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Die
Erfindung betrifft einen Ladungsverstärker zur Verstärkung periodischer
Signale einer elektrischen Ladungsquelle, insbesondere piezoelektrischer
Sensoren zur Erfassung des Innendrucks von Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem Operationsverstärker
und einem Integrationskondensator, der mit dem Ausgang und dem Signaleingang
des Operationsverstärkers
verbunden ist.
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Für eine Analyse
motorischer Vorgänge,
wie der Erkennung von ausbleibenden Verbrennungen, beispielsweise
von Zündaussetzern
und Motorklopfen, werden häufig
piezoelektrische Sensoren verwendet, die eine der zu messenden mechanischen Größe proportionale
Ladung abgeben. Die Umsetzung dieser Ladung in eine in einer Auswerte-Einrichtung
verarbeitbare elektrische Größe und deren
Verstärkung
geschieht mittels Ladungsverstärkern.
Solche Ladungsverstärker
sind aus den verschiedensten Veröffentlichungen
bekannt.
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Ein
derartiger Ladungsverstärker
mit einem Operationsverstärker
und einem Integrationskondensator zwischen dem invertierenden Eingang
und dem Ausgang des Operationsverstärkers ist beispielsweise in
der deutschen Patentschrift
DE
33 30 043 C2 beschrieben.
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Ein ähnlich aufgebauter
Ladungsverstärker ist
aus der europäischen
Patentschrift
EP 253
016 B1 bekannt. Dieser Ladungsverstärker weist einen Operationsverstärker mit
einem Integrationskondensator zwischen seinem Ausgang und seinem
invertierenden Signaleingang und einen den Integrationskondensator über eine
Rückstelleinrichtung überbrückenden
Widerstand auf. Die als Schalter ausgebildete Rückstelleinrichtung ist für die Dauer
der Messphase geöffnet
und in der Rückstellphase
zur Entladung des Integrationskondensators geschlossen und bewirkt
somit für
die nachfolgende Messphase eine Kompensation der Nullpunktablage
der Ausgangsspannung.
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Die
bei den bekannten Ladungsverstärkern eingesetzten
Operationsverstärker
werden symmetrisch versorgt und benutzen als Arbeitspunkt das Massepotential
der Messanordnung, das heißt
sie benötigen
ein positives und ein negatives Betriebspotential und müssen aus
zwei Spannungsquellen versorgt werden. Beim Laboreinsatz stellt
die zweifache Spannungsversorgung des Ladungsverstärkers kein
Problem dar. Werden jedoch solche Messeinrichtungen für den Einsatz
im Fahrzeug verwendet, muss zusätzlich
ein negatives Betriebspotential bereitgestellt werden.
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Aus
der
DE 41 15 672 A1 ist
ein integrierender Ladungsverstärker
bekannt, mit einem ersten Operationsverstärker, der über ein passives Differenzierglied
gegengekoppelt ist, umfassend einen ohmschen Gegenkopplungszweig
und einen kapazitiven Gegenkopplungszweig, die dem Differenzierer
parallel geschaltet sind, und eine zur Frequenzkorrektur dienende
weitere Stufe. Die elektrische Ladungsquelle ist über einen
ersten Kondensator mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers verbunden,
dessen nichtinvertierender Eingang auf Masse gelegt ist. In einer
speziellen Ausführungsform
wird die der Frequenzkorrektur dienende weitere Stufe durch einen
zweiten Operationsverstärker gebildet,
der über
eine RC-Reihenschaltung
mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist und dessen
Ausgang über
eine RC-Parallelschaltung auf den invertierenden Eingang zurückgekoppelt
ist, wobei der nichtinvertierende Eingang wieder auf Masse gelegt
ist.
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Aus
der
DE 42 03 353 A1 ist
ein Verstärker für Tonsignale
mit einer geradzahligen Anzahl von Leistungsverstärkern mit
je einem Ausgang bekannt, wobei jeder Verstärkerausgang auf einen ersten
Anschluss eines jeweils zugeordneten Lautsprechers schaltbar ist
und wobei zweite Anschlüsse
der Lautsprecher auf den Ausgang eines Puffer-Verstärkers schaltbar
sind, wobei der Puffer-Verstärker
an seinem Ausgang eine Gleichspannung liefert, die etwa den halben
Wert der Versorgungsspannung der Leistungsverstärker aufweist und die Hälfte der
Leistungsverstärker
ein gegenüber
ihrem Eingangssignal invertiertes Ausgangssignal liefert.
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Aus
dem Fachwerk „Tietze,
U.; Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 9. Aufl., Berlin;
Springer-Verlag, 1990, S. 155-156" ist es bekannt, einen Operationsverstärker mit
nur einer positiven Betriebsspannung zu versorgen, wenn man sich
auf einen unipolaren Aussteuerbereich beschränkt. Dabei wird jedoch empfohlen,
dass die Eingangs- und Ausgangssignale mindestens ca. 2V über dem
Nullpotential liegen sollten, da die negative Betriebsspannung Null
ist und die Gleichtakt- und Ausgangsaussteuerbarkeit normalerweise
nur bis auf einige Volt an die Betriebsspannung heranreicht.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ladungsverstärker zu
schaffen, dessen Operationsverstärker
nicht symmetrisch versorgt werden muss und damit kein negatives
Betriebspotential benötigt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers sind
in den Unteransprüchen
dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist der
Signaleingang des Operationsverstärkers mit der kapazitiv angekoppelten
Ladungsquelle verbunden und sein nichtinvertierender Eingang auf
ein vorhandenes Massepotential bezogenes, positives Referenzpotential
gesetzt, das bevorzugt so gewählt
ist, dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers während der
Meßphase
grundsätzlich
einen positiven Wert annimmt. Dem Ladungsverstärker ist zur Meßsignalkorrektur eine
auf dem Potential der Auswerteschaltung arbeitende Potential-Ausgleichsschaltung
nachgeschaltet, die das Referenzpotential aus dem Meßsignal subtrahiert
und somit den Einfluß der
Massepotentialdifferenz beseitigt. In einer bevorzugten Ausbildung weist
die Potential- und Ausgleichsschaltung einen Operationsverstärker auf,
dessen invertierender Eingang über
einen ohmschen Widerstand auf das Referenzpotential gesetzt ist
und dessen nicht invertierender Eingang über einen weiteren ohmschen
Widerstand mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über einen dritten ohmschen
Widerstand mit dem invertierenden Eingang und über einen weiteren ohmschen
Widerstand mit dem nicht invertierenden Eingang verbunden ist.
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Die
Potential- und Ausgleichschaltung spaltet also die Referenzspannung
vom Meßsignal
ab und bezieht das Meßsignal
auf das Potential einer nachgeschalteten Auswerteschaltung.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des Ladungsverstärkers besteht darin, dass der
Signaleingang des Operationsverstärkers nach jeder Meßphase auf das
Referenzpotential zurückgesetzt
wird. Dies geschieht bevorzugt über
einen Schalter, der den Operationsverstärker in einer Rückstellphase
zwischen seinem Ausgang und seinem Signaleingang kurzschließt und der
Integrationskondensator entladen wird, wodurch der Operationsverstärker nicht
mehr als Integrator, sondern als Spannungsfolger arbeitet. Der Schalter
kann beispielsweise über
ein den Zeitbereich der Druckänderungen
des jeweils zugehörigen
Zylinders der Verbrennungsmaschine identifizierendes Signal beispielsweise über das
Signal eines Kurbelwinkelsensors gesteuert werden.
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Der
Ladungsverstärker
hat damit den Vorteil, dass der Signaleingang des Operationsverstärkers auf
das vorbestimmte Referenzpotential rückgesetzt wird und damit in
jeder Meßphase
bei einem definierten Arbeitspunkt beginnt. Durch das Rücksetzen
des Operationsverstärkers
nach jeder Meßphase
ist es außerdem
möglich,
die Ausgangsspannung während der
relativ kurzen Meßphase
frei driften zu lassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Die zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1:
eine Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Ladungsverstärkers mit
einer nachgeschalteten Potential-Ausgleichsschaltung und
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2: den Messsignalverlauf am Ausgang des
Ladungsverstärkers
und am Ausgang der Potential-Ausgleichsschaltung und
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3:
eine Schaltungsanordnung zur Messung der Brennraumdrücke mehrerer
Zylinder
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1 zeigt
einen Ladungsverstärker 4 für einen
piezoelektrischen Drucksensor 5 zur Messung des Brennraumdrucks
eines Zylinders von Verbrennungskraftmaschinen. Die zylinderselektive
Messung des Brennraumdrucks bietet beispielsweise die Möglichkeit
der Erkennung von fehlerhaften Verbrennungsvorgängen, wie Zündaussetzern oder Motorklopfen.
Dabei werden beispielsweise Drucksensoren verwendet, die als Unterlegscheibe
zwischen der Zündkerze
und dem Zylinderkopf montiert werden.
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Der
dem Drucksensor nachgeschaltete Ladungsverstärker 4 umfasst im
wesentlichen einen Operationsverstärker 1, dessen Ausgang
A1 über
einen Integrationskondensator C1 auf den invertierenden Signaleingang
E1 rückgekoppelt
ist. Der Drucksensor 5 ist über einen Koppelkondensator
C2 am Signaleingang E1 des Operationsverstärkers 1 angeschlossen.
Der Operationsverstärker 1 wird
von einer positiven Spannung und dem Motormassepotential ver sorgt,
sein Arbeitspunkt wird am nichtinvertierenden Eingang E2 mit einem
auf das Massepotential des Motors bezogenes positives Referenzpotential Vref eingestellt. Das Referenzpotential Vref wird gleichzeitig so gewählt, daß der Operationsverstärker 1 nur im
positiven Spannungsbereich arbeitet und damit keine symmetrische
Versorgung benötigt.
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Weiterhin
ist ein den Integrationskondensator C1 überbrückender Schalter S1 vorgesehen,
der in Abhängigkeit
eines den Zeitbereich der Druckänderungen
des Zylinders identifizierenden Signals KW, daß zum Beispiel das Signal eines
Kurbelwinkelsensors ist, den Operationsverstärker 1 zwischen dem
Ausgang A1 und seinem Signaleingang E1 nach jeder Meßphase kurzschließt, um die
während
der Meßphase
auftretenden Drift des Ausgangssignals auszugleichen und den Signaleingang
auf das Referenzpotential Vref zurückzusetzen.
Zur Verdeutlichung zeigt 2a den
Signalverlauf am Ausgang A1 des Operationsverstärkers 1 über zwei
Meßphasen
bezogen auf das Massepotential des Motors Mg.
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In
einer nachgeschalteten Potential-Ausgleichsschaltung 3 wird
die Referenzspannung vom Meßsignal
abgespalten und das Meßsignal
auf das Massepotential Msi g einer
nachgeschalteten Auswerteschaltung bezogen. Die Potential-Ausgleichsschaltung
weist einen Operationsverstärker 2 auf,
dessen nichtinvertierender Eingang E4 über einen ohmschen Widerstand
R1 mit dem Ausgang A1 des Ladungsverstärkers 4 verbunden
ist. Am invertierenden Eingang E3 liegt über einen ohmschen Widerstand
R5 das Referenzpotential Vref an. Der Ausgang
A2 des Operationsverstärkers 2 ist über den
ohmschen Widerstand R2 auf den invertierenden Eingang E3 und über die
ohmschen Widerstände
R4 und R3 auf den nichtinvertierenden Eingang E4 rückgeführt. Auch dieser
Operationsverstärker 2 wird
nur von einer positiven Spannung U und dem Massepotential der Auswerteschaltung
versorgt. 2b zeigt das verstärkte Meßsignal
des Drucksensors bezogen auf das Massepotential Usi g der nachgeschalteten, nicht dargestellten
Auswerteschaltung.
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Bei
einer Messung der Brennraumdrücke mehrerer
Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine kann jedem Ladungsverstärker 4 eine
Potential-Ausgleichsschaltung 3 zugeordnet sein. Eine andere Möglichkeit
ist in 3 dargestellt. Die Ausgangssignale der den Drucksensoren 5a bis 5d nachgeschalteten
Ladungsverstärker 4a bis 4d sind
auf eine Multiplexschaltung 6 geführt, die in Abhängigkeit
des aufbereiteten Kurbelwinkelsignals KW die Ausgangssignale nacheinander
auf den Eingang der nachgeschalteten Potential-Ausgleichsschaltung 3 legt.
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- 1
- Operationsverstärker
- 2
- Operationsverstärker
- 3
- Potential-Ausgleichsschaltung
- 4
- Ladungsverstärker
- 5
- Drucksensor
- 6
- Multiplexschaltung
- E1 – E4
- Eingänge
- A2 – A2
- Ausgänge
- C1
- Gegenkopplungskondensator
- C2
- Koppelkondensator
- Vref
- Referenzpotential
- R1 – R5
- passive
Widerstande
- S1
- Schalter
- KW
- Kurbelwinkelsignal
- Msig
- Massepotential
der Auswerteschaltung
- U
- Versorgungsspannung
- Mg
- Massepotential
der Ladungsquelle
- UA
- Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers