DE3115195A1

DE3115195A1 - Schaltungsanordnung zum integrieren elektrischer signale

Info

Publication number: DE3115195A1
Application number: DE19813115195
Authority: DE
Inventors: Martin 7141 Kirchberg Klenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-04-15
Filing date: 1981-04-15
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE3115195C2

Description

Schaltungsanordung zum Integrieren elektrischer
Signale Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruches.
Es ist bekannt, in der Meß- und Steuertechnik sowie für Rechenzwecke Integratoren einzusetzen, d.h. Schaltungen, die an ihrem Ausgang das zeitliche Integral des am Eingang anliegenden Signales bilden. Derartige Integratoren werden in der einfachsten Weise als RC-Glieder ausgestaltet, es sind jedoch zahlreiche Integratoren bekannt, bei denen eine genauere Integration durch entsprechend aufwendige Schaltungsmaßnahmen erzielt wird.
In der Meßtechnik tritt jedoch häufig der Fall auf, daß ein Eingangssignal während einer vorbestimmten Zeit aufintegriert werden muß, wobei die zeitliche Länge des zu integrierenden Signales im Integrationsintervall stark variiert. Würde man nun in einem derartigen Fall einen üblichen Integrator verwenden, der während des Integrationsintervalles in Int egrierstellung geschaltet wird, würde sich bei zu integrierenden Signalen sehr kurzer zeitlicher Dauer eine schlechte Auflösung ergeben.
Ein derartiges Problem taucht beispielsweise bei der Messung von physikalischen Parametern an Brennkraftmaschinen auf, deren zeitliche Dauer mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine abnimmt, so daß in einem zeitlich festgelegten Meßfenster ein immer kürzeres Signal zu erfassen ist. Dies trifft beispielsweise zu für die Messung des Klopfens einer Brennkraftmaschine über den Körperschall der Maschine, die Messung des Brennraumlichtes, des Brennraumdruckes, des Einspritzvorganges und dgl.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch Verwendung wenigstens zweier parallel geschalteter Integratoren eine Auflösung vorbestimmt wird, die unabhängig von der zeitlichen Dauer des zu messenden Signales ist und genügend hoch eingestellt werden kann, so daß auch die kürzesten zu erwartenden Signale mit hinreichender Auflösung integriert werden können. Dabei werden die Integratoren zyklisch in einer Weise betätigt, die einerseits ein nahtloses Integrieren des Meßsignales gestatten, andererseits wird jedoch auch ermöglicht, die integrierten Einzelsignale in eine Rechenstufe zu überführen und den jeweils gemessenen Einzelwert zu löschen, ehe der betreffende Integrator wieder in die Integrierphase geschaltet wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich dabei in besonderer Weise zum Anschluß an weiter verarbeitende Rechenstufen, insbesondere Mikrocomputer.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsanordnung möglich.
So werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Integrier-, Halte-, Lese- und Zurückse-tzphase durch Schalter im Eingang des Integrators bzw. kurzschliessende Schalter im Ausgang des Integrators realisiert, die von einer Programmsteuerung zyklisch betätigt werden.
Der Integrator ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dabei als RC-Glied im Eingang eines Operationsverstärkers ausgebildet, wobei der eine Schalter im Eingang des RC-Gliedes angeordnet ist und der andere Schalter zum Kurzschließen des Integrationskondensators dient.
Die wenigstens zwei Integratoren werden bevorzugt über einen Multiplexer auf eine Rechenstufe geleitet, um eine Auswertung der Einzelsignale zu ermöglichen, insbesondere durch Aufsummierung der gemessenen Einzelintegrale Schließlich wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bevorzugt zum Erfassen von physikalischen Parametern an Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; Figur 2 eine Tabelle zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1; Figur 3 einen Integrator, wie er bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 verwendet werden kann.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist im Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei der zwei Integratoren 10, 10a parallel geschaltet sind. Im Eingang dieser Integratoren 10, 10a sind Schalter 11, 11a und im Ausgang der Integratoren 10, 10a sind Schalter 12, 12a gegen Masse angeordnet.
Die Schalter 11 bis 12a werden gemeinsam von einer Programmsteuerung 13 angesteuert. Die Integratoren 10, 10a sind bezüglich einer gemeinsamen Eingangsklemme 14 und einem in ihrem Ausgang angeordneten Multiplexer 15 parallel geschaltet. Dem Multiplexer 15 ist ein Analog-Digital-Wandler 16 und diesem ein Mikrocomputer 17 nachgeschaltet. Von der Programmsteuerung 13 führen Steuerleitungen zum Multiplexer 15, zum Analog-Digital-Wandler 16 sowie zum Mikrocomputer 17. Die Programmsteuerung 13 kann jedoch auch durch den Mikrocomputer 17 ausgeführt werden.
Die Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung soll nachfolgend anhand der Tabelle gemäß Figur 2 beschrieben werden.
In der ersten Spalte der Tabelle gemäß Figur 2 sind die verschiedenen, von der Programmsteuerung 13 eingestellten Phasen aufgetragen. Bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung wird die Phase START eingestellt, woran sich die Phasen 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4 ... in zyklischer Wiederholung anschließen. In der Phase START sind die Schalter 11, 11a geöffnet und die Schalter 12, 12a geschlossen. Hierdurch gelangt kein Eingangssignal auf die Integratoren 10, 10a und die Integratoren werden durch die Masseverbindung an ihrem Ausgang zurückgesetzt, was in der vierten und siebten Spalte der Tabelle mit RESET bezeichnet ist.
Nachdem beide Integratoren 10, 10a bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung zurückgesetzt sind, wird durch die Programmsteurung 13 in der Phase 1 und 2 der Schalter t1 des Integrators 10 geschlossen und der Schalter 12 geöffnet. Hierdurch ist der Integrator 10 in Integrierstellung und integriert das an seinem Eingang über die Eingangsklemme 14 anliegende Signal, was in Spalte vier durch die Bezeichnung INTEGR angedeutet ist. Die Programmsteuerung 13 steuert demgegenüber in der ersten Phase beide Schalter 11a, 12a des Integrators 10a auf, so daß der Augenblickswert des Integrators 16a über den Multiplexer 15 und den Analog-Digital-Wandler 16 in den Mikrocomputer 17 eingelesen werden kann. In der zweiten Phase wird der Integrator 10a dann, wie bereits oben für die START-Phase beschrieben, durch Schließen des Schalters 12a zurückgesetzt.
Während der erste Integrator 10 in der ersten und zweiten Phase integriert hat, wird nunmehr in der dritten und vierten Phase das Eingangssignal von der Klemme 14 durch Schließen des Schalters 11a und Öffnen des Schalters 12a im Integrator 10a aufintegriert. In entsprechender Weise wird in der dritten Phase zunächst durch Öffnen der Schalter 11 und 12 eine Verrastung des Aungenblickswertes des Integrators 10 und ein Auslesen dieses Wertes bewirkt und in der vierten Phase ein Rücksetzen des Integrators 10 durch Schließen des Schalters 12.
Die oben beschriebenen Phasen 1 bis 4 wiederholen sich nun zyklisch, so daß jeweils in einer Phase ein Integrator integriert und der andere Integrator zunächst verrastet, ausgelesen und dann zurückgesetzt wird. Über den Multiplexer 15, den Analog-Digital-Wandler 16 und den Mikrocomputer 17 ergibt sich damit eine nahtlose Erfassung des Eingangssignales, da die Integrierphasen der beiden Integratoren 10, 10a nahtlos ineinander übergehen. Andererseits besteht während der eine Integrator integriert, bei dem anderen Integrator genügend Zeit, um den im Integrationsintervall aufintegrierten Wert zu halten, auszulesen und zu löschen.
Das Gesamtintegral wird nun zweckmäßigerweise im Mikrocomputer 17 durch Aufsummieren der einzelnen Werte gebildet In Figur 3 ist der Schaltplan einer Ausführungsform eines Integrators dargestellt, wie er zweckmäßigerweise für die Integratoren 10, 10a verwendet werden kann. Dabei ist eine Eingangsklemme 10 über einen Widerstand 18 und den Schalter 11 an einen nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 20 angeschlossen, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 21 an eine weitere Eingangklemme 14a angeschlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist über einen Widerstand 22 an den invertierenden Eingang und über einen Widerstand 23 an den Verbindungspunkt von Widerstand 18 und Schalter 11 rückgekoppelt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist weiterhin auf eine Ausgangsklemme 24 geführt, der eine mit der Eingangsklemme 14a verbundene Ausgangsklemme 24a gegenübersteht. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 20 ist weiterhin mit einem Kondensator 19 an die Verbindungsleitungen der Klemmen 14a, 24a angeschlossen und dem Kondensator 19 ist der Schalter 12 parallel geschaltet.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 wird das an den Klemmen 14, 14a anliegende Eingangssignal im RC-Glied 18, 19 integriert, wobei diesem der Operationsverstärker 20, der als negativer Widerstand wirkt, parallel geschaltet ist. Die Schalter 11, 12 sind dabei im Eingang des Operationsverstärkers bzw. parallel zum Integrationskondensator 19 angeordnet und werden in der oben zu Figur 1 und 2 ausführlich dargestellten Weise betätigt.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich bei der Erfassung physikalischer Parameter von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Diese physikalischen Parameter, wie beispielsweise Klopfsignale, die aus dem Körperschall der Brennkraftmaschine, der Temperatur, dem Brennraumlicht, dem Brennraumdruck oder dgl. gewonnen werden können, sind nämlich zur Drehzahl der Brennkraftmaschine korreliert, so daß ihr zeitliches Auftreten immer kürzer wird, je höher die Drehzahl ist.
Da man derartige Parameter üblicherweise in einem sogenannten "Meßfenster" erfaßt, d.h. einem zeitlich festgelegten Meßintervall, das dazu dient, außerhalb des Meßfensters liegende Störsignale, beispielsweise von der Zündung, auszublenden, wird die Auflösung dieses Integrators mit fest eingestellter Integrationszeit immer schlechter, je kürzer das auftretende Signal bei ansteigender Drehzahl wird. Dem kann durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung begegnet werden, indem durch die Umschaltzeit der Integratoren 10, 10a durch die Programmsteuerung 13 eine bestimmte Auflösung vorgegeben wird.
Es versteht sich jedoch von selbst, daß der vorstehend geschilderte Anwendungsfall nur beispielhaft gemeint ist und daß selbstverständlich die beschriebene Schaltungsanordnung auch bei anderen Meßproblemen eingesetzt werden kann, bei denen Signale unterschiedlicher Zeitdauer integriert werden müssen.
Leerseite

Claims

Ansprüche 1. Schaltungsanordnung zum Integrieren elektrischer Signale, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Integratoren (10, 10a) parallel geschaltet sind, wobei der Augenblickswert jedes Integrators (10, 10a) über ein erstes Schaltelement verrastbar und jeder Integrator (10, 10a) über ein weiteres Schaltelement zurücksetzbar ist und ferner eine Programmsteuerung (13) vorgesehen ist, die die Integratoren (10, 10a) zyklisch in Integrierstellung schaltet, verrastet und zurücksetzt, derart, daß sich die Integrierphasen der Integratoren (10, 10a) aneinander anschließen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement ein Schalter (11, 11a) im Integratoreingang ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltelement eine Sample-and-Hold-Stufe im Integratorausgang ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Schaltmittel ein Schalter (12, 12a) zum Kurzschließen des Integratorausganges ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalter ein Schalter (12, 12a) zum Kurzschließen eines Integrationskondensators (19) ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratoren (10, 10a) als RC-Glieder (18, 19) am nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (20) ausgebildet sind, dessen Ausgang auf den invertierenden Eingang und den Verbindungspunkt des Widerstandes (18) mit dem zwischen Widerstand (18) und nichtinvertierendem Eingang angeordneten Schalter (11, 11a) rückgekoppelt ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Integratoren (10, 10a) ausgangsseitig an einen Multiplexer (15) angeschlossen sind, der die integrierten Signale an eine Rechenstufe weiterleitet, in der vorzugsweise die Summe der integrierten Signale gebildet wird.
8. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei der Erfassung physikalischer Parameter einer Brennkraftmaschine.