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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Ermittlung einer in einem Signalspannungsbereich liegenden
Signalspannung eines Sensors eines Kraftfahrzeugs mittels einer
Messeinrichtung mit einem Eingangsspannungsbereich, der kleiner
ist als der Signalspannungsbereich des Sensors, wobei ein Spannungsteiler
den Signalspannungsbereich in den Eingangsspannungsbereich transformiert.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
ein Steuergerät
für eine
Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei eine
in einem Signalspannungsbereich liegende Signalspannung eines Sensors des
Kraftfahrzeugs ermittelbar ist mittels einer Messeinrichtung mit
einem Eingangsspannungsbereich, der kleiner ist als der Signalspannungsbereich
am Signalausgang des Sensors, wobei durch einen Spannungsteiler
der Signalspannungsbereich in den Eingangsspannungsbereich transformierbar
ist.
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Derartige Verfahren und Steuergeräte sind
bereits aus dem Stand der Technik bekannt und erfordern teure Präzisionswiderstände für den Spannungsteiler,
um den Signalspannungsbereich möglichst
genau in den Eingangsspannungsbereich zu transformieren.
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Ein weiterer Nachteil bei den bekannten
Verfahren besteht in der Anfälligkeit
des Spannungsteilers gegenüber
Veränderungen
der Umgebungsbedingungen wie z.B. der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit
oder dergleichen, die auch die elektrischen Eigenschaften des Spannungsteilers
beeinflussen und damit die Genauigkeit der Transformation der Spannungsbereiche
herabsetzen.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art
dahingehend zu verbessern, dass die Flexibilität bei der Transformation der
unterschiedlichen Spannungsbereiche des Sensorsignals und der Messeinrichtung
und die Genauigkeit gesteigert werden, ohne dass hierzu Präzisionswiderstände erforderlich
sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass periodisch ein dem Sensor zugeordnetes Massepotential, ein
Versorgungspotential für
den Sensor und ein der Signalspannung zugeordnetes Signalpotential
am Signalausgang des Sensors gemessen wird, und dass die Signalspannung
durch einen Vergleich des Signalpotentials und des Versorgungspotentials
jeweils mit dem Massepotential, vorzugsweise gemäß
erhalten
wird.
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Eine derartige Ermittlung der Signalspannung
ist, wie bereits aus der vorstehenden Gleichung ersichtlich, unabhängig von
dem Spannungsteiler bzw. von den Widerstandswerten des Spannungsteilers.
Dadurch sind keine hochpräzisen,
teuren Widerstände
in dem Spannungsteiler erforderlich. Alternativ ist es auch möglich, den
Signalspannungsbereich in einen reduzierten Spannungsbereich zu
transformieren, der kleiner als der Eingangsspannungsbereich der
Messeinrichtung ist.
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Die Unabhängigkeit der Signalspannung
von dem Spannungsteiler ergibt sich erfindungsgemäß daraus,
dass nicht nur die Signalspannung bzw. ein der Signalspannung entsprechendes
Signalpotential von der Messeinrichtung erfasst wird, sondern auch
das Massepotential und das Versorgungspotential des Sensors. Somit
wirken sich Ungenauigkeiten bei dem Spannungsteiler in derselben
Art und Weise auf alle drei zu erfassenden Größen, nämlich das Signalpotential,
das Massepotential und das Versorgungspotential aus.
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Der rechnerische Vergleich von Signal-
und Massepotential bzw. von Versorgungs- und Massepotential eliminiert
die Ungenauigkeiten des Spannungsteilers, so dass ein genauer Wert
für das
Signalpotential erhalten wird.
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Besonders vorteilhaft ist es gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn die Summe der Zeitdifferenzen zwischen der Messung des Massepotentials,
des Versorgungspotentials und des Signalpotentials kleiner ist als
eine Störzeit,
in der der Spannungsteiler und/oder weitere die Signalspannung beeinflussende
Komponenten ihre elektrischen Eigenschaften so verändern, dass
die Signalspannung durch die Veränderung(en)
der Komponente(n) verfälscht
wird.
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Eine erfindungsgemäße hinreichend
schnelle Erfassung des Massepotentials, des Versorgungspotentials
und des Signalpotentials stellt sicher, dass eine Übertragungsfunktion
des Spannungsteilers trotz Temperaturänderung während der Erfassung der drei
Potentiale im Rahmen der Genauigkeit der Messeinrichtung als konstant
angesehen werden kann.
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Ein sehr geringer Aufwand zur Realisierung
der Messung der drei verschiedenen Potentiale mit der Messeinrichtung
ergibt sich bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dadurch,
dass das Massepotential, das Versorgungspotential und das Signalpotential
wechselweise durch einen Multiplexer an den Spannungsteiler angelegt
wird.
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Zur Pufferung der zu messenden Potentiale
ist dem Spannungsteiler bei einer Variante der Erfindung ein Verstärker vorgeschaltet.
Der Verstärker
besitzt vorzugsweise einen Verstärkungsfaktor
von 1 und kann beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildet
sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch eine
Elimination von durch den Verstärker
verursachten Störungen
der Signalspannung des Sensors, die beispielsweise von einem Offset
des Verstärkers
herrühren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sehen vor, dass die Signalspannung eines Sensors einer Brennkraftmaschine
gemessen wird und/oder dass die Signalspannung eines Drucksensors,
insbesondere eines den Druck eines Hochdruck-Kraftstoffspeichers
erfassenden Sensors, gemessen wird.
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Als weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist ein Computerprogramm für ein Steuergerät einer
Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs angegeben,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Computerprogramm zur Ausführung eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 6 geeignet ist.
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Sehr vorteilhaft ist es auch, wenn
das Computerprogramm auf einem elektrischen Speichermedium, insbesondere
auf einem Flash-Memory oder einem Read-Only-Memory abgespeichert
ist.
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Als noch eine weitere Lösung der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist bei einem Steuergerät der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, dass periodisch ein dem Sensor zugeordnetes
Massepotential, ein Versorgungspotential für den Sensor und ein der Signalspannung
zugeordnetes Signalpotential am Signalausgang des Sensors gemessen
werden kann, und dass die Signalspannung durch einen Vergleich des
Signalpotentials und des Versorgungspotentials jeweils mit dem Massepotential,
vorzugsweise gemäß
erhalten
werden kann.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw,.
in der Zeichnung.
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1 zeigt
einen Ablaufplan einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
und
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Steuergeräts.
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Das erfindungsgemäße Steuergerät 1 aus 2 weist eine Messeinrichtung 2 auf,
die zur Messung eines Signals von dem ebenfalls in 2 dargestellten und über die Leitungen 3 mit
dem Steuergerät 1 verbundenen
Sensor 4 vorgesehen ist.
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Hierzu weist die Messeinrichtung 2 einen
Messeingang INP und einen zugehörigen
Masseeingang AGND auf. Eine zwischen dem Messeingang INP und dem
Masseeingang AGND anliegende Spannung wird von einem in der Messeinrichtung 2 integrierten
Analog/Digital (A/D)-Wandler (nicht gezeigt) in einen Digitalwert
umgewandelt.
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Der A/D-Wandler besitzt einen Eingangsspannungsbereich
von 0 V bis 3,3 V, d.h. die Spannung zwischen dem Messeingang INP
und dem Masseeingang AGND darf 3,3 V nicht überschreiten, um korrekte Messwerte
zu erhalten. Bei einer Überschreitung
dieser Grenze erfolgen Verzerrungen des zu messenden Signals aufgrund
der Begrenzung auf 3,3 V bzw. eine Zerstörung des A/D-Wandlers.
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Das zu messende Signal wird von dem
Sensor 4 erzeugt, der hierzu über die Leitungen 3 mit
einem Versorgungspotential V1 und einem Massepotential V0 des Steuergeräts 1 verbunden
ist.
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Die vom Sensor 4 erzeugte
Signalspannung U2 bzw. das zugehörige
Signalpotential V2 wird über
einen Multiplexer 5 und einen dem Multiplexer 5 nachgeschalteten
Pufferverstärker 6 mit
einer Verstärkung
von eins geleitet, dessen Ausgang mit dem Spannungsteiler VD verbunden
ist.
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Der Spannungsteiler VD weist eine
Serienschaltung der ohmschen Widerstände R1 und R2 auf, wobei der
Ausgang des Pufferverstärkers
6 mit
dem Widerstand Rl verbunden ist und wobei der Widerstand R2 zwischen
dem Messeingang INP und dem zugehörigen Masseeingang AGND angeordnet
ist. Auf diese Weise liegt zwischen dem Messeingang INP und dem
Masseeingang AGND die an dem Widerstand R2 abfallende Spannung UR2
an, die gemäß der Spannungsteilerregel
wie folgt mit der am gesamten Spannungsteiler VD anliegenden Spannung
UVD zusammenhängt:
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Das Versorgungspotential V1 beträgt 5 V bezogen
auf das Massepotential V0, und das Verhältnis der Widerstandswerte
der Widerstände
Rl, R2 beträgt
R2/R1 = 2, so dass der Signalspannungsbereich des Sensorsignals
von 0 V bis 5 V in den Eingangsspannungsbereich der Messeinrichtung 2 zwischen
0 V und 3,3 V transformiert wird.
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Die Spannung UR2 hängt direkt
von den Widerständen
R1, R2 ab. Indirekt hängt
die Spannung UR2 über
die Spannung UVD darüber
hinaus auch von der Verstärkung
bzw. weiteren Kenngrößen wie
z.B. einer Offset-Spannung des Pufferverstärkers 6 ab. Wie bereits
erwähnt,
weist der Pufferverstärker 6 eine
Verstärkung
von eins auf.
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Um zu verhindern, dass eine Veränderung
der Kenngrößen des
Pufferverstärkers
bzw. der Widerstände
R1, R2 eine Verfälschung
der zu messenden Spannung UR2 bewirkt, was beispielsweise durch
eine aufgrund einer Temperaturänderung
veränderte Übertragungsfunktion
des Pufferverstärkers 6 bzw.
des Spannungsteilers VD erfolgt, wird das nachstehend erläuterte erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt. Hierzu wird der Pufferverstärker 6 als ideal angenommen,
so dass durch ihn keine Veränderung
des zu messenden Signals erfolgt.
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1 zeigt
einen Ablaufplan, in dem zunächst
ein Schritt 10 angegeben ist. In dem Schritt 10 wird der Multiplexer 5 so
angesteuert, dass der Eingang des Pufferverstärkers 6 über den
Multiplexer 5 mit derjenigen Leitung 3 verbunden
wird, die das Massepotential V0 für den Sensor 4 führt. Die
Ansteuerung des Multiplexers 5 erfolgt hierbei über einen
I2C-Bus oder eine SPI (serial peripheral
interface)-Schnittstelle
(nicht gezeigt).
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Anschließend wird im Schritt 11 gemäß
1 mit der Messeinrichtung
2 die
Spannung UR2 M0 gemessen, die im vorliegenden Fall
beträgt, wobei
der Spannungsteilerterm mit
abgekürzt ist
und die am Spannungsteiler VD anliegende Spannung UVD sich aus der
Differenz des vom idealen Pufferverstärker
6 ausgegebenen
Massepotentials V0 und des Potentials V_AGND des Masseeingangs AGND
der Messeinrichtung
2 ergibt.
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In Schritt 12 (1) wird der Multiplexer 5 so
angesteuert, dass der Eingang des Pufferverstärkers 6 über den
Multiplexer 5 mit derjenigen Leitung 3 verbunden
wird, die das Versorgungspotential V1 für den Sensor 4 führt.
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Analog zu dem Schritt 11 ergibt sich
bei einer Messung im Schritt 13 dann für die Spannung UR2_M1 UR2_M1 = (V1 – V_AGND)*R'.
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Lm Schritt 14 wird der Multiplexer 5 schließlich so
angesteuert, dass der Eingang des Pufferverstärkers 6 über den
Multiplexer 5 mit derjenigen Leitung 3 verbunden
wird, die das Signalpotential V2 des Sensors 4 führt.
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Das Signalpotential V2 wird nachfolgend
in Schritt 15 auf die vorstehend beschriebene Weise mit der Messeinrichtung 2 ermittelt
und führt
auf die Spannung UR2_M2 UR2_M2 = (V2 – V_AGND)*R',
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Aus den Spannungen UR2_M0, UR2_M1,
UR2_M2 wird in Schritt 16 mit der folgenden Gleichung die Signalspannung
U2, bezogen auf die Versorgungsspannung U1, erhalten:
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Durch die Differenzbildung bei den
Spannungen UR2_M2, UR2_M0 bzw. UR2_M1, UR2_M0 wird eine ggf. auftretende
Abweichung der Spannung UR2_M1 bzw. des zugehörigen Versorgungspotentials
V1 und der Spannung UR2_M0 bzw. des zugehörigen Massepotentials V0 gegenüber einer
Referenz-Versorgungsspannung
bzw. einem Referenz-Massepotential rechnerisch ausgeglichen.
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Ferner enthält der Term für die Versorgungsspannung
U2/U1 keine Abhängigkeit
von R', d.h. von
den Werten der Widerstände
R1, R2. Somit ist es möglich,
auch bei einem Spannungsteiler VD niedriger Präzision, dessen Übertragungsfunktion
z.B. stark temperaturabhängig
ist, den Wert der Signalspannung U2 unabhängig von den Bauteilgrößen der
Widerstände
R1, R2 zu ermitteln. Teuere Präzisionswiderstände sind
aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens
hierzu nicht erforderlich. Die einzigste Bedingung für die genaue
Erfassung der drei Potentiale V0, V1, V2, besteht darin, dass die
Erfassung, d.h. die Schritte 11 bis 15, innerhalb eines Zeitraums
stattfindet, in dem keine Änderungen
der Übertragungsfunktion
des Spannungsteilers VD bzw. des Pufferverstärkers 6 und/oder weiterer,
die Signalspannung U2 beeinflussender Komponenten auftreten.
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Besonders vorteilhaft ist die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Messung der Signalspannung eines Drucksensors einer Brennkraftmaschine.
abgekürzt ist und die am Spannungsteiler VD anliegende Spannung UVD sich aus der Differenz des vom idealen Pufferverstärker
