ist zum Beispiel eine Biasspannung, die der Verstärker an die Verstärkereingangsanschlüsse 31a, 31b anlegen kann. Dadurch wird ein Offset, also eine definierte Spannungsdifferenz zwischen den Verstärkereingangsschlüssen 31a, 31b erzeugt. Diese Spannungsdifferenz kann der Audioleistungsverstärker 30 verstärken und über den Verstärkerausgang 32 an den Lautsprecher 10 bereitstellen. Das Ausgangssignal O enthält somit ein Prüfsignal, das auf dem Diagnosesignal D basiert, mit dem die Lautsprecherfunktionalität unter Verwendung der Auswerteelektronik 50 geprüft werden kann.
Um das Diagnosesignal D zu erzeugen, nutzt die Diagnoseschaltung 40 eine Signalquelle 43, die an einen Steueranschluss 42 der Diagnoseschaltung 40 angeschlossen ist. Die Signalquelle 43 ist ausgebildet, den Steueranschluss 42 mit einem Spannungssignal S zu beaufschlagen. Dadurch wird die Diagnoseschaltung 40 dann so angeregt, dass der Offset zwischen den Eingangssignalen E entsteht und so das Diagnosesignal D auf den zweiten Verstärkereingangsanschluss 31b ausgegeben werden kann. Am ersten Verstärkereingangsanschluss 31b bleibt weiterhin nur ursprüngliche das Eingangssignal E erhalten.
Das Diagnosesignal D ist bevorzugt ein niederfrequentes Wechselsignal, mit einer Frequenz unterhalb einer Audiofrequenz (üblicherweise 20 Hz bis 20 kHz) des Audiosignals A. Bevorzugt kann die Frequenz des Diagnosesignals kleiner 10 Hz sein. Vorliegend kann das Diagnosesignal D kann zum Beispiel ein 1 Hz Sinussignal sein. Alternativ kann die Frequenz zum Beispiel bei 0,5 Hz oder 0,25 Hz liegen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das die Diagnose des Lautsprechers außerhalb des Hörbereichs des Menschen liegt und somit für den Menschen unhörbar ist. Außerdem kann vermieden werden, dass das Audiosignal A durch das Diagnosesignal D verändert wird und so zum Beispiel Oberwellen entstehen.
Bevorzugt wird der Offsetbetrag Δx abhängig von dem Spannungssignal S so eingestellt, dass das resultierende Ausgangssignal O am Verstärkerausgang 32 eine vorgegebene Auslösespannung für einen verstärkerinternen Überlastschutz unterschreitet. Vorliegend kann der Überlastschutz zum Beispiel eine Auslösespannung von 1 V (DC) oder mehr aufweisen. Da das Diagnosesignal D niederfrequent ist, kann es passieren, dass der Audioleistungsverstärker 30 das Diagnosesignal D als Gleichspannung wahrnimmt. Deshalb ist abhängig von einem Verstärkungsfaktor des Audioleistungsverstärkers 30 der Offset so zu wählen, dass die Spannungsdifferenz am Verstärkerausgang 32 kleiner 1 V beträgt. Vorliegend kann der Audioleistungsverstärker 30 zum Beispiel einen Verstärkungsfaktor von 20 bereitstellen. Um eine Spannungsdifferenz von höchstens 300 mV (Peak-to-Peak) am Verstärkerausgang 32 zu erreichen, kann vorliegend mittels der Diagnoseschaltung 40 zum Beispiel ein Offsetbetrag Δx am Verstärkereingang von 15 mV (Peak-to-Peak) erzeugt werden.
Das Ausgangssignal O umfasst somit einen niederfrequenten Signalanteil, der durch das Diagnosesignal D beziehungsweise den Offset erzeugt ist. Dieser niederfrequente Signalanteil kann das Prüfsignal sein und genutzt werden, um die Funktionsfähigkeit des Lautsprechers 10 zu prüfen. Beim Beaufschlagen des Lautsprechers mit dem Prüfsignal wirkt der Lautsprecher dabei wie ein ohmscher Widerstand, da die Frequenz des Signals so gewählt ist, dass dieses im Wesentlichen als DC-Signal gewertet wird. Die Veränderungen des Prüfsignals abhängig von dem ohmschen Widerstand des Lautsprechers 10 kann als ein Messsignal M mittels der Auswerteelektronik 50 gemessen werden und zum Auswerten verwendet werden.
Die Auswerteelektronik 50 ist, wie in 1 gezeigt, zwischen dem Audioleistungsverstärker 30 und dem Lautsprecher 10 angeschlossen. Der genaue Anschlusspunkt der Auswerteelektronik 50 kann abhängig von der gewählten Messmethode gewählt werden. Die Auswerteelektronik 50 umfasst zumindest eine Messschaltung 52 und eine Auswertelogik 51. Die Auswertelogik 51 kann zum Beispiel ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor sein. Mittels der jeweiligen Messschaltung 52, die zum Beispiel eine Strommessschaltung oder Spannungsmessschaltung sein kann, kann abhängig von dem Ausgangssignal O das Messsignal M erzeugt und an die Auswertelogik 51 zum Auswerten bereitgestellt werden. Die Auswertelogik 51 ist ausgebildet, das Messsignal gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium auszuwerten und in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Auswertens die Funktion des Lautsprechers und/oder die Leistung zu ermitteln. Gemäß dem Auswertekriterium kann zum Beispiel eine Minimalspannung (Maximalspannung) und ein Maximalstrom (Minimalstrom) für einen Spannungs- beziehungsweise Stromwert im Messsignal M vorgegeben sein. Wird die Minimalspannung (oder der Minimalstrom) unterschritten oder der Maximalstrom (oder die Maximalspannung) überschritten, kann auf einen Leerlauf oder Kurzschluss und somit einen Defekt des Lautsprechers 10 oder der Leitung 12 rückgeschlossen werden.
Bei einer Strommessung mit der Auswerteelektronik 50 kommt es in der Hauptsache darauf an, dass überhaupt ein Stromfluss nachgewiesen wird. Daher kann zum Beispiel eine hohe Verstärkung eines Spannungsabfalls an einem Shunt (Nebenschlusswiderstand) verwendet werden und eine Übersteuerung in Kauf genommen werden. Wichtig ist, dass gerade bei kleinen Strömen, die durch das Messsignal M erzeugt werden, eine gute und hinreichend genaue Aussage getroffen werden kann.
Wird mittels der Messschaltung 52 zum Beispiel eine Spannungsmessung durchgeführt, ist dies ähnlich. Gerade bei einem kleinen Offset 32, also einer kleinen Spannungsdifferenz am Verstärkerausgang 32, soll mittels der Messschaltung 52 als Messsignal M eine Mindestspannung erreicht werden. Denn nur so kann bereits ein Kurzschlusswiderstand von 2 Ω als Kurzschluss am Lautsprecher 10 angezeigt werden, da ansonsten eine zu niedrige Spannung einen zu kleinen und nicht messbaren Unterschied bei einer Last von 3,7 bis 4 Ω eines Lautsprechers hat. Hier ist natürlich von Vorteil, wenn der Anteil des Ausgangssignals O, der durch das Diagnosesignal D erzeugt wurde, in einem sehr niederfrequenten Bereich, also zum Beispiel in einem Bereich zwischen 0,1 Hz und 1 Hz liegt, und der Lautsprecher hier als ein entsprechender ohmscher Widerstand erscheint und nicht als komplexe Impedanz.
Bevorzugt nutzt die Messschaltung 52 deshalb ein entsprechendes Filtersystem aus Tiefpässen, damit nur der gewünschte Frequenzbereich des Messsignals M zur Auswertung an die Auswertelogik 51 übertragen wird. Bevorzugt ist dieses Filter in Hardware umgesetzt, um Aliasing-Effekte zu vermeiden. Um zusätzlich Genauigkeit zu gewinnen und robuster gegen Störungen zu sein, kann die Filterfunktion mittels Software in der Auswertelogik erweitert werden.
Die Diagnoseschaltung 40 für die Offset-Erzeugung darf nicht dazu führen, dass das Audiosignal A in dem differenziellen Verstärkereingang 31 eine unterschiedliche Impedanz sieht, um den korrekten differenziellen Charakter auf dem Audiosignal A basierenden Signalanteil des Eingangssignals E nicht zu schädigen und zum Beispiel zu einer Pegelveränderung oder zu einer Phasendifferenz im Audiosignal A zu führen. Um zu vermeiden, dass die Audioübertragung mit dem Audiosignal A durch die Diagnoseschaltung 40 beeinflusst wird, ist die Diagnoseschaltung 40 deshalb so ausgestaltet, dass sie eine am ersten Verbindungsanschluss 41a wirksame Eingangsimpedanz Zin aufweist, die einen (weitestgehend) identischen Impedanzwert zu einer an dem zweiten Verbindungsanschluss 41b wirksamen Ausgangsimpedanz Zout aufweist, insbesondre im Bereich der Audiofrequenz.
In den 2 bis 9 sind beispielhafte Prinzipschaltungen für die einzelnen Komponenten des in 1 gezeigten Audioausgabesystems 1 dargestellt. Die gezeigten Prinzipschaltpläne können zum Beispiel für eine Simulation einer Schaltung des Audioausgabesystems 1 verwendet werden. In den Prinzipschaltplänen werden schaltungstechnisch übliche Symbole und Wertebereiche für die Bezeichnung der Bauteile in den Schaltungen verwendet. Die Notationen in den Schaltungen basieren zum Beispiel auf dem Simulationsprogramm LTspice ®. Die in den Prinzipschaltungen verwendeten Symbole und deren Bedeutung sind im Folgenden zur Übersicht aufgezählt:

- C: Kondensator (elektrische Kapazität) in Farad,
- R: elektrischer Widerstand in Ω,
- V: elektrische Spannungsquelle in Volt, wobei der Zusatz „AC“ für eine Wechselstromquelle und der Zusatz „DC“ für eine Gleichstromquelle steht,
- U: Operationsverstärker,
- M: Halbleiterschalter.

2 zeigt einen schematischen Prinzipschaltplan der Audiosignalquelle 20. Dazu wird typischerweise ein DA-Wandler benutzt, der eine Spannungsquelle (V4) darstellt und einen Innenwiderstand (R49) aufweist. Dieser DA-Wandler wird an die folgende Schaltung über Kondensatoren (C1, C2) angeschlossen, die eine DC-Trennung darstellen, um unerwünschte DC-Offsets nicht an den Audioleistungsverstärker 30 gelangen zu lassen. Zusätzlich wirken sie auch gemeinsam mit der angeschlossenen Impedanz des Verstärkers als Hochpass, um keine zu tiefen Audiosignale, die zum Beispiel außerhalb des hörbaren Bereichs liegen würden, an die weiteren Komponenten des Audioausgabesystems 1 gelangen zu lassen. Im Zusammenhang mit der Diagnoseschaltung D haben die resultierenden Hochpässe auch den Vorteil, dass keine tiefen Frequenzen im Bereich des Diagnosesignals D an die weitere Schaltung gelangen. Die in der Figur gezeigten Anschlüsse AMPINN und AMPINP bilden den ersten und zweiten Audioanschluss 21a, 21b aus.
3 zeigt ein Beispiel für einen Prinzipschaltplan des Lautsprechers 10. Die in der Figur gezeigten Anschlüsse Speaker+ und Speaker- bilden die Lautsprecheranschlüsse 11a, 11b aus. Der Lautsprecher 10 ist mit einem Innenwiderstand von 4 Ω dargestellt. Für die Betrachtung des vorgestellten Audioausgabesystems 1 genügt es, den Lautsprecher als ohmschen Widerstand anzugeben.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Prinzipschaltplan des Audioleistungsverstärkers 30. In 4 sind der erste Verstärkereingangsanschluss 31a und der zweite Verstärkereingangsanschluss 31b mit der Bezeichnung AMPINN und AMPINP bezeichnet und bilden den Verstärkereingang 31. Die Verstärkerausgangsanschlüsse 32a und 32b sind mit der Bezeichnung AMPOUTP und AMPOUTN bezeichnet und bilden den Verstärkerausgang 32. Der Audioleistungsverstärker 30 umfasst zumindest eine Biassignalquelle 33 für eine Biasspannung. Vorliegend sind zum Beispiel zwei Biassignalquellen 33a, 33b eingezeichnet. Die Biassignalquellen 33a, 33b sind an jeweils einem der Verstärkereingangsanschlüsse 31a, 31b angeschlossen und ausgebildet, die Verstärkereingangsanschlüsse 31a, 31b mit einem jeweils identischen Biassignal, hier einer Biasspannung von beispielsweise 3 V, zu beaufschlagen. Die Biassignale sind zwar identisch an beiden Anschlüssen, können aber Schwankungen unterliegen, sodass zum Beispiel Werte um +/- 500 mV möglich sind. Die Biassignale sind Teil des Eingangssignals E das die Diagnoseschaltung 40 vom Audioleistungsverstärker 30 abgreift.
Die Verstärkereingangsanschlüsse 31a, 31b weisen zudem identische Eingangsimpedanzwerte auf. In 4 sind die Eingangsimpedanzen dabei durch die Widerstände R1 und R2 dargestellt. Der Wert der Eingangsimpedanzen beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils 30 kΩ.
Der Verstärkereingang 31 ist über eine Verstärkerschaltung 34 mit dem Verstärkerausgang 32 gekoppelt. 1 zeigt einen typischen Aufbau einer Verstärkerschaltung 34 mit Operationsverstärker und Widerständen, wie er zur Simulation eines Audioleistungsverstärkers 30 verwendet werden kann. In 4 ist zum Beispiel eine Schaltbild für eine Class D-Endstufe (Endstufe der Klasse D), wie sie für einen Simulation ausreicht, eingezeichnet. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Widerstände R17 und R32 in dem Prinzipschaltplan einen DC-Widerstand von Spulen wiedergeben, die üblicherweise in einer sogenannten Class D-Endstufe verwendet werden. Weitere Kondensatoren und weitere Schaltungsteile, die zusätzlich in einer Class D-Endstufe verwendet werden, sind hier nicht eingezeichnet, da sie für die zuvor beschriebene Diagnose des Lautsprechers 10 an dieser Stelle unerheblich sind. Ein differenzielles Signal wird am Verstärkerausgang 32 (AMPOUTN und AMPOUTP) ausgegeben und normalerweise zum Lautsprecher 10 gegeben. Es folgt allerdings in dem vorgestellten Audioausgabesystem noch die Schaltung zur Diagnose des Stroms und der Spannung, die hier als die Auswerteelektronik 51 vorgestellt wird.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 weist der Audioleistungsverstärker eine Betriebsspannung VCC von beispielsweise 14 V auf (siehe Spannungsquelle V8).
5 zeigt einen bespielhaften Prinzipschaltplan für die Diagnoseschaltung 40, wobei die Signalquelle 43 der Diagnoseschaltung 40 in einem separaten Schaltplan in 6 eingezeichnet ist. Der erste und der zweite Verbindungsanschluss 41a, 41b sind mit der Bezeichnung AMPINP und AMPINN angegeben, um den Anschluss an die Verstärkereingangsanschlüsse 31a, 31b des Audioleistungsverstärkers 30 zu symbolisieren. Der Steueranschluss 42 ist in 6 mit Voff bezeichnet. Über den Steueranschluss kann die Signalquelle 43, wie sie zum Beispiel in 6 gezeigt ist, angeschlossen werden.
Die Diagnoseschaltung 40 umfasst einen ersten Impedanzwandler W1 (hier mit U9 bezeichnet) mit einer am Impedanzwandlerausgang wirksamen vorgegebenen Ausgangsimpedanz. Die Ausgangsimpedanz ist in diesem Ausführungsbeispiel durch ein zweites Tiefpass aus TP2 dargestellt, das als Tiefpass erster Ordnung durch den Widerstand R20 und die Kapazität C5 Richtung Masse eingezeichnet ist. Der erste Verbindungsanschluss 41a ist über ein erstes Tiefpass TP1 an den Impedanzwandlereingang des ersten Impedanzwandlers W1 angeschlossen. Der Steueranschluss 42 ist über das zweite Tiefpass TP2 an den Impedanzwandlerausgang des ersten Impedanzwandlers W1 angeschlossen. Das erste Tiefpass TP1 ist analog zu dem zweiten Tiefpass TP2 als Tiefpass erster Ordnung mit einem Widerstand R46 und einem Kondensator C9 dargestellt.
Der Steueranschluss 42 ist über einen zweiten Impedanzwandler W2 (hier mit U9 bezeichnet) mit dem zweiten Verbindungsanschluss 41b gekoppelt. Die Kopplung erfolgt über einen Widerstand R26, durch die die am zweiten Eingangsanschluss 41b wirksame Ausgangsimpedanz Zout der Diagnoseschaltung 40 realisiert ist. Über das erste Tiefpass TP1 ist die am ersten Verbindungsanschluss 41a wirksame Eingangsimpedanz Zin dargestellt. Wie in dem Ausführungsbeispiel in 5 gezeigt, ist der zweite Impedanzwandler W2 als Teil eines dritten Tiefpasses TP3 ausgebildet. Der TP3 ist dabei als sogenannter Sallen-Key Filter nach einem Bessel-Filter-Entwurf dargestellt. Der Steueranschluss 42 ist mit dem Impedanzwandlereingang des zweiten Impedanzwandlers W2 verbunden. Der zweite Verbindungsanschluss 41b ist an dem Impedanzwandlerausgang des zweiten Impedanzwandlers W2 angeschlossen.
Die Diagnoseschaltung 40 nutzt die Verschaltung aus Tiefpassfiltern, sodass ausschließlich der niederfrequente Signalanteil des Diagnosesignals D mit Frequenzen unterhalb des Frequenzbereichs des Audiosignals A, also insbesondere mit Frequenzen kleiner als 20 Hz , insbesondere kleiner als 1 Hz, bevorzugt kleiner als 0,5 Hz, an dem zweiten Verbindungsanschluss 41b bereitgestellt werden.
Im Betrieb der Diagnoseschaltung 40 wird nun das Eingangssignal E am Verstärkereingang 31, also zumindest die vorgenannte Biasspannung und zusätzlich gegebenenfalls das Audiosignal A an die Verbindungsanschlüsse 41a, 41b, ausgegeben. Das Eingangssignal E wird am ersten Verbindungsanschluss 41a über das Tiefpassfilter TP1 auf den Impedanzwandler W1 gegeben. Das Tiefpassfilter TP1 ist dabei so bemessen, dass die Impedanz des Eingangssignals E im Audiobereich sowohl für die Audiosignalquelle 20 als auch für den Audioleistungsverstärker 30 am Zweig AMPINP weitestgehend gleich der Impedanz am Zweig AMPINN ist. Somit wird durch die Schaltung die Eingangsspannung am AMPINP und AMPINN allenfalls um den gleichen Betrag und damit symmetrisch verändert. Das zweite Tiefpass TP2 filtert das Eingangssignal E ein weiteres Mal, um das Audiosignal A weiter zu dämpfen, vorzugsweise zu entfernen.
An dem Zweig Voff, also an dem Steueranschluss 45, wird die Schaltung zur Spannungsverschiebung, also die Signalquelle 43 angeschlossen. Anschließend folgt das weitere Tiefpass TP3 hier zweiter Ordnung. Für die Tiefpässe eignet sich insbesondere ein Bessel-Filter-Entwurf.
Über den zweiten Impedanzwandler W2 wird das Eingangssignal des Eingangs AMPINP (41a) um einen bestimmten Betrag, also den Offsetbetrag Δx verändert und über den Widerstand (R26) schließlich wieder auf AMPINN ausgegeben. Um den Frequenzbereich für das Diagnosesignal einzustellen, wird einerseits die Generierung des Spannungssignals S mittels der Signalquelle 43 und andererseits die Tiefpässe zum Filtern von Frequenzen unterhalb des Audiobereichs verwendet.
Wie in 5 gezeigt weisen der Widerstand am ersten Verbindungsanschluss 41a (R46) und der Widerstand am zweiten Verbindungsanschluss 41b (R26) im Wesentlichen den gleichen Widerstandswert auf. Dadurch ergibt sich, dass R26 die weitestgehend gleiche Impedanz für AMPINN wie R46 für AMPINP aufweist, jedenfalls was den Audiobereich angeht. Der Kondensator (C9) im ersten Tiefpass sollte daher für den genutzten Audiobereich wenig ins Gewicht fallen, sondern wie eine Verbindung nach Masse wirken. In der Prinzipschaltung gemäß 5 hat sich als geeignete Kombination von R46, C9 und R26 99,2 kΩ und 160 nF herausgestellt.
6 zeigt einen beispielhaften Prinzipschaltplan für die Signalquelle 43, die das Spannungssignal S zum Erzeugen des Offsets angibt. Der Anschluss an die Diagnoseschaltung gemäß 5 erfolgt über den Steueranschluss 42, der als Voff angezeigt ist. Der Steueranschluss 42 bildet einen Mittelabgriff für eine Brückenschaltung 44 mit zwei Schaltelementen M1 und M2 und zwei Widerständen R40, R41.
In der Brückenschaltung 44 ist jeweils ein Schaltelement M1, M2 mit einem Widerstand in Serie geschaltet, wobei die Widerstände über den Mittelabgriff, an dem der Steueranschluss 42 ausgeführt ist, verbunden sind. Mit einem Ende ist die Brückenschaltung 44 an ein Betriebspotential VDD und mit dem anderen Ende ist die Brückenschaltung 44 an das Massepotential angeschlossen. Das Betriebspotential VDD kann zum Beispiel eine Betriebsspannung der in 2 gezeigten Auswertelogik 51 von beispielsweise 3,3 V sein. Die Schaltelemente M1, M2 sind in 6 als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFETs (Metalloxidfeldeffekttransistor) dargestellt. Ein Gatetreiber für die MOSFETs ist durch eine Spannungsquelle V6 eingezeichnet. Die Signalquelle 43 kann auch als Offset-Generatorbrücke bezeichnet werden und wird zur Spannungsänderung an dem Steueranschluss 42 eingesetzt, die dann von der Diagnoseschaltung 40 gemäß 5 in Richtung des Audioleistungsverstärkers 30 weitergegeben wird. Die Schaltelemente M1 werden vorzugsweise gegenläufig mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert, die oberhalb des Audiobereichs zum Beispiel bei 100 kHz liegt. Diese PWM kann bis zu dauerhaft 100% (M1 durchgeschaltet, M2 offen) oder 0% (M1 offen, M2 durchgeschaltet) von einer Steuerlogik, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller, angesteuert werden. Bevorzugt kann die Steuerlogik zum Beispiel von der Auswertelogik 51 umfasst sein.
Sind beide MOSFETs offen, wird keine Spannung addiert, und AMPINN folgt AMPINP, wodurch keine Differenzspannung an dem Verstärkereingang 31 entsteht. Steuert man nur ein Schaltelement M1 alleine von 0 bis 100 % geschlossen an, kann eine im Audiobereich unhörbare Differenzspannung herbeigeführt werden. Für das andere Schaltelement M2 gilt dies ebenfalls, sodass eine sehr niederfrequente AC-Spannung, zum Beispiel 0,25 Hz zu dem Audiosignal A addiert werden kann. Durch Verwendung einer AC-Spannung kann vermieden werden, dass der Lautsprecher 10 dauerhaft mit einem DC-Pegel angesteuert wird. Die Widerstände in der Brückenschaltung (R40, R41) werden dabei so bemessen, dass eine gewünschte maximale Differenzspannung (positiv oder negativ) am Audioleistungsverstärker 40 eingestellt werden kann.
Mit Hilfe der in den 5 und 6 gezeigten Prinzipschaltplänen kann so eine sehr kleine Differenzspannung erzeugt werden, die weitgehend unabhängig von der tatsächlichen Größe des Eingangssignals, insbesondere der Biasspannung, in dem Audioleistungsverstärker 30 sind. Diese Biasspannungen sind zwar identisch, aber in der Regel ist der Spannungswert nicht genau bekannt. Durch die Verwendung der Diagnoseschaltung 40 kann die Biasspannung als Biaspunkt verwendet werden, um die Signaldifferenz zu erzeugen. Dadurch ist der tatsächliche Wert der Biasspannung unerheblich.
7 zeigt ein Beispiel für einen Prinzipschaltplan der Auswertelogik 51. Die Auswertelogik nutzt vorliegend zwei Analog-Digital-Wandler ADC(U) und ADC(I) einmal zur Bewertung der Spannung und einmal zur Bewertung des Stroms am Lautsprecher 10. Der AD-Wandler ADC(I) ist über einen ersten Messanschluss 51a (hier als D_i bezeichnet) an eine Strommessschaltung 52a als Messschaltung 52 angeschlossen. Der AD-Wandler ADC(U) ist über einen zweiten Messanschluss 51b (im Prinzipschaltplan als D_u bezeichnet) an eine Spannungsmessschaltung 52b als Messschaltung 52 angeschlossen. Über die Messanschlüsse 51a, 51b kann das jeweilige Messsignal M zum Beispiel als Stromsignal oder als Spannungssignal an die Auswertelogik 51 bereitgestellt werden. Die Auswertelogik 51 wird hier mit einer Versorgungsspannung von 3,3 V (V2) betrieben und erzeugt eine Referenzspannung von Vref von VDD/2 = 1,65 V. Sowohl die Versorgungsspannung VDD als die Referenzspannung Vref werden sinnvoller Weise in der Schaltung zur Bewertung der Funktionsfähigkeit genutzt.
8 zeigt ein Beispiel für einen beispielhaften Prinzipschaltplan einer Messschaltung 52, die als Strommessschaltung 52a ausgestaltet ist. Das heißt, es geht darum, mittels Strommessung die Funktionsfähigkeit des Lautsprechers 10 zu diagnostizieren. Dazu ist in die Leitung zwischen dem ersten Verstärkerausgangsanschluss 32a und dem Lautsprecheranschluss 11a ein Shunt-Widerstand RS (im Prinzipschaltplan R8) dargestellt. Das Messsignal M wird somit als Stromsignal, das abhängig von einem an dem Verstärkerausgangsanschluss bereitgestellten Ausgangssignal O an dem Shunt-Widerstand RS abfällt, an die Auswerteelektronik 50 bereitgestellt. Mittels der in 8 gezeigten Schaltung wird der Spannungsabfall an dem Shunt gemessen, tiefpassgefiltert und über einen Verstärker, hier U5, U6 mit R22, R24 und R25, und einem anschließenden Spitzenwertdetektor (U7, D1) und einem Halteglied (C4, R19) der Auswertelogik 51 über den Anschluss 51a zur Verfügung gestellt.
9 zeigt ein Beispiel für einen Prinzipschaltplan einer Messschaltung 52, die als Spannungsmessschaltung 52b ausgestaltet ist. Das heißt es geht darum, die Funktionsfähigkeit des Lautsprechers 10 mittels einer Messung der Spannung an den Lautsprecheranschlüssen 11a, 11b zu ermitteln. Die an den Lautsprecheranschlüssen 11a, 11b abfallende Spannung kann über eine Vorstufe, die als Instrumentenverstärkerschaltung (U10, U11 und U12) oder ähnlich aufgebaut ist, an einen Tiefpass übertragen und schließlich über den Anschluss 51b an die Auswertelogik 51 übertragen werden. Eine Instrumentenverstärkerschaltung, wie sie als Vorstufe gezeigt ist, hat den Vorteil, dass sie auch in der Gain sinnvoll eingestellt werden kann. Ein entsprechender Gain-Einstellungswiderstand ist in den Figuren nicht gezeigt.
Für den Tiefpass sind in 9 zwei verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt. Eine besonders einfache Umsetzung kann mit einem Tiefpassfilter erster Ordnung (R39, C6) realisiert werden. Diese Alternative ist in 9 strichliert dargestellt. Bevorzugt kann ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung, zum Beispiel mit einem Bessel-Filterdesign, gemäß der zweiten Alternative verwendet werden. Dadurch können die Sample-Rate in der Auswertelogik 51 und der digitale Filteraufwand reduziert werden. Durch die Tiefpassfilterung sowohl bei der Strommessung als auch der Spannungsmessung ergibt sich der Vorteil, dass das Audiosignal A nicht mitgemessen zu werden braucht und anschließend digital gefiltert werden muss.
Insgesamt lässt sich so die Ausgangsspannung als Messsignal M des Audioleistungsverstärkers 30 gezielt in einem hinreichend kleinen Bereich, zum Beispiel zwischen ± 300 mV ansteuern und analysieren, ohne die Biaseingangsspannung des Audioleistungsverstärkers 30 genauestens zu kennen. Hierbei ist für eine Kurzschlussdetektion insbesondere die Ausgangsspannung während kleiner Audiosignale A oder gar während Stille, also ohne Audiosignal, im stummgeschalteten Zustand des Audioausgabesystems 1 interessant, und es können entsprechende Grenzwerte für die Messsignalwerte gemäß dem Auswertekriterium angepasst an die Messsignalerzeugung festgelegt werden. Bei größerer Aussteuerung, also zum Beispiel bei Spannungen über 1 V, ist eine Kurzschlusserkennung meistens innerhalb des Audioleistungsverstärkers 30 garantiert, da im Fall die Ausgangsstufe überlastet wird. Bei kleinen Signalen, also zum Beispiel bei Spannungen unter 1 V, wie es zum Beispiel durch Beaufschlagung mit dem Diagnosesignal D erreicht wird, spricht dieser Überlastungsschutz des Audioleistungsverstärkers 30, gerade bei Class D-Verstärkern, wie er im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, aber oftmals nicht an, da die Leistung in die Spulen und den Kurzschluss (mit einem Kurzschlusswiderstand > 0 Ω, aber zum Beispiel < 2 Ω) abgegeben wird und keine Überlastungserkennung anschlägt. Dieses Problem wird durch die Messung des Ausgangssignals O in Form des Messsignals M erkannt, zum Beispiel durch Erkennung einer fortgesetzten Unterschreitung der erwarteten Ausgangsspannung, und es kann entsprechend reagiert werden. Zum Beispiel kann eine Fehlerinformation im Fahrzeug an den Benutzer ausgegeben werden, um den Benutzer zu informieren, dass eine Reparatur des eCall-Systems notwendig ist.
Analog trifft dies auch für die Strommessung zu. Wird kein Strom detektiert, obwohl zwar kein Audiosignal A anliegt, aber dennoch ein Messsignal M eine Ausgangsspannung am Audioleistungsverstärker 30 und somit Strom erzeugen müsste, deutet dies auf eine Leitungsunterbrechung oder einen Defekt der Lautsprecherspule hin. Die Spitzenwertdetektion in der Strommessschaltung 52a vereinfacht dabei den Aufwand der Strommessung beziehungsweise der Analyse durch ein entsprechendes Programm der Auswertelogik. Insgesamt zeigt die Erfindung ein aktives System zur Fehlerdetektion in Leitungsverbindungen und darüber angeschlossenen Zweipolen, wie zum Beispiel einem Lautsprecher 10.

Claims

Diagnoseschaltung (40) zum Erzeugen eines Diagnosesignal (D) für eine Diagnose eines Lautsprechers (10) in einem Audioausgabesystem (1), umfassend: - einen ersten Verbindungsanschluss (41a) zum Anschließen an einen ersten Verstärkereingangsanschluss (31a) eines Audioleistungsverstärkers (30) des Audioausgabesystems (1), und - einen zweiten Verbindungsanschluss (41b) zum Anschließen an einen zweiten Verstärkereingangsanschluss (31b) des Audioleistungsverstärkers (30), - einen Steueranschluss (42) zum Anschließen einer Signalquelle (43) der Diagnoseschaltung (40), - einen ersten Impedanzwandler (W1) mit einer am Impedanzwandlerausgang wirksamen, vorgegebenen Ausgangsimpedanz, mit dessen Impedanzwandlereingang der erste Verbindungsanschluss (41a) gekoppelt ist, und mit dessen Impedanzwandlerausgang der Steueranschluss (42) gekoppelt ist, - einen zweiten Impedanzwandler (W2) mit dessen Impedanzwandlereingang der Steueranschluss (42) gekoppelt ist, und mit dessen Impedanzwandlerausgang der zweite Verbindungsanschluss (41b) gekoppelt ist, und - die Signalquelle (43), die ausgebildet ist, den Steueranschluss (42) mit einem Spannungssignal (S) zu beaufschlagen, wobei - die Diagnoseschaltung (40) ausgebildet ist, das Spannungssignal mit einem Ausgangssignal des ersten Impedanzwandlers an der Ausgangsimpedanz zu überlagern und hierdurch das Diagnosesignal (D) zu erzeugen und den zweiten Verbindungsanschluss (41b) mit dem Diagnosesignal (D) zu beaufschlagen, wobei sich das Diagnosesignal (D) um einen von dem Spannungssignal (S) abhängigen Offsetbetrag (Δx) von einem über den jeweiligen Verstärkereingangsanschluss (31a, 31b) an den jeweiligen Verbindungsanschluss (41a, 41b) bereitgestellten Eingangssignal (E) unterscheidet, und - die Diagnoseschaltung (40) eine an dem ersten Verbindungsanschluss (41a) wirksame Eingangsimpedanz (Zin) aufweist, die einen identischen Impedanzwert zu einer an dem zweiten Verbindungsanschluss (41b) wirksamen Ausgangsimpedanz (Zout) aufweist.
Diagnoseschaltung (40) nach Anspruch 1, wobei - der erste Verbindungsanschluss über ein erstes Tiefpassfilter (TP1) mit dem ersten Impedanzwandler (W1) verbunden ist, welches die am ersten Verbindungsanschluss (41a) wirksame Eingangsimpedanz (Zin) bereitstellt, und/oder - der ersten Impedanzwandlers (W1) über ein zweites Tiefpassfilter (TP2) mit dem Steueranschluss (42) verbunden ist, wobei das zweite Tiefpassfilter (TP2) die Ausgangsimpedanz des ersten Impedanzwandlers (W1) bereitstellt, und/oder - der Steueranschluss (42) über ein drittes Tiefpassfilter (TP3) mit dem zweiten Verbindungsanschluss (41b) verbunden ist, wobei das dritte Tiefpassfilter (TP3) den zweiten Impedanzwandler (W2) umfasst, wobei das jeweilige Tiefpassfilter (TP1, TP2, TP3) dazu eingerichtet ist, ein über den jeweiligen Verstärkereingangsanschluss (41a, 41b) in die Diagnoseschaltung (40) übertragenes Audiosignal (A) für Frequenzen oberhalb einer Frequenz des Diagnosesignals (D) zu dämpfen.
Diagnoseschaltung (40) nach Anspruch 2, wobei das jeweilige Tiefpassfilter (TP1, TP2, TP3) ausgebildet ist, ausschließlich einen niederfrequenten Signalanteil des Diagnosesignals (D) mit Frequenzen kleiner als 20 Hz, insbesondere kleiner als 1 Hz, bevorzugt kleiner als 0,5 Hz und an den zweiten Verbindungsanschluss (41b) bereitzustellen.
Diagnoseschaltung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalquelle (43) eine Brückenschaltung zumindest mit zwei elektronischen Schaltelementen (M1, M2) umfasst, wobei die Brückenschaltung zumindest einen mit den Schaltelementen (M1, M2) gekoppelten elektrischen Widerstand aufweist, wobei eine Steuerlogik der Diagnoseschaltung (40) dazu ausgebildet ist, die Schaltelemente (M1, M2) in einem vorgegebenen Schaltbetrieb zu schalten und dadurch einen Mittelabgriff der Brückenschaltung, der an den Steueranschluss (42) angeschlossen ist, mit dem Spannungssignal (S) zu beaufschlagen.
Diagnoseschaltung (40) nach Anspruch 4, wobei die Brückenschaltung mit einem Masseanschluss an ein vorbestimmtes Massepotential angeschlossen ist und mit einem Betriebsanschluss an ein vorbestimmtes Betriebspotential angeschlossen ist, wobei das Massepotential und das Betriebspotential im Schaltbetrieb eine Potentialdifferenz mit einem Betrag von 0,5 V bis 10 V, insbesondere von 2 V bis 5,5 V, bevorzugt von 3,3 V aufweisen.
Diagnoseschaltung (40) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Steuerlogik ausgebildet ist, die Schaltelemente (M1, M2) in dem Schaltbetrieb mittels Pulsweitenmodulation mit einer Modulation der Pulsweite mit einer Frequenz größer 20 kHz, bevorzugt mit einer Frequenz größer 100 kHz, zu betreiben.
Audioausgabesystem (1) zur Diagnose eines Lautsprechers (10), mit einer Audiosignalquelle (20), einem Audioleistungsverstärker (30) und dem Lautsprecher (10), wobei der Audioleistungsverstärker (30) einen Verstärkereingang (31) mit einem ersten und einem zweiten Verstärkereingangsanschluss (31a, 31b) zum Koppeln mit der Audiosignalquelle (20) und einen Verstärkerausgang (32) zum Koppeln über eine Leitung (12) mit dem Lautsprecher (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - an den Verstärkereingang (31) eine Diagnoseschaltung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeschlossen ist, welche ausgebildet ist, deren zweiten Verbindungsanschluss (41b), der an den zweiten Verstärkereingangsanschluss (31b) angeschlossenen ist, mit dem Diagnosesignal (D) zu beaufschlagen, - an den Verstärkerausgang (32) eine Auswerteelektronik (50) mit einer Auswertelogik (51) angeschlossen ist, wobei die Auswertelogik (51) ausgebildet ist, ein in Abhängigkeit von dem Diagnosesignal (D) über den Audioleistungsverstärker (30) an die Auswerteelektronik (50) übertragenes Messsignal (M) gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium auszuwerten und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Auswertens eine Funktionsstörung des Lautsprechers (10) und/oder der Leitung (12) zu ermitteln.
Audioausgabesystem (1) nach Anspruch 7, wobei der Audioleistungsverstärker (30) zumindest eine Biassignalquelle (33, 33a, 33b) für eine Biasspannung umfasst, wobei die zumindest eine Biassignalquelle (33, 33a, 33b) ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Verstärkereingangsanschluss (41a, 41b) jeweils mit einem identischen Biassignal zu beaufschlagen.
Audioausgabesystem (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Audioleistungsverstärker (30) eine an dem ersten Verstärkereingangsanschluss (41a) wirksame Eingangsimpedanz aufweist, die einen identischen Impedanzwert zu einer an dem zweiten Verstärkereingangsanschluss (41b) wirksamen Eingangsimpedanz aufweist.
Audioausgabesystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Auswerteelektronik (51) eine Strommessschaltung (52a) umfasst, wobei die Strommessschaltung (52a) einen Shunt-Widerstand (Rs) aufweist, der in die Leitung (12) zwischen einem Verstärkerausgangsanschluss (32a, 32b) des Verstärkerausgangs (32) und einem Lautsprecheranschluss des Lautsprechers (10) angeschlossen ist, wobei die Strommessschaltung (52a) ausgebildet ist, das Messsignal (M) als Stromsignal, das abhängig von einem an dem Verstärkerausgangsanschluss (32a, 32b) bereitgestellten Ausgangssignal an dem Shunt-Widerstand (Rs) abfällt, bereitzustellen.
Audioausgabesystem (1) nach Anspruch 10, wobei die Strommessschaltung (52a) eine Detektorschaltung umfasst, die ausgebildet ist, innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls einen von dem Ausgangssignal abhängigen Spitzenwert des Stromsignals als das Messsignal bereitzustellen.
Audioausgabesystem (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 ,wobei die Auswerteelektronik (50) eine Spannungsmessschaltung (52b) umfasst, wobei die Spannungsmessschaltung (52b) ausgebildet ist, das Messsignal (M) als Spannungssignal abhängig von einer über den Verstärkerausgang (32) an den Lautsprecher (10) bereitgestellten Ausgangsspannung bereitzustellen.
Audioausgabesystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Auswerteelektronik (50) zumindest eine Tiefpass-Verstärkerschaltung aufweist, wobei die Tiefpass-Verstärkerschaltung ausgebildet ist, ausschließlich einen niederfrequenten Signalanteil des Messsignals mit Frequenzen kleiner als 20 Hz, insbesondere kleiner als 1 Hz, bevorzugt kleiner als 0,5 Hz an die Auswertelogik (51) bereitzustellen und zu verstärken.
Verfahren zum Betreiben einer Diagnoseschaltung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mittels der Signalquelle (43) der Steueranschluss (42) mit dem Spannungssignal (S) beaufschlagt wird, wodurch in Abhängigkeit von der Diagnoseschaltung (40) der zweite Verbindungsanschluss (41b) mit dem Diagnosesignal (D) beaufschlagt wird, welches sich um einen von dem Spannungssignal (S) abhängigen Offsetbetrag (Δx) von einem über den jeweiligen Verstärkereingangsanschluss (31a, 31 b) an den jeweiligen Verbindungsanschluss (41a, 41v) bereitgestellten Eingangssignal (E) unterscheidet, wobei mittels der Diagnoseschaltung (40) eine an dem ersten Verbindungsanschluss (41a) wirksame Eingangsimpedanz (Zin) bereitgestellt wird, die einen identischen Impedanzwert zu einer an dem zweiten Verbindungsanschluss (41b) wirksamen Ausgangsimpedanz (Zout) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Audioausgabesystems (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei mittels der Diagnoseschaltung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, deren zweiter Verbindungsanschluss (41a), der an den zweiten Verstärkereingangsanschluss (31a) angeschlossenen ist, mit dem Diagnosesignal (D) beaufschlagt wird, und mittels der Auswertelogik (51) der Auswerteelektronik (50) ein in Abhängigkeit von dem Diagnosesignal (D) über den Audioleistungsverstärker (30) an die Auswerteelektronik (50) übertragenes Messsignal (M) gemäß einem vorbestimmten Auswertekriterium ausgewertet wird, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis des Auswertens eine Funktionsstörung des Lautsprechers (10) und/oder der Leitung (12) ermittelt wird.