DE3115195C2

DE3115195C2 -

Info

Publication number: DE3115195C2
Application number: DE19813115195
Authority: DE
Inventors: Martin 7141 Kirchberg De Klenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-04-15
Filing date: 1981-04-15
Publication date: 1990-09-27
Also published as: DE3115195A1

Description

Stand der Technik

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 Ein gang anliegenden Signales bilden. Derartige Integratoren werden in der einfachsten Weise als RC-Glieder ausge staltet, 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 auf integriert 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 Integrierstellung geschaltet wird, würde sich bei zu integrierenden Signalen sehr kur zer zeitlicher Dauer eine schlechte Auflösung ergeben. Ein derartiges Problem taucht beispielsweise bei der Messung von physikalischen Parametern an Brennkraft maschinen auf, deren zeitliche Dauer mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine abnimmt, so daß in einem zeitlich festgelegten Meßfenster ein immer kür zeres Signal zu erfassen ist. Dies trifft beispiels weise zu für die Messung des Klopfens einer Brennkraft maschine über den Körperschall der Maschine, die Mes sung des Brennraumlichtes, des Brennraumdruckes, des Einspritzvorganges und dgl.

Generell sind Schaltungsanordnungen zum Integrieren elektrischer Signale vielfältig bekannt. So offenbart die DE-OS 22 02 059 "Ver fahren und Vorrichtung zur Integration einer elektrischen Spannung mit digitaler Anzeige". Diese Vorrichtung weist einen ersten Inte grator auf, der während der Gesamtintegrierzeit wiederholt dadurch zurückgesetzt wird, daß ein Kurzschlußschalter einen Integrier kondensator entlädt, wobei eine Rechenstufe die jeweiligen Teilinte grationswerte aufaddiert. Als etwas problematisch haben sich bei diesem Stand der Technik die Rücksetzpausen während des gesamten Integrationsvorganges erwiesen, weil sie zwangsläufig die Genauig keit des Ergebnisses beeinträchtigen.

Speziell dem Rücksetzen eines Integrators widmet sich die Anmeldung nach der DE-OS 26 00 194, die eine "Entladungsschaltung für den Integrationskondensator eines kapazitiv gegengekoppelten Inte grationsverstärkers" behandelt. Schließlich betrifft die GB-PS 14 66 729 Integratorschaltungen ("Integrator Circuits") mit Invertierungsmitteln in der Eingangsleitung eines Integrators sowie getrennten Vergleichern für dessen Ausgangssignal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Integrieren elektrischer Signale zu schaffen, die eine gute Auf lösung bei hoher Genauigkeit auch bei stark unterschiedlichen Meß intervallen liefert.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Dabei besteht der Kern der Erfindung in der wenigstens doppelten Anordnung von Integratoren, die voneinander unabhängig in die Betriebsarten " Integrieren", "Halten" und "Rücksetzen" schaltbar sind, und darin, daß je nach Gesamtintegrationsdauer die Integratoren wechselseitig mit aneinander anschließenden Inte grationsphasen integrieren und deren Integralwerte in einer Rechen stufe addiert werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen den Vorteil, daß durch Verwendung wenigstens zweier parallel geschalteter Integratoren eine Auflösung vorbe stimmt wird, die unabhängig von der zeitlichen Dauer des zu messenden Signales ist und genügend hoch einge stellt werden kann, so daß auch die kürzesten zu er wartenden Signale mit hinreichender Auflösung inte griert werden können. Dabei werden die Integratoren zyklisch in einer Weise betätigt, die einerseits ein naht loses Integrieren des Meßsignales gestatten, anderer seits wird jedoch auch ermöglicht, die integrierten Einzelsignale in eine Rechenstufe zu überführen und den jeweils gemessenen Einzelwert zu löschen, ehe der be treffende Integrator wieder in die Integrierphase geschal tet 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 an gegebenen Schaltungsanordnung möglich.

So werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Er findung die Integrier-, Halte-, Lese- und Zurücksetzphase durch Schalter im Eingang des Integrators bzw. kurzschlies sende 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 Ein gang eines Operationsverstärkers ausgebildet, wobei der eine Schalter im Eingang des RC-Gliedes angeordnet ist und der andere Schalter zum Kurzschließen des Integra tionskondensators dient.

Die wenigstens zwei Integratoren werden über einen Multiplexer auf eine Rechenstufe geleitet, um eine Auswertung der Einzelsignale zu ermöglichen, ins besondere durch Aufsummierung der gemessenen Einzel integrale.

Schließlich wird die erfindungsgemäße Schaltungsanord nung 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 zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 eine Tabelle zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Integrator, wie er bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist im Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei der zwei Integratoren 10, 10 a parallel geschaltet sind. Im Eingang dieser Integratoren 10, 10 a sind Schalter 11, 11 a und im Ausgang der Integratoren 10, 10 a sind Schalter 12, 12 a gegen Masse angeordnet. Die Schalter 11 bis 12 a werden gemeinsam von einer Pro grammsteuerung 13 angesteuert. Die Integratoren 10, 10 a 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 nach geschaltet. Von der Programmsteuerung 13 führen Steuer leitungen 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 Fig. 1 dargestellten Schaltungs anordnung soll nachfolgend anhand der Tabelle gemäß Fig. 2 beschrieben werden.

In der ersten Spalte der Tabelle gemäß Fig. 2 sind die verschiedenen, von der Programmsteuerung 13 eingestellten Phasen aufgetragen. Bei Inbetriebnahme der Schaltungs anordnung 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, 11 a geöffnet und die Schalter 12, 12 a geschlossen. Hierdurch gelangt kein Eingangssignal auf die Integratoren 10, 10 a 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, 10 a bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung zurückgesetzt sind, wird durch die Programmsteuerung 13 in der Phase 1 und 2 der Schal ter 11 des Integrators 10 geschlossen und der Schalter 12 geöffnet. Hierdurch ist der Integrator 10 in Inte grierstellung 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 11 a, 12 a des Integrators 10 a auf, so daß der Augenblickswert des Integrators 16 a über den Multiplexer 15 und den Analog-Digital-Wandler 16 in den Mikrocomputer 17 eingelesen werden kann. In der zweiten Phase wird der Integrator 10 a dann, wie bereits oben für die START-Phase beschrieben, durch Schließen des Schalters 12 a 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 11 a und Öffnen des Schalters 12 a im Integrator 10 a aufintegriert. In entsprechender Weise wird in der dritten Phase zunächst durch Öffnen der Schalter 11 und 12 ein Halten des Augenblickswertes 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 Inte grator integriert und der andere Integrator zunächst gehalten, 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, 10 a nahtlos ineinander übergehen. Andererseits besteht, während der eine Inte grator 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 Mikro computer 17 durch Aufsummieren der einzelnen Werte gebil det.

In Fig. 3 ist der Schaltplan einer Ausführungsform eines Integrators dargestellt, wie er zweckmäßigerweise für die Integratoren 10, 10 a verwendet werden kann. Dabei ist eine Eingangsklemme 14 über einen Widerstand 18 und den Schalter 11 an einen nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 20 angeschlossen, dessen in vertierender Eingang über einen Widerstand 21 an eine weitere Eingangsklemme 14 a angeschlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist über einen Widerstand 22 an den invertierenden Eingang und über einen Wider stand 23 an den Verbindungspunkt von Widerstand 18 und Schalter 11 rückgekoppelt. Der Ausgang des Operationsver stärkers 20 ist weiterhin auf eine Ausgangsklemme 24 ge führt, der eine mit der Eingangsklemme 14 a verbundene Aus gangsklemme 24 a gegenübersteht. Der nichtinvertierende Ein gang des Operationsverstärkers 20 ist weiterhin mit einem Kondensator 19 an die Verbindungsleitungen der Klemmen 14 a, 24 a angeschlossen und dem Kondensator 19 ist der Schalter 12 parallel geschaltet.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 wird das an den Klemmen 14, 14 a anliegende Eingangssignal im RC- Glied 18, 19 integriert, wobei diesem der Operations verstärker 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 Fig. 1 und 2 ausführlich dargestellten Weise betätigt.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich bei der Erfas sung physikalischer Parameter von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen. Diese physikalischen Parameter, wie beispielsweise Klopfsignale, die aus dem Körper schall der Brennkraftmaschine, der Temperatur, dem Brennraumlicht, dem Brennraumdruck oder dgl. gewonnen werden können, sind nämlich zur Drehzahl der Brenn kraftmaschine korreliert, so daß ihr zeitliches Auf treten immer kürzer wird, je höher die Drehzahl ist. Da man derartige Parameter üblicherweise in einem so genannten "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 Integrations zeit immer schlechter, je kürzer das auftretende Signal bei ansteigender Drehzahl wird. Dem kann durch die er findungsgemäße Schaltungsanordnung begegnet werden, indem durch die Umschaltzeit der Integratoren 10, 10 a 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 Schal tungsanordnung auch bei anderen Meßproblemen eingesetzt werden kann, bei denen Signale unterschiedlicher Zeit dauer integriert werden müssen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Integrieren elektrischer Signale mit wenigstens zwei Integratoren (10, 10 a), die voneinander unabhängig auf die Betriebsarten "Integrieren", "Halten" und "Rücksetzen" schaltbar sind, mit einem den Integratoren (10, 10 a) nachgeschal teten Multiplexer (15), mit einer auf den Multiplexer (15) folgenden Rechenstufe (17) sowie mit einer Programmsteuerung zum Steuern der Betriebsarten der Integratoren (10, 10 a), des Multiplexers (15) und der Rechenstufe (17) derart, daß je nach Gesamtintegrationsdauer die Integratoren (10, 10 a) wechselseitig mit aneinander anschließenden Integrationsphasen integrieren und die Ausgangssignale der Inte gratoren (10, 10 a) in der Rechenstufe (17) addiert werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsart "Halten" mittels eines ersten Schalters (11, 11 a) im Integratoreingang realisierbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsart "Halten" mittels einer Sample-and-Hold-Stufe im Integratorausgang realisierbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsart "Rücksetzen" mittels eines weiteren Schalters (12, 12 a) zum Kurzschließen des Integrator ausgangs realisierbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsart "Rücksetzen" mittels eines weiteren Schalters (12, 12 a) zum Kurzschließen eines Inte grationskondensators (19) realisierbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Integratoren (10, 10 a) aus einem RC-Glied (18, 19) in Verbindung mit einem Operationsverstärker (20) besteht und das RC-Glied (18, 19) zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (20) geführt ist, vom Ausgang des Operations verstärkers einerseits ein Widerstand (23) zum operationsverstärker seitigen Anschluß des Integrations-Widerstandes (18) geschaltet ist und andererseits ein Gegenkopplungs-Widerstand (22) zum invertieren den Eingang des Operationsverstärkers führt, der ferner über einen Widerstand (21) an einer weiteren Anschlußklemme (14 a) liegt, und daß der erste Schalter (11) zwischen dem Integrations-Widerstand (18) und dem Integrationskondensator (19) angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei der Erfassung physikalischer Parameter einer Brennkraftmaschine.