DE3334603C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus einer Verstärkeranordnung für einen Be
schleunigungsaufnehmer nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Solche Beschleunigungsaufnehmer werden im Kraftfahrzeug z. B. für
sogenannte Airbags oder Gurtstrammer benötigt und sind aus ATZ Auto
mobiltechnischen Zeitschriften 84 (1982) 2, Seiten 77 bis 83 bekannt.
Ein Beschleunigungsaufnehmer erfaßt die Verzögerung des Fahrzeugs,
verstärkt sie und gibt an ein Steuergerät weiter, das ein Aulösesignal
dann erzeugt, wenn eine Verzögerungscharakteristik vorliegt,
die der eines Aufpralls des Fahrzeugs auf ein Hindernis entspricht.
Durch die Auslöseeinrichtung werden Zündkreise elektrisch
ausgelöst, die über eine chemische Reaktion entweder das plötzliche
Aufblasen des Airbags (Luftsacks) oder das plötzliche Anspannen von
Sicherheitsgurten bewirken.
Solche Anordnungen müssen naturgemäß sehr zuverlässig arbeiten, da
die Gefahr besteht, das Fehlauslösungen infolge der Offsetdrift des
Verstärkers über Zeit und Temperatur erfolgen. Bei der Verwendung
von billigen Bauteilen, insbesondere billigen Beschleunigungsaufnehmern
ist die Gefahr besonders groß.
Aus der US-PS 34 55 148 ist ebenfalls eine Verstärkeranordnung für
einen Beschleunigungsaufnehmer bekannt, bei der das Ausgangssignal
eines Verstärkers einem Differenzverstärker zugeführt wird. Ein Ein
gangsanschluß des Differenzverstärkers ist mit einer Referenzspannungsquelle
verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei Verwendung einfacher
und billiger Beschleunigungsaufnehmer eine Offsetdrift (über
der Zeit und der Temperatur) zu vermeiden.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, daß nachteilige Tempera
tureinflüsse ausgeschaltet werden. Auch ein Abgleich der Bauteile
kann entfallen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Hauptanspruch angegebenen Verstärkeranordnung möglich.
Besonders vorteilhaft ist die Einschaltung eines Komparators
mit eigener Offsetkompensation in den Offset
kompensationskreis des Verstärkers, wobei in einem vorgegebenen
Zeittakt in Abhängigkeit der Ausangsspannung
des Komparators der Ausgangsstrom der Stromquelle stufenweise
erhöht oder erniedrigt wird. Dies kann in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft über einen Zähler
erfolgen, dessen Zählrichtung durch das Ausgangssignal
des Komparators festgelegt wird.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, zur Dämpfung der
Resonanzüberhöhung Tiefpässe vor der Verstärkeranordnung
oder zwischen einzelnen Stufen der Verstärkeranordnung
anzuordnen.
Vorteilhaft wird die Frequenz des Zeittakts dabei so niedrig
gewählt, daß die Anordnung als Hochpaß wirkt, d. h.,
daß der Ausgang der Verstärkeranordnung zwar immer auf
einem festen Wert, insbesondere dem Wert Null geregelt
wird, kurzzeitige Beschleunigungswerte jedoch ungehindert
zum Ausgang gelangen können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schaltungsgemäße
Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels.
Das Signal eines einseitig an Masse liegenden piezoelektrischen
Beschleunigungsaufnehmers 10 ist über die Reihen
schaltung zweier Widerstände 11, 12 dem nicht invertierenden
Eingang eines eine Vorverstärkerstufe bildenden
Operationsverstärkers 13 zugeführt. Parallel zur Reihen
schaltung des Beschleunigungsaufnehmers 10 mit dem Widerstand
11 liegt die Reihenschaltung eines Kondensators 14
mit einem weitren Widerstand 15. Wiederum parallel
dazu ist ein Stromableitwiderstand 16 geschaltet. Der
nichtinvertierende Eingang des Komparators 13 ist über
einen Kondensator 17 mit Masse verbunden. Der Widerstand
11 zusammen mit dem Kondensator 14 sowie der Widerstand
12 zusammen mit dem Kondensator 17 bilden zwei
Tiefpässe zur Dämpfung der bei piezoelektrischen Elementen
ausgeprägten Resonanzüberhöhung, die deshalb
notwendig sind, um den Eingang des Operationsverstärkers
13 nicht zu übersteuern. Der Kondensator 14 dient
dabei gleichzeitig zur Temperaturkompensation des
Beschleunigungsaufnehmers. Der Widerstand 15 dient
zu Testzwecken, d. h., über eine mit ihm verbundene
Klemme 18 können Testsignale in den Vorverstärker eingespeist
werden, um auf diese Weise vorteilhaft die elektrische
Schaltung zu prüfen.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 13 ist über einen
Widerstand 19 auf seinen invertierenden Eingang rückgekoppelt
und bildet dadurch die Vorverstärkerstufe. Das
Ausgangssignal des Operationsverstärkers 13 ist über
einen weiteren, aus einem Widerstand 20 und einem
Kondensator 21 bestehenden Tiefpaß zur Dämpfung der
Resonanzüberhöhung mit dem nichtinvertierenden Eingang
eines weiteren Operationsverstärkers 22 verbunden, dessen
Ausgang über einen Widerstand 23 auf den invertierenden
Eingang rückgekoppelt ist, wobei dieser invertierende
Eingang über über einen weiteren Widerstand 24 an Masse gelegt
ist. Dadurch entsteht ein Endverstärker 22 bis
24, dessen Verstärker V=1+R23/R24 ist. Dieser Verstärkungsfaktor
wird dabei vorteilhaft auf einen Wert
zwischen 5 und 20 festgelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers
22 ist mit einer Ausgangsklemme 25
verbunden, die das verstärkte Beschleunigungssignal
einer weiteren Auswerteschaltung zuführt, wie sie beispielsweise
im angegebenen Stand der Technik gezeigt
ist.
Zur Offsetkompensation der beschriebenen Anordnung ist
der Ausgang des Operationsverstärkers 22 über einen
CMOS-Transistorschalter 26 mit dem nichtinvertierenden
Eingang eines als Komparator 27 geschalteten Operationsverstärkers
verbunden. Der invertierende Eingang
ist über einen Kondensator 28 mit Masse und über einen
weiteren Transistorschalter 29 mit seinem Ausgang verbunden.
Ein weiterer Transistorschalter 30 verbindet
den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 27
mit Masse. Ein Zeittaktgeber 31 ist mit den Steuereingängen
der beiden Transistorschalter 29, 30 sowie über
einen Inverter 32 mit dem Steuereingang des Transistorschalters
26 verbunden. Weiterhin erzeugt dieser Zeit
taktgeber 31 Zähltaktsignale für einen Zähler 33 dessen
Zählrichtungseingang U/D durch den Ausgang des Komparators
27 gesteuert ist. Die Zahlenausgänge dieses
Zählers 33 steuern über einen Digital/Analog-Wandler
34 eine Stromquelle 35 deren Ausgangsstrom dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 13 zugeführt
wird.
Die Wirkungsweise der dargestellten Anordnung besteht
darin, daß das Ausgangssignal des Endverstärkers 22 bis
24 durch die Offsetkompensationsschaltung 26 bis 35
auf den Wert Null geregelt wird. Da diese Offset
kompensationsschaltung durch entsprechende Wahl des
Zeittakts (Signallänge des Zeittaktgebers z. B.
300 ms) als Hochpaß wirkt, können kurzzeitige Be
schleunigungssignale ungehindert zur Ausgangsklemme
25 gelangen. Im einzelnen wird dazu zunächst während
einer ersten Zeittaktperiode (0-Signal am Ausgang des
Zeittaktgebers 31) über den Inverter 32 der Transistorschalter
26 geschlossen, wodurch die Aus
gangsspannung an der Klemme 25 mit der Spannung
des Kondensators 28 verglichen wird. In Abhängigkeit
der Differenzspannung entseht am Ausgang des Komparators
27 ein 1-Signal oder ein 0-Signal, durch das
der Zähler 33 auf einen Aufwärtszählvorgang oder einen
Abwärtszählvorgang geschaltet wird. Über ein Zeit
taktsignal am Zähltakteingang des Zählers 33 erfolgt
der entsprechende Zählschritt, durch den der Zählerstand
des Zählers 33 um den Wert 1 erhöht oder erniedrigt
wird. Ein diesem Zählerstand entsprechendes
analoges Steuersignal wird über den D/A-Wandler 34
erzeugt und steuert die Stromquelle 35, die einen
entsprechend erhöhten oder erniedrigten Ausgangsstrom
erzeugt. Dieser greift in den Vorverstärker 13, 19 ein
und wirkt dadurch einer festgestellten zu hohen (positiv)
oder zu niedrigen (negativen) Ausgangsspannung an der
Klemme 25 entgegen, wodurch die erwünschte Kompensation
jeweils stufenweise eintritt.
Wenn der Transistorschalter 26 anschließend geöffnet
wird, dann schließen die Transistorschalter 29 und 30,
wodurch der nichtinvertierende Eingang an Masse gelegt
wird und die gemeinsame Spannung des invertierenden Eingangs
und des Ausgangs dem Kondensator 28 zugeführt wird.
Diese stellt dadurch auf den negativen Wert der
augenblicklichen Offsetspannung des Komparators 27 ein,
so daß sich auch diese nicht fehlerhaft auswirken kann.
Es sei noch festgehalten, daß für diese Schaltung in
vorteilhafter und an sich bekannter Weise eine Initia
lisierungsschaltung (Power-on-Rest) vorgesehen sein
kann, um bei jedem Einschaltvorgang oder bei Unterspannung
definierten Anfangsbedingungen zu schaffen. Dies
ist durch die beiden mit R bezeichneten Pfeile gekennzeichnet.
Der Zähler 33 wird auf einen festgelegten
Zahlenwert gesetzt und der Zeittaktgeber 31 wird für
eine definierte Zeit auf eine höhere Frequenz gesetzt.
Dadurch entsteht ein beschleunigter Offsetausregelvorgang,
der Einschaltabweichungen rascher ausregelt.
Claims (11)
1. Verstärkeranordnung für einen Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere
einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer, mit Offset
kompensation, bei der das Ausgangssignal der Verstärkeranordnung in
einem Komparator (27) mit einer Vergleichsspannung verglichen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich in einem festen oder variablen
Zeittakt erfolgt, daß in Abhängigkeit des Ausgangssignal
des Komparators (27) der Ausgangsstrom einer Stromquelle (35) im
Zeittakt erhöht oder erniedrigt wird, und daß dieser Ausgangsstrom
einem Verstärkereingang zugeführt wird.
2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsoffset-Spannung auf den Wert Null
geregelt wird.
3. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vergleichsspannung die Offsetspannung
des Komparators (27) ist.
4. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Eingang des Komparators (27) über
einen Transistorschalter (26) mit dem Ausgang der
Verstärkeranordung verbunden ist, daß ein Vergleichseingang
des Komparators (27) mit einem Kondensator (28)
verbunden ist, daß im Zeittakt der Transistorschalter
geöffnet und geschlossen wird, wobei jeweils im geöffneten
Zustand der damit verbundenen Eingang des Komparators
(27) an Masse und die Ausgangsspannung an den
Kondensator (28) gelegt wird, und wobei im geschlossenen
Zustand die Komparatorausgangsspanung auf die
Stromquelle (35) einwirkt.
5. Verstärkeranordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus
gangsspannung des Komparators (27) die Zählrichtung
eines im Zeittakt zählenden Zählers (33) gesteuert wird,
und daß durch den Zählerstand der Ausgangsstrom der
Stromquelle (35) gesteuert wird.
6. Verstärkeranordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz
des Zeittakts so niedrig gewählt ist, daß die Anordnung
als Hochpaß wirkt.
7. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß bei jedem Einschaltvorgang und/oder
bei Unterspannung die Frequenz für eine vorgebbare
Zeit erhöht wird.
8. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärkeranordnung wenigstens ein Tiefpaß
(11, 14 bzw. 12, 17) vorgeschaltet ist.
9. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Tiepaßkondensator (14) zur Temperaturkompensation
des Beschleunigungsaufnehmers (10)
vorgesehen ist.
10. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß zur elektrischen Einspeisung eines Prüfimpulses
ein mit dem Tiefpaßkondensator (14) verbundener Widerstand
(15) vorgesehen ist.
11. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkeranordnung aus wenigstens zwei Ver
stärkerstufen (13, 19 bzw. 22 bis 24) besteht, wobei
der Ausgangsstrom der Stromquelle (35) einem Eingang
der ersten Verstärkerstufe (13, 19) zugeführt wird.
12. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Verstärkerstufen wenigstens ein
Tiefpaß (20, 21) vorgesehen ist.
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