DE19609324A1

DE19609324A1 - Verfahren zur Messung eines Spannungswerts, Meßvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und Verfahren zur Konfiguration der Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE19609324A1
Application number: DE1996109324
Authority: DE
Inventors: Christian Stolz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-03-09
Filing date: 1996-03-09
Publication date: 1997-09-11

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Spannungswerts mittels eines mit einer Spannungsversorgung verbundenen Analog-/Digital-Wandlers (im folgenden auch A/D-Wandler genannt). Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Meßvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens, sowie ein Verfahren zur Konfiguration der Meßvor richtung.

Aus der DE-OS 44 23 955 ist beispielsweise eine Spannungsmeßvorrichtung offenbart, die einen A/D-Wandler zum Messen des Spannungswerts aufweist. Der A/D-Wandler arbeitet dabei nach dem sogenannten Doppelintegrationsverfahren, das beispielsweise in dem Fachbuch Tietze/Schenk, "Halbleiter-Schaltungs technik", 9. Auflage 1991, Seite 786 bis 788 näher erläutert ist. Wesentlicher Bestandteil dieses Ver fahrens ist die Integration einer Referenzspannung, die dann mit dem zu messenden, ebenfalls integrier ten Spannungssignal verglichen wird.

Ausschlaggebend für die Meßgenauigkeit eines sol chen A/D-Wandlers ist unter anderem die Konstanz der Referenzspannung. Je kleiner die Abweichungen der Referenzspannung sind, desto genauer wird das Meßergebnis. Mit Konstanz der Referenzspannung ist an dieser Stelle gemeint, daß die Abweichung des Referenzspannungswerts von einem vorgegebenen Wert von Meßvorrichtung zu Meßvorrichtung konstant bleibt.

Um solche nur innerhalb eines sehr geringen Tole ranzbereichs schwankende Referenzspannungen bereit zustellen, sind aufwendige Spannungsregler notwen dig, die die Spannungsmeßvorrichtungen verteuern.

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 be sitzt den Vorteil, daß ein vom A/D-Wandler gelie ferter Meßwert mit zwei Korrekturwerten verknüpft wird. Somit lassen sich auch kostengünstige Span nungsregler verwenden, deren Ausgangsspannung in nerhalb eines breiteren Toleranzbereichs liegt, wo bei jedoch davon ausgegangen wird, daß diese Span nung im Betrieb konstant geliefert wird.

Durch die Verknüpfung der Meßwerte mit diesen Kor rekturwerten läßt sich die Abweichung der Versor gungsspannung vom Sollwert kompensieren.

Besonders vorteilhaft ist es, die berechneten Kor rekturwerte mit einem vorwählbaren Faktor zu multi plizieren, wobei nach der Verknüpfung eine entspre chende Division durch den gleichen Faktor erfolgt. Damit kann mit ganzen Zahlen gearbeitet werden, so daß ein geringerer Hardware-Aufwand notwendig wird, ohne die Meßgenauigkeit nachteilig zu beeinflussen.

Zur Ausführung dieses Verfahrens ist eine Meßvor richtung nach Anspruch 3 geeignet, die neben dem A/D-Wandler eine Speichereinrichtung zum Speichern zweier Korrekturwerte, sowie einen nachgeordneten Multiplizierer und einen Addierer besitzt. Diese sind mit der Speichereinrichtung so verbunden, daß der vom A/D-Wandler gelieferte Meßwert zunächst mit einem Korrekturwert multipliziert und das Ergebnis auf den zweiten Korrekturwert aufaddiert wird. Ob gleich für die Durchführung der Korrekturfunktion noch Hardware-Maßnahmen notwendig sind, liegt den noch ein Kostenvorteil vor, da hochgenaue Span nungsregler deutlich teuerer sind als die angegebe nen Verknüpfungs- und Speicherelemente.

Vorzugsweise ist dem Addierer ein Schieberegister nachgeordnet, um den korrigierten Meßwert um einen vorgebbaren Faktor, vorzugsweise 256, zu dividie ren.

Vorzugsweise ist die Meßvorrichtung Teil eines Mi krocontrollers, wobei die Speichereinheit vorzugs weise als EEPROM ausgeführt ist.

Das Verfahren zur Konfiguration der Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, daß das Berechnen und Abspeichern der Korrekturwerte sehr einfach für jede Meßvorrichtung durchführbar ist und lediglich von einem einzigen zu messenden Wert, nämlich der von der Spannungsversorgungseinheit gelieferten Spannung, abhängt. Die übrigen für die Berechnung der Korrekturwerte notwendigen Daten sind fest ab gespeichert und können für alle Spannungsversor gungseinheiten, das heißt Spannungsregler, eines Typs verwendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen in Verbindung mit der folgen den Beschreibung.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Spannungsmeßvorrichtung, und

Fig. 2 zeigt nicht maßstäblich die Spannungsmeß kennlinien bei unterschiedlicher Versor gungsspannung.

Ausführungsbeispiel

Eine Spannungsmeßvorrichtung 1 umfaßt einen A/D-Wandler 3, zwei Verknüpfungselemente 5 und 7 sowie eine Speichereinheit 9.

Das Verknüpfungselement 5 ist ein Multiplizierer, der ein vom A/D-Wandler 3 geliefertes digitales Da tum mit einem digitalen Korrekturwert S, der in der Speichereinheit 9 abgelegt ist, multipliziert.

Das Ergebnis der Multiplikation wird dem Verknüp fungselement 7, bei dem es sich um einen Addierer handelt, zugeführt und dort mit einem zweiten Kor rekturwert U, der ebenfalls in der Speichereinheit 9 abgelegt ist, addiert.

Dieses Ergebnis wiederum wird fakultativ einem Schieberegister 11 zugeführt, das das Ergebnis um einen vorgegebenen Wert dividiert. Am Ausgang die ses Schieberegisters liegt dann das korrigierte Meßergebnis in digitaler Form vor.

In der Fig. 1 ist noch eine Spannungsversorgungs einheit 13 zu erkennen, die den A/D-Wandler 3 mit einer Versorgungsspannung VDD versorgt. Da diese Versorgungsspannung VDD auch als Referenzspannung für das vom A/D-Wandler ausgeführte Digitalisie rungsverfahren benutzt wird, wird eine konstante Spannung gefordert.

Zur Bereitstellung einer konstanten Versorgungs spannung VDD wird in der Spannungsversorgungsein heit üblicherweise ein sogenannter Spannungsregler eingesetzt, wobei die abgegebene Spannung jedoch herstellungsbedingt innerhalb eines Toleranzbe reichs U_unt. . . . VDD . . . U_ober liegt.

Um trotz dieses Toleranzbereichs eine sehr genaue Messung durchführen zu können, wird der aus dem an der Eingangsseite des A/D-Wandlers anliegende Span nungswert U_tat. digitalisierte Meßwert U_gem. mit den beiden Korrekturwerten s und u verknüpft. Diese beiden Korrekturwerte s und u werden dabei abhängig von dem von der Spannungsversorgungseinheit gelie ferten Spannungswert VDD berechnet.

Diese später noch detailliert beschriebene Berech nung findet beispielsweise am Ende der Fertigung der Spannungsmeßvorrichtung 1 statt, wobei hierfür eine hochgenaue Meßeinrichtung den von der Span nungsversorgungseinheit 13 gelieferten Spannungs wert exakt erfaßt. Dieser Wert wird anschließend in einem Rechner zur Ermittlung der beiden Korrektur werte s und u mit weiteren Parametern verknüpft, die jeweils für einen Typus einer Spannungsversor gungseinheit ermittelt wurden. Am Ende der Berech nung werden die beiden Korrekturwerte s und u über Datenleitungen 15 in die Speichereinheit 9, bei der es sich vorzugsweise um ein EEPROM handelt, einge schrieben.

Die Berechnung der Korrekturwerte s und u wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben.

Zunächst werden zumindest zwei Spannungsmeßreihen durchgeführt, wobei für die erste Meßreihe eine Versorgungsspannung im Bereich der Spannung U_unt. und bei der zweiten Meßreihe eine Versorgungsspan nung im Bereich der Spannung U_ober anstelle der von der Spannungsversorgungseinheit gelieferten Span nung VDD angelegt wird.

Auf der Grundlage der ermittelten Meßwertpaare (U_tat.; U_gem.) wird mit Hilfe mathematischer Metho den (lineare Regression) eine Kennliniengerade G1 für die Versorgungsspannung U_ober, sowie eine Kenn liniengerade G2 für die Versorgungsspannung U_unt. berechnet.

Nun erfolgt die Berechnung zweier Begrenzungsgera den G3 und G4, wobei die Gerade G3 aus den Punkten P1 und P2 und die Gerade G4 aus den Punkten P3 und P4 berechnet wird.

Die beiden auf der Geraden G2 liegenden Punkte P2 und P4 können beliebig gewählt werden, liegen je doch vorzugsweise am unteren beziehungsweise am oberen Meßbereichsende der Geraden G2.

Zu dem Punkt P2 mit den Koordinaten (x2; y2) wird der Punkt P1 mit den Koordinaten (x1; y1) ermittelt, wobei der Wert y1 = x2 gesetzt wird. Der Wert x1 läßt sich dann mit Hilfe der Geradengleichung be rechnen.

In gleicher Weise wird der Punkt P3 mit den Koordi naten (x3; y3) berechnet, wobei y3 = x4 des Punktes P4 gesetzt wird.

Im nächsten Schritt wird die x-Länge des Geradenab schnitts P1, P2 der Geraden G3 und des Geradenab schnitts P3, P4 der Geraden G4 berechnet. Dabei ist ΔxG3 = x2-x1 und ΔxG4 = x4-x3.

Aus den beiden Streckenlängen wird ein von der Dif ferenzspannung ΔVDD = U_ober-U_unt. abhängiger Ska lierungswert skal1 = ΔxG3/ΔVDD für die Gerade G1 und ein Skalierungswert skal2 = ΔxG4/ΔVDD berech net.

Die bisher angeführten Berechnungen erfolgen nicht für jede einzelne Spannungsmeßvorrichtung 1 bezie hungsweise jede Spannungsversorgungseinheit 13, sondern einmalig für einen Typ für Spannungsversor gungseinheit mit einem vorgegebenen Spannungs-Tole ranzbereich.

Die ermittelten Daten werden deshalb in einem Rech ner gespeichert und für jede Berechnung der Korrek turwerte einer Spannungsmeßvorrichtung 1 herangezo gen.

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Ermittlung und Ab speicherung der Korrekturwerte s und u jeweils am Ende der Fertigung einer Spannungsmeßvorrichtung 1. Dazu wird die tatsächlich von der Spannungsversor gungseinheit 13 gelieferte Spannung VDD, die inner halb des bekannten Toleranzbereichs liegt, gemes sen.

Auf der Grundlage dieser gemessenen Spannung VDD wird eine Meßkennliniengerade G5 ermittelt. Sie liegt auf jeden Fall zwischen den Geraden G1 und G2, da G1 für die obere Toleranzbereichsgrenze der Versorgungsspannung und G2 für die untere Toleranz bereichsgrenze ermittelt wurden.

Zur Berechnung der Geraden G5 sind nun zwei Punkte P5 und P6 zu ermitteln, die auf der Geraden G3 be ziehungsweise auf der Geraden G4 liegen, wobei die Gerade abhängig von der gemessenen Spannung VDD ist.

Zur Bestimmung der Koordinaten x5 des Punktes P5 wird eine Differenz ΔxP5 = x5-x1 wie folgt be rechnet:

ΔxP5 = (U_ober-VDD) · skal1.

In gleicher Weise wird die Koordinate x6 des Punk tes P6 festgelegt mit

ΔxP6 = x6-x3 = (U_ober-VDD) · skal2.

Durch Einsetzen der x-Werte x5 und x6 in die Gera dengleichung der Geraden G3 beziehungsweise G4 wer den die y-Werte y5 und y6 der Punkte P5 und P6 an schließend berechnet.

Im nächsten Schritt kann anhand der Koordinaten der beiden Punkte P5 und P6 die Geradengleichung der Geraden G5 ermittelt werden. Diese Gerade G5 mit der Gleichung

U_tat. = s·U_gem. + u

stellt dann die gewünschte Korrekturgerade dar, mit der eine Korrektur des gemessenen Wertes U_gem. mög lich ist.

Wie in Fig. 1 bereits dargestellt, ist es ledig lich notwendig, die Steigung s der Korrekturgeraden G5 sowie den Schnittpunkt u auf der y-Achse als Korrekturwerte zu speichern und mit dem vom A/D-Wandler 3 gelieferten Wert U_gem. zu verknüpfen.

Zur Vereinfachung des Rechenaufwandes werden die beiden im allgemeinen als Fließkomma-Zahlen vorlie genden Korrekturwerte s und u mit einem Wert 2ⁿ multipliziert und dann auf ganze Zahlen abgerundet, da das Verknüpfen von ganzen Zahlen leichter be herrschbar ist. Selbstverständlich ist dann eine entsprechende Division durch 2ⁿ am Ende der Ver knüpfung notwendig, was sehr einfach durch das Schieberegister 11 realisierbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Messung eines Spannungswerts mit tels eines mit einer Spannungsversorgungseinheit verbundenen Analog-/Digital-Wandlers, dadurch ge kennzeichnet, daß der vom Analog-/Digital-Wandler gelieferte Spannungswert mit einem ersten Korrek turwert (s) multipliziert und dieses Produkt auf einen zweiten Korrekturwert (u) aufsummiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Ergebniswert einer Division durch 2ⁿ, vorzugsweise 256, unterzogen wird, wobei die beiden Korrekturwerte (s, u) mit 2ⁿ multipliziert abgespei chert wurden.

3. Meßvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Analog-/Digital-Wandler (3) und einer Spannungsversorgungseinheit (13), gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (9) zum Speichern zweier Korrekturwerte (s, u), ei nem Multiplizierer (5), dem als Eingangssignale das Ausgangssignal des Analog-/Digital-Wandlers (3) und ein Korrekturwert (s) zugeführt ist, und einen Ad dierer (7), dem als Eingangssignal das Ausgangssig nal des Multiplizierers (5) und der andere Korrek turwert (u) zugeführt ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß dem Addierer (7) ein Schieberegister (11) nachgeordnet ist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (9) ein EEPROM ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil eines Mikro controllers ist.

7. Verfahren zur Konfiguration einer Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, unter Verwendung einer ersten Meßkennlinie G1, die bei maximaler Versorgungsspannung (U_max.) aufgenommen wurde, ei ner zweiten Meßkennlinie G2, die bei minimaler Ver sorgungsspannung (U_min.) aufgenommen wurde, einer ersten Begrenzungsgeraden G3, die einen Punkt P1 (x1; yl) auf der Geraden G1 mit einem Punkt P2 (x2; y2) der Geraden G2 verbindet, und einer zweiten Begrenzungsgeraden G4, die einen Punkt P3 (x3; y3) der Geraden G1 mit einem Punkt P4 (x4; y4) der Gera den G2 verbindet, wobei y1 = x2 und y3 = x4 gesetzt ist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Messen der von der Spannungsversorgungseinheit (13) gelieferten Versorgungsspannung (VDD),
Berechnen einer Korrekturkennlinie G5 anhand eines Punktes P5 (x5; y5) auf der Geraden G3 und eines Punktes P6 (x6; y6) auf der Geraden G4, wobei x5 = x1+[(U_max.-VDD) · ((x2-x1)/(U_max.-U_min.))]undx6 = x3+ [(U_max.-VDD) · ((x4-x3)/(U_max.-U_min.))]ist,
Berechnen der beiden y-Werte y5 und y6 mit Hilfe der Geradengleichungen G3 und G4,
Berechnen des ersten Korrekturwertes (s) mits = (y6-y5)/(x6-x5)und
des zweiten Korrekturwertes (u) mitu = y5+ [(x5 · y5) - (x5 · y6)]/(x6 - x5),und
Abspeichern der beiden Korrekturwerte s und u.