DE10237126B4

DE10237126B4 - Messschaltung

Info

Publication number: DE10237126B4
Application number: DE10237126.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hetzler Ullrich
Original assignee: Ams AG; IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Current assignee: Ams Osram AG; IsabellenHuette Heusler GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2022-08-14
Also published as: DE10237126A1; ATE405845T1; DE10262412B3; DE50310338D1

Abstract

Messschaltung (1) zur Strom- und Spannungsmessung, mit a) mehreren Signaleingängen (RSHH, RSHL, VBAT, ETS, ETR) zur Aufnahme jeweils eines Eingangssignals, b) mehreren Zerhackern (4.1–4.6), die jeweils einem der Signaleingänge (RSHH, RSHL, VBAT, ETS, ETR) nachgeschaltet sind, c) einem Verstärker (5), d) einem Oszillator und/oder einem Zeitgeber zur internen Takterzeugung, und e) einem Signalausgang zur Ausgabe eines Ausgangssignals, gekennzeichnet durch f) eine Ausführung als integrierte Schaltung, g) eine digitale Signalverarbeitungseinheit (9) mit einem digitalen Demodulator (9), h) einen Analog/Digital-Wandler (7, 8), der zwischen dem Verstärker (5) und dem Demodulator (9) angeordnet ist, wobei der Analog/Digital-Wandler (7, 8) einen Sigma-Delta-Modulator (7) aufweist, der dem Verstärker (5) nachgeschaltet ist, i) eine digitale Schnittstelle (10) zur Einstellung mindestens eines Betriebsparameters der Messschaltung (1), j) eine erste Stromquelle (15.1, 15.2), die auf mindestens einen der Signaleingänge (RSHH, RSHL) schaltbar ist und eine Erkennung einer Unterbrechung oder eines Bruchs der Anschlussleitungen ermöglicht, die an die Signaleingänge (RSHH, RSHL) angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messschaltung, insbesondere zur Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung (z. B. in einem Kfz-Bordnetz) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus EP 1 030 185 A2 ist eine Messschaltung bekannt, die als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ausgeführt ist und in einem Kfz-Bordnetz den Strom überwacht, um fehlerhafte Verbraucher zu identifizieren oder eine Überlastung der Batterie erkennen zu können.
Für die Messung analoger Signale werden unter anderem sogenannte Zerhacker- oder Chopper-Verstärker eingesetzt, die eine Verringerung des Eingangsoffsets und dessen Temperaturdrift sowie niederfrequenter Störgrößen ermöglichen. Derartige Zerhacker- oder Chopper-Verstärker bestehen aus einem eingangsseitigen Zerhacker (Chopper), einem nachgeschalteten Verstärker und einem ausgangsseitigen Demodulator, der das zerhackte und verstärkte Messsignal phasensynchron gleichrichtet.
Nachteilig an den bekannten Zerhacker-Verstärker-Schaltungen ist jedoch das unbefriedigende Rauschverhalten, die nicht vollständige Unterdrückung der Eingangs-Offset-Spannung und die Tatsache, dass diese Schaltungen nur als separate Verstärkerschaltungen verfügbar sind.
Ferner ist zum Stand der Technik hinzuweisen auf DE 693 23 344 T2 und DE 24 51 281 A1 .
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine physikalisch optimierte Zerhacker-Verstärker-Schaltung für mehrere Eingangskanäle in das digitale Umfeld eines Analog-Digital-Wandlers so zu integrieren, dass vom Digitalteil keinerlei nachteilige Rückwirkungen auf den Verstärker auftreten und dass die Demodulation im digitalen Bereich erfolgt.
Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Zerhacker-Verstärker-Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, in einer Zerhacker-Verstärker-Schaltung mit mehreren Signaleingängen für jeden Signaleingang jeweils einen Zerhacker vorzusehen. Bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Messschaltung als integrierte Schaltung sind die einzelnen Zerhacker zusammen mit der jeweiligen Eingangsschutzbeschaltung vorzugsweise direkt an dem Eingangskontakt auf dem Chip angebracht, um die Wirkung des Zerhackens zu optimieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Messschaltung zusätzlich einen Temperatursensor auf, um die Temperaturabhängigkeit der Messung kompensieren zu können. Hierbei ist dem Temperatursensor vorzugsweise ebenfalls ein separater Zerhacker nachgeschaltet.
Vorzugsweise ist der Zerhacker selbst gleichzeitig der jeweilige Multiplexer, über den das Mess-Signal auf den Spannungsbus geschaltet wird. Von hier gelangt das Signal über weitere Multiplexerschaltungen zum Verstärker bzw. AD-Wandler.
Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Verstärker und dem Demodulator ein Analog/Digital-Wandler angeordnet, der das verstärkte Zerhackersignal in ein digitales Signal umwandelt, so dass die anschließende Demodulation digital erfolgen kann.
Vorzugsweise weist ein derartiger Analog/Digital-Wandler ein Filter mit einer programmierbaren Ordnungszahl auf, wobei neben der Ordnungszahl auch das Oversampling-Verhältnis und die Oversampling-Taktfrequenz des Analog/Digital-Wandlers vorzugsweise einstellbar sind.
Weiterhin ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Leitungsführung für alle Eingangssignale zweipolig ist, um eine differenzielle Messung zu ermöglichen, wodurch Offset, Drift, Rauschen und Einstreuung von außen verringert werden. Die gesamte Leitungsführung zwischen dem Signaleingang und dem Zerhacker, zwischen dem Zerhacker und dem Verstärker, zwischen dem Verstärker und A/D-Wandler ist deshalb vorzugsweise zweipolig ausgeführt, wozu vorzugsweise eng beieinanderliegende Leiterbahnen verwendet werden.
Darüber hinaus ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass dem Verstärker ein Sigma-Delta-Wandler nachgeschaltet ist, der das zerhackte, verstärkte Messsignal in ein digitales Signal wandelt.
Ferner ist eine Fühlerbruch-Überwachung vorgesehen, die eine Unterbrechung der eingangsseitig angeschlossenen Messleitungen bzw. -fühler erkennt. Hierzu ist eine steuerbare Stromquelle vorgesehen, die auf mindestens einen der Signaleingänge schaltbar ist. Durch eine Spannungsmessung an dem jeweiligen Signaleingang kann dann erkannt werden, ob die eingangsseitig angeschlossenen Messleitungen bzw. -fühler unterbrochen sind.
Die Erfindung eignet sich besonders für die Messung sehr kleiner bipolarer Signale und hat den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu vergleichbaren bekannten Wandlern für die Verarbeitung ähnlich kleiner Spannungen ohne zusätzlichen aufwändigen Vorverstärker und Multiplexer auskommt.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messschaltung als Blockschaltbild.
Das Blockschaltbild in 1 verdeutlicht den schaltungstechnischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messschaltung 1, die in einem Kfz-Bordnetz zur Stromüberwachung verwendet werden kann.
Das Kfz-Bordnetz ist hierbei nur schematisch durch eine Batterie BATT, zwei Widerstände R1, R2, ein Schaltelement 2 sowie einen Messwiderstand Rsh dargestellt, wobei die über dem Messwiderstand Rsh abfallende Spannung den Strom in dem Kfz-Bordnetz wiedergibt.
Die Messschaltung 1 weist deshalb zwei Signaleingänge RSHH und RSHL auf, die eine differenzielle Spannungsmessung an dem Messwiderstand Rsh ermöglichen und deshalb mit den beiden Anschlüssen des Messwiderstandes Rsh verbunden sind.
Darüber hinaus weist die Messschaltung 1 einen Batteriespannungseingang VBAT auf, der mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement 2 und dem Widerstand R2 des Kfz-Bordnetzes verbunden ist.
Ferner verfügt die Messschaltung 1 über einen Signaleinang ETS, an den ein Sensor 3 mit einem variablen Widerstand angeschlossen ist.
Schließlich weist die Messschaltung 1 noch einen Signaleingang ETR auf, der über einen Widerstand Rref mit Masse verbunden ist.
Die an den Eingängen VBAT, ETS und ETR angeschlossenen Sensoren/Widerstände können über eine eingebaute Stromquelle 18 von der Mess-Schaltung angeregt werden. Der dadurch hervorgerufene Spannungsabfall kann dann am selben Eingang als Sensorsignal erfasst werden.
Die Signaleingänge RSHL, RSHH, VBAT, ETS und ETR sind jeweils einzeln mit Zerhackern 4.1–4.5 verbunden, die mit einer Frequenz von 20 kHz arbeiten. Die einzelnen Zerhacker 4.1–4.5 enthalten die Eingangsschutzbeschaltung und die Eingangsmultiplexer. Sie sind hierbei auf dem Chip der Messschaltung 1 unmittelbar an den Kontakten der Signaleingänge RSHL, RSHH, VBAT, ETS bzw. ETR angeordnet, um Offsetunterdrückung und Rauschverhalten zu optimieren.
Der Zerhacker 4.1 ist durch eine zweipolige Verbindung eingangsseitig direkt mit den beiden Signaleingängen RSHH und RSHL verbunden, wobei die zweipolige Leitungsführung Offset, Drift und Rauschen und die Empfindlichkeit auf externe Störfelder (EMV-Empfindlichkeit) verringert.
Der Zerhacker 4.3 ist ebenfalls durch eine zweipolige Leitung direkt mit den beiden Signaleingängen VBAT und ETS verbunden, während die Zerhacker 4.2, 4.4 und 4.5 über eine gemeinsame Masseleitung und ein Schaltelement M3 mit Masse verbunden sind.
Ausgangsseitig ist der Zerhacker 4.1 mit einem Verstärker 5 verbunden, wobei der Verstärker 5 einen programmierbaren Verstärkungsfaktor aufweist.
Die anderen Zerhacker 4.2–4.5 sind ausgangsseitig mit einem zweipoligen Spannungsbus 11 verbunden, der über einen Verstärker 12 (Buffer) mit einem Multiplexer 6 verbunden ist. Der Multiplexer 6 kann also entweder das von dem Verstärker 5 verstärkte Signal des Zerhackers 4.1 oder das auf dem Spannungsbus 11 anliegende Signal eines der Zerhacker 4.2–4.5 an den Modulator 7 weiterleiten.
Darüber hinaus ist der Spannungsbus 11 über einen weiteren Multiplexer 13 mit dem Eingang des Verstärkers 5 verbunden. Der Verstärker 5 kann also eingangsseitig entweder das Signal des Zerhackers 4.1 oder das auf dem Spannungsbus 11 anliegende Signal aufnehmen.
Der Digitalteil beinhaltet einen Steuermodus, der es erlaubt, sehr schnell zwischen diesen beiden Eingangskanälen des Verstärkers umzuschalten, womit eine Quasi-2-Kanal Messung mit nur einem A/D-Wandler ermöglicht wird. Die automatische Umschaltung erfolgt dabei zwischen der Strommessung (Zerhacker 4.1) und einer Messung auf dem Spannungsbus (Zerhacker 4.2 bis 4.6). Die Selektion und Einstellung der Messparameter (Verstärkung, Messgeschwindigkeit, Kanal u. a.) erfolgt dabei vor dem Messbeginn durch Beschreiben von internen Registern im digitalen Bereich.
Weiterhin weist die Messschaltung 1 einen Temperatursensor 14 auf, der ausgangsseitig mit einem weiteren Zerhacker 4.6 verbunden ist, wobei der Zerhacker 4.6 ausgangsseitig mit dem Spannungsbus 11 verbunden ist.
Der Ausgang des Verstärkers 5 ist über den Multiplexer 6 mit einem Sigma-Delta-Wandler, bestehend aus Modulator 7 und Dezimator 8, verbunden, der ausgangsseitig ein Digitalsignal an eine Digitalschaltung 9 abgibt. Die Demodulation bzw. das Dechopping erfolgt im digitalen Teil, also nicht wie bei herkömmlichen Zerhackerverstärkern im analogen Teil der Schaltung.
Während eines Messzyklus werden in jeder Polarität des Multiplexers vier (oder acht) Messungen durchgeführt, wovon wegen der unvermeidlichen Einschwingvorgänge des analogen Teils nur der letzte Wert für die digitale Berechnung des offset-kompensierten Messwertes benutzt wird. Ein aktualisierter voll offset-kompensierter Messwert steht bei kontinuierlicher Messung bereits nach der einfachen Wandlungszeit zur Verfügung, da der jeweils letzte Messwert mit anderem Vorzeichen für die digitale Berechnung benutzt werden kann.
Die Digitalschaltung 9 ist darüber hinaus mit einer digitalen Schnittstelle 10 verbunden, über die das Messsignal ausgegeben werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht die Messschaltung 1 die Erkennung einer Unterbrechung bzw. eines Bruchs der Anschlussleitungen, die an den beiden Signaleingängen RSHH und RSHL angeschlossen sind. Hierzu weist die Messschaltung 1 zwei schaltbare Stromquellen 15.1, 15.2 auf, die an die beiden Signaleingänge RSHH und RSHL angeschlossen sind und einen Messstrom abgeben können. Durch eine Messung der differenziellen Spannung an den beiden Signaleingängen RSHH und RSHL kann dann ermittelt werden, ob die Anschlussleitungen unterbrochen bzw. defekt sind.
In gleicher Weise können die Anschlussleitungen an den Eingängen VBAT, ETR, ETS auf Bruch untersucht werden durch Aufschalten der internen Stromquelle 17.
Schließlich ermöglicht die Messschaltung 1 eine analoge Verschiebung des Eingangssignals auf etwa die halbe Versorgungsspannung, wodurch es gelungen ist, Eingangsspannungen mit positiven und negativen Werten bis +/–0,7 V mit gleicher Güte zu messen. Hierzu weist die Messschaltung 1 eine Trimmschaltung 16 und 17 auf, die ausgangsseitig mit dem Modulator 7 und eingangsseitig mit einem Referenzeingang REF und einem analogen Masseeingang AGND verbunden ist.
Diese Schaltung beinhaltet auch eine Präzisionsreferenzspannung, deren Absolutwert und Temperaturkoeffizient über die digitale Schnittstelle getrimmt werden kann.
Die Messschaltung beinhaltet außerdem einen sog. ”Sleep-Modus”, bei dem alle Funktionsgruppen zur Reduzierung der Stromquelle abgeschaltet sind. Der Versorgungsstrom liegt in diesem Fall unter 100 μA.
Eine Besonderheit stellt der in diesem Modus aktivierbare ”Aktive Wake-Up-Modus” dar. Hierbei wird über einen im digitalen Bereich plazierten internen Oszillator/Timer die Messschaltung ca. 1 mal pro sec aktiviert und eine vorprogrammierte Messung durchgeführt. Wird dabei eine Überschreitung eines ebenfalls vorprogrammierten Grenzwertes festgestellt, wird eine Ausgangsleitung aktiviert, über die wiederum eine externe übergeordnete Elektronikbaugruppe geweckt werden kann. Wird kein Fehler festgestellt, kehrt die Schaltung wieder in den ”Sleep-Modus” bis zur nächsten Aktivierung zurück.
Die vorstehend beschriebene Messschaltung kann vorteilhaft zur Messung des von einer Fahrzeugbatterie zu den angeschlossenen Verbrauchern fließenden Gesamtstroms und/oder des Ladestroms der Fahrzeugbatterie verwendet werden, um in der in EP 1 030 185 A beschriebenen Weise die einzelnen Verbraucher zu überwachen bzw. die Batterieströme im Sinne einer Verlängerung der Lebensdauer der Fahrzeugbatterie zu steuern.
Die Erfindung ist nicht auf den vorstehend beschriebenen ASIC als bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

Messschaltung (1) zur Strom- und Spannungsmessung, mit a) mehreren Signaleingängen (RSHH, RSHL, VBAT, ETS, ETR) zur Aufnahme jeweils eines Eingangssignals, b) mehreren Zerhackern (4.1–4.6), die jeweils einem der Signaleingänge (RSHH, RSHL, VBAT, ETS, ETR) nachgeschaltet sind, c) einem Verstärker (5), d) einem Oszillator und/oder einem Zeitgeber zur internen Takterzeugung, und e) einem Signalausgang zur Ausgabe eines Ausgangssignals, gekennzeichnet durch f) eine Ausführung als integrierte Schaltung, g) eine digitale Signalverarbeitungseinheit (9) mit einem digitalen Demodulator (9), h) einen Analog/Digital-Wandler (7, 8), der zwischen dem Verstärker (5) und dem Demodulator (9) angeordnet ist, wobei der Analog/Digital-Wandler (7, 8) einen Sigma-Delta-Modulator (7) aufweist, der dem Verstärker (5) nachgeschaltet ist, i) eine digitale Schnittstelle (10) zur Einstellung mindestens eines Betriebsparameters der Messschaltung (1), j) eine erste Stromquelle (15.1, 15.2), die auf mindestens einen der Signaleingänge (RSHH, RSHL) schaltbar ist und eine Erkennung einer Unterbrechung oder eines Bruchs der Anschlussleitungen ermöglicht, die an die Signaleingänge (RSHH, RSHL) angeschlossen sind.
Messschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturerfassung ein Temperatursensor (14) vorgesehen ist, wobei dem Temperatursensor (14) ein Zerhacker (4.6) nachgeschaltet ist.
Messschaltung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog/Digital-Wandler (7, 8) ein Filter mit einer programmierbaren Ordnungszahl (8) aufweist.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zerhacker (4.1–4.6) durch mindestens einen Multiplexer (6, 13) mit dem Verstärker (5) oder mit dem Analog/Digital-Wandler (7, 8) verbunden sind.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zerhacker (4.2–4.6) durch einen Spannungsbus (11) miteinander verbunden sind.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweipolige Leitungsführung zwischen den Signaleingängen (RSHH-RSHL, VBAT-RSHL, ETS-RSHL und ETR-RSHL sowie VBAT-ETS) und dem Zerhacker (4.1–4.5) und/oder zwischen dem Zerhacker (4.1–4.5) und dem Verstärker (5) und/oder zwischen dem Verstärker (5) und dem Demodulator (9) und/oder zwischen dem Demodulator (9) und dem Signalausgang.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine steuerbare zweite Stromquelle (18), die auf mindestens einen der Ausgänge (ETR, ETS und VBAT) schaltbar ist, um externe Sensoren anzuregen.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (5) eine einstellbare Verstärkung aufweist.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerhacker (4.1–4.6) eine Frequenz im Bereich von 5 kHz bis 50 kHz aufweist.
Messschaltung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerhacker (4.1–4.6) eine Frequenz von 20 kHz aufweist.
Messschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Betriebsparameter ein Absolutwert und/oder ein Temperaturkoeffizient einer Referenzspannung ist.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerhacker (4.1–4.6), der Verstärker (5), die digitale Signalverarbeitungseinheit (9), der Multiplexer (6, 13) und/oder der Analog/Digital-Wandler (7, 8) zur Reduzierung des Stromverbrauchs abschaltbar sind.
Messschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus, in dem die Messschaltung (1) in vorgegebenen Zeitabständen eine Messung durchführt, eine Überprüfung eines vorgegebenen Schwellwertes vornimmt und im gegebenen Fall ein externes Gerät aktiviert.