DE3721827A1 - Einrichtung zur messung der frequenz eines von einem signalerzeuger erzeugten sinusfoermigen signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Es sind allgemein Einrichtungen bekannt, bei welchen ent­ weder die Perioden des erzeugten sinusförmigen Signals innerhalb einer bestimmten Torzeit oder Taktimpulse während der Perioden des erzeugten Signals ausgezählt und zur Gewinnung einer Aussage über die Frequenz/Drehzahl in einer Signalverarbeitungseinheit entsprechend ausgewertet werden (z. B. DE-PS 31 25 197).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Ein­ richtung so auszubilden, daß mit dieser eine hochaufge­ löste Bestimmung der Frequenz bzw. der Drehzahl einer Welle möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes kennzeichnen.

Aus der hochaufgelösten Drehzahlinformation kann somit durch geeignete Analyse z. B. auf den Zustand eines Verbrennungsmotors geschlossen werden, indem beispiels­ weise aus den Drehzahländerungen während eines oder mehrer Arbeitsspiele - auch im Instationärbetrieb - Informationen über das Drehmoment zu gewinnen sind. Durch die Verknüpfung dieser Informationen mit gleich­ zeitig abgetasteten weiteren Signalen läßt sich z. B. im Werkstattbereich oder bei der Produktionskontrolle auf Fehlerquellen schließen. Da zudem bei den sonstigen Meßwerterfassungen am Motor und am Fahrzeug analoge Meßwerte aufgenommen werden, läßt sich diese Einrichtung in vorteilhafter Weise in die vorhandenen Erfassungs­ systeme integrieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Einrichtung und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Signale und Impulse.

Die Einrichtung umfaßt im wesentlichen vier Einheiten: eine Signalerzeuger-Einheit 1 und eine Signalver­ arbeitungseinheit 2 bestehend aus einer Signalabtast- Einheit 3, einer Vergleicher-Einheit 4 und einer Aus­ werte-Einheit 5.

Die Signalerzeuger-Einheit 1 umfaßt einen mit einer Welle - deren Drehzahl zu messen ist - verbundenen Geber 1.1, welcher mit gleichmäßigen Teilungen 1.1.1 versehen ist und welche als Zähne oder Hell-Dunkel-Markierungen ausgebildet sind. Der Geber 1.1 selbst kann beispielweise durch den Anlasserzahnkranz auf dem Schwungrad eines Motors gebildet sein. Den Teilungen 1.1.1 des Gebers 1.1 benach­ bart angeordnet ist ein Sensor 1.2, welcher als induktiver, kapazitiver oder optischer Sensor ausgebildet ist. Das bei sich drehendem Geber von dem Sensor generierte sinusförmige Signal 1.3 wird über eine Leitung 1.4 einem A/D-Wandler 3.1 der Signalabtast-Einheit 3 zugeführt, wobei der Schalter 1.5 und 1.6 ein Verstärkungs- und/oder Offset-Glied 1.7 und ein Tiefpaßfilter 1.8 in die Leitung 1.4 eingeschleift werden können. Während das Verstärkungs- und/oder Offset-Glied 1.7 bewirkt, daß sinusförmige Signal optimal dem Aufnahmebereich des A/D-Wandlers 3.1 anzupassen, bewirkt das Tiefpaßfilter 1.8 ein Eliminieren von hochfrequenten Störungen im sinusförmigen Signal, während die Nutzfrequenz ungehindert passieren kann.

Die Signalabtast-Einheit 3 beinhaltet neben dem A/D- Wandler 3.1 einen Oszillator 3.2 zur Erzeugung einer Ab­ tasttaktfrequenz 3.2.1 - deren Abtastzeit über ein ent­ sprechendes Einstellglied 3.2.2 eingestellt werden kann - sowie einen Zähler Z und einen Digitalspeicher DSP 1. Mit dem Oszillator 3.2 sind über eine Taktleitung 3.3 der A/D-Wandler 3.1, der Zähler Z und der Digitalspeicher DSP 1 verbunden. Über eine Leitung 3.4 wird die am Ein­ stellglied 3.2.2 eingestellte Abtastzeit T [sec] auf einen Multiplizierer MULT 2 und über eine Leitung 3.5 der jeweilige Zählerstand Z _z auf einen Addierer ADD 2 der Auswerte-Einheit 5 übertragen. Mit dem einen Aus­ gang 3.1.1 des A/D-Wandlers 3.1 ist über eine Leitung 3.6 der Digitalspeicher DSP 1 und mit diesem über eine Leitung 3.6.1 sowohl ein Addierer ADD 1 als auch ein Dividierer DIV 1 der Auswerte-Einheit 5 verbunden, wobei der Addierer ADD 1 des weiteren über eine Leitung 3.6.2 ebenfalls mit dem Ausgang 3.1.1 des A/D-Wandlers 3.1 verbunden ist. Der andere Ausgang 3.1.2 des A/D-Wandlers 3.1 ist über eine Vorzeichenleitung 3.7 mit einer flankenge­ steuerten, monostabilen Kippstufe 4.1 - z. B. TTL 74 121 - der Vergleicher-Einheit 4 verbunden, wobei in die Vorzeichen­ leitung 3.7 über einen Umschalter 4.2 ein Inverter 4.3 ein­ geschleift werden kann.

Innerhalb der Auswerte-Einheit 5 ist der Addierer ADD 1 sowohl über eine Signalleitung 5.1 als auch über eine Befehlsleitung 5.1.1 mit dem Dividierer DIV 1, dieser über eine Signalleitung 5.2 und Befehlsleitung 5.2.1 mit dem Addierer ADD 2, dieser über eine Signalleitung 5.3 und eine Befehlsleitung 5.3.1 mit einem Subtrahieren SUB, dieser über eine Signalleitung 5.4 und eine Befehlsleitung 5.4.1 mit einem Multiplizierer MULT 1 und dieser wiederum über eine Signalleitung 5.5 und eine Befehlsleitung 5.5.1 mit einem Dividierer DIV 2 verbunden. Des weiteren ist über die Signalleitung 5.2 mit dem Dividierer DIV 1 noch ein weiterer Digitalspeicher DSP 2 verbunden, welcher wiederum über eine Signalleitung 5.2.0 ebenfalls mit dem Subtrahierer SUB ver­ bunden ist. Ebenso ist über eine Befehlsleitung 5.3.2 der Addierer ADD 2 noch mit dem Zähler Z und über eine Signal­ leitung 3.4.0 der Multiplizierer MULT 2 noch mit dem Multiplizierer MULT 1 verbunden. Sowohl dem Multiplizierer MULT 2 als auch dem Dividierer DIV 2 werden über Eingabe­ leitungen 5.7 und 5.8 noch Werte eingegeben, so dem Multiplizierer über die Eingabeleitung 5.7 die "Anzahl der Geber-Teilungen 1.1.1" und dem Dividierer über die Eingabe­ leitung 5.8 der Dividend "60".

Ferner ist die Kippstufe 4.1 zur Übertragung eines von ihr erzeugten Ausgangsimpulses 4.1.1 über eine Impuls­ leitung 4.4 sowohl mit dem Addierer ADD 1 als auch dem Digitalspeicher DSP 2 verbunden.

Die Funktion der Einrichtung ist nun folgende und wird anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert:

Durch den sich mit der Welle drehenden Geber 1 mit seinen Teilungen 1.1.1 wird in dem Sensor 1.2 ein sinus­ förmiges Signal 1.3 generiert, welches dem A/D-Wandler 3.1 zugeführt wird. Der A/D-Wandler 3.1 wird von dem Oszillator 3.2 über die Taktleitung 3.3 mit einer kon­ stanten Abtasttaktfrequenz 3.2.1 aktiviert, welche ein Vielfaches - mindestens das Doppelte - der Signal­ frequenz des Signals 1.3 beträgt und in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle am Einstellglied 3.2.2 entsprechend vorgegeben wird. Bei jedem Abtasttakt 3.2.2 entsprechend vorgegeben wird. Bei jedem Abtasttakt bildet der A/D-Wandler 3.1 aus dem sinusförmigen Signal einen dem Abtasttakt zu­ geordneten Digitalwert DW und legt diesen nach seinem Absolutwert AW an den Ausgang 3.1.1 und nach seinem Vor­ zeichen VZ an den Ausgang 3.1.2. Das sinusförmige Analogsignal 1.3 wird also entsprechend digitalisiert, wobei der Digitalwert als Wandlungsergebnis beispielsweise im 2er Komplementcode dargestellt wird (der Wert "+1" wird hierbei als 0001, der Wert "-1" als 1111, der Wert "+2" als 0010, der Wert "-2" als 1110 usw. aus­ gegeben, wobei die erste Ziffer das Vorzeichen beinhaltet).

Es sein nun unterstellt, daß im A/D-Wandler 3.1 durch einen Abtasttakt aus der positiven Halbwelle des sinusförmigen Signals der letzte positive Digitalwert DW + und somit dessen Absolutwert AW + und dessen Vorzeichen VZ + ge­ bildet und an die Ausgänge 3.1.1 und 3.1.2 gelegt worden sind, so daß das Vorzeichen VZ + über die Vorzeichen­ leitung 3.7 und den in dieser Leitung geschlossenen Um­ schalter 4.2 auch an der Kippstufe 4.1 und der Absolutwert AW + über die Leitung 3.6 sowohl am Digitalspeicher DSP 1 als auch über die Leitung 3.6.2 am Addierer ADD 1 anliegt.

Beim nächsten Abtasttakt wird nun über die Taktleitung 3.3 zum einen der Digitalspeicher DSP 1 aktiviert, welcher dann den an ihm anliegenden Absolutwert AW+ übernimmt und zum anderen der Zählerstand des Zählers Z um "1" erhöht.

Ferner wird über die Taktleitung 3.3 der A/D-Wandler 3.1 aktiviert, welcher nun aus der negativen Halbwelle des sinusförmigen Signals den ersten negativen Digitalwert DW - und somit dessen Absolutwert AW - und dessen Vor­ zeichen VZ - bildet. Das am Ausgang 3.1.2 dann anliegende negative Vorzeichen VZ - wird über die Vorzeichenleitung 3.7 auch an der Kippstufe 4.1 angelegt, woraufhin diese auf Grund des Vorzeichenwechsels von "+" auf "-" durchsteuert und einen Ausgangsimpuls J 4.1.1 erzeugt, welcher über die Impulsleitungen 4.4 sowohl den Addierer ADD 1 als auch den Digitalspeicher DSP 2 aktiviert. Der am Ausgang 3.1.1 anliegende Absolutwert AW - wird über die Leitung 3.6 sowohl an den Digitalspeicher DSP 1 als auch über die Leitung 3.6.2 an den Addierer ADD 1 ange­ legt. Mit dem Aktivieren des Addierers ADD 1 durch den Ausgangsimpuls J 4.1.1 übernimmt der Addierer ADD 1 sowohl den gespeicherten Absolutwert AW + aus dem Digitalspeicher DSP 1 aus auch über die Leitung 3.6.2 anliegenden Absolutwert AW - und addiert dieselben. Nach Beendigung der Rechenoperation aktiviert er über die Befehlsleitung 5.1.1 den Dividierer DIV 1, welcher sodann das über die Signal­ leitung 5.1 anliegende Ergebnis Σ ADD 1 des Addierers ADD 1 und den über die Leitung 3.6.1 anliegenden - gspeicherten - Absolutwert AW + übernimmt und den Quotient aus dem Absolut­ wert AW + und dem Ergebnis Σ ADD 1 bildet. Nach Be­ endigung der Rechenoperation aktiviert er über die Be­ fehlsleitung 5.2.1 den Addierer ADD 2, welcher sodann das über die Signalleitung 5.2 anliegende Ergebnis QDIV 1 des Dividierers DIV 1 und den über die Leitung 3.5 anliegenden Zählerstand Zn des Zählers Z übernimmt und diese beiden Werte addiert.

Der Zählerstand Zn entspricht hierbei der Anzahl der Ab­ tasttakte, welche zwischen dem vorausgehenden Aus­ gangsimpuls Jv und dem vorliegenden Ausgangsimpuls J er­ zeugt wurden. Nach Beendigung der Rechenoperation wird zum einen vom Addierer ADD 2 über die Leitung 5.3.2 der Zählerstand des Zählers Z wieder auf "0" zurückgesetzt und zum anderen wird über die Befehlsleitung 5.3.1 der Subtrahierer SUB aktiviert, welcher dann das über die Signalleitung 5.3 anliegende Ergebnis Σ ADD 2 des Addierers ADD 2 und über die Leitung 5.2.0 den Inhalt QDIV 1 _v des Digitalspeichers DSP 2 übernimmt und die Differenz bildet. Das Ergebnis QIV 1 _v wurde hierbei bei den durch den vorausgegangenen Ausgangsimpuls Jv 4.1.1 ausgelösten Rechenoperationen gewonnen und bei dem vorliegenden Ausgangsimpuls J 4.1.1 durch Aktivieren des Digitalspeichers DSP 2 über die Impulsleitung 4.4 in denselben übernommen, während das aktuell vor­ liegende Ergebnis QDIV 1 erst beim nächst folgenden Aus­ gangsimpuls J _N 4.1.1 in den Digitalspeicher DSP 2 über­ nommen wird.

Nach Beendigung der Rechenoperation aktiviert der Sub­ trahierer SUB über die Befehlsleitung 5.4.1 den Multi­ plizierer MULT 1, welcher aus dem über die Signalleitung 5.4 anliegenden Ergebnis DSUB und dem über die Eingabe­ leitung 3.4.0 anliegenden Ergebnis des Multiplizierers MULT 2 das Produkt bildet. Das Ergebnis des Multiplizierers MULT 2 ist das Produkt aus der Abtastzeit T der Abtast­ taktfrequenz 3.2.1 - welche über die Leitung 3.4 am Multi­ plizierer MULT 2 anliegt - und der Anzahl der Geber-Teilungen 1.1.1 (= Anzahl der Zähne oder Markierungen) - welche über die Eingabeleitung 5.7 dem Multiplizierer MULT 2 eingegeben wird -; das Ergebnis ist also ein signalerzeugerspezifisches Produkt, da es die einzelfallabhängige Ausbildung des Gebers 1.1 berücksichtigt, der beispielsweise auch eine trans­ latorische Bewegung ausführen könnte. Da sowohl die einge­ stelle - an 3.2.2 - Abtastzeit T als auch die Anzahl der Geber-Teilungen 1.1.1 bekannt sind, könnte man auch manuell hieraus das Produkt bilden und dem Multiplizierer MULT 1 als Betrag eingeben; der Multiplizierer MULT 2 könnte dann entfallen.

Nach Beendigung der Rechenoperation aktiviert der Multi­ plizierer MULT 1 über die Befehlsleitung 5.5.1 den Dividierer DIV 2, welcher dann aus dem über die Eingabeleitung 5.8 an­ liegenden Wert "60" und dem über die Signalleitung 5.5 an­ liegenden Ergebnis PMULT 1 den Quotient QDIV 2 bildet. Der Eingabewert "60" kommt dadurch zustande, als das Ergebnis PMULT 1 in "Sekunden pro Umdrehung" vorliegt und man durch den nachfolgenden Dividierer DIV 2 das Ergebnis QDIV 2 in "Umdrehungen pro Minute" erhalten und auf einem entsprechen­ den Bauteil 5.9 darstellen kann.

Ersichtlich werden die Amplitudenwerte des Signals 1.3 auf Nulldurchgänge mit fallender Flanke untersucht, wodurch Nullpunktfehler bei der A/D-Wandlung weitgehend kompensiert werden. Während also beim Ausführungsbeispiel immer dann ein Ausgangsimpuls J 4.1.1 erzeugt und somit ein Rechen­ operationen-Durchlauf in der Auswerte-Einheit 5 initiiert wird, wenn das sinusförmige Signal von der positiven in die negative Halbwelle übergeht (fallende Flanke), können dann, wenn das über die Vorzeichenleitung 3.7 der Kipp­ stufe 4.1 zugeführte Vorzeichensignal alternativ über den Inverter 4.3 - durch Umlegen des Umschalters 4.2 - ge­ führt wird, die Amplitudenwerte des Signals 1.3 auf Null­ durchgänge mit steigender Flanke - Übergang von der negativen in die positive Halbwelle - untersucht werden.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Messung der Frequenz eines von einem Signalerzeuger erzeugten sinusförmigen Signals, insbesondere Einrichtung zur Messung der Drehzahl einer Welle mittels des von einem aus einem mit der Welle umlaufenden und gleichmäßige Teilungen aufweisenden Geber und einem Sensor bestehenden Signalerzeuger erzeugten Signals, welche eine einen Oszillator, Wandler, Zähler und Speicher beinhaltende Signalverarbeitungseinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das sinusförmige Signal (1.3) einem A/D-Wandler (3.1) der Signalverarbeitungseinheit (2) zugeführt wird,
  welcher von dem Oszillator (3.2) mit einer konstanten - jedoch einstellbaren - Abtasttaktfrequenz (3.2.1) aktiviert wird - welche größer als die Signalfrequenz (1.3) ist -
  und welcher aus dem sinusförmigen Signal (1.3) den Ab­ tasttakten (AT) zugeordnet jeweils Digitalwerte (DW) bildet und diese nach Vorzeichen (VZ) und Absolutwert (AW) an seine Ausgänge (3.1.1, 3.1.2) legt, wobei das Vorzeichen (VZ) einer Kippstufe (4.1) zugeführt wird,
• - daß von jedem Abtasttakt (AT) des Oszillators (3.2) ausgelöst über eine Taktleitung (3.3)

zum einen

• sowohl ein erster Digitalspeicher (DSP 1) aktiviert wird, welcher dann den am Ausgang (3.1.1) des A/D- Wandlers (3.1) gerade anliegenden Absolutwert (AW) des beim vorausgegangenen Abtasttakt gebildeten Digitalwertes übernimmt und sowohl einem Addierer (ADD 1) als einem Dividierer (DIV 1) zugeführt, als auch der Zähler (Z) um "1" erhöht wird, wobei der Zählerstand einem Addierer (ADD 2) zugeführt wird.

zum anderen

• der A/D-Wandler (3.1) aktiviert wird, welcher nunmehr den nächsten Digitalwert bildet und diesen nach Vorzeichen (VZ) und Absolutwert (AW) an seine Ausgänge legt, wobei dieser nächste Absolutwert (AW) ebenfalls dem Addierer (ADD 1) zugeführt wird,
• - daß von der Kippstufe (4.1) nur dann ein Ausgangs­ impuls J (4.1.1) erzeugt wird, wenn das Vorzeichen (VZ) von "+" auf "-" (alternativ von "-" auf "+") wechselt, welcher Ausgangsimpuls J (4.1.1) über eine Impuls­ leitung (4.4) sowohl den Addierer (ADD 1) als auch einen zweiten Digitalspeicher (DSP 2) aktiviert, woraufhin der Addierer (ADD 1) den vom Digitalspeicher (DSP 1) zugeführten Absolutwert (AW +) des letzten positiven Digitalwertes zu dem Absolutwert (AW -) des ersten negativen Digitalwertes addiert und nach Be­ endigung der Rechenoperation den Dividierer (DIV 1) aktiviert, welcher den Quotient aus dem Absolutwert (AW +) des letzten positiven Digitalwertes und dem Ergebnis Σ (ADD 1 des Addierers (ADD 1) bildet und nach Beendigung der Rechenoperation den Addierer (ADD 2) aktiviert, welcher das Ergebnis QDIV 1 des Dividierers (DIV 1) zu dem zwischen dem vorausgegangenen (J _V ) und dem vorligenden Ausgangsimpuls (J) erreichten Zählerstand (Zn) beim Vorliegen des erste negativen Digital­ wertes addiert und nach Beendigung der Rechenoperation zum einen den Zähler (Z) auf "0" zurücksetzt und zum anderen einen Subtrahierer (SUB) aktiviert, welcher die Differenz aus dem Ergebnis Σ ADD 2 des Addierers (ADD 2) und dem Inhalt (QDIV 1 _v ) des Digitalspeichers (DSP 2) bildet, wobei das Ergebnis (QDIV 1 _v ) bei den durch den vorausgegangenen Ausgangsimpuls (J _v ) ausgelösten Rechenoperationen gewonnen und bei dem vorliegenden Ausgangsimpuls (J) in den Digitalspeicher (DSP 2) übernommen wurde, während das vorliegende Ergebnis (QDIV 1) erst beim nachfolgenden Ausgangsimpuls (J _N ) in den Digitalspeicher (DSP 2) übernommen wird, und nach Beendigung der Rechenoperation einen Multiplizierer (MULT 1) aktiviert, welcher das Produkt aus dem Ergebnis (DSUB) des Subtrahierers (SUB) und einem signalerzeugerspezifischen Produkt (Anzahl der Geber-Teilung (1.1.1) multipliziert mit der Abtastzeit (T) der Abtasttaktfrequenz) bildet und nach Beendigung der Rechenoperation erforderlichenfalls einen Dividierer (DIV 2) aktiviert, welcher den Quotienten (QDIV 2) [Umdrehung pro Minute] aus der Zahl "60" und dem Ergebnis (PMULT 1) [Sekunden pro Umdrehung] bildet,
• - und daß durch den beim nächsten Nulldurchgang des sinusförmigen Signals (1.3) von "+" auf "-" (alternativ von "-" auf "+") erzeugten Ausgangsimpuls (J _N ) eine erneute Messung der Drehzahl erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasttaktfrequenz (3.2.1) ein Vielfaches der Signalfrequenz des sinusförmigen Signals (1.3) beträgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei hoher Drehzahl und in Folge bei hoher Signal­ frequenz eine hohe Abtasttaktfrequenz (3.2.1) einge­ stellt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe der Digitalwerte des A/D-Wandlers (3.1) im 2er Komplementcode erfolgt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine flankengesteuerte, monostabile Kippstufe (4.1) Verwendung findet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Kippstufe (4.1) über einen Umschalter (4.2) ein Inverter (4.3) in Reihe schaltbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Sensor (1.2) und den A/D-Wandler (3.1) ein Verstärkungs- und/oder Offset-Glied (1.7) schaltbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Sensor (1.2) und den A/D-Wandler (3.1) ein Tiefpaßfilter (1.8) schaltbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das signalerzeugerspezifische Produkt dem Multi­ plizierer (MULT 1) manuell als Betrag eingebbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das singnalerzeugerspezifische Produkt dem Multi­ plizierer (MULT 1) von einem Multiplizierer (MULT 2) zugeführt wird, an dessen Eingängen über eine Leitung (3.4) die Abtastzeit (T) der Abtasttaktfrequenz (3.2.1) und über eine Eingabeleitung (5.7) die Anzahl der Geber- Teilungen (1.1.1) anliegt.