DE19609224B4

DE19609224B4 - Komparatorschaltung

Info

Publication number: DE19609224B4
Application number: DE1996109224
Authority: DE
Inventors: Peter Jueliger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-03-09
Filing date: 1996-03-09
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2016-03-10
Also published as: DE19609224A1

Abstract

Komparatorschaltung mit einem Komparator (1) zum Vergleichen von einer Signalspannung (US) mit einer Referenzspannung (Ur), der einen ersten Eingang (1a) aufweist, an welchem die Referenzspannung anliegt, und der einen zweiten Eingang (1b) aufweist, an welchem die Signalspannung (Us) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (23) vorgesehen ist, die den Mittelwert der Signalspannung (Us) bildet, und der Mittelwert als Referenzspannung (Ur) am ersten Eingang (1a) des Komparators liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Komparatorschaltung mit einem Element zum Vergleichen von wenigstens einer Signalspannung mit einer Referenzspannung, welches Vergleichselement einen ersten Eingang aufweist, an welchem die Referenzspannung angelegt wird, und einen zweiten Eingang aufweist, an welchem die Signalspannung angelegt wird.

Eine derartige Komparatorschaltung wird insbesondere zur Auswertung eines von einem Zwei-Draht-Hall-Sensor abgegebenen Signals verwendet. Derartige Hall-Sensoren werden insbesondere zur Erfassung der Drehzahl von Turbinen in Kraftfahrzeug-Getrieben eingesetzt.

So ist es beispielsweise bekannt, zur Steuerung eines automatischen Getriebes am Umfang eines sich mit der Turbine drehenden Polrades Magnete anzuordnen, welche sich bei Drehung der Turbine an einem entsprechend angeordneten Hall-Sensor vorbei bewegen. Hierdurch wird im Hall-Sensor eine Spannung erzeugt.

Da das im eigentlichen Hall-IC erzeugte Signal in der Regel sehr schwach ist, enthalten moderne Hall-Sensoren neben dem eigentlichen Hall-Schaltkreis, welcher zwei Anschlüsse hat, einen Transistor zur Verstärkung des Signals. Der Transistor ist mit seiner Basis direkt an einen Anschluß des Hall-ICs angeschlossen und enthält in seinem Kollektorpfad einen Begrenzungswiderstand. Der nicht mit dem Kollektor des Transistors verbundene Anschluß des Begrenzungswiderstands sowie der andere Anschluß des Hall-ICs sind miteinander verbunden und bilden den ersten Anschluß des Zwei-Draht-Hall-Sensors. Der Emitter des Transistors bildet den zweiten Anschluss des Zwei-Druht-Sensors. Während der erste Anschluß des Hall-Sensors mit der Versorgungsspannung verbunden ist, wird der zweite Anschluß des Hall-Sensors mit einem Lastwiderstand verbunden. Der vom Transistor gelieferte Strom ruft am Lastwiderstand einen Spannungsabfall hervor, der von der Größe des Lastwiderstands abhängt. Da die an dem Lastwiderstand abfallende Spannung zur weiteren Auswertung verwendet wird, hängt die zur Auswertung verwendete Spannung von der Größe des Lastwiderstands ab. Dies ist nachteilig, da bedingt durch unterschiedliche Lastwiderstände beziehungsweise Schwankungen oder Toleranzen des Lastwiderstands die Größe der am Lastwiderstand abfallenden Spannung, welche das Sensorsignal darstellt, unterschiedlich ist. Des weiteren wird durch das Temperaturverhalten des Lastwiderstands die Größe der am Lastwiderstand abfallenden Spannung beeinflußt. Darüber hinaus ist bedingt durch Toleranzen der im Hall-Sensor verwendeten Bauelemente sowie der Anordnung des Sensors am Polrad die Amplitude der erzeugten Spannungsimpulse unterschiedlich groß.

Dies bringt Probleme bei der Auswertung des Sensorsignals mit sich.

Das vom Hall-Sensor abgegebene Signal wird für die weitere Verarbeitung regelmäßig einer Signalaufbereitung unterzogen. Die Signalaufbereitung besteht darin, Rechteckimpulse mit einer definierten Amplitude zu erzeugen. Hierzu wird das Signal auf einen Komparator gegeben.

Um einen möglichst großen Störabstand zu erhalten, wird die Referenzspannung, mit der die Signalspannung im Komparator verglichen wird, so eingestellt, daß sie dem arithmetischen Mittelwert der Signalspannung entspricht. Es ist daher erforderlich, den Komparator mit einem Sensorsignal mit möglichst gleichbleibender Amplitude zu versorgen. Dies wird im Stand der Technik dadurch erreicht, daß entsprechend dem verwendeten Hall-Sensor ein bestimmter angepaßter Lastwiderstand ausgewählt wird. Eine derartige Selektion ist sehr umständlich. Darüber hinaus kann sich der Mittelwert des Sensorsignals durch alterungs- oder temperaturbedingte Änderungen des Lastwiderstands verschieben. Dies kann zu einer fehlerhaften Interpretation des Zustands des Sensorsignals durch den Komparator führen.

Aus der US 4 339 727 ist eine Schaltung bekannt, die aus einer in etwa sinusförmigen Signalfolge mit schwankendem Gleichspannungsanteil eine Rechteckimpulsfolge bildet. Durch den nicht konstanten Gleichspannungsanteil muss sich der Referenzwert, mit der die Signalfolge verglichen wird, ständig ändern, um eine korrekte Umwandlung der Signalfolge zu gewährleisten. Die Schaltung umfasst einen Komparator, dessen erster Eingang mit der Signalspannung und dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannung verbunden ist. Durch eine Schaltungsanordnung, die zwischen dem zweiten Eingang des Komparators und der Signalspannung liegt, und einer weiteren Schaltungsanordnung, die den Ausgang des Komparators mit dem zweiten Eingang des Komparators verbindet, wird eine Referenzspannung erzeugt, die unabhängig vom Gleichspannungsanteil der Signalspannung den optimalen Referenzwert zur fehlerfreien Umwandlung der Signalfolge in eine Recheckimpulsfolge bildet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Komparatorschaltung zur Verfügung zu stellen, welche auch bei schwankendem Mittelwert einer Signalspannung zuverlässig arbeitet.

Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, mittels der der Mittelwert der Signalspannung gebildet wird und dieser Mittelwert als Referenzspannung an den zweiten Eingang des Vergleichselements gelegt wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Referenzspannung, mit der die Signalspannung verglichen wird, sich entsprechend der Amplituden der Signalspannung verändert. Nimmt die Amplitude des Sensorsignals zu, erhöht sich auch der Mittelwert. Da der Mittelwert als Referenzspannung am zweiten Eingang des Vergleichselements liegt, wird das veränderte Sensorsignal mit einer erhöhten Referenzspannung verglichen. Verringert sich die Amplitude des Sensorsignals, sinkt auch der Mittelwert, so daß das veränderte Sensorsignal mit einer niedrigeren Referenzspannung verglichen wird. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist der Abstand der Referenzspannung zum hohen Scheitelwert des Sensorsignals genauso groß wie zum niedrigen Scheitelwert des Sensorsignals.

Da die Referenzspannung sich entsprechend der Amplitude des Sensorsignals verändert, ist es insbesondere nicht mehr erforderlich, einen besonderen Lastwiderstand auszuwählen. Neben der dadurch bedingten Vereinfachung bei der Herstellung der Auswerteschaltung wird darüber hinaus noch eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Schaltung erreicht.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß eine erste Diode und eine zweite Diode antiparallel geschaltet sind, welche einerseits mit einem Signaleingang der Komparatorschaltung verbunden sind, wobei die erste Diode andererseits mit einem ersten Anschluß eines ersten Kondensators und die zweite Diode andererseits mit einem ersten Anschluß eines zweiten Kondensators verbunden ist. Der zweite Anschluß des ersten Kondensators ist mit der Schaltungsmasse verbunden, der zweite Anschluß des zweiten Kondensators mit einer Spannung, welche größer als der Minimalwert der Signalspannung ist. Des weiteren sind die beiden Dioden andererseits über einen Spannungsteiler miteinander verbunden. Über die beiden Dioden werden die Maximal- und Minimalwerte des Sensorsignals erfaßt. Die beiden Kondensatoren laden sich dadurch annähernd auf das Potential des Maximalwertes des Sensorsignals beziehungsweise das des Minimalwertes des Sensorsignals auf. Am Spannungsteiler kann ein Wert zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert abgegriffen werden. Besteht der Spannungsteiler aus zwei gleichgroßen Widerständen und ist der Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen mit dem ersten Eingang des Vergleichselements verbunden, entspricht die am ersten Eingang des Vergleichselements anliegende Spannung stets dem Mittelwert des Sensorsignals.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der erste Eingang des Vergleichselements mit dem ersten Anschluß eines dritten Kondensators verbunden ist, wobei der zweite Anschluß des dritten Kondensators mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Hierdurch wird ein Mittelwert für einen bestimmten Zeitraum gebildet.

Um unmittelbar nach dem Einschalten am ersten Eingang des Vergleichselements einen günstigen Startwert zu erhalten, kann der erste Eingang des Vergleichselements mit dem ersten Anschluß eines vierten Kondensators verbunden sein, wobei der zweite Anschluß des vierten Kondensators mit einem ersten Spannungszuführungspunkt verbunden ist, wie dies eine weitere Ausführungsform der Erfindung vorsieht. Abhängig von der am Spannungszuführungspunkt angelegten Spannung und dem Kapazitätswert des vierten Kondensators kann die Spannung am ersten Eingang des Vergleichselements eingestellt werden.

Die Kondensatoren können sich über den ersten und den zweiten Widerstand sowie den Lastwiderstand entladen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Signaleingang und den Dioden ein dritter Widerstand geschaltet ist. Der dritte Widerstand bildet mit dem ersten Kondensator sowie dem zweiten Kondensator ein Filter, durch das die Frequenz des Eingangssignals auf den Bereich des Nutzsignals beschränkt wird. Hierdurch werden hochfrequente Störsignale unterdrückt, so daß diese die Schwellwertermittlung nicht beeinträchtigen.

Zwischen dem Signaleingang und dem zweiten Eingang des Vergleichselements kann ein vierter Widerstand geschaltet sein, welcher mit einem zwischen einem Ausgang des Vergleichselements und dem zweiten Eingang des Vergleichselements geschalteten fünften Widerstand zur Einstellung einer Schalthysterese verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Komparatorschaltung kann des weiteren einen sechsten Widerstand aufweisen, welcher zwischen dem Ausgang des Vergleichselements und einem zweiten Spannungszuführungspunkt angeordnet ist. Hierdurch kann eine Anpassung des Ausgangspegels des Vergleichselements vorgenommen werden.

Durch die erfindungsgemäße Komparatorschaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Auswerteschaltung unabhängig von Exemplarstreuungen sowie vom Temperaturverhalten des Hall-Sensors ist. Des weiteren bleiben Veränderungen des Lastwiderstands ohne Auswirkungen. Die erfindungsgemäße Komparatorschaltung ist auch unkritisch bei einem unsymmetrischen Puls-Pausen-Verhältnis des Sensorsignals. Des weiteren arbeitet sie zuverlässig im gesamten Frequenzbereich von Null bis zur Maximalfrequenz. Wenngleich die erfindungsgemäß erzeugte Referenzspannung unempfindlich gegenüber Störungen ist, hat sie dennoch eine angemessene Reaktionszeit auf Änderungen von Amplitude und Ruhewert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt die einzige Fig. eine schematische Anordnung einer Ausführungsform einer Komparatorschaltung.

Wie der Fig. zu entnehmen ist, weist ein Hall-Sensor 22 ein Hall-IC auf, welches über einen Anschluß 17' mit einer Versorgungsspannung Uo verbunden ist. Der Ausgang des Hall-ICs ist mit der Basis eines Transistors 21 verbunden. Im Kollektorpfad des Transistors 21 ist ein Begrenzungswiderstand 19 angeordnet. Der nicht mit dem Kollektor des Transistors 21 verbundene Anschluß des Begrenzungswiderstands 19 ist ebenfalls über den Anschluß 17' mit der Versorgungsspannung Uo verbunden. Der Emitter des Transistors 21 ist auf einen zweiten Anschluß 18' des Hall-Sensors 22 geführt. Der zweite Anschluß 18' des Hall-Sensors 22 wird mit einem Signaleingang 18 einer Komparatorschaltung verbunden. Über einen Anschluß 17 wird die Komparatorschaltung mit der Versorgungsspannung Uo verbunden. Der Signaleingang 18 ist über einen Lastwiderstand 9 mit der Schaltungsmasse verbunden.
Eine erste Diode 6 und eine zweite Diode 7, welche antiparallel geschaltet sind, sind einerseits über einen Widerstand 8 mit dem Signaleingang 18 verbunden. Die erste Diode 6 ist andererseits mit einem ersten Anschluß eines ersten Kondensators 4 verbunden. Die zweite Diode 7 ist andererseits mit einem ersten Anschluß eines zweiten Kondensators 5 verbunden. Des weiteren sind die erste Diode 6 und die zweite Diode 7 andererseits über zwei als Spannungsteiler geschaltete Widerstände 2, 3 verbunden. Der zweite Anschluß des ersten Kondensators 4 ist mit der Schaltungsmasse verbunden. Der zweite Anschluß des zweiten Kondensators 5 ist über den Anschluß 17 mit der Versorgungsspannung verbunden. Der erste Widerstand 2 und der zweite Widerstand 3 sind gleich groß.
Der Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen 2, 3 ist mit dem ersten Eingang 1a eines Vergleichselements 1 verbunden. Der erste Eingang 1a des Vergleichselements 1 ist mit dem ersten Anschluß eines dritten Kondensators 10 verbunden. Der zweite Anschluß des dritten Kondensators 10 ist mit der Schaltungsmasse verbunden. Des weiteren ist der erste Eingang 1a des Vergleichselements 1 mit dem ersten Anschluß eines vierten Kondensators 11 verbunden. Der zweite Anschluß des vierten Kondensators 11 ist mit einem Spannungszuführungspunkt 15 verbunden. Das Vergleichselement 1 kann ein herkömmlicher Operationsverstärker sein.
Zwischen dem Signaleingang 18 und einem zweiten Eingang 1b des Vergleichselements 1 ist ein vierter Widerstand 12 angeordnet. Des weiteren ist zwischen dem zweiten Eingang 1b des Vergleichselements 1 und einem Ausgang 1c des Vergleichselements 1 ein fünfter Widerstand 13 angeordnet. Der Ausgang 1c des Vergleichselements 1 ist darüber hinaus über einen sechsten Widerstand 14 mit einem zweiten Spannungszuführungspunkt 16 verbunden.
Werden an den Zwei-Draht-Hall-Sensor 22 am Umfang eines Polrades angeordnete Magnete vorbeigeführt, gibt der Sensor 22 einen zwischen zwei Pegeln schwankenden, etwa rechteckförmigen Strom ab. Der Strom fließt durch den Lastwiderstand 9 und ruft an diesem einen etwa rechteckförmigen Spannungsabfall hervor. Liegt am Anschluß 17' des Sensors 22 eine Versorgungsspannung Uo von etwa 11 Volt und beträgt der im Kollektorpfad des Transistors 21 angeordnete Widerstand 19 etwa 510 Ohm, wird an einem Lastwiderstand 9 von etwa 215 Ohm im Einzustand des Sensors 22 ein Spannungsabfall von etwa 4 Volt hervorgerufen. Im Auszustand des Sensors 22 beträgt der am Lastwiderstand 9 hervorgerufene Spannungsabfall etwa 1 Volt. Die Amplitude des am Signaleingang 18 anliegenden Sensorsignals beträgt somit etwa 3 Volt.
Durch den dritten Widerstand 8 und den ersten Kondensator 4 und zweiten Kondensator 5 wird ein Tiefpaßfilter gebildet. Dieses Filter beschränkt die Frequenz auf den Bereich des Nutzsignals, so daß keine hochfrequenten Störsignale auf den ersten Eingang 1a des Vergleichselements 1 gelangen können.
Der hohe Pegel des Eingangssignals lädt den ersten Kondensator 4 über die erste Diode 6 auf. Der niedrige Pegel des Eingangssignals lädt den zweiten Kondensator 5 über die zweite Diode 7 auf den Wert des niedrigen Pegels auf. Über den aus dem ersten Widerstand 2 und dem zweiten Widerstand 3 gebildeten Spannungsteiler liegt eine Spannung von der Größe der Differenz aus hohem und niedrigem Pegel des Sensorsignals. Da der erste Widerstand 2 und der zweite Widerstand 3 gleichgroß sind, kann am Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen die halbe Spannung abgegriffen werden.
Das Potential dieser Spannung entspricht dem arithmetischen Mittelwert von Maximal- und Minimalwert der Amplitude des Sensorsignals.
Da der Mittelabgriff der als Spannungsteiler geschalteten beiden Widerstände 2, 3 mit dem ersten Eingang 1a des Vergleichselements 1 verbunden ist, liegt am ersten Eingang 1a des Vergleichselements 1 der Mittelwert des Sensorsignals. Der zwischen dem Mittelabgriff des Spannungsteilers und der Schaltungsmasse geschaltete dritte Kondensator 10 bildet mit den beiden Widerständen 2, 3 des Spannungsteilers einen Tiefpaß. Er bildet somit über einen bestimmten Zeitraum den Mittelwert der am ersten Eingang 1a des Vergleichselements 1 anliegenden Spannung Ur.
Über den ersten Spannungszuführungspunkt 15 sowie über den vierten Kondensator 11 kann beim Einschalten das Potential am ersten Eingang 1a des Vergleichselements 1 eingestellt werden.
Durch den vierten Widerstand 12 und den fünften Widerstand 13 wird die Schalthysterese des Vergleichselements 1 eingestellt.
Durch eine an den zweiten Spannungszuführungspunkt 16 angelegte Spannung kann über den sechsten Widerstand 14 eine Anpassung des Ausgangspegels des Vergleichselements 1 vorgenommen werden.

Claims

Komparatorschaltung mit einem Komparator (1) zum Vergleichen von einer Signalspannung (US) mit einer Referenzspannung (Ur), der einen ersten Eingang (1a) aufweist, an welchem die Referenzspannung anliegt, und der einen zweiten Eingang (1b) aufweist, an welchem die Signalspannung (Us) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (23) vorgesehen ist, die den Mittelwert der Signalspannung (Us) bildet, und der Mittelwert als Referenzspannung (Ur) am ersten Eingang (1a) des Komparators liegt.
Komparatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (23) derart ausgebildet ist, daß eine erste Diode (6) und eine zweite Diode (7) antiparallel geschaltet und einerseits mit einem Signaleingang (18) der Komparatorschaltung verbunden sind, sowie die erste Diode (6) andererseits mit einem ersten Anschluß eines ersten Kondensators (4) und die zweite Diode (7) andererseits mit einem ersten Anschluß eines zweiten Kondensators (5) verbunden ist, und die beiden Dioden andererseits über einen Spannungsteiler (2, 3) miteinander verbunden sind, wobei der zweite Anschluß des ersten Kondensators (4) mit der Schaltungsmasse und der zweite Anschluß des zweiten Kondensators (5) mit einer Spannung verbunden ist, welche größer als der Minimalwert der Signalspannung (Us) ist.
Komparatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (2, 3) aus einem ersten Widerstand (2) und einem zweiten gleichgroßen Widerstand (3) gebildet ist, wobei der Mittelabgriff zwischen den beiden Widerständen (2, 3) mit dem ersten Eingang (1a) des Komparators (1) verbunden ist.
Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang (1a) des Komparators (1) mit dem ersten Anschluß eines dritten Kondensators (1) verbunden ist, wobei der zweite Anschluß des dritten Kondensators (10) mit der Schaltungsmasse verbunden ist.
Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang (1a) des Komparators (1) mit dem ersten Anschluß eines vierten Kondensators (11) verbunden ist, wobei der zweite Anschluß des vierten Kondensators (11) mit einem ersten Spannungszuführungspunkt (15) verbunden ist.
Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Signaleingang (18) und den Dioden (6, 7) ein Widerstand (8) geschaltet ist.
Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Signaleingang (18) und dem zweiten Eingang (1b) des Komparators (1) ein vierter Widerstand (12) sowie zwischen einem Ausgang (1c) und dem zweiten Eingang (1b) des Komparators (1) ein fünfter Widerstand (13) geschaltet ist.
Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (1c) des Komparators (1) über einen sechsten Widerstand (14) mit einem zweiten Spannungszuführungspunkt (16) verbunden ist.