-
Die Erfindung betrifft eine Messschaltung, insbesondere
ASIC zur Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung (z.B. in einem
Kfz-Bordnetz) gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Aus
EP 1 030 185 A2 und
US 6 489 693 B1 ist eine
Messschaltung bekannt, die als ASIC (Application-Specific Integrated
Circuit) ausgeführt
ist und in einem Kfz-Bordnetz den Strom überwacht, um fehlerhafte Verbraucher
zu identifizieren oder eine Überlastung
der Batterie erkennen zu können.
-
Für
die Messung analoger Signale werden unter anderem sogenannte Zerhacker-
oder Chopper-Verstärker
eingesetzt, die eine Verringerung des Eingangsoffsets und dessen
Temperaturdrift sowie niederfrequenter Störgrößen ermöglichen. Derartige Zerhacker-
oder Chopper-Verstärker
bestehen aus einem eingangsseitigen Zerhacker (Chopper), einem nachgeschalteten
Verstärker
und einem ausgangsseitigen Demodulator, der das zerhackte und verstärkte Messsignal
phasensynchron gleichrichtet.
-
Nachteilig an den bekannten Zerhacker-Verstärker-Schaltungen
ist jedoch das unbefriedigende Rauschverhalten, die nicht vollständige Unterdrückung der
Eingangs-Offset-Spannung und die Tatsache, dass diese Schaltungen
nur als separate Verstärkerschaltungen
verfügbar
sind.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, eine physikalisch optimierte Zerhacker-Verstärker-Schaltung
für mehrere
einem gemeinsamen Ausgangskreis vorgeschaltete Eingangskanäle in das
digitale Umfeld eines Analog-Digital-Wandlers so zu integrieren,
dass vom Digitalteil keinerlei nachteilige Rückwirkungen auf den Verstärker auftreten
und dass die Demodulation im digitalen Bereich erfolgt.
-
Die Aufgabe wird, ausgehend von der
eingangs beschriebenen bekannten Zerhacker-Verstärker-Schaltung, durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die Erfindung umfasst die allgemeine
technische Lehre, in einer Zerhacker-Verstärker-Schaltung mit mehreren
Signaleingängen
für jeden
Signaleingang jeweils einen Zerhacker vorzusehen. Bei einer Ausführung der
erfindungsgemäßen Messschaltung als
integrierte Schaltung sind die einzelnen Zerhacker zusammen mit
der jeweiligen Eingangsschutzbeschaltung vorzugsweise direkt an
dem Eingangskontakt auf dem Chip angebracht, um die Wirkung des
Zerhackens zu optimieren.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Messschaltung zusätzlich einen Temperatursensor
auf, um die Temperaturabhängigkeit
der Messung kompensieren zu können.
Hierbei ist dem Temperatursensor vorzugsweise ebenfalls ein separater
Zerhacker nachgeschaltet.
-
Vorzugsweise ist der Zerhacker selbst gleichzeitig
der jeweilige Multiplexer, über
den das Mess-Signal auf den Spannungsbus geschaltet wird. Von hier
gelangt das Signal über
weitere Multiplexerschaltungen zum Verstärker bzw. AD-Wandler.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist zwischen dem Verstärker und dem Demodulator ein
Analog/Digital-Wandler angeordnet, der das verstärkte Zerhackersignal in ein
digitales Signal umwandelt, so dass die anschließende Demodulation digital
erfolgen kann.
-
Vorzugsweise weist ein derartiger
Analog/Digital-Wandler ein Filter mit einer programmierbaren Ordnungszahl
auf, wobei neben der Ordnungszahl auch das Oversampling-Verhältnis und
die Oversampling-Taktfrequenz des Analog/Digital-Wandlers vorzugsweise
einstellbar sind.
-
Weiterhin ist in einer Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass die Leitungsführung für alle Eingangssignale zweipolig
ist, um eine differenzielle Messung zu ermöglichen, wodurch Offset, Drift, Rauschen
und Einstreuung von außen
verringert werden. Die gesamte Leitungsführung zwischen dem Signaleingang
und dem Zerhacker, zwischen dem Zerhacker und dem Verstärker, zwischen
dem Verstärker
und AD-Wandler ist deshalb vorzugsweise zweipolig ausgeführt, wozu
vorzugsweise eng beieinanderliegende Leiterbahnen verwendet werden.
-
Darüber hinaus ist in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass dem Verstärker ein Sigma-Delta-Wandler
nachgeschaltet ist, der das zerhackte, verstärkte Messsignal in ein digitales
Signal wandelt.
-
Ferner ist vorzugsweise eine Fühlerbruch-Überwachung
vorgesehen, die eine Unterbrechung der eingangsseitig angeschlossenen
Messleitungen bzw. -fühler
erkennt. Hierzu ist vorzugsweise eine steuerbare Stromquelle vorgesehen,
die auf mindestens einen der Signaleingänge schaltbar ist. Durch eine
Spannungsmessung an dem jeweiligen Signaleingang kann dann erkannt
werden, ob die eingangsseitig angeschlossenen Messleitungen bzw. -fühler unterbrochen
sind.
-
Die Erfindung eignet sich besonders
für die Messung
sehr kleiner bipolarer Signale und hat den Vorteil, dass sie im
Gegensatz zu vergleichbaren bekannten Wandlern für die Verarbeitung ähnlich kleiner
Spannungen ohne zusätzlichen
aufwändigen Vorverstärker und
Multiplexer auskommt.
-
Andere vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten oder werden
nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Messschaltung
als Blockschaltbild.
-
Das Blockschaltbild verdeutlicht
den schaltungstechnischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messschaltung 1,
die in einem Kfz-Bordnetz
zur Stromüberwachung
verwendet werden kann.
-
Das Kfz-Bordnetz ist hierbei nur
schematisch durch eine Batterie BATT, zwei Widerstände R1,
R2, ein Schaltelement 2 sowie einen Messwiderstand Rsh
dargestellt, wobei die über
dem Messwiderstand Rsh abfallende Spannung den Strom in dem Kfz-Bordnetz
wiedergibt.
-
Die Messschaltung 1 weist
deshalb zwei Signaleingänge
RSHH und RSHL auf, die eine differenzielle Spannungsmessung an dem
Messwiderstand Rsh ermöglichen
und deshalb mit den beiden Anschlüssen des Messwiderstandes Rsh
verbunden sind.
-
Darüber hinaus weist die Messschaltung 1 einen
Batteriespannungseingang VBAT auf, der mit dem Verbindungspunkt
zwischen dem Schaltelement 2 und dem Widerstand R2 des
Kfz-Bordnetzes verbunden ist.
-
Ferner verfügt die Messschaltung 1 über einen
Signaleinang ETS, an den ein Sensor 3 mit einem variablen
Widerstand angeschlossen ist.
-
Schließlich weist die Messschaltung 1 noch einen
Signaleingang ETR auf, der über
einen Widerstand Rref mit Masse verbunden ist.
-
Die an den Eingängen VBAT, ETS und ETR angeschlossenen
Sensoren/Widerstände
können über eine
eingebaute und an jeden Eingang schaltbare, digital steuerbare und
programmierbare Stromquelle 18 von der Mess-Schaltung angeregt
werden. Der dadurch hervorgerufene Spannungsabfall kann dann am
selben Eingang als Sensorsignal erfasst werden.
-
Die Signaleingänge RSHL, RSHH, VBAT, ETS und
ETR sind jeweils einzeln mit Zerhackern 4.1–4.5 verbunden, die mit
einer Frequenz von 20 kHz arbeiten. Die einzelnen Zerhacker 4.1–4.5 enthalten
die Eingangsschutzbeschaltung und die Eingangsmultiplexer. Sie sind
hierbei auf dem Chip der Messschaltung 1 unmittelbar an
den Kontakten der Signaleingänge
RSHL, RSHH, VBAT, ETS bzw. ETR angeordnet, um Offsetunterdrückung und
Rauschverhalten zu optimieren.
-
Der Zerhacker 4.1 ist durch
eine zweipolige Verbindung eingangsseitig direkt mit den beiden
Signaleingängen
RSHH und RSHL verbunden, wobei die zweipolige Leitungsführung Offset,
Drift und Rauschen und die Empfindlichkeit auf externe Störfelder (EMV-Empfindlichkeit)
verringert.
-
Der Zerhacker 4.3 ist ebenfalls
durch eine zweipolige Leitung direkt mit den beiden Signaleingängen VBAT
und ETS verbunden, während
die Zerhacker 4.2, 4.4 und 4.5 über eine
gemeinsame Masseleitung und ein Schaltelement M3 mit Masse verbunden
sind (wobei mit Masse ein beliebiges gemeinsames Bezugspotenzial
bei RSHL gemeint ist, auf das alle Signaleingänge bezogen sein können) .
-
Ausgangsseitig ist der Zerhacker 4.1 mit
einem Verstärker 5 verbunden,
wobei der Verstärker 5 einen
programmierbaren Verstärkungsfaktor
aufweist.
-
Die anderen Zerhacker 4.2–4.5 sind
ausgangsseitig mit einem zweipoligen Spannungsbus 11 verbunden,
der über
einen Verstärker 12 (Buffer)
mit einem Multiplexer 6 verbunden ist. Der Multiplexer 6 kann
also entweder das von dem Verstärker 5 verstärkte Signal
des Zerhackers 4.1 oder das auf dem Spannungsbus 11 anliegende
Signal eines der Zerhacker 4.2–4.5 an den Modulator 7 weiterleiten.
-
Darüber hinaus ist der Spannungsbus 11 über einen
weiteren Mul-tiplexer 13 mit
dem Eingang des Verstärkers 5 verbunden.
Der Verstärker 5 kann also
eingangsseitig entweder das Signal des Zerhackers 4.1 oder
das auf dem Spannungsbus 11 anliegende Signal aufnehmen.
-
Ein Digitalteil der Schaltung beinhaltet
einen Steuermodus, der es erlaubt, sehr schnell zwischen diesen
beiden Eingangskanälen
des Verstärkers
umzuschalten, womit eine Quasi-2-Kanal Messung mit nur einem A/D-Wandler
ermöglicht
wird. Die automatische Umschaltung erfolgt dabei zwischen der Strommessung
(Zerhacker 4.1) und einer Messung auf dem Spannungsbus
(Zerhacker 4.2 bis 4.6). Die Selektion und Einstellung
der Messparameter (Verstärkung,
Messgeschwindigkeit, Kanal u.a.) erfolgt dabei vor dem Messbeginn
durch Beschreiben von internen Registern im digitalen Bereich.
-
Weiterhin weist die Messschaltung 1 einen Temperatursensor 14 auf,
der ausgangsseitig mit einem weiteren Zerhacker 4.6 verbunden
ist, wobei der Zerhacker 4.6 ausgangsseitig mit dem Spannungsbus 11 verbunden
ist.
-
Der Ausgang des Verstärkers 5 ist über den Multiplexer 6 mit
einem Sigma-Delta-Wandler, bestehend aus Modulator 7 und
Dezimator 8, verbunden, der ausgangsseitig ein Digitalsignal
an eine Digitalschaltung 9 abgibt. Die Demodulation bzw.
das Dechopping erfolgt im digitalen Teil, also nicht wie bei herkömmlichen
Zerhackerverstärkern
im analogen Teil der Schaltung.
-
Während
eines Messzyklus werden in jeder Polarität des Multiplexers vier (oder
acht) Messungen durchgeführt,
wovon wegen der unvermeidlichen Einschwingvorgänge des analogen Teils nur
der letzte Wert für
die digitale Berechnung des offset-kompensierten Messwertes benutzt
wird, so dass Einschwingeffekte vollständig vermieden werden. Ein aktualisierter
voll offset-kompensierter Messwert steht bei kontinuierlicher Messung
bereits nach der einfachen Wandlungszeit zur Verfügung, da
der jeweils letzte Messwert mit anderem Vorzeichen für die digitale
Berechnung benutzt werden kann.
-
Die Digitalschaltung 9 ist
darüber
hinaus mit einer digitalen Schnittstelle 10 verbunden, über die das
Messsignal ausgegeben werden kann.
-
Darüber hinaus ermöglicht die
Messschaltung 1 die Erkennung einer Unterbrechung bzw.
eines Bruchs der Anschlussleitungen, die an den beiden Signaleingängen RSHH
und RSHL angeschlossen sind. Hierzu weist die Messschaltung 1 zwei schaltbare
Stromquellen 15.1, 15.2 auf, die an die beiden
Signaleingänge
RSHH und RSHL angeschlossen sind und einen Messstrom abgeben können. Durch
eine Messung der differenziellen Spannung an den beiden Signaleingängen RSHH
und RSHL kann dann ermittelt werden, ob die Anschlussleitungen unterbrochen
bzw. defekt sind.
-
In gleicher Weise können die
Anschlussleitungen an den Eingängen
VBAT, ETR, ETS auf Bruch untersucht werden durch Aufschalten der
internen Stromquelle 17.
-
Schließlich ermöglicht die Messschaltung 1 eine
analoge Verschiebung des Eingangssignals auf etwa die halbe Versorgungsspannung,
wodurch es gelungen ist, Eingangsspannungen mit posi tiven und negativen
Werten bis +/- 0,7 V mit gleicher Güte zu messen. Hierzu weist
die Messschaltung 1 eine Trimmschaltung 16 und 17 auf,
die ausgangsseitig mit dem Modulator 7 und eingangsseitig
mit einem Referenzeingang REF und einem analogen Masseeingang AGND
verbunden ist.
-
Diese Schaltung beinhaltet auch eine
Präzisionsreferenzspannung,
deren Absolutwert und Temperaturkoeffizient über die digitale Schnittstelle
getrimmt werden kann.
-
Die Messschaltung beinhaltet außerdem einen
sog. "Sleep-Modus", bei dem alle Funktionsgruppen
zur Reduzierung der Stromquelle abgeschaltet sind. Der Versorgungsstrom
liegt in diesem Fall unter 100 μA.
-
Eine Besonderheit stellt der in diesem
Modus aktivierbare "Aktive
Wake-Up-Modus" dar.
Hierbei wird über
einen im digitalen Bereich plazierten internen Oszillator/Timer
die Messschaltung ca.1 mal pro sec aktiviert und eine vorprogrammierte
Messung durchgeführt.
Wird dabei eine Überschreitung
eines ebenfalls vorprogrammierten Grenzwertes festgestellt, wird
eine Ausgangsleitung aktiviert, über
die wiederum eine externe übergeordnete
Elektronikbaugruppe geweckt werden kann. Wird kein Fehler festgestellt,
kehrt die Schaltung wieder in den "Sleep-Modus" bis zur nächsten Aktivierung zurück.
-
Die vorstehend beschriebene Messschaltung
kann vorteilhaft zur Messung des von einer Fahrzeugbatterie zu den
angeschlossenen Verbrauchern fließenden Gesamtstroms und/oder
des Ladestroms der Fahrzeugbatterie verwendet werden, um in der
in
EP 1 030 185 A1 und
US 6 489 693 B1 beschriebenen
Weise die einzelnen Verbraucher zu überwachen bzw. die Batterieströme im Sinne
einer Verlängerung
der Lebensdauer der Fahrzeugbatterie zu steuern. Auf die Offenbarung
dieser Dokumente wird hier Bezug genommen. Demgemäß kann die Messschaltung
1 vorteilhaft
auf einer Oberfläche eines
aus einer Metalllegierung bestehenden Messwiderstands wie z.B. des
Widerstands Rsh montiert oder angeordnet sein, zweckmäßig mit
wärmeleitender
Verbindung.
-
Die Erfindung ist nicht auf den vorstehend beschriebenen
ASIC als bevorzugtes Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar,
die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb
in den Schutzbereich fallen.