DE19752134C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines A/D-Wandlers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Kalibrieren eines A/D-Wandlers.

Obwohl auf beliebige A/D-Wandler (A/D-Wandler = Analog/Digital-Wandler) anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die Jahre zu Grunde liegende Problematik im Bezug auf ein an Bord eines Kraftfahrzeugs befindliches Mikrokontrollsystems erweitert, z. B. dem ABS-System oder dem Airbagsystem.

Aus der DE 40 09 383 C3 ist ein A/D-Wandler bekannt, der zur Umwandlung einer analogen Eingangsgrößen eine Korrektur des Offset- und Verstärkungsfehlers durchführt. Die Korrektur wird dabei über eine untere und eine obere Referenzeingangsspannung dadurch durchgeführt, dass der bei der unteren Referenzeingangsspannung gemessene Ausgangswert bei beliebigen, analogen Eingangsspannungen von den Ausgangswerten des Analog-Digital-Umsetzers subtrahiert wird.

Heutige Mikrocontroller haben neben dem digitalen Schaltungsteil üblicherweise auch ein analogen Schaltungsteil, der einen A/D-Wandler zum Umwandeln eines extern angelegten analogen Signals aufweist. Diese extern angelegten analogen Signale sind einerseits Messsignale, welche nach Umwandlung in ein entsprechendes digitales Signal vom Mikrocontroller ausgewertet werden, und andererseits auch Steuersignale, welche nach Umwandlung in ein entsprechendes digitales Signal direkt eine Mikrocontrollerfunktion auslösen können.

Dabei ist es bei vielen Anwendungen erforderlich, dem Mi­ krocontroller ein Referenzsignal zuzuführen, anhand dessen der Mikrocontroller den tatsächlichen Absolutwert der ex­ tern zugeführten analogen Signale ermitteln kann. Dies kann derart geschehen, daß solch ein Referenzsignal ständig an einem einer Vielzahl von analogen Eingängen des Mikrocon­ trollers angelegt wird.

Als Vorrichtung zum Bereitstellen solch einer Referenzspan­ nung für einen A/D-Wandler wird bei dem beschriebenen Mi­ krocontrollersystem an Bord eines Kraftfahrzeuges üblicher­ weise die im Steuergerät vorhandene geregelte Versorgungs­ spannung des digitalen Schaltungsteils des Mikrocontrollers von typischerweise 5 V verwendet. Um dabei den technischen Aufwand und die Kosten so gering wie möglich zu halten, wird diese Versorgungsspannung des digitalen Schaltungs­ teils des Mikrocontrollers von 5 V dabei nur soweit gere­ gelt, daß eine sichere digitale Funktion gewährleistet ist, d. h. üblicherweise auf 5 V ± 5%.

Dies hat zur Folge, daß bei Verwendung dieser Spannung als Referenzspannung für den A/D-Wandler des Mikrocontrollers ebenfalls höchstens eine Genauigkeit von 5% erzielbar ist. Berücksichtigt man noch mögliche Spannungsabfälle auf der Versorgungs- und Masseseite, verschlechtert sich dieser Wert nochmals.

Eine ungenaue Referenzspannung wirkt sich nachteilig auf die Funktion des den betreffenden Mikrocontroller enthaltenden Steuergeräts aus. Beispielsweise sei der Fall betrachtet, in dem die Bordnetzspannung überwacht werden soll und bei Unterspannung das System abgeschaltet werden soll. Liest man dabei einen zu niedrigen Wert ein, so wird möglicherweise viel früher abgeschaltet als dies technisch notwendig ist.

Als nachteilhaft bei dem obigen bekannten Ansatz hat sich die Tatsache herausgestellt, daß er zwar einen geringen Aufwand erfordert, aber nicht die gewünschte Genauigkeit liefert.

Auch eignet sich nicht jede beliebige verfügbare genauere Spannung ohne weiteres als Referenzspannung, da der A/D-Wandler die angelegte Referenzspannung über einen Spannungsteiler in Form einer Widerstandskette zerlegt, wobei der Wert der Referenzspannung gerade der durch den A/D-Wandler maximal erfaßbaren Spannung entspricht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren eines A/D-Wandlers und die entsprechende Vorrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch weisen gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, daß sie ohne großen Aufwand nicht nur eine erste Referenzspannung, sondern auch eine zusätzliche zweite Referenzspannung liefern, aus der ein Korrekturwert für die erste Referenzspannung erhältlich ist, so daß die erste Referenzspannung viel genauer ermittelt werden kann.

Somit ist gewährleistet, daß die Kapazität des den betreffenden A/D-Wandler enthaltenden Steuergeräts besser ausgenutzt werden kann, denn ungewollte Maßnahmen aufgrund einer ungenauen oder falschen Referenzspannung lassen sich vermeiden.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht also darin, daß eine ohnehin vorhandene zweite genauere Referenzspannung direkt in den A/D-Wandler eingelesen wird und zur numerischen Korrektur bzw. Kalibration der ersten Referenzspannung und vorzugsweise aller anderen Analogspannungen herangezogen wird.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Verfahrens bzw. der angegebenen Vorrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden die erste Referenzspannung an einen ersten analogen Referenzeingang und die zweite Referenzspannung an einen zweiten analogen Referenzeingang des A/D-Wandlers kontinuierlich angelegt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der A/D-Wandler mit einem Mikrocontroller verbunden und wird der Sollbitwert der zweiten Referenzspannung in einem Speicher des Mikrocontrollers gespeichert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird eine Versorgungsspannung für den digitalen Teil des Mikrocontrollers aus der ersten Referenzspannung abgeleitet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt vorzugsweise einen Mikrocontroller, der einen A/D-Wandler und einen digitalen Teil aufweist; einen Speicher, in dem der Sollbitwert der zweiten Referenzspannung gespeichert ist und eine Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen der ersten und zweiten Referenzspannung.

Gemäß einer besonderes bevorzugten Weiterbildung weist die Referenzspannungs- Erzeugungseinrichtung eine Bandabstands-Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen der zweiten Referenzspannung; eine Zwischenschaltung zum Erzeugen der ersten Referenzspannung aus der zweiten Referenzspannung und eine Spannungsreglereinrichtung zum Regeln der von der Zwischenschaltung erzeugten ersten Referenzspannung mit der ersten Genauigkeit auf.

Dabei werden Spannungsabfälle zwischen der Referenzspan­ nungs-Erzeugungseinrichtung und dem A/D-Wandler automatisch berücksichtigt, und zwar insbesondere wenn ein getrennter Bus zur Übertragung der beiden Referenzspannungen verwendet wird.

Wird die Spannungsreglereinrichtung auf die Belange des di­ gitalen Teils abgestimmt, so ist dies vollkommen ausrei­ chend. Analoge Größen, die in einem festen Verhältnis zur ersten Referenzspannung stehen können in der üblichen Art und Weise behandelt werden.

ZEICHNUNGEN

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Mikrocontrollers mit einer Vorrichtung zum Ermitteln einer A/D-Wandler-Referenz­ spannung als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In Fig. 1 bezeichnen 1 einen Mikrocontroller, 2 einen A/D- Wandler vom Mikrocontroller 1, 3 einen digitalen Teil vom Mikrocontroller 1, EAR1 einen analogen Referenzeingang für ein erstes Referenzsignal Vref1 vom A/D-Wandler 2, EAR2 einen Analogeingang für ein zweites Referenzsignal Vref2 vom A/D-Wandler 2, EA1 einen Analogeingang für ein erstes Analogsignal VA1 vom A/D-Wandler 2, EA2 einen Analogeingang für ein zweites Analogsignal VA2 vom A/D-Wandler 2, EV einen Eingang für die Versorgungsspannung Vref1 vom digitalen Teil 3, EM2 einen Masseeingang vom A/D-Wandler 2 und EM3 einen Masseeingang vom digitalen Teil 3.

Desweiteren bezeichnen 5 eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Referenzspannung, 51 einen Spannungsregler, 52 eine Zwischenschaltung, 53 eine Bandabstands- Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung, 512 eine Verbindung zwischen dem Spannungsregler 51 und der Zwischenschaltung 52, 523 eine Verbindung zwischen der Zwischenschaltung 52 und der Bandabstands-Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung 53 und EM5 einen Masseeingang für die Vorrichtung 5 zum Ermitteln der Referenzspannung.

Schließlich bezeichnen 15 eine Leitung zwischen dem Spannungsregler 51 und dem analogen Referenzeingang EAR1 des A/D-Wandlers 2 sowie dem Versorgungsspannungseingang EV des digitalen Teils 3 für die erste Referenzspannung Vref1, 25 eine Leitung zwischen der Bandabstands-Referenzspannungs- Erzeugungseinrichtung 53 und dem analogen Referenzeingang EAR2 des A/D-Wandlers 2 für die zweite Referenzspannung Vref2, 35 eine Leitung zwischen einer (nicht gezeigten) ersten Signalquelle und dem Analogeingang EA1 des A/D-Wandlers 2 für das erste Analogsignal VA1 und 45 eine Leitung zwischen einer (nicht gezeigten) zweiten Signalquelle und dem Analogeingang EA2 des A/D-Wandlers 2 für das zweite Analogsignal VA2.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung zum Ermitteln einer A/D-Wandler-Referenzspannung als Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Die in der Vorrichtung 5 zum Ermitteln der Referenzspannung enthaltene Bandabstands-Referenzspannungs-Erzeugungsein­ richtung 53 ist hochgenau und erzeugt die zweite Referenz­ spannung Vref2 von näherungsweise 1,262 V. Aus dieser Span­ nung wird über die Zwischenschaltung 52 die erste Referenz­ spannung Vref1 von 5 V gewonnen, welche der Spannungsregler 51 an den Mikrocontroller 1 liefert.

Durch schaltungstechnische Effekte ist diese erste Refe­ renzspannung Vref1 von 5 V allerdings relativ ungenau, d. h. sie weist eine Genauigkeit von nur 5% auf.

Hingegen weist die von der Bandabstands-Referenzspannungs- Erzeugungseinrichtung 53 erzeugte zweite Referenzspannung Vref2 von näherungsweise 1,262 V eine Genauigkeit von etwa 1% auf und ist zudem temperaturkompensiert.

Mit anderen Worten gehen durch die Zwischenschaltung 52 4% an Genauigkeit verloren bzw. die Toleranz ist um 4% größer, was zwar für die Funktion der ersten Referenzspannung Vref1 als Versorgungsspannung für den digitalen Teil 3 des Mikrocontrollers 1 ausreicht, für die Funktion als Referenzspan­ nung des A/D-Wandlers allerdings, wie oben erläutert, Pro­ bleme schafft.

Zur Lösung dieser Probleme wird nun die zweite, hochgenaue Referenzspannung Vref2 über den analogen Referenzeingang EAR2 des A/D-Wandlers 2 dem Mikrocontroller 1 zur Verfügung gestellt und die Referenzspannung Vref1 durch geeignete Software im digitalen Teil 3 des Mikrocontrollers 1 korri­ giert und diese Korrektur für alle anderen umzuwandelnden Analogsignale, wie z. B. VA1, VA2 usw., berücksichtigt.

Nachstehend wird ein numerisches Beispiel für die Erfassung eines Analogsignals, nämlich der Batteriespannung, mit der Vorrichtung zum Ermitteln einer A/D-Wandler-Referenz­ spannung als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Damit die Batteriespannung vom A/D-Wandler 2 des Mikrocon­ trollers, dessen Maximalwert entsprechend Vref1 = 5 V gera­ de 5 V beträgt, erfaßbar ist, wird sie zunächst durch einen (nicht dargestellten) Spannungsteiler in einem geeigneten Verhältnis heruntergeteilt.

Am entsprechenden Analogeingang des A/D-Wandlers 2, also beispielsweise am Analogeingang EA1, wird dieser herunter­ geteilte Spannungswert angelegt, eingelesen und ins Ver­ hältnis zu Vref1 = 5 V gesetzt. Dann kann unter Berücksichtigung des Spannungsteilerwerts die tatsächliche Batterie­ spannung berechnet werden.

Bei einem Spannungsteilerwert von 4 und einer tatsächlichen Batteriespannung von 16,016 V liegen 4,004 V am Analogein­ gang VA1. Bei einer Auflösung des A/D-Wandlers 2 von 256 Schritten (8 Bit) wäre der gemessene Bitwert BW

BW = 4,004 V.256/Vref1 = 4,004 V.256/5 V = 205.

Umgekehrt ergibt sich die aus dem gemessenen Bitwert be­ rechnete Batteriespannung zu

Vbat = 205.4.Vref1/256 = 205.4.5 V/256 = 16,016 V.

Berücksichtigt man dabei, daß die erste Referenzspannung Vref1 eine Genauigkeit von ±5% aufweist, so ergibt sich die Schwankungsbreite der aus dem gemessenen Bitwert be­ rechneten Batteriespannung ohne die erfindungsgemäße Ei­ chung der ersten Referenzspannung Vref1 zu

Vbat ± 5% = 15,215 V bis 16,816 V.

Erfindungsgemäß wird vor der Berechnung der Batteriespannung die erste Referenzspannung Vref1 folgendermaßen zu Vref1' korrigiert.

Im Mikrocontroller sind im voraus neben dem Teileverhältnis 256 der Sollwert der ersten Referenzspannung Vref1soll = 5 V und der Sollwert der zweiten Referenzspannung Vref2soll = 1,262 V gespeichert.

Am analogen Referenzeingang EAR1 des A/D-Wandlers 2 wird nun beispielsweise eine erste Referenzspannung Vref1 = 5 V - 5% = 4,75 V angelegt, und am analogen Referenzeingang EAR2 des A/D-Wandlers 2 eine zweite Referenzspannung Vref2 = 1,262 V.

Der gemessene Bitwert der zweiten Referenzspannung Vref2 = 1,262 V wäre dann 1,262 V.256/4,75 V = 68. Der Sollbitwert, d. h. der Bitwert im Falle einer genauen ersten Referenzspannung Vref1 = 5 V hingegen wäre 1,262 V.256/5 V = 65.

Daraus errechnet sich die korrigierte erste Referenzspannung Vref1' für den Mikrocontroller 1 zu

Vref1' = Vref1.(Sollbitwert von Vref2/gemessener Bitwert von Vref2) = Vref1.(65/68) = 4,78 V

Die geringe Abweichung von 0,03 V rührt vom Rundungsfehler bei der Digitalisierung her.

So läßt sich die erste Referenzspannung Vref1 mit der zwei­ ten wesentlich genaueren Referenzspannung Vref2 kalibrie­ ren. Danach erfolgt die Berechnung von Vbat wie oben erläu­ tert, allerdings unter Verwendung von Vref1' anstelle von Vref1.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo­ difizierbar.

Insbesondere muß die erste Referenzspannung nicht notwendi­ gerweise aus der zweiten Referenzspannung gewonnen werden, sondern eine beliebige zweite genauere Spannungsquelle kann dafür verwendet werden.

Auch muß der A/D-Wandler nicht Teil des Mikrocontrollers sein, sondern kann ein eigenständiges Gerät sein.

Weiterhin muß die Versorgungsspannung des digitalen Teils des Mikrocontrollers nicht gleich der ersten Referenzspan­ nung sein, sondern kann beispielsweise durch Teilung davon abgeleitet werden oder von einer anderen Spannungsquelle stammen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Kalibrieren eines von einem µC umfassten A/D-Wandlers (2) mit folgenden Schritten:
Erzeugen einer ersten Referenzspannung (Vref1), welche der höchsten zu erfassenden Spannung des A/D-Wandlers (2) entspricht, mit einer ersten Genauigkeit in Bezug auf einen entsprechenden ersten analogen Sollwert;
Erzeugen einer zweiten Referenzspannung (Vref2) mit einer zweiten Genauigkeit in Bezug auf einen entsprechenden zweiten analogen Sollwert, wobei die zweite Genauigkeit höher als die erste Genauigkeit ist;
Anlegen der ersten Referenzspannung (Vref1) an den A/D-Wandler und den µC als dessen Versorgungsspannung;
Anlegen der zweiten Referenz an den A/D-Wandler;
Ermitteln des Bitwerts der zweiten Referenzspannung (Vref2); und
Ermitteln des analogen Istwertes der ersten Referenzspannung (Vref1) unter Berücksichtigung des ermittelten Bitwertes der zweiten Referenzspannung (Vref2) und eines Sollbitwerts der zweiten Referenzspannung (Vref2), wobei die analogen Istwerte weiterer an den A/D-Wandler (2) angelegten Analogspannungen (VA1, VA2) mittels des ermittelten analogen Istwertes der ersten Referenzspannung (Vref1) ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Referenzspannung (Vref1) an einen ersten analogen Referenzeingang (EAR1) und die zweite Referenzspannung (Vref2) an einen zweiten analogen Referenzeingang (EAR2) des A/D-Wandlers (2) kontinuierlich angelegt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der A/D-Wandler (2) mit einem Mikrocontroller (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollbitwert der zweiten Referenzspannung (Vref2) in einem Speicher des Mikrocontrollers (1) gespeichert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Versorgungsspan­ nung für den digitalen Teil des Mikrocontrollers (1) aus der ersten Referenzspan­ nung (Vref1) abgeleitet wird.

5. Vorrichtung mit:
einem Mikrocontroller (1), der einen A/D-Wandler (2) und einen digitalen Teil (3) aufweist;
einer Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung (5; 51, 52, 53) zum Erzeugen einer ersten und einer zweiten Referenzspannung (Vref1, Vref2), wobei die Vorrichtung ein Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche durchführt;
einem Speicher, in dem der Sollbitwert der zweiten Referenzspannung (Vref2) gespeichert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungs- Erzeugungseinrichtung (5; 51, 52, 53) aufweist:
eine Bandabstands-Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung (53) zum Erzeugen der zweiten Referenzspannung (Vref2);
eine Zwischenschaltung (52) zum Erzeugen der ersten Referenzspannung (Vref1) aus der zweiten Referenzspannung (Vref2); und
eine Spannungsreglereinrichtung (51) zum Regeln der von der Zwischenschaltung erzeugten ersten Referenzspannung (Vref1) mit der ersten Genauigkeit.