DE19846461B4

DE19846461B4 - Sensoreinstellschaltung

Info

Publication number: DE19846461B4
Application number: DE19846461A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hitachi Matsumoto; Satoshi Hitachi Shimada; Seikou Hitachiota Suzuki; Akihiko Hitachi Saito; Atsushi Mito Miyazaki; Keiji Mito Hanzawa
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2018-10-09
Also published as: US7426154B2; US20060239063A1; DE19846461A1; US6188340B1; US20030005391A1

Abstract

Sensoreinstellschaltung zum Einstellen eines analogen Eingangssignals, das von einem Sensor (S) entsprechend einer zu erfassenden physikalischen Größe eingegeben wird,
gekennzeichnet durch
einen Analog/Digital-Wandler mit einem analogen Integrator (1), einem Komparator (2) und einem ersten Digital/Analog-Wandler (7), wobei der analoge Integrator (1) den Unterschied zwischen dem analogen Eingangssignal und dem analogen Ausgangssignal des ersten Digital/Analog-Wandlers (7) integriert, der Komparator (2) das Ausgangssignal des Analog-Integrators (1) mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und ein Signal auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Komparators (2) in den ersten Digital/Analog-Wandler (7) eingegeben wird, und
eine Operationseinheit (4) zum Einstellen des Nullpunkts und der Empfindlichkeit des Signals auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Komparators (2) und zum Ausgeben eines entsprechenden Signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinstellschaltung, die in vielen verschiedenen Sensoren, die eine physikalische Größe in Form eines elektrischen Signals erzeugen, enthalten ist und das Sensorausgangssignal verarbeitet, und insbesondere eine derartige Sensoreinstellschaltung, die für die Verwendung mit einem kapazitiven Beschleunigungssensor oder einem Hitzdraht-Luftmassenmesser geeignet ist.
In einem Sensor wie etwa einem kapazitiven Beschleunigungssensor zur Erfassung einer physikalischen Größe als ein elektrisches Signal muß der Sensorausgang in der Weise eingestellt werden, daß die Skala der zu erfassenden physikalischen Größe und die Skala des Ausgangssignals in einer gewünschten gegenseitigen Beziehung stehen.
Ein Prozeß, der für die Erfüllung der gewünschten Beziehung erforderlich ist, wird Skaleneinstellung (Kalibrierung) genannt, während eine Schaltung, die in einem Sensor für die Ausführung dieses Prozesses vorgesehen ist, Sensoreinstellschaltung genannt wird. Die Sensoreinstellschaltung ist nichts anderes als eine Umsetzungsschaltung, die eine vorgegebene Eingangs/Ausgangs-Charakteristik ergibt.
Der von der Sensoreinstellschaltung ausgeführte Prozeß umfaßt im allgemeinen die Bereichseinstellung und die Versatzeinstellung. Hierbei entspricht die Bereichseinstellung der Empfindlichkeitseinstellung, während die Versatzeinstellung der Nullpunkteinstellung entspricht.
Eine Sensoreinstellschaltung, die einen Speicher verwendet, in dem die auszugebenden Daten an einer vorgegebenen Adresse gespeichert sind, und die zwischen der Adresse des Speichers und dem Pegel eines Eingangssignals eine Entsprechung herstellt, um als Ausgangssignal auszulesende Daten auszugeben, ist bereits bekannt.
Beispielsweise sind aus der JP 3-51714-A ein programmierbarer Festwertspeicher (PROM) eines Zener-Zapping-Systems und ein Verfahren zum Wählen eines führenden Abschnitts einer Widerstandsanordnung in Übereinstimmung mit den Inhalten von Daten des PROM zum Einstellen eines Sensorausgangssignals bekannt. Es wird ein weiteres Verfahren zum Einstellen eines Sensorausgangssignals durch Ändern einer Schaltungskonstanten einer Schaltung aus geschalteten Kondensatoren anhand der in den PROM geschriebenen Informationen offenbart.
Andererseits ist aus der JP 8-62010-A ein Verfahren zum Einstellen eines Sensorausgangssignals unter Verwendung eines Analog/Digital-Umsetzers (A/D-Umsetzer) und einer Zentraleinheit (CPU) bekannt.
Wie im folgenden beschrieben wird, berücksichtigen die erstgenannten Techniken nicht die Begrenzung der Ausdehnung des Einstellungsbereichs und die Verbesserung der Genauigkeit. Die andere Technik berücksichtigt nicht, daß die Unterdrückung einer Zunahme der Schaltungsgröße begrenzt ist, ferner besteht bei ihr ein Problem hinsichtlich der Verbesserung des Kosten/Nutzen-Verhältnisses.
Was das obenerwähnte Verfahren zum Wählen des führenden Abschnitts der Widerstandsanordnung und das Verfahren zum Ändern der Schaltungskonstante der Schaltung aus geschalteten Kondensatoren betrifft, ist der Schaltungsaufbau einfach auf einem Chip gebildet. Wenn jedoch versucht wird, den Einstellungsbereich zu erweitern und die Genauigkeit zu erhöhen, wird dies von einer exponentiellen Zunahme der Schaltungsgröße begleitet, so daß die Ausdehnung des Einstellungsbereichs und die Zunahme der Genauigkeit begrenzt sind.
Was das Verfahren betrifft, das den A/D-Umsetzer und die CPU verwendet, können die Erweiterung des Einstellungsbereichs und die Zunahme der Genauigkeit verhältnismäßig einfach verwirklicht werden. Wenn jedoch ein allgemeiner A/D-Umsetzer und eine allgemeine CPU verwendet werden, besitzen diese teilweise überlappende Funktionen. Folglich ist der ungenutzte Teil in der Schaltung groß, wobei die Schaltungsgröße wegen des ungenutzten Teils größer als notwendig ist und eine Verhinderung der Zunahme der Schaltungsgröße dadurch begrenzt ist.

Die DE 36 34 854 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer einheitlichen Kennlinie für Sensoren. Die Sensoren erzeugen jeweils unmittelbar oder über eine nachgeschaltete Anordnung von einer veränderlichen Größe abhängige Signale. Die vom jeweiligen Sensor bzw. der Anordnung abgegebenen Signale werden zuerst in digitale Werte umgesetzt, denen größenabhängig Korrekturwerte zugeordnet sind, die in analoge Signale umgewandelt werden, die anschließend den Signalen des Sensors bzw. der Anordnung vorzeichenrichtig hinzugefügt werden, wobei die Summe als korrigiertes Signal weiterverarbeitet wird.

US 5 101 205 beschreibt einen A/D-Wandler mit Federkorrektur. Der Wandler weist einen Subtrahierer für die Differenz zwischen einem Eingangssignal und einem rückgeführten Signal auf, einen lokalen A/D-Wandler für das Differenzsignal, einen lokalen D/A-Wandler zur Wandlung eines ersten Digitalsignals in ein analoges Signal und Ausgabe desselben als rückgeführtes Signal an den Subtrahierer und einen in die Rückführschleife eingefügten Integrierer.

US 5 576 709 beschreibt eine Verzögerungsschaltung, die einen digitalen Speicher verwendet. Ein Addierer, ein Quantisierer und ein variabler Integrator führen eine A/D-Umwandlung aus und speichern das Ergebnis in einem Speicher. Die Zeitkonstante des veränderlichen Integrierers wird gesteuert. Daten aus dem Speicher werden durch einen veränderlichen Integrierer integriert, um ein Analogsignal zu liefern. Hier werden Steuerungsdaten für die Zeitkonstanten-Steuerung über ein Speicher an eine Steuerung übertragen und zur Steuerung der Zeitkonstante des veränderlichen Integrierers verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinstellschaltung zu schaffen, mit der ein weiter Einstellungsbereich und eine hohe Genauigkeit bei geringer Schaltungsgröße einfach erhalten werden können und die eine Signalerzeugungsschaltung für eine Sensorausgangs signal-Einstellung enthält, die keine funktional überlappenden Abschnitte aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoreinstellschaltung nach einem der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Sensoreinstellschaltung enthält einen Analog/Digital-Umsetzer, eine Operationseinheit zum Verarbeiten eines Ausgangssignals des Analog/Digital-Umsetzers mittels eines im voraus gespeicherten Programms und einen beschreibbaren Speicher zum Halten von Einstelldaten, wobei der Analog/Digital-Umsetzer aus einem überabtastenden (oversampling) Analog/Digital-Umsetzer konstruiert ist, der einen analogen Integrator, einen Komparator und einen Digital/Analog-Umsetzer enthält.

Durch die Verwendung des überabtastenden Analog/Digital-Umsetzers kann die Anzahl der Bits eines digitalen Signals, die zum Halten des Einstellbereichs und der Genauigkeit erforderlich ist, reduziert werden. Dadurch kann die Schaltungsgröße auf einen geringen Wert gesenkt werden.

Die digitale Sensoreinstellschaltung zum Einstellen eines Ausgangssignals eines eine physikalische Größe erfassenden Sensors durch Verarbeiten des Ausgangssignals des Sensors unter Verwendung von im voraus gespeicherten Daten für die Charakteristik-Einstellung enthält einen analogen Integrator zum Integrieren der Ausgangssignale des Sensors und zum Ausgeben von Ergebnisdaten, einen Komparator zum Umsetzen des Ausgangssignals des analogen Integrators in ein digitales Signal mit Pegel 1 oder 0 sowie zum Ausgeben des umgesetzten Signals, einen 1-Bit-D/A-Umsetzer zum Umsetzen des Ausgangssignals des Kompa rators in ein analoges Signal und zum Ausgeben des analogen Signals sowie einen Subtrahierer zum Subtrahieren des Ausgangs des 1-Bit-D/A-Umsetzers von einem Eingangssignal des analogen Integrators, wobei das Ausgangssignal des Komparators anhand der im voraus gespeicherten Daten für die Charakteristik-Einstellung verarbeitet wird.

Durch den obigen Rufbau kann das Ausgangssignal des Sensors für die Erfassung einer physikalischen Größe ohne Verwendung einer Verstärkungsschaltung erster Stufe und eines A/D-Umsetzers digitalisiert werden, so daß funktional überlappende Abschnitte nicht vorhanden sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:
1–3 Blockschaltpläne dreier Ausführungen einer Sensoreinstellschaltung gemäß der Erfindung;
4 einen Blockschaltplan zur Erläuterung der Funktionsweise einer Operationseinheit in der Sensoreinstellschaltung;
5 ein Diagramm zur Erläuterung der Frequenzcharakteristiken eines Signals in der Sensoreinstellschaltung;
6 einen Blockschaltplan einer Ausführung der Sensoreinstellschaltung, bei der ein digitaler Integrator und eine Operationseinheit durch eine Mikroprozessoreinheit gebildet sind;
7 einen Blockschaltplan einer Ausführung eines programmierbaren Festwertspeichers;
8, 9 Blockschaltpläne weiterer Ausführungen der Sensoreinstellschaltung;
10 einen Schaltplan eines Erfassungsabschnitts, der einen Drucksensor des Piezowiderstandstyps verwendet;
11 einen Schaltplan eines Erfassungsabschnitts, der einen Luftmassensensor des Wärmewiderstandstyps verwendet;
12 einen Blockschaltplan einer Operationseinheit der Sensoreinstellschaltung;
13A–D Diagramme zur Erläuterung von Zählbedingungen in der Operationseinheit nach 12;
14A–D Diagramme zur Erläuterung von Schaltsteuerbedingungen für die Ausführung von Aufgaben in der Operationseinheit nach 12;
15 einen Zeitablaufplan zur Erläuterung der Zustände eines internen Signals in der Operationseinheit nach 12;
16 eine erläuternde Darstellung einer Adressenabbildung eines ein Programm speichernden ROM;
17 eine erläuternde Darstellung der Inhalte der Bits in dem ein Programm speichernden ROM;
18 ein Diagramm zur Erläuterung der Konstruktion der Operationseinheit;
19 einen Blockschaltplan zur Erläuterung der Funktion einer Dezimierungseinrichtung; und
20 einen Blockschaltplan einer weiteren Ausführung der Sensoreinstellschaltung.
1 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung, in der das Bezugszeichen 1 einen analogen Integrator bezeichnet, das Bezugszeichen 2 einen Komparator bezeichnet, das Bezugszeichen 3 einen digitalen Integrator bezeichnet, das Bezugszeichen 4 eine Operationseinheit bezeichnet, das Bezugszeichen 5 einen Digital/Analog-Umsetzer (D/A-Umsetzer) bezeichnet, das Bezugszeichen 6 ein Tiefpaßfilter (LPF) bezeichnet, das Bezugszeichen 7 einen weiteren D/A-Umsetzer bezeichnet und das Bezugszeichen 8 einen PROM (programmierbarer Festwertspeicher) bezeichnet.
Die Pegeleinstellschaltung gemäß der Erfindung ist hauptsächlich in drei Arten von funktionalen Abschnitten unterteilt. Im folgenden wird der Aufbau der funktionalen Abschnitte der ersten Ausführung beschrieben.
Der erste funktionale Abschnitt ist gebildet aus dem analogen Integrator 1, dem Komparator 2, dem digitalen Integrator 3 und dem D/A-Umsetzer 7. Die Differenz zwischen einem Eingangssignal von einem Sensor S und einem Ausgangssignal des D/A-Umsetzers 7 wird einer Integration durch den analogen Integrator 1 unterworfen. Das Ausgangssignal des analogen Integrators 1 wird an den Komparator 2 geliefert, in dem das Ausgangssignal in einem vorgegebenen Zyklus mit einer vorgegebenen Spannung verglichen wird und in ein Signal mit Pegel 0 oder 1 umgesetzt wird. Ferner wird das Ausgangssignal des Kompa rators 2 an den digitalen Integrator 3 geliefert und dort integriert, wobei das resultierende Signal als zeitserielles digitales Signal, das eine vorgegebene Anzahl von Bits enthält, ausgegeben wird. Dann wird das Ausgangssignal des digitalen Integrators 3 an den D/A-Umsetzer 7 geliefert und in ein analoges Signal umgesetzt, das vom Eingangssignal subtrahiert wird.
Aufgrund der obenbeschriebenen Operation hat der erste funktionale Abschnitt die Funktion des Ausgebens eines zeitseriellen digitalen Signals, dessen Bitanzahl gleich derjenigen des D/A-Umsetzers 7 ist und dessen Durchschnittswert sich entsprechend dem Eingangssignal vom digitalen Integrator 3 ändert.
Wenn der Operationszyklus (Kehrwert der Frequenz) des Komparators 2 auf einen Wert gesetzt wird, der beispielsweise 1/10 oder weniger des Operationszyklus (ein großer Wert, der der zehnfachen oder höheren Frequenz entspricht) ist, der anhand der für den Sensor erforderlichen Ansprechgeschwindigkeit bestimmt wird, spielt der erste funktionale Abschnitt die Rolle eines sogenannten überabtastenden A/D-Umsetzers. Selbst wenn daher die Anzahl der Bits des D/A-Umsetzers 7 auf das Minimum von einem Bit gesetzt wird, können grundsätzlich der notwendige Einstellungsbereich und die notwendige Genauigkeit sichergestellt werden.
Der Grund hierfür besteht darin, daß die Sensoreinstellschaltung der Erfindung die notwendige Einstellung durch Operieren mit dem Durchschnittswert verwirklicht. Selbst wenn die Anzahl der Bits des D/A-Umsetzers 7 eins ist, kann der Durchschnittswert des Ausgangssignals erhalten werden. In diesem Fall ist der digitale Integrator 3 unnötig, wobei es ausreicht, das Ausgangssignal des Komparators 2 unverändert an die Operationseinheit 4 und den D/A-Umsetzer 7 zu liefern.
Es kann nicht gesagt werden, daß die Setzung der Anzahl der Bits des D/A-Umsetzers 7 auf eins sehr praktisch ist, da in diesem Fall das im folgenden beschriebene Problem auftritt. Dennoch kann erfindungsgemäß die Anzahl der Bits auf 4 bis 12 gesetzt werden und ist somit viel kleiner als die Anzahl von Bits, die anhand der erforderlichen Genauigkeit geschätzt wird.
Der zweite funktionale Abschnitt ist durch die Operationseinheit 4 und den PROM 8 gebildet.
Das vom digitalen Integrator 3 ausgegebene Signal und die aus dem PROM 8 ausgelesenen digitalen Daten werden von der Operationseinheit 4 verarbeitet, wodurch der Durchschnittswert der vom ersten funktionalen Abschnitt erhaltenen Ausgangssignale geändert wird.
Aufgrund dieser Operation hat der zweite funktionale Abschnitt im wesentlichen die Funktion der Einstellung des Nullpunkts und des Bereichs des Ausgangssignals vom Sensor.
Da hierbei die Anzahl von Bits des vom ersten funktionalen Abschnitts ausgegebenen Signals wie oben beschrieben auf einen kleinen Wert gesetzt ist, kann die Schaltungsgröße der Operationseinheit 4 entsprechend reduziert werden.
Da ein digitaler Prozeß ausgeführt wird, besteht nicht wie bei der Einstellung durch eine analoge Schaltungsvorrichtung die Gefahr einer Beeinflussung durch Betriebsschwankungen der Vorrichtung und durch eine Temperaturän derung. Daher kann eine sehr genaue Einstellung einfach ausgeführt werden.
Schließlich ist der dritte funktionale Abschnitt durch den D/A-Umsetzer 5 und das LPF 6 gebildet. Das von der Operationseinheit 4 ausgegebene digitale Signal wird durch den D/A-Umsetzer 5 in ein analoges Signal umgesetzt, dessen analoges Ausgangssignal durch das LPF 6 geglättet wird.
Somit besitzt der dritte funktionale Abschnitt die Funktion des Umsetzers des vom zweiten funktionalen Abschnitt erhaltenen digitalen Signals in ein analoges Signal, des Mittelns des analogen Signals und des Ausgebens eines eingestellten Sensorsignals.
Da die Anzahl der Bits des vom ersten funktionalen Abschnitt ausgegebenen Signals reduziert ist, kann auch in diesem Fall die Schaltungsgröße des D/A-Umsetzers 5 einen kleinen Wert besitzen.
Wie oben erwähnt worden ist, wird in dieser Ausführung der überabtastende A/D-Umsetzer verwendet, der den analogen Integrator 1, den Komparator 2, den digitalen Integrator 3 und den D/A-Umsetzer 7 enthält. Selbst wenn daher die Anzahl von Bits des digitalen Signals reduziert ist, können der notwendige Einstellbereich und die notwendige Genauigkeit sichergestellt werden, ohne daß die Schaltungsgröße zunimmt.
Da der Einstellprozeß durch ein digitales Signal ausgeführt wird, besteht nicht die Gefahr einer Beeinflussung durch Betriebsschwankungen der Schaltungsvorrichtung und durch eine Temperaturänderung, so daß eine hohe Genauigkeit ohne weiteres erhalten werden kann.
Die Anzahl von Bits kann wie oben beschrieben auf eins reduziert werden.
Zwischen der Anzahl von Bits und der Anzahl von Eingangssignalen, die für die Mittelung im Hinblick auf die Sicherstellung der gewünschten Genauigkeit notwendig sind, muß ein Kompromiß gefunden werden. Wenn die Anzahl von Bits reduziert wird, muß die Anzahl von Eingangssignalen für die Mittelung erhöht werden. Die Zeit, in der der Mittelwert erhalten werden muß, ist durch die Ansprechgeschwindigkeit des Sensors begrenzt. Daher muß bei einer Erhöhung der Anzahl der Eingangssignale die Betriebsgeschwindigkeit der Sensoreinstellschaltung selbst erhöht werden. Im Ergebnis wird die Operationseinheit 4 stark beansprucht. Da eine hohe Leistung erforderlich ist, steigen somit die Kosten. Wenn hingegen die Anzahl der Bits auf 16 gesetzt ist, müssen der digitale Integrator 3 und die Operationseinheit 4 eine große Anzahl von Bits verarbeiten, so daß die Schaltungsgröße zunimmt, obwohl die Betriebsgeschwindigkeit der Sensoreinstellschaltung selbst niedrig sein kann.
Angesichts dessen wird in dieser Ausführung der Erfindung eine Anzahl von 4 bis 8 Bits für die Anzahl von Bits des D/A-Umsetzers 7 als geeignet erachtet. Wenn die Anzahl von Bits auf 4 bis 8 Bits gesetzt wird, liegt die Betriebsgeschwindigkeit der Sensoreinstellschaltung selbst innerhalb eines praktikablen Bereichs, außerdem liegt die Schaltungsgröße innerhalb eines geeigneten Bereichs.
Nun wird diese Ausführung der Erfindung genauer beschrieben. Der erste funktionale Abschnitt kann in eine Sensorschaltung des Sensors integriert sein. Eine solche Ausführung wird im folgenden beschrieben.
2 zeigt eine Ausführung, in der ein kapazitiver Sensor mit der Sensoreinstellschaltung kombiniert ist. Der kapazitive Sensor erfaßt eine physikalische Größe als Kapazitätsänderung. Ein typisches Beispiel ist ein kapazitiver Beschleunigungssensor. In 2 bezeichnen die Bezugszeichen 9, 10, 12, 13, 17 und 18 analoge Schalter, das Bezugszeichen 11 einen Sensorkondensator, das Bezugszeichen 14 einen Rückkopplungskondensator, das Bezugszeichen 15 einen Operationsverstärker und das Bezugszeichen 16 einen Referenzkondensator. Die anderen Elemente sind die gleichen wie in 1.
Jeder der analogen Schalter ist wie ein bekannter Halbleiterschalter oder dergleichen konstruiert. Die analogen Schalter sind in zwei Gruppen A und B unterteilt und werden entsprechend gesteuert. Die analogen Schalter 9, 13 und 18 gehören zur Gruppe A, während die analogen Schalter 10, 12 und 17 zur Gruppe B gehören. Wenn die Schalter der Gruppe A geschlossen werden, werden die Schalter der Gruppe B geöffnet. Wenn hingegen die Schalter der Gruppe A geöffnet werden, werden die Schalter der Gruppe B geschlossen.
Der Sensorkondensator 11 ist so konstruiert, daß sich seine Kapazität entsprechend der zur erfassenden physikalischen Größe ändert. Falls hierbei der Sensor ein Beschleunigungssensor ist, ändert sich die Kapazität des Sensorkondensators 11 entsprechend der auf den Sensor einwirkenden Beschleunigung.
Der Operationsverstärker 15 arbeitet als Integrator, der den Rückkopplungskondensator 14 besitzt, wodurch er die gleiche Funktion wie der analoge Integrator 1 in der Ausführung nach 1 besitzt. Der Referenzkondensator 16 wird mit dem Ausgangssignal des D/A-Umsetzers 7 ver sorgt, wodurch er den Ausgang des D/A-Umsetzers 7 rückkoppelt.
Nun wird die Funktionsweise der Ausführung von 2 beschrieben. In dieser Ausführung wird durch Wiederholen erster und zweiter Operationen zum abwechselnden Schließen und Öffnen der analogen Schalter der Gruppen A und B der Kapazitätswert des Sensorkondensators 11 erfaßt. Der Zyklus zum Wiederholen der ersten und zweiten Operationen kann gleich dem Operationszyklus des Komparators 2 oder kürzer gesetzt werden.
In der ersten Operation werden die analogen Schalter 10, 12 und 17 der Gruppe B geschlossen. Dann wird der Sensorkondensator 11 durch die analogen Schalter 10 und 12 entladen, während der Referenzkondensator 16 durch das Ausgangssignal des D/A-Umsetzers 7 über den analogen Schalter 17 geladen wird.
In der zweiten Operation werden die analogen Schalter 9, 13 und 18 der Gruppe A geschlossen. Dann sind der Sensorkondensator 11 und der Referenzkondensator 16 über die analogen Schalter 9 und 18 zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse in Serie geschaltet. Der Kontaktpunkt zwischen dem Sensorkondensator 11 und dem Referenzkondensator 16 ist über den analogen Schalter 13 mit einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 verbunden. Der Sensorkondensator 11 wird durch die Versorgungsspannung Vcc geladen, während der Referenzkondensator 16 entladen wird. Der Differenzstrom zwischen dem Ladestrom des Sensorkondensators 11 und dem Entladestrom des Referenzkondensators 16 wird in den Kondensator 14 für die Rückkopplung in den analogen Schalter 13 geladen. Im Ergebnis erscheint am Ausgang des Operationsverstärkers 15 eine Spannung, die der Anschlußspannung des Kondensators 14 entspricht.
Die am Ausgang des Operationsverstärkers 15 anliegende Spannung wird über den Komparator 2 und den digitalen Integrator 3 an den D/A-Umsetzer 7 geliefert und dient in der ersten Operation des nächsten Zyklus als Wert des Ladestroms in den Referenzkondensator 16.
Daher wird der Durchschnittswert als Ausgangssignal des digitalen Integrators 3 durch die folgende Gleichung (1) erhalten:
wobei

D:: Mittelwert der Ausgangssignale des digitalen Integrators 3
Cs:: Kapazitätswert des Sensorkondensators 11
Vcc:: Versorgungsspannung
Cr:: Kapazitätswert des Referenzkondensators 16
Kda:: Umsetzungskoeffizient des D/A-Umsetzers 7

Wie aus der obigen Gleichung (1) hervorgeht, wird als Ausgangssignal des digitalen Integrators 3 nach 2 ein digitales Signal abgeleitet, das den Kapazitätswert des Sensorkondensators 11 angibt. Daher dient in dieser Ausführung der erste funktionale Abschnitt der Sensoreinstellschaltung auch als Sensorschaltung des kapazitiven Kondensators, der in die Sensoreinstellschaltung eingebaut werden soll.
In der Ausführung nach 2 kann die Sensoreinstellschaltung daher die Funktion der Sensorschaltung selbst, in die sie eingebaut werden soll, übernehmen. Daher können ein weiter Einstellungsbereich und eine hohe Genauigkeit sichergestellt werden, ferner kann die Schal tungsgröße als Ganzes einschließlich der Sensorschaltung ausreichend reduziert werden.
Mit dieser Ausführung kann außerdem der Erfassungsfehler reduziert werden. Wenn die Sensoreinstellschaltung und der erste funktionale Abschnitt getrennt vorgesehen sind, werden nämlich die Fehler der jeweiligen Schaltungen addiert. In der Ausführung nach 2 ist jedoch die Sensorschaltung des Sensors in den ersten funktionalen Teil eingebaut, so daß der Fehler durch die Rückkopplungswirkung reduziert werden kann.
In 3 ist eine Ausführung für den Fall gezeigt, daß als Sensor ein Hitzdraht-Luftmassenmesser zum Steuern eines Motors eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. In 3 bezeichnen die Bezugszeichen 19 bis 22 Hitzdraht-Widerstände, während das Bezugszeichen 23 einen Differenzverstärker bezeichnet. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie jene in 1.
Die vier Hitzdraht-Widerstände 19 bis 22 bilden eine Brückenschaltung. Die Spannung, die erzeugt wird, wenn die Brückenschaltung aufgrund der vorbeiströmenden Luftmasse nicht mehr im Gleichgewicht ist, wird durch den Differenzverstärker 23 erfaßt und als Erfassungssignal für die Luftmasse ausgegeben. In diesem Fall sind sowohl die Sensorschaltung des Hitzdraht-Luftmassenmessers als auch der erste funktionale Abschnitt der Sensoreinstellschaltung unter Verwendung des Ausgangssignals des D/A-Umsetzers 7 als Stromquelle der aus den Hitzdraht-Widerständen 19 bis 22 gebildeten Brückenschaltung konstruiert. Daher kann auch in der Ausführung nach 3 die Sensoreinstellschaltung die Funktion der Sensorschaltung übernehmen, die in die Sensoreinstellschaltung eingebaut werden sollte. Im Ergebnis können der weite Einstellbereich und die hohe Genauigkeit sichergestellt werden. Die Schaltungsgröße als Ganzes einschließlich der Sensorschaltung kann ausreichend reduziert werden, ebenso können Fehler reduziert werden.
Nun wird die Funktionsweise der Operationseinheit 4 dieser Ausführung mit Bezug auf den Blockschaltplan von 4 beschrieben. Wie oben erwähnt worden ist, ist die Operationseinheit 4 eine Schaltung zum Einstellen des Nullpunkts und des Bereichs eines Ausgangssignals des Sensors durch Ausführen von Additionen eines vorgegebenen Werts zu und von Multiplikationen mit dem Durchschnittswert der Eingangssignale (Ausgangssignale des digitalen Integrators 3 in Form zeitserieller digitaler Signale).
Die Additionsoperation zum Einstellen des Nullpunkts wird folgendermaßen ausgeführt. Eine Digitalverarbeitungs-Signalreihe 24, die im voraus in den PROM 8 geschrieben worden ist und die gleiche Bitanzahl wie der D/A-Umsetzer 7 hat und deren Durchschnittswert ein Einstellwert ist, wird ausgelesen und zum Eingangssignal addiert. Durch einfaches Ausführen der Addition kann eine Addition zum Durchschnittswert der Eingangssignale ohne Änderung der Anzahl der Bits ausgeführt werden. Falls jedoch ein Überlauf auftritt, ist ein Korrekturprozeß notwendig.
Die Multiplikationsoperation für die Bereichseinstellung kann durch Auslesen einer Digitalverarbeitungs-Signalreihe 25 und durch Multiplizieren des Eingangssignals mit der Reihe 25 ausgeführt werden. Die Digitalverarbeitungs-Signalreihe 25 ist ebenfalls im voraus in den PROM 8 geschrieben worden und besitzt die gleiche Anzahl von Bits wie der D/A-Umsetzer 7. Der Durchschnittswert der Digitalverarbeitungs-Signalreihe 25 ist ein Einstellwert. Die Frequenzcharakteristik der Digitalverarbeitungs-Signalreihe 25 ist so festgelegt, daß sie mit einer Frequenzverteilung des Eingangssignals nicht überlappt, wie in 5 gezeigt ist. Auch in diesem Fall ist es ausreichend, eine einfache Multiplikation auszuführen.
Obwohl die Anzahl von Bits durch die Multiplikation in diesem Fall verdoppelt wird, kann die gleiche Anzahl von Bits wie jene des Eingangssignals erhalten werden, da nur die anfänglichen Bits wirksam sind und die Bits der niedrigeren Hälfte abgeschnitten werden.
Der Grund, weshalb die Frequenzverteilungen wie oben erwähnt so angeordnet sind, daß sie, wie in 5 gezeigt ist, nicht überlappen, ist der folgende. Unter der Annahme, daß die Frequenzen des Eingangssignals und der Digitalverarbeitungs-Signalreihe 25 überlappen, wird ein Signal im überlappenden Frequenzband durch die Multiplikationsoperation in ein direktes Stromsignal umgesetzt, so daß die Möglichkeit besteht, daß der Durchschnittswert fehlerhaft ist.
Nun wird mit Bezug auf 6 eine Ausführung beschrieben, in der der digitale Integrator 3 und die Operationseinheit 4 durch eine Mikroprozessoreinheit (MPU) gebildet sind. Die in 6 gezeigte MPU enthält einen RAM 26 zum vorübergehenden Speichern von Daten, einen PROM 27 (der dem PROM 8 entspricht) zum Speichern von Einstelldaten, einen Akkumulator 28, eine Operationseinheit 29 zum Ausführen von Arithmetikoperationen, eine Steuereinrichtung 30, einen Programmzähler 31 und einen ROM 32 zum Speichern von Programmen. Die Operationseinheit 29, der Programmzähler 31 und ein Datenbus werden durch die Steuereinrichtung 30 in Übereinstimmung mit einem in den ROM 32 geschriebenen Programm gesteuert, ferner werden die für die Operationen des digitalen Integrators 3 und der Operationseinheit 4 notwendigen Prozesse ausgeführt.
In dieser Ausführung wird auf den ROM 32 zum Speichern von Programmen direkt durch einen Ausgang des Programmzählers 31 zugegriffen, wobei die Ausgangsdaten des ROM 32 direkt zur Steuereinrichtung 30 ausgegeben werden.
Das Befehlssystem ist in diesem Fall ein Wort pro Befehl. Ein Rückwärtsverzweigungsbefehl kann nicht akzeptiert werden, ferner sind der maximale Zählwert des Programmzählers 31 und die Anzahl der Wörter des ROM 32 zum Speichern von Programmen gleich. Folglich arbeitet in dieser Ausführung das Programm ohne Ausführung einer Rücksetzung korrekt, so daß ein Rücksetzen beim Einschalten der Stromquelle, d. h. ein Einschaltrücksetzprozeß, unnötig ist.
Wenn beim Einschalten der Stromquelle kein Rücksetzen ausgeführt wird, wird der Zählwert des Programmzählers 31 instabil, wobei das Programm nicht weiß, bei welcher Adresse es beginnen soll. Da das Programm in dieser Ausführung keinen Rückwärtsverzweigungsbefehl enthält, wird beim Start des Programms der Zählwert des Programmzählers 31 stets erhöht. Wenn der Zählwert den Maximalwert erreicht, kehrt er auf null zurück.
Im Ergebnis ist sichergestellt, daß das Programm stets mit Durchgang durch die erste Adresse (Adresse 0) arbeitet, weshalb ein Rücksetzprozeß nicht notwendig ist.
In dieser Ausführung ist das Programm selbstverständlich auf ein sogenanntes zyklisches Programm eingeschränkt, in dem die Adresse zyklisch von 0 zum maximalen Zählwert des Programmzählers 31 läuft.
Da das Programm nur zur Ausführung der Operationen des digitalen Integrators 3 und der Operationseinheit 4 verwendet wird, stellt die Tatsache, daß nur ein zykli sches Programm verwendet werden kann, keine Beschränkung dar. Vielmehr weist diese Tatsache darauf hin, daß das Programm durch ein Durchgehen der MPU nicht stark beeinflußt wird. Selbst wenn die MPU durchgeht, ist die Zieladresse stets eine Adresse des Programms, so daß, da das Programm ein zyklisches Programm ist, die Operation stets zum normalen Prozeß zurückkehrt.
Wie bekannt ist, ist eine allgemeine MPU typischerweise mit einer Überwachungseinrichtung wie etwa einem Beobachtungszeitgeber versehen, um sicherzustellen, daß die Rücksetzoperation ausgeführt wird, und um ein Durchgehen der MPU beherrschen zu können. In dieser Ausführung ist jedoch der Rücksetzprozeß unnötig, so daß bei einem Durchgehen der MPU kein Problem entsteht. Folglich ist die Überwachungseinrichtung nicht notwendig. Dadurch kann die Schaltungsgröße reduziert werden, ferner kann die Zuverlässigkeit der MPU weiter verbessert werden.
Nun wird mit Bezug auf 7 eine Ausführung des PROM 8 beschrieben. 7 zeigt die Konstruktion einer Speicherzelle, die eine Einheit des PROM 8 bildet. In dieser Ausführung ist die Einheitsspeicherzelle durch drei PROM-Speicherzellen 33, 34 und 35 gebildet, wobei die Daten aus ihnen über eine Mehrheitslogikschaltung 36 ausgelesen werden.
Im allgemeinen wird der PROM durch die Temperatur leicht beeinflußt, wobei sich die Zuverlässigkeit bei hoher Temperatur verschlechtert. Insbesondere bei einem Sensor, der im Motorraum eines Fahrzeugs, im Weltraum oder dergleichen verwendet wird, wird er bei hoher Temperatur eingesetzt, so daß sich die Zuverlässigkeit leicht verschlechtert.
In der Ausführung nach 7 werden daher die Daten aus mehreren Speicherzellen verwendet, wobei eine Mehrheitslogik ausgeführt wird, wodurch eine Fehlerkorrekturlogik und eine Fehlererfassungslogik verwirklicht werden. Somit werden die fehlerhaften Daten beseitigt und wird eine hohe Zuverlässigkeit erhalten.
Nun werden weitere Ausführungen der Erfindung beschrieben.
8 zeigt eine weitere solche Ausführung der Erfindung. Wie gezeigt ist, ist für mehrere Sensoren, z. B. drei Sensoren A, B und C, eine einzige, ihnen gemeinsame MPU 41 vorgesehen und dient als digitaler Integrator und als Operationseinheit für die Sensoren durch einen Zeitvielfachbetrieb.
Die Bezugszeichen 1A, 1B und 1C bezeichnen analoge Integratoren, wovon jeder gleich dem analogen Integrator 1 der Ausführung nach 1 ist. In ähnlicher Weise bezeichnen die Bezugszeichen 2A, 2B und 2C jeweils einen Komparator, der mit demjenigen von 1 übereinstimmt; die Bezugszeichen 5A und 5B bezeichnen jeweils einen D/A-Umsetzer, der dem D/A-Umsetzer 5 von 1 entspricht; die Bezugszeichen 6A und 6B bezeichnen jeweils ein LPF, das dem LPF 6 von 1 entspricht; die Bezugszeichen 7A, 7B und 7C bezeichnen jeweils einen D/A-Umsetzer, der dem D/A-Umsetzer 7 von 1 entspricht.
Die MPU 41 stimmt mit derjenigen, die mit Bezug auf 6 beschrieben worden ist, überein. Wie oben erwähnt worden ist, werden die Ausgangssignale der Sensoren A, B und C in einer vorgegebenen Reihenfolge sequentiell einer Zeitvielfachverarbeitung unterworfen. Wie der digitale Integrator 3 und die Operationseinheit 4 in der Ausführung nach 1 arbeitet die MPU 41 in der Weise, daß der Nullpunkt und der Bereich jedes Sensors eingestellt wird.
Die Ausführung nach 8 hat daher den Vorteil, daß die Schaltungsgröße weiter als in dem Fall, in dem für jeden der mehreren Sensoren ein digitaler Integrator 3 und eine Operationseinheit 4 vorgesehen ist, reduziert werden kann.
Da die Ausgangssignale von den mehreren Sensoren einander zugeordnet und verarbeitet werden können, besteht der Vorteil, daß ein Ausgangssignal eines Sensors durch ein Ausgangssignal eines weiteren Sensors kompensiert werden kann und somit die Ausführung einfach Fälle handhaben kann, bei denen das Verhältnis oder die Differenz der Ausgangssignale der mehreren Sensoren benötigt wird.
Gemäß dieser Ausführung der Erfindung kann durch die Verwendung des überabtastenden Analog/Digital-Umsetzers die Anzahl von Bits eines digitalen Signals, die für die Sicherstellung des Einstellungsbereichs und der Genauigkeit notwendig sind, reduziert werden. Im Ergebnis kann die Schaltungsgröße bei Aufrechterhaltung der notwendigen Genauigkeit und des Einstellungsbereichs ausreichend reduziert werden.
Nun wird eine Sensoreinstellschaltung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung beschrieben.
9 zeigt eine weitere Ausführung der Sensoreinstellschaltung der Erfindung. Diese Sensoreinstellschaltung ist hauptsächlich aus Abschnitten konstruiert, die die folgenden drei Arten von Funktionen erfüllen.
Der erste Abschnitt ist ein Abschnitt, der sowohl die Funktion eines Verstärkers erster Stufe als auch die Funktion eines A/D-Umsetzers hat und einen Subtrahierer 1', den analogen Integrierer 1, den Komparator 2 und den 1-Bit-D/A-Umsetzer 7 enthält.
Der Subtrahierer 1' hat die Funktion, ein Ausgangssignal des 1-Bit-D/A-Umsetzers 7 von einem Erfassungssignal eines Sensors (Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe) S zu subtrahieren.
Der analoge Integrator 1 hat die Funktion des Empfangens und Integrierens der Differenz zwischen einem Ausgangssignal des Sensors S und dem Ausgang des 1-Bit-D/A-Umsetzers 7 vom Subtrahierer 1'.
Der Komparator 2 hat die Funktion des Vergleichens einer Ausgangsspannung des analogen Integrators 1 mit einer vorgegebenen Referenzspannung und des Umsetzens in ein 1-Bit-Signal mit Pegel 1 oder 0.
Der 1-Bit-D/A-Umsetzer 7 hat die Funktion des Umsetzens des Ausgangssignals des Komparators 2 in eine analoge Spannung und des Lieferns der analogen Spannung an einen negativen Eingangsanschluß des Subtrahierers 1'.
Im Ergebnis wird vom Komparator 2 ein Ausgangssignal (A) erhalten, dessen Impulsdichte sich entsprechend dem vom Sensor S erfaßten Signal ändert.
Eine Schaltung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, dessen Impulsdichte sich entsprechend einem Eingangssignal ändert, wird ΔΣ-Modulator genannt. In der Erfindung wird das vom Sensor S gelieferte Signal unter Verwendung des ΔΣ-Modulators ΔΣ-moduliert, wodurch die Anzahl von Bits des Ausgangssignals des Sensors reduziert werden kann.
Der zweite Abschnitt ist ein Abschnitt mit der Funktion des Einstellens des Bereichs und des Nullpunkts und enthält die Operationseinheit 4, die durch ein internes Programm betrieben wird, sowie den PROM 8, in den im voraus vorgegebene Daten geschrieben worden sind.
Die Operationseinheit 4 berechnet den Durchschnittswert der impulsdichtemodulierten Ausgangssignale (A), die durch den ersten funktionalen Abschnitt erhalten werden, und führt eine Arithmetikoperation an dem Durchschnittswert der Ausgangssignale und an den im PROM 8 gespeicherten Daten aus, wodurch der Bereich und der Nullpunkt des Ausgangssignals des Sensors S eingestellt werden.
Da wie oben erwähnt das Ausgangssignal des Sensors S durch die digitale Arithmetikoperation verarbeitet wird, wird im Gegensatz zu einer Einstellung durch eine analoge Vorrichtung der Einfluß durch Schwankungen der Vorrichtung und durch eine Temperaturänderung nicht ausgeübt. Daher kann eine Einstellung mit äußerst hoher Genauigkeit verwirklicht werden.
Da das vom Sensor S gelieferte Signal moduliert wird und die Anzahl von Bits reduziert ist, kann die Schaltungsgröße dieses Abschnitts reduziert werden.
Die Operation zur Erlangung des Durchschnittswerts des modulierten Signals (Dezimierungsoperation) wird ebenfalls durch ein internes Programm in der MPU 4 ausgeführt, so daß die Schaltungsgröße weiter reduziert werden kann.
Der dritte Abschnitt ist ein Abschnitt mit einer D/A-Umsetzungsfunktion, der durch einen Impulsbreitenmodulator (PWM) 5' und durch das LPF 6 gebildet ist.
Der PWM 5' gibt ein Signal aus, dessen Impulsbreite entsprechend dem von der Operationseinheit 4 ausgegebenen digitalen Signal moduliert wird, d. h. er gibt ein Impulsbreitenmodulationssignal aus. Das LPF 6 mittelt die vom PWM 5' ausgegebenen Impulsbreitenmodulationssignale und erzeugt analoge Signale.
Daher wird die D/A-Umsetzungsfunktion durch den PWM 5' und durch das LPF 6 erreicht, wobei das Ausgangssignal mit hoher Genauigkeit abgeleitet wird, indem die Bereichs- und Nullpunkt-Einstellung für das Ausgangssignal vom Sensor S ausgeführt wird.
Nun wird mit Bezug auf die 10 und 11 ein besonderes Beispiel des ersten Abschnitts der vorangehenden Ausführung der Erfindung beschrieben.
10 zeigt eine Ausführung, in der die Sensoreinstellschaltung auf eine Druckmeßvorrichtung angewendet wird, die einen Piezowiderstand-Drucksensor SP als Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe verwendet. 11 zeigt eine Ausführung, in der die Sensoreinstellschaltung auf eine Luftmassen-Meßvorrichtung angewendet wird, die einen Hitzdraht-Luftmassensensor SF als Vorrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe verwendet.
Zunächst wird die Ausführung nach 10 beschrieben. Der Drucksensor SP enthält eine Brückenschaltung, die aus vier Widerständen 115, 116, 117 und 118 gebildet ist, die Piezowiderstand-Vorrichtungen sind. Der Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung ändert sich entsprechend einem Druck, der auf einen Druckaufnahmeabschnitt des Sensors wirkt, wodurch eine den Druck angebende Ausgangsspannung erhalten wird.
Nun wird die Funktionsweise dieser Ausführung erläutert. Die Schaltung enthält sechs analoge Schalter 119, 120, 121, 123, 129 und 130. Durch Wiederholen zweier Arten von Operationen, d. h. einer ersten Operation und einer zweiten Operation, werden die Schalter geöffnet und geschlossen. In der ersten Operation werden die analogen Schalter 120, 122 und 129 geschlossen, während die analogen Schalter 119, 121 und 130 geöffnet werden.
Durch diese Operation wird ein Kondensator (kapazitive Vorrichtung) 121 durch die Spannung geladen, die zwischen den Widerständen 115 und 116 im Drucksensor SP anliegt, während ein Kondensator 128 durch eine Ausgangsspannung Va eines 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 geladen wird.
In der zweiten Operation werden die analogen Schalter 120, 122 und 129 geöffnet, während die analogen Schalter 119, 121 und 130 geschlossen werden. Durch diese Operation wird der Kondensator 21 durch eine Spannung über den Widerständen 17 und 18 geladen, während die Spannung des Kondensators 121 von der Spannung über den Widerständen 115 und 116 zu der Spannung über den Widerständen 117 und 118 geschaltet wird.
Die Ladungsmenge, die der Änderung der Spannung über den beiden Anschlüssen des Kondensators 121 und dem Kapazitätswert des Kondensators 121 entspricht, wird über einen analogen Schalter 123 an einen Operationsverstärker 125 angelegt, wobei der aus dem Operationsverstärker 125 und dem Kondensator 124 gebildete Integrator geladen wird.
Der durch den Operationsverstärker 125 und dem Kondensator 124 gebildete Integrator wird daher entsprechend der Spannung des Brückenschalters des Drucksensors SP und entsprechend der Differenz zwischen den Ausgangsspannungen Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 geladen. Das Ergebnis wird im Ausgangssignal des aus dem Operationsverstärker 125 und dem Kondensator 124 gebildeten Integrators reflektiert.
Das Ausgangssignal wird an einen Komparator 126 geliefert und in Binärform umgesetzt. Die binären Daten werden von einem D-Flipflop (DFF) 127 gehalten, so daß das Ergebnis bei der nächsten Ladeoperation berücksichtigt werden kann.
Ein Ausgang des DFF 127 ist mit dem 1-Bit-D/A-Umsetzer 131 verbunden, so daß die Ausgänge Va und Vb entsprechend geändert werden können.
Wenn beispielsweise das Ausgangssignal des DFF 127 den Wert 1 hat, wird der Ausgang Va des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 die Referenzspannung V1, während der Ausgang Vb die Referenzspannung V2 wird. Wenn das Ausgangssignal des DFF 127 den Wert 0 hat, wird der Ausgang Va die Referenzspannung V2, während der Ausgang Vb die Referenzspannung V1 wird.
Durch Wiederholen der ersten und zweiten Operationen strebt der Mittelwert der Ausgangsspannungen des aus dem Operationsverstärker 125 und dem Kondensator 124 gebildeten Integrators gegen 0. Im Ergebnis stimmt der Mittelwert der Spannungen der Ausgänge Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 mit der Ausgangsspannung des Drucksensors SP überein.
Wenn der Durchschnittswert der Spannungen zwischen den Ausgängen Va und Vb so gesetzt ist, daß er zum Durchschnittswert der Ausgänge des DFF 127 proportional ist, indem der Durchschnittswert der Ausgangssignale des DFF 127 digital erhalten wird, kann die Ausgangsspannung des Drucksensors SP abgeleitet werden.
Der Änderungsgrad des Durchschnittswerts der Ausgangsspannungen des DFF 127 ist durch die Änderung der Spannungen an den Ausgängen Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 bestimmt, genauer dadurch, wie die Referenzspannungen V1 und V2 sowie die Differenz der Spannungen bestimmt werden.
Falls der Änderungsbetrag der Ausgänge Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 in bezug auf das Ausgangssignal des DFF 127 reduziert wird, kann das Änderungsverhältnis des Durchschnittswerts des Ausgangssignals des DFF 127 in bezug auf die Änderung der Brückenspannung des Drucksensors SP erhöht werden.
Da die Ausgangssignale des DFF 127 nur die Pegel "1" und "0" haben, ist der Bereich L des Durchschnittswerts folgendermaßen definiert: 0 < L < 1.
Falls die Empfindlichkeit der Brückenschaltung des Drucksensors SP erhöht wird, wird der Meßbereich verschmälert. Falls hingegen der Änderungsbetrag der Ausgänge Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 erhöht wird, wird der Meßbereich erweitert, obwohl das Änderungsverhältnis des Durchschnittswerts der Ausgangssignale des DFF 127 in bezug auf die Änderung der Brückenspannung des Drucksensors SP reduziert wird.
Mit anderen Worten, die optimale Änderungsspannung kann an die Ausgänge Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 in Übereinstimmung mit dem maximalen Änderungsbetrag der Brückenspannung des Drucksensors SP angelegt werden, so daß der Meßbereich, der durch einen allgemeinen A/D-Umsetzer nicht geändert und erweitert werden kann, erfindungsgemäß einfach geändert und erweitert werden kann.
Der Eingangsbereich des allgemeinen A/D-Umsetzers entspricht gewöhnlich der Versorgungsspannung. Im Gegensatz dazu beträgt die Änderung der Brückenspannung des Drucksensors SP mehrere zehn mV. Wenn ein allgemeiner A/D-Umsetzer verwendet wird, ist daher wie oben erwähnt in der ersten Stufe eine Verstärkungsschaltung erforderlich.
In dieser Ausführung kann jedoch durch Anlegen einer vorgegebenen Änderungsspannung an die Ausgänge Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 der Spannungspegel einfach eingestellt werden. Daher ist ein Vorverstärker nicht notwendig.
Da die Eingangsimpedanz der Schaltung durch den Kondensator 121 bestimmt ist, kann eine verhältnismäßig hohe Eingangsimpedanz einfach erhalten werden. Daher wird auch vom Standpunkt der Impedanzumsetzung die Verstärkungsschaltung der ersten Stufe unnötig.
Gemäß dieser Ausführung können die Ausgänge Va und Vb des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 auch eine Temperaturkennlinie haben. Die Temperaturkompensation kann daher in der Weise ausgeführt werden, daß die Temperaturkennlinie, die zu derjenigen des Drucksensors SP oder zu derjenigen der Schaltung entgegengesetzt ist, zur Ausgangskennlinie des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 addiert wird, um dadurch einen entsprechenden Versatz für die Temperaturkennlinie des Drucksensors SP oder die Temperaturkennlinie der Schaltung zu schaffen.
Nun wird die Ausführung nach 11 beschrieben. Die Ausführung nach 11 unterscheidet sich von derjenigen nach 10 dadurch, daß anstelle des Drucksensors SP in der Ausführung nach 10 ein Luftmassensensor SF verwendet wird und daß anstelle des 1-Bit-D/A-Umsetzers 131 ein 1-Bit-D/A-Umsetzer 131a verwendet wird. Die übrige Konstruktion und die übrige Funktionsweise sind gleich, so daß deren Beschreibung weggelassen wird. Es werden im folgenden nur die unterschiedlichen Aspekte beschrieben.
Der Luftmassensensor SF des Wärmewiderstandstyps erfaßt die Luftmasse durch Messen der Strahlungsmenge, die von der längs der Oberfläche eines Hitzdraht-Widerstandselements 135 strömenden Luft erzeugt wird und mißt dadurch die Luftmasse. In der Praxis fließt durch das Hitzdraht-Widerstandselement 135 ein elektrischer Strom, so daß das Element durch die Joulesche Wärme, die durch den Strom erzeugt wird, erwärmt wird, wobei der elektrische Strom so gesteuert wird, daß die Temperatur konstant ist. Die durch die Luftmasse abgeführte Wärmemenge und die durch den elektrischen Strom erzeugte Joulesche Wärmemenge sind dann im Gleichgewicht, wobei der für die Erwärmung erforderliche elektrische Strom gemessen wird, der somit ein Maß für die Luftmasse bildet.
Hierzu enthält der Luftmassensensor SF einen Transistor 132 zum Steuern des durch das Hitzdraht-Widerstandselement 135 geschickten elektrischen Stroms, Widerstandselemente 133, 134 und 136 für die Bildung der Brückenschaltung zusammen mit dem Hitzdraht-Widerstandselement 135 und eine Differenzverstärkerschaltung 139 zur Erfassung der Brückenspannung der Brückenschaltung und zum Steuern des Transistors 132.
Wie das Hitzdraht-Widerstandselement 135 ist das Widerstandselement 133 in einem Durchlaß für die zu messende Luft angeordnet und erfaßt die Lufttemperatur unter Ausnutzung der Tatsache, daß sich der Wert des Widerstands entsprechend der Lufttemperatur ändert, wobei es einer Temperaturkompensation unterworfen wird. Das Sensorausgangssignal wird als Signal zwischen dem Verbin dungspunkt des Hitzdraht-Widerstandselement 135 und dem Widerstandselement 136 und Masse (gemeinsames Potential) erzeugt.
Der 1-Bit-D/A-Umsetzer 131a ist grundsätzlich gleich dem 1-Bit-D/A-Umsetzer 131 der Ausführung nach 10. Im Fall von 11 wird das Ausgangssignal des Luftmassensensors SF als Signal erzeugt, das einen der Pegel als gemeinsames Potential verwendet.
Der 1-Bit-D/A-Umsetzer 131a in der Ausführung nach 11 erzeugt den Ausgang Va mit vorgegebenem Spannungswert, wenn das Ausgangssignal des DFF 127 auf dem Pegel 1 ist, es erzeugt jedoch kein Signal, wenn das Ausgangssignal des DFF 127 auf dem Pegel 0 ist.
Daher ist ein Ende jedes der analogen Schalter 120 und 130 mit Masse verbunden, während als Ausgang Vb ein Erdpotential empfangen wird.
Auch in der Ausführung nach 11 wird an den 1-Bit-D/A-Umsetzer 131a eine geeignete Änderungsspannung angelegt und wird der Ausgang Va mit einer gegenüber der Erdspannung (Nullspannung) vorgegebenen Spannung erzeugt, wodurch die Weglassung der Vestärkungsschaltung erster Stufe ermöglicht wird. Die anderen Vorteile der Ausführung nach 10 können ebenfalls erhalten werden.
Nun wird unter erneuter Bezugnahme auf 9 der zweite Abschnitt beschrieben. Die Operationseinheit 4 im zweiten Abschnitt besitzt den in 12 gezeigten Aufbau und führt vier Arten von Aufgaben im Zeitvielfach wie im folgenden beschrieben aus.
Die erste Aufgabe ist die Dezimierung und die Interpolation. Die Dezimierung ist ein Prozeß zum Berechnen des Durchschnittswerts der Ausgangssignale des Komparators 2. Die Interpolation ist ein Prozeß zum ΔΣ-Modulieren eines von einem Sensor wie etwa dem Drucksensor SP oder dem Luftmassensensor SF ausgegebenen Signals, um die Anzahl von Bits zu reduzieren. Die erste Aufgabe wird mit höchster Priorität ausgeführt.
Die zweite Aufgabe umfaßt das Lesen der in den PROM 8 geschriebenen Inhalte, das Ausführen einer Arithmetikoperation an den Informationen und am Durchschnittswert der durch die erste Aufgabe erhaltenen Ausgangssignale des Komparators 2 sowie das Einstellen des Bereichs und des Nullpunkts der vom Sensor ausgegebenen Signale.
Die dritte Aufgabe ist ein Unterroutinenprozeß der zweiten Aufgabe und umfaßt die Ausführung einer Multiplikation.
Die vierte Aufgabe ist eine Aufgabe zum Ausführen eines Prozesses, der aktiviert wird, wenn ein externes Signal PROM_WRITE niedrigen Pegel annimmt, der Informationen von einer seriellen Kommunikationsschnittstelle (SCI) empfängt und der Informationen in den PROM 8 schreibt.
Die Ausführung der Aufgaben wird durch einen Tastschalter 151, ein Programmzähler-Steuerregister (PCCR) 152, Programmzähler (PC) 154, 155, 156 und 157, eine Steuereinheit 153 und einen Adressengenerator 158 für einen Programm-ROM 159 gesteuert.
Ein Steuersignal des internen Busses und ein Signal eines Adressenbusses werden durch den Programm-ROM 159 erzeugt. Gemäß den Inhalten des Steuersignals und des Adressenbussignals werden Daten zwischen einem Akkumulator 160, einer Operationseinheit 161, einem Zähler 162, einem Steuerabschnitt 163 für serielle Kommunikation, einem RAM 164, einem ROM 165, einem Ausgangsanschluß 166, einer Umschaltschaltung 167 und dem PCCR 152, die mit den internen Bussen (dem Steuersignalbus, dem Adressenbus und dem Datenbus) verbunden sind, übertragen. Die Umschaltschaltung 167 schaltet zwischen dem RAM 168 und dem PROM 8 (16) um, die mit der Schaltung 167 und mit einem Puffer verbunden sind.
Nun wird die Funktionsweise der Operationseinheit 4 beschrieben. Zunächst wird die Operation der Steuereinheit 153 erläutert. Als erste Operation steuert die Steuereinheit 153 die PCs 154, 155, 156 und 157. Als zweite Operation erzeugt die Steuereinheit 153 Aufgabenausführungssignale, um die Ausführung der vier Arten von Aufgaben zu steuern.
Die erste Operation der Steuereinheit 153, d. h. die Steuerung der PCs 154, 155, 156 und 157 wird nun beschrieben. Die Steuereinheit 153 erzeugt Signale zum Steuern des Anhaltens und des Ausführens einer Zähloperation für die PCs 154, 155, 156 und 157 durch die in 7 gezeigte Logikschaltung. Für den PC 154 wird, wie in 13A gezeigt ist, ein Signal zum Hochzählen des Zählers 154 erzeugt, wenn ein externes Signal PROM_WRITE hohen Pegel besitzt. Wie in 13B gezeigt ist, wird der PC 155 hochgezählt, wenn das externe Signal PROM_WRITE hohen Pegel besitzt, der Zählwert des PC 154 größer als ein im voraus gesetzter Wert des Tastschalters 151 ist, der Zählwert des PC 156 der Maximalwert ist und das Bit 0 des PCCR 152 den Wert "1" hat oder der Zählwert des PC 155 nicht der Maximalwert ist. Wie in 13C gezeigt ist, wird der PC 156 hochgezählt, wenn das externe Signal PROM_WRITE hohen Pegel besitzt, der Zählwert des PC 154 größer als der im voraus gesetzte Wert des Tastschalters 151 ist und das Bit 1 des PCCR 152 den Wert "1" hat oder der Zählwert des PC 156 nicht der Maximal wert ist. Wie in 13D gezeigt ist, wird der PC 157 hochgezählt, wenn das externe Signal PROM_WRITE niedrigen Pegel hat.
Nun wird die zweite Operation der Steuereinheit 153, d. h. die Erzeugung der Aufgabenausführungssignale, beschrieben. Die Steuereinheit 153 erzeugt durch die in 14 gezeigte Logikschaltung Ausführungssignale für vier Aufgaben. Wie in 14A gezeigt ist, wird das Ausführungssignal für die erste Aufgabe erzeugt, wenn das externe Signal PROM_WRITE hohen Pegel besitzt und der Zählwert des PC 154 gleich oder kleiner als der gesetzte Wert des Tastschalters 151 ist. Wie in 14B gezeigt ist, wird das Ausführungssignal für die zweite Aufgabe erzeugt, wenn das externe Signal PROM_WRITE hohen Pegel besitzt, der Zählwert des PC 154 größer als der im voraus gesetzte Wert des Tastschalters 151 ist und der Zählwert des PC 156 der Maximalwert ist. Wie in 14C gezeigt ist, wird das Ausführungssignal für die dritte Aufgabe erzeugt, wenn das externe Signal PROM_WRITE hohen Pegel besitzt, der Zählwert des PC 154 größer als der gesetzte Wert des Tastschalters 151 ist und der Zählwert des PC 156 nicht der Maximalwert ist. Wie in 14D gezeigt ist, wird das Ausführungssignal für die vierte Aufgabe erzeugt, wenn das externe Signal PROM_WRITE niedrigen Pegel besitzt.
Nun wird mit Bezug auf den Zeitablaufplan von 15 beschrieben, wie die vier Arten von Aufgaben durch die obige Operation der Steuereinheit 153 ausgeführt werden.
Im Zeitintervall 1 ist das externe Signal PROM_WRITE auf hohem Pegel und ist der Zählwert des PC 154 gleich oder kleiner als der im voraus gesetzte Wert des Tastschalters 151, so daß nur der PC 154 hochgezählt wird und die erste Aufgabe ausgeführt wird. Da der im voraus gesetzte Wert des Tastschalters 151 auf die Endadresse des Programms der ersten Aufgabe gesetzt ist, startet das Programm der ersten Aufgabe im Zeitintervall 1 und wird bis zum Ende ausgeführt.
Im Zeitintervall 2 ist das externe Signal PROM_WRITE auf hohem Pegel und der Zählwert des PC 154 wird größer als der im voraus gesetzte Wert des Tastschalters 151, so daß das Ausführungssignal für die zweite Aufgabe wahr wird. In diesem Zeitintervall ist jedoch das Bit 0 des PCCR 152 "0", so daß das Zählen des PC 155 angehalten wird. Daher ist die zweite Aufgabe noch nicht ausgeführt.
Im Zeitintervall 3 ist das externe Signal PROM_WRITE auf hohem Pegel und läuft der PC 154 über, so daß sein Zählwert auf 0 zurückgesetzt wird und kleiner als der im voraus gesetzte Wert des Tastschalters 151 ist. Daher wird nur der PC 154 hochgezählt und die erste Aufgabe wird ausgeführt.
Im Zeitintervall 4 wird ähnlich wie im Zeitintervall 2 das Ausführungssignal für die zweite Aufgabe wahr. Da in das Bit 0 des PCCR 152 durch das erste Programm im Zeitintervall 3 der Wert "1" geschrieben wird, beginnt der PC 155 mit dem Hochzählen, wobei die zweite Aufgabe ausgeführt wird.
Im Zeitintervall 5 wird die erste Aufgabe ausgeführt und wird die zweite Aufgabe während ihrer Ausführung angehalten. Die zweite Aufgabe wird im Zeitintervall 6 erneut ausgeführt.
Im Zeitintervall 6 wird die zweite Aufgabe am Beginn ausgeführt, wie in dem Zeitablaufplan gezeigt ist. Da von der zweiten Aufgabe in das Bit 1 des PCCR 152 der Wert "1" geschrieben wird, wird mit der Ausführung der dritten Aufgabe begonnen und während des Zeitintervalls 6 bis zum Startpunkt des Zeitintervalls 7 ausgeführt. Die dritte Aufgabe wird am Startpunkt des Zeitintervalls 7 angehalten.
Im Zeitintervall 7 wird ähnlich wie im Zeitintervall 1 die erste Aufgabe ausgeführt. Im Zeitintervall 8 wird die dritte Aufgabe erneut ausgeführt und am Ende des Zeitintervalls 8 während ihres Verlaufs angehalten. Im Zeitintervall 9 wird die erste Aufgabe erneut ausgeführt. Im Zeitintervall 10 wird die dritte Aufgabe erneut ausgeführt. Bei Beendigung der dritten Aufgabe wird die Ausführung der zweiten Aufgabe fortgesetzt. Im Zeitintervall 11 nimmt das externe Signal PROM_WRITE niedrigen Pegel an, so daß die vierte Aufgabe ausgeführt wird.
Wie in dem Zeitablaufplan gezeigt ist, wird daher die erste Aufgabe in einem konstanten Zyklus entsprechend der Zählung des PC 154 ausgeführt, wenn das externe Signal PROM_WRITE hohen Pegel besitzt.
Die zweite und die dritte Aufgabe werden während der Leerlaufzeit der ersten Aufgabe ausgeführt. Der Beginn der zweiten Aufgabe wird durch die erste Aufgabe gesteuert, während der Beginn der dritten Aufgabe durch die zweite Aufgabe gesteuert wird. Die vierte Aufgabe wird durch das externe Signal PROM_WRITE gesteuert.
Nun wird die Operation des Adressengenerators 158 für den Programm-ROM 159 beschrieben. Der Adressengenerator 158 für den Programm-ROM 159 hat die Funktion der Erzeugung eines Adressensignals für den Programm-ROM.
16 ist eine Adressenabbildung des Programm-ROM 159. Wie gezeigt, ist das Programm der ersten Aufgabe an den Adressen 000 bis 0FF gespeichert. Ebenso ist das Programm der zweiten Aufgabe an den Adressen von 100 bis 1FF gespeichert, ist das Programm der dritten Aufgabe an den Adressen von 200 bis 3FF gespeichert und ist das Programm der vierten Aufgabe an den Adressen von 400 bis 4ff gespeichert.
Der Adressengenerator 158 für den Programm-ROM 159 erzeugt Adressensignale für den ROM 159 anhand der Ausführungssignale für die Aufgaben, die von der Steuereinheit 153 erzeugt werden, und anhand der Zählwerte für die PCs 154 bis 157, wie später beschrieben wird.
Wenn das Ausführungssignal für die erste Aufgabe wahr ist, werden die oberen drei Bits des Adressensignals des ROM 159 auf "000" gesetzt. Was die unteren acht Bits des Adressensignals des ROM 159 betrifft, so wird der Zählwert des PC 157 als Adressensignal verwendet.
Wenn das Ausführungssignal für die zweite Aufgabe wahr ist, werden die oberen drei Bits des Adressensignals des ROM 159 auf "000" gesetzt, wobei der Zählwert des PC 155 für die unteren acht Bits des Adressensignals des ROM 159 verwendet werden.
Wenn das Ausführungssignal der dritten Aufgabe wahr ist, werden die oberen zwei Bits des Adressensignals des ROM 159 auf "01" gesetzt und der Zählwert des PC 142 wird für die unteren neun Bits des Adressensignals des ROM 159 verwendet.
Wenn das Ausführungssignal für die vierte Aufgabe wahr ist, werden die oberen drei Bits des Adressensignals des ROM 159 auf "101" gesetzt, während der Zählwert des PC 157 für die unteren acht Bits des Adressensignals des ROM 159 verwendet wird. Wie oben erwähnt worden ist, wird das Adressensignal des ROM 159 aus jedem der Zählwerte der PCs 154 bis 157 und aus dem Ausführungssignal für die jeweilige Aufgabe erzeugt.
Nun wird die Operation des Programm-ROM 159 erläutert. In der Bitstruktur des ROM 159 ist, wie in 17 gezeigt ist, das 7. Bit ein Befehlscode, während die 6. bis 0. Bits eine die Ausführungsadresse angebende Bitstruktur haben. Für einen Befehl wird ein Wort verwendet.
Wenn der Befehlscode "1" ist, wird eine Operation zum Übertragen von Daten von einer durch die Ausführungsadresse bezeichneten Vorrichtung an einen Akkumulator 160 ausgeführt. Wenn der Befehlscode "0" ist, wird eine Operation zum Übertragen von Daten vom Akkumulator 160 an eine durch die Ausführungsadresse bezeichnete Vorrichtung ausgeführt.
Folglich können das Steuersignal des internen Busses und das Signal des Adressenbusses folgendermaßen erzeugt werden. Als Signal des Adressenbusses werden die Daten vom Bit 6 bis zum Bit 0 im ROM 159 unverändert ausgegeben. Als Steuersignal (Lese- und Schreibsignale) werden die Daten des Bits 7 im ROM 159 unverändert ausgegeben. In dieser Ausführung können daher das Steuersignal des internen Busses und das Signal des Adressenbusses nur durch die obige Operation erzeugt werden.
Nun wird die Operationseinheit 161 beschrieben. Die Operationseinheit 161 besitzt die in 18 gezeigte logische Struktur und unterstützt die Prozesse der Addition, der UND-Operation, der Inversion, des arithmetischen Rechtsschiebens und des arithmetischen Linksschiebens.
Die Additionsoperation wird wie in 18 gezeigt in der Weise ausgeführt, daß die Inhalte eines Registers 169, das an den internen Bus angeschlossen ist und eine vorgegebene Adresse besitzt und in das/aus dem Daten eingegeben bzw. ausgelesen werden können, zu den Inhalten des Akkumulators 160 durch einen Addierer 170 addiert werden und das Additionsergebnis an einen Ausgangsanschluß 175 geliefert wird, der an den internen Bus angeschlossen ist und eine vorgegebene Adresse besitzt.
Für die Additionsoperation ist es somit schwierig, Additionsdaten an das Register 169 zu übertragen, zu addierende Daten an den Akkumulator 160 zu übertragen und den Ausgangsanschluß 175 zu lesen. Das Additionsergebnis kann nur durch diese Operation erhalten werden.
Der Addierer 170 handhabt die Daten anhand ihres Zweierkomplements. Wenn ein Überlauf oder ein Unterlauf auftritt, wird entweder die maximale positive Zahl oder die maximale negative Zahl gesetzt. Daher sind Überlauf- und Unterlaufprozesse im Programm unnötig.
Gemäß dieser Ausführung kann daher, obwohl die Vielseitigkeit der Datenlänge reduziert ist, die Anzahl der Programmschritte reduziert werden, ferner kann die Ausführungszeit für eine Anwendung, in der die Datenlänge fest ist, verkürzt werden. Nun wird die UND-Operation beschrieben. Bei einer UND-Operation werden ähnlich wie bei der Additionsoperation die Inhalte des Akkumulators 160 und die Inhalte des Registers 169 an eine UND-Operationseinheit 171 geliefert, wobei das Ergebnis der UND-Operation an einem Ausgangsanschluß 176 ausgegeben wird.
Für die UND-Operation ist es ausreichend, die UND-Daten an das Register 169 zu übertragen, die der UND-Operation zu unterwerfenden Daten an den Akkumulator 160 zu übertragen und den Ausgangsanschluß 176 zu lesen. Das UND-Ergebnis kann durch diese Operation erhalten werden.
Bei der Inversionsoperation werden die Inhalte des Akkumulators 160 an eine Inversionsoperationseinheit 172 geliefert und das Ergebnis der Inversionsoperation wird an einen Ausgangsanschluß 177 ausgegeben. Für die Inversionsoperation ist es daher ausreichend, zu invertierende Daten an den Akkumulator 160 zu übertragen und den Ausgangsanschluß 177 zu lesen. Das Ergebnis der Inversionsoperation kann einfach erhalten werden.
In der arithmetischen Rechtsschiebeoperation werden die Inhalte des Akkumulators 160 in eine arithmetische Rechtsschiebe-Operationseinheit 173 eingegeben, wobei die Ergebnisse der arithmetischen Rechtsschiebeoperation am Ausgangsanschluß 178 ausgegeben werden. Für die arithmetische Rechtsschiebeoperation ist es daher ausreichend, der arithmetischen Rechtsschiebeoperation zu unterwerfende Daten an den Akkumulator 160 zu übertragen und den Ausgangsanschluß 178 zu lesen. Das Ergebnis der arithmetischen Rechtsschiebeoperation kann nur durch diese Operation erhalten werden.
In der arithmetischen Linksschiebeoperation werden die Inhalte des Akkumulators 160 in eine arithmetische Linksschiebe-Operationseinheit 174 eingegeben, wobei das Ergebnis der arithmetischen Linksschiebeoperation am Ausgangsanschluß 179 ausgegeben wird. Für die arithmetische Linksschiebeoperation ist es daher ausreichend, der arithmetischen Linksschiebeoperation zu unterwerfende Daten an den Akkumulator 160 zu übertragen und den Ausgangsanschluß 179 zu lesen. Das Ergebnis der arithmetischen Linksschiebeoperation kann durch diese Operation einfach erhalten werden.
Nun wird die Operation eines Registers 169 beschrieben. Wenn die Inhalte des Registers 169 sich in einem vorgege benen Zustand befinden oder wenn der Zustand des Aufgabenausführungssignals ein vorgegebener Zustand ist, wird das Register 169 anhand des Vorhandenseins oder Fehlens eines Übertrags in der Operationseinheit 161 so gesteuert, daß das Schreiben gesperrt wird. Bei dieser Struktur kann ein für die Arithmetikoperation erforderlicher Verzweigungsprozeß falsch ausgeführt werden.
Der Zustand der Schreibsperre ist nicht auf das Vorhandensein oder Fehlen des Übertrags eingeschränkt. Das Schreiben kann auch durch das Auftreten eines Überlaufs, durch das Schreiben vorgegebener Daten in ein vorgegebenes Register und dergleichen gesperrt werden. Daher wird die die Verzweigungsoperation begleitende Operation des Programmzählers unnötig, wobei die Größe der Logikanordnung des Programmzählers reduziert werden kann.
Nun werden die Eigenschaften der Operationseinheit 4 dieser Ausführung beschrieben. Die erste Eigenschaft ist, daß eine Rücksetzoperation unnötig ist. Bei einer herkömmlichen Technik, die eine normale MPU verwendet, ist eine Rücksetzoperation aus den folgenden Gründen stets erforderlich. In der herkömmlichen Technik ist der Programm-ROM an den gleichen Bus angeschlossen, an den auch ein Daten-ROM, ein RAM und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (E/A) angeschlossen sind. Falls daher die Rücksetzoperation nicht ausgeführt wird, wird der Anfangswert des Programmzählers instabil. Es besteht die Möglichkeit, daß der Anfangswert des Programmzählers den Daten-ROM, den RAM oder die E/A angibt.
Was die Befehlswortlängen betrifft, so gibt es Befehle aus einem, aus zwei und aus drei Wörtern. Die Länge ist je nach Befehlscode und Adressierungsmodus unterschiedlich. Selbst wenn daher der Anfangswert des Programmzählers zufällig den Programm-ROM angibt, gibt er nicht immer die den Befehlscode enthaltende Adresse an. Da der Rückwärtsverzweigungsbefehl im allgemeinen unterstützt wird, besteht selbst dann, wenn der Anfangswert des Programmzählers zufällig den Befehlscode des Programm-ROM angibt, die Möglichkeit des Eintritts in eine Endlosschleife.
Ferner ist in der herkömmlichen MPU die Anzahl der Befehlscodes groß, ebenso ist die Anzahl der Adressierungsmodi groß. Daher benötigt ein Befehlsdecodierer, der einen Befehl analysiert, eine Rücksetzoperation.
Ein Anwendungsprogramm wird im allgemeinen unter der Voraussetzung des Anfangsprozesses ausgeführt, so daß der Anfangswert des Programmzählers auf einen vorgegebenen Wert gesetzt werden muß. Daher ist das Rücksetzen unabdingbar.
Aufgrund der Rücksetzfunktion besteht jedoch bei einer allgemeinen MPU stets die Gefahr eines Durchgehens. Für eine Anwendung, die eine strikte Zuverlässigkeit erfordert, ist daher ein Beobachtungszeitgeber oder dergleichen als Gegenmaßnahme gegen ein Durchgehen vorgesehen. Die Kosten der Gegenmaßnahme sind nicht vernachlässigbar und erhöhen unvermeidlich die Gesamtkosten.
Die Erfindung verwirklicht eine Operationseinheit, die eine Rücksetzoperation nicht benötigt. Da die Rücksetzoperation unnötig ist, ist die Gefahr eines Durchgehens beseitigt. Daher ist auch eine Gegenmaßnahme wie etwa ein Beobachtungszeitgeber unnötig, so daß die Operationseinheit billiger hergestellt werden kann.
Der Grund, weshalb die Rücksetzoperation in der Operationseinheit 4 gemäß dieser Ausführung unnötig ist, wird nun beschrieben. Der Programm-ROM ist mit einem Datenbus verbunden, der von dem Bus verschieden ist, an den der Daten-ROM, der RAM, die E/A und dergleichen angeschlossen sind. Im Ergebnis kann die Möglichkeit, daß der Anfangswert des Programmzählers den Daten-ROM, den RAM oder die E/A angibt, beseitigt werden.
Die Länge eines Befehlsworts ist auf ein Wort fixiert, so daß der Anfangswert des Programmzählers stets die den Befehlscode enthaltende Adresse angibt. Außerdem kann der Rückwärtsverzweigungsbefehl beseitigt werden. Da im allgemeinen die Bildung einer Schleife in einem Anwendungsprogramm notwendig ist, ist die Rückwärtsverzweigung stets erforderlich. Da in dieser Ausführung der Erfindung in der Operationseinheit 4 eine Wiederholungssteuerung ausgeführt wird, ist eine Schleife notwendig. Unter Ausnutzung der Tatsache, daß der Zählwert des Zählers auf "0" zurückgesetzt wird, wenn die einzelnen Programmzähler 154 bis 157 überlaufen, wird eine Schleife zur Wiederholungssteuerung erhalten.
In der Operationseinheit 4 werden zwei Arten von Befehlscodes zum Laden (Datenübertragung an den Akkumulator) bzw. zum Speichern (Datenübertragung vom Akkumulator) verwendet, wobei als Adressierungsmodus nur eine direkte Adressierung verwendet wird und nur ein einziger Akkumulator verwendet wird.
Bei diesem Aufbau ist der Befehlsdecodierer selbst unnötig und die Logik kann vereinfacht werden, wodurch eine Logikstruktur verwirklicht wird, die die Rücksetzoperation nicht erfordert.
Bei dieser Ausführung ist das Anwendungsprogramm auf die Einstellung des Nullpunkts und des Bereichs des Sensors, auf die Berechnung des Filterungsprozesses und dergleichen eingeschränkt und erfordert keine Initialisierung.
Es entsteht kein Problem, falls das Anwendungsprogramm beginnend bei irgendeinem Abschnitt bezüglich der Einstellung des Nullpunkts und des Bereichs des Sensors ausgeführt werden kann.
Die zweite Eigenschaft besteht darin, daß zwei Arten von Befehlscodes zum Laden (Datenübertragung an den Akkumulator) bzw. zum Speichern (Datenübertragung vom Akkumulator) verwendet werden und der Befehlsdecodierer nicht verwendet wird. Daher kann eine Reduzierung der Größe der Logikanordnung verwirklicht werden, außerdem wird die obenerwähnte Rücksetzoperation unnötig. Genauer wird die obige Eigenschaft durch Verwenden der Operationseinheit 161 wie in 12 gezeigt erzielt.
Selbst wenn bei Verwendung der Operationseinheit 161 die beiden Arten von Befehlscodes, nämlich das Laden und das Speichern, verwendet werden, können die Arithmetikoperationen wie etwa die Addition, die UND-Operation, die Inversion, das arithmetische Rechtsschieben und das arithmetische Linksschieben verwirklicht werden.
Genauer wird der Verzweigungsprozeß bei Verwenden des in 18 gezeigten Registers 169 fälschlich ausgeführt, so daß der inhärente Verzweigungsprozeß unnötig ist. Daher sind lediglich zwei Arten von Befehlscodes zum Laden und zum Speichern in der Operationseinheit 4 ausreichend.
Die dritte Eigenschaft besteht darin, daß vier Arten von Aufgaben im Zeitvielfach mit einer einfachen Schaltungskonstruktion in der Operationseinheit 4 gemäß dieser Ausführung ausgeführt werden. Die vier Programmzähler (PC) 154 bis 157 sind vorgesehen und die vier Arten von Aufgaben werden durch die vier PCs ausgeführt, so daß komplizierte Prozesse mit einer einfachen Schaltungskonstruktion ausgeführt werden können.
Nun wird mit Bezug auf 19 die Dezimierungsoperation der Operationseinheit 4 dieser Ausführung beschrieben. 19 ist ein Blockschaltplan, der die Funktion des Dezimierers zeigt. Der Dezimierer in dieser Ausführung enthält ein FIR-Filter 180, ein IIR-Filter 181 und ein FIF-Filter 183, wovon jedes Einheitsverzögerungsschaltungen Z^–1 besitzt.
Das FIR-Filter 180 ist ein Abschnitt mit der Funktion des Erzeugens von 1-Bit-Signalen mit den Pegeln 1 und 0, die vom Komparator 2 (3) in einem vorgegebenen Zyklus nach jeweils acht Zyklen ausgegeben und an das IIR-Filter 181 geliefert werden. Genauer wird die obige Operation durch den Zähler 162 (12) ausgeführt, der nach jeweils acht Zyklen zurückgesetzt wird und hochgezählt wird, wenn der Ausgang des Komparators 2 den Wert "1" hat.
Das IIR-Filter 181 und das FIR-Filter 183 werden durch die erste Aufgabe des Anwendungsprogramms der Operationseinheit 4 verwirklicht. Das IIR-Filter 181 ist mit einer Schaltung 182 zum Kompensieren der Beseitigung signifikanter Stellen versehen.
Der Dezimierer ist gewöhnlich aus einem FIR-Filter konstruiert. Diese Konstruktion kann jedoch nur durch eine äußerst groß bemessene Logikschaltung verwirklicht werden, da sich die Eigenschaften aufgrund der Beseitigung der signifikanten Stellen verschlechtern.
Erfindungsgemäß kann jedoch durch die zusätzliche Bereitstellung der Schaltung 182 zur Kompensation der Beseitigung der signifikanten Stellen die Verschlechterung der Eigenschaften, die durch die Beseitigung der signifikanten Stellen entsteht, reduziert werden. Somit ist der Dezimierer wie in der Zeichnung gezeigt durch eine einfache Logikschaltung verwirklicht.
Nun wird mit Bezug auf 20 eine weitere Ausführung der Sensoreinstellschaltung der Erfindung beschrieben. Obwohl die Signalverarbeitung des einzelnen Sensors S durch die Operationseinheit 4 in der Ausführung nach 9 in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung ausgeführt wird, kann eine Signalverarbeitung für mehrere Sensoren ebenfalls von einer einzelnen Operationseinheit 4 in Abhängigkeit von ihren Verarbeitungsfähigkeiten ausgeführt werden. In der in 20 gezeigten Ausführung werden ein erster Drucksensor SP1, ein zweiter Drucksensor SP2 und ein Temperatursensor ST durch eine einzige Operationseinheit 4 gesteuert.
Ein Ausgangssignal des ersten Drucksensors SP1 wird durch einen Abschnitt, der einen Subtrahierer 1A', einen analogen Integrator 2A', einen Komparator 3A' und einen 1-Bit-D/A-Umsetzer 7A enthält, ΔΣ-moduliert und als Signal A1 zur Operationseinheit 4 geliefert. Ebenso wird ein Ausgangssignal des zweiten Drucksensors SP2 durch einen Abschnitt, der einen Subtrahierer 1B', einen analogen Integrator 2B', einen Komparator 3B' und einen 1-Bit-D/A-Umsetzer 7B enthält, ΔΣ-moduliert und als ein Signal A2 an die Operationseinheit 4 geliefert. Das Ausgangssignal des Temperatursensors ST wird durch einen Abschnitt, der einen Subtrahierer 1C', einen analogen Integrator 2C', einen Komparator 3C' und einen 1-Bit-D/A-Umsetzer 7C enthält, ΔΣ-moduliert und als ein Signal T an die Operationseinheit 4 geliefert.
Die Operationseinheit 4 empfängt nacheinander im Zeitvielfach die Signale A1, A2 und T und führt die folgenden Arithmetikoperationen aus. Für das Ausgangssignal des ersten Drucksensors SP1 werden aus dem PROM 8 Korrekturdaten für den ersten Drucksensor SP1 ausgelesen, werden der Bereich und der Nullpunkt nichtlinear eingestellt, wird ein Prozeß zum Korrigieren der Temperatur anhand des Ausgangssignals des Temperatursensors ST ausgeführt, werden die verarbeiteten Signale an den PWM 5A ausgegeben und wird vom LPF 6A ein Ausgangssignal 1 erhalten. Für das Ausgangssignal des zweiten Drucksensors SP2 werden in ähnlicher Weise aus dem PROM 8 Korrekturdaten für den zweiten Drucksensor SP2 ausgelesen, werden der Bereich und der Nullpunkt nichtlinear eingestellt, wird ein Prozeß zum Korrigieren der Temperatur durch das Ausgangssignal des Temperatursensors ST ausgeführt, werden die verarbeiteten Signale an den PWM 5B ausgegeben und wird vom LPF 6B ein Ausgangssignal 2 erhalten.
Folglich werden mit der Ausführung nach 20 die gleichen Wirkungen wie jene in der vorangehenden Ausführung erhalten. Selbst wenn die Anzahl der Sensoren groß ist, können die Eigenschaften des digitalen Systems in ausreichendem Maß genutzt werden, ohne den Umfang der Hardware wesentlich zu vergrößern, ferner können die Eigenschaften der Sensoren mit hoher Genauigkeit eingestellt werden.
Erfindungsgemäß werden die Funktion der Verstärkung erster Stufe und die A/D-Umsetzungsfunktion durch Ausführen der ΔΣ-Modulation des Ausgangssignals des Sensors erhalten, während die D/A-Umsetzungsfunktion durch den Impulsbreitenmodulator und die Filteroperation erhalten wird. Daher wird eine funktionale Überlappung beseitigt, so daß die Schaltungsgröße reduziert werden kann. Somit kann der digitale Signalprozessor mit sehr genauen Eigenschaften auf einem einzigen Chip bei niedrigen Kosten verwirklicht werden.

Claims

Sensoreinstellschaltung zum Einstellen eines analogen Eingangssignals, das von einem Sensor (S) entsprechend einer zu erfassenden physikalischen Größe eingegeben wird, gekennzeichnet durch einen Analog/Digital-Wandler mit einem analogen Integrator (1), einem Komparator (2) und einem ersten Digital/Analog-Wandler (7), wobei der analoge Integrator (1) den Unterschied zwischen dem analogen Eingangssignal und dem analogen Ausgangssignal des ersten Digital/Analog-Wandlers (7) integriert, der Komparator (2) das Ausgangssignal des Analog-Integrators (1) mit einem vorbestimmten Wert vergleicht und ein Signal auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Komparators (2) in den ersten Digital/Analog-Wandler (7) eingegeben wird, und eine Operationseinheit (4) zum Einstellen des Nullpunkts und der Empfindlichkeit des Signals auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Komparators (2) und zum Ausgeben eines entsprechenden Signals.
Sensoreinstellschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Digital/Analog-Wandler (5) zum D/A-Wandeln des Ausgangssignals der Operationseinheit (4).
Sensoreinstellschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler durch einen überabtastenden Analog/Digital-Wandler gebildet ist, der ein Ausgangssignal mit 4 bis 8 Bits erzeugt.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinheit (4) das Ausgangssignal des Komparators (2) nach Maßgabe von in einem beschreibbaren Speicher (8) gespeicherten Daten verarbeitet.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler digitale Signale mit einem, vier oder acht Bit ausgibt.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandler einen Teil einer Sensorschaltung des Sensors (S) bildet.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Integrator (3) vorgesehen ist, der die Ausgangssignale des Komparators (2) integriert und Ausgangssignale ausgibt zur Verarbeitung durch die Operationseinheit (4) und zur Umwandlung durch den ersten Digital/Analog-Wandler (7).
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinheit (4, 29) durch ein zyklisches Programm betrieben wird, das zyklisch von einer ersten Adresse bis zu einer Adresse entsprechend dem maximalen Zählwert eines Programmzählers (31) läuft.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der beschreibbare Speicher (33–35) eine Fehlererfassungslogik (36) und eine Fehlerkorrekturlogik (36) aufweist.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein ROM (32, 159) zum Speichern zumindest eines auszuführenden Programms, einen Akkumulator (160) zum zeitweisen Speichern von Daten für Datenübertragung, einen ersten Datenbus, der zumindest mit dem Akkumulator (160) verbunden ist, zumindest einen Programmzähler zum Steuern der Ausführung des Programms, wobei der Programmzähler immer aufwärts gezählt wird, mit Ausnahme des Falles, daß er den Maximalwert erreicht hat, wo er von neuem beim Minimalwert beginnt.
Sensoreinstellschaltung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Schreib-Lese-Speicher (164) zum zeitweisen Speichern von Daten, der mittels des ersten Datenbuses mit dem Akkumulator (160) verbunden ist.
Sensoreinstellschaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß im ROM (32, 159) zumindest zwei Programme gespeichert sind und daß zumindest zwei Programmzähler (154–157) vorgesehen sind, die jeweils eines der Programme steuern, wobei immer nur eines der Programme gleichzeitig ausgeführt wird.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das ROM (32, 159) mit einem zweiten Datenbus verbunden ist.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (153) zur Bestimmung, welcher Programmzähler wirksam ist.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Steuerung des Betriebs des zumindest einen Programmzählers, etwa wie Aufwärtszählen, Stop, Rücksetzen oder Vorsetzen.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch eine weitere Operationseinheit (29, 161), die mit dem ersten Datenbus verbunden ist, zur Vornahme arithmetischer Verarbeitungen.
Sensoreinstellschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach Maßgabe eines Zustands der weiteren Operationseinheit (29, 161) das Beschreiben des Akkumulators (160) verboten ist.