DE19728381A1 - Verfahren und Schaltung zur Funktionsüberwachung einer Sensorbrücke - Google Patents

Verfahren und Schaltung zur Funktionsüberwachung einer Sensorbrücke

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Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungs­ anordnung zur Funktionsüberwachung einer symmetrischen Sensorbrückenschaltung, die in Vollbrückenschaltung verbundene Sensorelemente aufweist. Zur Erfassung einer physikalischen Größe, wie z. B. Druck, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder dergleichen, dient häufig ein im Stand der Technik bekannter in Form einer symmetrischen Brücken­ schaltung angeordneter Halbleitersensor und eine Differenz­ verstärkerschaltung, die ein Ausgangssignal der Sensor­ brückenschaltung erzeugt. Dieses Ausgangssignal von der Sensorbrückenschaltung gibt innerhalb eines bestimmten Meßspannungsbereichs die zu messende physikalische Größe, z. B. den Druck, in weitgehend linearer Abhängigkeit an.
Beim Einsatz einer solchen Sensorbrückenschaltung in einer sicherheitsrelevanten Meßanordnung, wie z. B. in einem Antiblockiersystem eines Kraftfahrzeugs, ist es für die Sicherheit des Kraftfahrzeugs und seiner Insassen sehr wichtig, daß die Funktion des Sensors während seines Betriebs ständig überwacht wird und daß bei Fehlfunktion des Sensors unverzüglich ein diese Fehlfunktion anzeigendes Alarmsignal erzeugt werden kann. Auch ist es dabei wichtig, daß nicht nur Unterbrechungen der Leitungen zu und von der Sensorbrückenschaltung, der Speiseleitungen u.ä., sondern auch einen Ausfall des Drucksensors herbeiführende Fehler­ zustände erfaßt werden können, so daß auch allmählich auftretende Veränderungen, wie z. B. Veränderungen der Kennlinie des Drucksensors, der Verstärkungsgrade der integrierten Verstärker etc., erkannt werden können, die allmählich die Meßgenauigkeit verschlechtern.
Eine bekannte, in der US 4 845 435 beschriebene Sensorfehler-Detektoreinrichtung zum Erfassung einer Leitungsunterbrechung oder eines Kurzschlusses weist zwischen einem masseseitigen Ausgangsanschluß eines Sensors und dem Sensor einen Widerstand zur Bildung eines Sensorausgangssignals auf. Ein Vergleich des so gebildeten Sensorausgangssignals mit einer Bezugsspannung erlaubt anhand des Ausgangszustands eines hierzu eingesetzten Vergleichers einen Rückschluß auf den Zustand oder die Funktionsfähigkeit des Sensors. Wenn beispielsweise ein Sensor mit einem A/D-Wandler geschaltet wird, ist die Zuverlässigkeit der bekannten Anordnung bei der Erkennung von Unterbrechungen der jeweiligen Spannungsversorgungs­ anschlüsse, der Ausgangsanschlüsse und der Masseanschlüsse der Sensoren nicht sicher.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Funktionsüberwachung einer in Vollbrückenschaltung verbundene Sensorelemente aufweisenden symmetrischen Sensorbrückenschaltung so zu ermöglichen, daß das Sensorsignal während aller Betriebszustände ohne Auftrennen der Meßsignalkette und, bei geringem Kosten­ aufwand, nicht nur die Sensorzuleitungen, die Speise­ spannungsleitungen, die Bondverbindungen, sondern auch die Brückenwiderstände, die gesamten Verstärker und die Abgleich- und Kompensationsbausteine der Meßsignalkette selbsttätig überwacht werden können.
Ein die obige Aufgabe lösendes erfindungsgemäßes Verfahren zur Funktionsüberwachung einer symmetrischen
Sensorbrückenschaltung ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Ableitung eines Vollbrückensignals von der Sensorbrückenschaltung;
  • - Ableitung eines Halbbrückensignals von der positiven oder negativen Halbbrückenschaltung;
  • - Subtraktion des momentanen Pegels dieses Halbbrücken­ signals von der halben Brückenspeisespannung unter Bildung eines Differenzsignals;
  • - Verstärkung des Differenzsignals mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor, so daß es bei korrekter Funktion der Sensorbrückenschaltung dem Vollbrückensignal entspricht;
  • - Vergleich des Vollbrückensignals mit dem verstärkten Differenzsignal; und
  • - Erzeugung eines Alarmsignals, wenn das verstärkte Differenzsignal unzulässig vom Vollbrückensignal abweicht.
Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß und vorteilhaft dadurch weitergebildet, daß das Vollbrückensignal verstärkt und daraus das Ausgangssignal des Sensors gebildet und das Alarmsignal mit festem Pegel, fester Frequenz, o.a. erzeugt und dem Ausgangssignal des Sensors überlagert wird.
Vorteilhafterweise ist der Pegel des Alarmsignals so gewählt, daß das Ausgangssignal des Sensors im Alarmfall außerhalb des normalen Arbeitsbereich des Sensors zu liegen kommt.
Weiterhin wird bevorzugt das verstärkte Differenzsignal und das Vollbrückensignal vor dem Vergleichsschritt einer Aufbereitung im Offset und der Empfindlichkeit im gleichen Maß und gleichzeitig unterworfen.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren für die Funktionsüberwachung eines Drucksensors verwendet, der bei der Druckmessung in einem Antiblockiersystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzt ist.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Funktionsüberwachung eines in Diesel- oder Benzineinspritz­ systemen oder zur Druckmessung in einem Lenk- oder Schalt­ getriebe oder in einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzten Drucksensors verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Funktionsüberwachung einer symmetrischen Sensorbrücken­ schaltung, wobei die Schaltungsanordnung erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch
  • - einen mit Meßanschlüssen der Sensorbrückenschaltung verbundenen Differenzverstärker zur Bildung eines das Meßsignal darstellenden Vollbrückensignals aus der Differenz des positiven und negativen Halbbrückensignals;
  • - ein mit dem positiven oder negativen Meßanschluß der Sensorbrückenschaltung verbundenes Summierglied zur Subtraktion des momentanen Pegels des positiven oder negativen Halbbrückensignals von der Hälfte der Brücken­ speisespannung und Erzeugung eines entsprechenden Differenzsignals;
  • - ein mit dem Summierglied verbundenes Verstärkungsglied zur Verstärkung des Differenzsignals mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor, so daß das Differenzsignal bei korrekter Funktion der Sensorbrückenschaltung dem Vollbrückensignal entspricht;
  • - einen Vergleicher, der mit dem Verstärkungsglied zum Vergleich des Vollbrückensignals mit dem verstärkten Differenzsignal verbunden ist, und
  • - einen Alarmsignalerzeuger, der vom Ausgangssignal des Vergleichers zur Erzeugung eines Alarmsignals aktiviert wird, wenn das vom Verstärkungsglied verstärkte Differenz­ signal unzulässig vom Vollbrückensignal abweicht.
Bevorzugt weist der Vergleicher einen Fensterkomparator auf, dessen Ausgangssignal das Alarmsignal ist und das als zusätzliche Spannung einem von einem zweiten Verstärkungs­ glied verstärkten Ausgangssignal des Sensors überlagert wird, so daß letzteres im Fehlerfall des Sensors einen Signalbereich außerhalb des normalen Arbeitsbereichs des Sensors einnimmt.
Optionell und bevorzugt ist eine Offset- und Empfindlich­ keitskorrekturvorrichtung vorgesehen, die das vom Verstär­ kungsglied verstärkte Differenzsignal und das Vollbrücken­ signal, bevor diese im Vergleicher verglichen werden, einer Aufbereitung im Offset und in der Empfindlichkeit im gleichen Maß und gleichzeitig unterwirft.
Weiterhin kann erfindungsgemäß dem Ausgangssignal des Sensors durch einen Sockelspannungserzeuger eine Sockel­ spannung überlagert werden, die das Ausgangssignal des Sensors in den Arbeitsbereich desselben bringt.
Weiterhin können bevorzugt Mittel vorgesehen sein, mit denen zuvor die Verstärkungsgrade der Verstärkungsglieder, die den normalen Arbeitsbereich und den Alarmsignalbereich definierenden Bezugsspannungen des Vergleichers und des Sockelspannungserzeugers entsprechend der Speisespannung und den Kennwerten der eingesetzten Sensorvollbrücken­ schaltung eingestellt werden können.
Durch die oben angegebenen Lösungsmerkmale wird durch den Vergleich des Halbbrückensignals mit dem Vollbrückensignal ein zweiter Signalmeßpfad aufgebaut. Dieser wird im Sensor mit dem Hauptmeßkanal verglichen. Dadurch entsteht ein Sensor im Sensor, wobei der Test- oder Überwachungskanal ausschließlich zur Überprüfung des Hauptmeßkanals verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltungsanordnung ermöglichen somit eine selbsttätige Funktionsüberwachung der Sensorbrückenschaltung während des Betriebs und zwar im druckbeaufschlagten oder drucklosen Zustand des Sensors.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich, wenn diese unter Bezug auf die einzige Zeichnungsfigur gelesen wird.
Die Zeichnungsfigur zeigt in Form eines Funktionsblock­ schaltbildes ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung für die Funktionsüberwachung einer symmetrischen Sensorbrückenschaltung, insbesondere für die Druckmessung in einer Antiblockiersystem-Bremsanlage.
Das in der Figur dargestellte Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Überwachungs­ schaltung zeigt einen Meßsensor, z. B. einen Drucksensor 1, bei dem vier gleichartige Sensorelemente a, b, c, d in Form einer symmetrischen Vollbrückenschaltung verbunden sind. Der Speisespannungsanschluß dieser Vollbrückenschaltung liegt an einer Speisespannung Vs und andererseits an Masse. Ein positives Ausgangssignal Vinp und ein negatives Ausgangssignal Vinn der symmetrischen Vollbrückenschaltung 1 liegen jeweils einem positiven und negativen Eingangs­ anschluß eines Differenzverstärkers an, von dessen Ausgang ein Vollbrückensignal Vin abgegeben wird. Ein Hauptmeßkanal I führt dieses Vollbrückensignal Vin über einen Summier­ knoten 11, dessen Funktion später erläutert wird, zu einem Verstärker (zweites Verstärkungsglied) 12 mit fest eingestelltem Verstärkungsgrad. Weiter führt der Hauptmeß­ kanal I über einen weiteren Summierknoten 13 zu einem Ausgangsanschluß 15, an dem eine Sensorausgangsspannung 6 (Vout) abgegeben wird.
Weiterhin wird ein Test- oder Überwachungssignalkanal II dadurch gebildet, daß durch einen weiteren Summierknoten 2 die Hälfte der Brückenspeisespannung Vs/2 von dem negativen Halbbrückensignal Vinn subtrahiert und anschließend in einem Verstärker 3 verstärkt wird, dessen Verstärkungsgrad so eingestellt ist, daß das verstärkte Differenzsignal Vinn-Vs/2 dem Vollbrückensignal Vin entspricht. Diese verstärkte Differenzsignal wird über einen weiteren Summierknoten 11' einem Vergleicher 5 zugeführt, der einen Differenzverstärker in Verbindung mit einem Fenster­ komparator aufweist. Im Vergleicher 5 wird das verstärkte Differenzsignal mit dem unverstärkten Vollbrückensignal Vin verglichen. Weicht nun das verstärkte Differenzsignal unzulässig vom Vollbrückensignal ab, aktiviert das Ausgangssignal vom Fensterkomparator einen Alarmsignal­ erzeuger 9, der dem Ausgangssignal Vout am Ausgangsanschluß 15 des Sensors eine zusätzliche Spannung aufschaltet, welche das Ausgangssignal des Sensors in einen Signal­ bereich bringt, der außerhalb des normalen Arbeitsbereich des Sensors liegt.
Durch die zuvor erwähnten Maßnahmen wird ein Sensor im Sensor ermöglicht, wobei der Test- und Überwachungskanal II ausschließlich zur Funktionsüberprüfung des Hauptmeßkanals I verwendet wird. Der Sensor überwacht sich während des Betriebs im druckbeaufschlagten oder drucklosen des Druck­ sensors 1 selbsttätig in seiner Funktion.
Eine Offset- und Empfindlichkeitskorrekturvorrichtung 4 dient dazu, wenn erforderlich, das Vollbrückensignal Vin und das verstärkte Differenzsignal Vinn-Vs/2 einer Offset- und Empfindlichkeitskorrektur zu unterwerfen (z. B. Temperaturfehlerkompensation), damit diese beiden Signale im Offset und in der Empfindlichkeit ein gleiches Signal ausweisen. Dazu werden die beiden Signale Vin und Vinn-Vs/2 mit einer Korrekturspannung in den beiden im Hauptmeßkanal I und im Test- und Überwachungskanal II liegenden Summierknoten 11, 11' beaufschlagt.
Durch einen weiteren im Hauptmeßkanal I enthaltenen Summierknoten 13 wird dem Meßsignal eine konstante Spannung, z. B. 0,5 V von einem Sockelspannungserzeuger 7 aufgeschaltet, so daß das Ausgangssignal Vout in den Arbeitsbereich des Sensors gebracht wird.
Die in der Figur gezeigten Bauteile und Schaltelemente sind bevorzugt auf einem gemeinsamen Substrat in Form einer integrierten Schaltung integriert. Die für die Funktionsüberwachung der Sensorbrückenschaltung benötigten Bauelemente vergrößern die Chip-Fläche der integrierten Schaltung nur geringfügig, so daß der dabei entstehende Kostenmehraufwand vernachlässigbar ist.
Selbstverständlich kann statt des negativen Halbbrücken­ signals Vinn, wie in der Figur gezeigt, auch das positive Halbbrückensignal Vinp von der Sensorhalbbrücke abgegriffen und die Differenz zur Hälfte der Speisespannung gebildet werden.
Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Meßprinzip die Überwachung des von einer symmetrischen Vollbrücken­ schaltung gelieferten Meßsignals während aller Betriebs­ zustände, indem ohne Auftrennung der Meßsignalkette ein Überwachungssignal vom Brückensignal abgenommen und mit dem Vollbrückensignal verglichen wird, so daß das Meßsignal kontinuierlich zur Verfügung steht. Dadurch werden nicht nur die Zu- und Ableitungen von der Meßbrücke sowie die Spannungsversorgungsleitungen auf Bruch und Kurzschlüsse sondern auch die Brückenwiderstände und die gesamten Verstärker sowie die Abgleich- und Kompensationsbausteine selbsttätig überwacht.

Claims (12)

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung einer symmetrischen Sensorbrückenschaltung (1), die in Vollbrückenschaltung verbundene Sensorelemente (a, b, c, d) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Ableitung eines Vollbrückensignals (Vin) von der Sensorbrückenschaltung;
  • - Ableitung eines Halbbrückensignals (Vinp;Vinn) von der positiven oder negativen Halbbrückenschaltung;
  • - Subtraktion des momentanen Pegels dieses Halbbrücken­ signals (Vinp;Vinn) von der halben Brückenspeisespannung (Vs/2) unter Bildung eines Differenzsignals (Vinn-Vs/2); - Verstärkung des Differenzsignals mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor (x), so daß es bei korrekter Funktion der Sensorbrückenschaltung (1) dem Vollbrückensignal (Vin) entspricht;
  • - Vergleich des Vollbrückensignals (Vin) mit dem verstärkten Differenzsignal; und
  • - Erzeugung eines Alarmsignals, wenn das verstärkte Differenzsignal unzulässig vom Vollbrückensignal (Vin) abweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vollbrückensignal (Vin) verstärkt und daraus das Ausgangssignal (Vout) des Sensors gebildet und das Alarmsignal mit festem Pegel, fester Frequenz, o. ä. erzeugt und dem Ausgangssignal (Vout) des Sensors überlagert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Alarmsignals so gewählt ist, daß das Ausgangssignal des Sensors im Alarmfall außerhalb des normalen Arbeitsbereichs des Sensors zu liegen kommt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin das verstärkte Differenzsignal und das Vollbrückensignal (Vin) im Offset und in der Empfindlich­ keit im gleichen Maß und gleichzeitig vor dem Vergleichs­ schritt aufbereitet werden.
5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Funktionsüberwachung eines Drucksensors, der bei der Druckmessung in einem Antiblockiersystem oder bei Diesel- oder Benzin-Einspritzverfahren oder zur Druckmessung in Lenkgetrieben, Klimaanlagen oder Schaltgetrieben eines Kraftfahrzeugs eingesetzt ist.
6. Schaltungsanordnung zur Funktionsüberwachung einer symmetrischen Sensorbrückenschaltung (1), die in Vollbrückenschaltung verbundene, von einer Brückenspeise­ spannung (Vs) gespeiste Sensorelemente (a, b, c, d) aufweist, gekennzeichnet durch
  • - einen mit Meßanschlüssen der Sensorbrückenschaltung verbundenen Differenzverstärker (10) zur Bildung eines das Meßsignal darstellenden Vollbrückensignals (Vin) aus der Differenz des positiven und negativen Halbbrückensignals (Vinp-Vinn);
  • - ein mit dem positiven oder negativen Meßanschluß der Sensorbrückenschaltung (1) verbundenes Summierglied (2) zur Subtraktion des momentanen Pegels des positiven oder negativen Halbbrückensignals (Vinp oder Vinn) von der Hälfte der Brückenspeisespannung (Vs/2) und Erzeugung eines entsprechenden Differenzsignals (Vinn-Vs/2);
  • - ein mit dem Summierglied (2) verbundenes Verstärkungs­ glied (3) zur Verstärkung des Differenzsignals mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor (x), so daß das Differenz­ signal bei korrekter Funktion der Sensorbrückenschaltung dem Vollbrückensignal (Vin) entspricht;
  • - einen Vergleicher (5), der mit dem Verstärkungsglied (3) zum Vergleich des Vollbrückensignals (Vin) mit dem verstärkten Differenzsignal verbunden ist, und
  • - einen Alarmsignalerzeuger (9), der vom Ausgangssignal des Vergleichers (5) zur Erzeugung eines Alarmsignals aktiviert wird, wenn das vom Verstärkungsglied (3) verstärkte Differenzsignal unzulässig vom Vollbrückensignal (Vin) abweicht.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (5) einen Fensterkomparator aufweist, dessen Ausgangssignal das Alarmsignal ist und als zusätzliche Spannung einem von einem zweiten Verstärkungs­ glied (12) verstärkten Ausgangssignal (6) des Sensors überlagert wird, so daß dieses Ausgangssignal im Fehlerfall des Sensors einen Signalbereich außerhalb des normalen Arbeitsbereichs des Sensors einnimmt.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Offset- und Empfindlichkeitskorrektur­ vorrichtung (4) vorgesehen ist, die das vom ersten Verstärkungsglied (3) verstärkte Differenzsignal sowie das Vollbrückensignal (Vin) einer Offset- und Empfindlichkeits­ aufbereitung in gleichem Maß und gleichzeitig vor ihrem Vergleich im Vergleicher (5) unterwirft.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin durch einen Sockelspannungserzeuger (7) dem Ausgangssignal des Sensors eine Sockelspannung (+sockel) überlagert wird, die dieses Ausgangssignal in den Arbeitsbereich des Sensors bringt.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Mittel vorgesehen sind, mit denen zuvor die Verstärkungsgrade jeweils des ersten und zweiten Verstärkungsglieds (3, 12), die den normalen Arbeitsbereich und den Alarmsignalbereich definierende Bezugsspannungen des Vergleichers und des Sockelspannungserzeugers (7) entsprechend der Speisespannung und den Kennwerten der eingesetzten Sensor-Vollbrückenschaltung (1) eingestellt werden.
11. Anwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 zur Funktionsüberwachung eines für die Druckmessung in einem Antiblockiersystem eines Kraftfahr­ zeugs eingesetzten Drucksensors.
12. Anwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 zur Funktionsüberwachung eines für die Druckmessung bei der Diesel-Einspritzung oder Benzin-Ein­ spritzung, in einem Lenkgetriebe, einer Klimaanlage oder in einem Automatikschaltgetriebe eingesetzten Drucksensors.
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