DE3823018A1 - Verfahren und vorrichtung zum entstoeren von mikroprozessor-schaltungen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ent­ stören von Mikroprozessor-Schaltungen.

Mikroprozessor-Schaltungen werden mehr und mehr für Kraftfahrzeug-Steuerungen verwendet. Sie haben den Nachteil, Störfrequenzen abzugeben, die auf im Kraft­ fahrzeug vorgesehene Radioempfänger einwirken. Beson­ ders störend sind schmalbandige Abstrahlungen hoher Energiedichte, beispielsweise Oberwellen der Oszilla­ tor- oder Busfrequenzen des Mikroprozessors, wobei die Störungen um so größer sind, je höher die Takt­ frequenz ist. Sie können dazu führen, daß der automa­ tische Sendersuchlauf des Radioempfängers gestört wird, nämlich, daß der PLL (phase locked loop) beim Sendersuchlauf auf der Störfrequenz einrastet, also ohne einen brauchbaren Sender gefunden zu haben. Der Suchvorgang muß in diesem Fall neu initiiert werden. Durch die Störfrequenz des Mikroprozessors können auch Empfangssignale gleicher Frequenz gestört wer­ den. Es hat sich herausgestellt, daß die diskreten Störspitzen für Radioempfänger in Kraftfahrzeugen be­ sonders störend sind.

Es ist bekannt, Mikroprozessor-Schaltungen zur Ver­ minderung von derartigen Störsignalen in Abschirmge­ häusen unterzubringen. An das Gehäuse angeschlossene Leitungen müssen über Durchführungskondensatoren ge­ führt werden. Insgesamt ist diese Lösung nicht nur sehr kostenintensiv, sondern auch aufwendig; insbe­ sondere muß ein entsprechender Raum für ein derarti­ ges Gehäuse vorgesehen werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Haupt­ anspruch genannten Merkmalen und die Vorrichtungen gemäß der Erfindung mit den in Anspruch 7 aufgeführ­ ten Merkmalen haben demgegenüber den Vorteil, daß die Energie der von der Mikroprozessor-Schaltung abge­ strahlten Störsignale bei diskreten Frequenzen so vermindert wird, daß Störungen von im Kraftfahrzeug installierten Radioempfängern praktisch ausgeschlos­ sen sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Frequenzmodulation der Oszillator- bzw. Busfrequenzen des Mikroprozessors durchgeführt, wo­ durch die Energie eines Störsignals über einen Fre­ quenzbereich so verteilt wird, daß Störspitzen unter­ drückt werden.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist eine Kapazitätsdiode im Mikroprozessor vorgese­ hen, mit deren Hilfe der Oszillator des Prozessors verstimmt wird. Auf diese Weise ist eine einfache, preisgünstige Reduzierung der Amplituden der Störsig­ nale möglich.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrich­ tung wird zur Modulation der Frequenz des Mikropro­ zessor-Oszillators ein externer Frequenz-Generator vorgesehen. Auch diese Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß die Amplitude der Störsignale einfach und kostengünstig reduziert wird.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kurvenschar, in der Amplitude und Fre­ quenz eines Störsignals sowohl ohne als auch mit Fre­ quenzmodulation dargestellt sind;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung mit interner Modulationsfrequenzerzeugung;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung mit externer Modulationsfrequenzerzeugung und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Mikroprozessor­ schaltung und

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung mit externer Oszillatorfrequenzerzeugung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das Spektrum der von einer Mikroprozessor-Schaltung abgegebenen Frequenzen zeichnet sich durch eine Viel­ zahl von hohen Amplituden bei diskreten Frequenzen aus. Es handelt sich dabei um harmonische der Ar­ beitsfrequenzen der Mikroprozessorschaltung. Die ab­ gestrahlte Gesamtenergie ist zwar gering, doch können bei einzelnen Frequenzen Signale hoher Energiedichte auftreten. Die Zwischenräume zwischen zwei störenden Abstrahlungen betragen oft mehrere MHz. Diese Signale können die Verwendungsmöglichkeiten derartiger Mikro­ prozessor-Schaltungen einschränken. Beispielsweise werden in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Radio­ empfänger durch derartige Störfrequenzen hoher Ener­ giedichte gestört. Eine unmittelbare Störung ist da­ durch denkbar, daß derartige Störspitzen auf einer gerade empfangenen Radiofrequenz liegen. Mittelbare Störungen sind ebenfalls möglich, indem beim Sender­ suchlauf der PLL auf einer Störfrequenz einrastet und nicht auf der Frequenz eines Radiosenders.

Wenn nun die von der Mikroprozessor-Schaltung abge­ strahlte Energie gleichmäßiger über einen Frequenzbe­ reich verteilt wird, werden die Amplituden der dis­ kreten Störspitzen so weit reduziert, daß sie Ra­ dioempfänger nicht mehr stören können.

Um dies zu erreichen, wird die Frequenz des Oszilla­ tors der Mikroprozessorschaltung moduliert. Die Mo­ dulationsfrequenz, die der Verteilung der Energie über den Frequenzbereich der abgestrahlten Frequenzen dient, kann von der Mikroprozessor Schaltung selbst oder aber von einer externen Schaltung erzeugt wer­ den.

Aus der in Fig. 1 dargestellten Kurvenschar ist er­ sichtlich, daß die Amplitude eines Störsignals, das beispielsweise eine Frequenz von 96,00 MHz hat, durch eine Modulation der Frequenz des Oszillators um ±20 kHz eine Reduktion um über 20 dB erfährt. Eine Be­ einträchtigung eines Radioempfängers durch Stör­ spitzen wird somit praktisch ausgeschlossen. Der Mo­ dulationshub beträgt dabei nur etwa ±0,2% der Mit­ tenfrequenz des Mikroprozessor-Oszillators. Auswir­ kungen auf die Timing-Funktionen der Mikroprozessor- Schaltung sind also vernachlässigbar.

Die Kurvenschar im Diagramm von Fig. 1 zeigt, daß bei einer Änderung der 8 MHZ Oszillatorfrequenz des Mikroprozessors um ±10 kHz die Amplitude des Störsi­ gnals um ca. 10 dB, bei ±40 kHz um ca. 25 dB und bei ±100 kHz um über 30 dB gesenkt wird. Wenn also die Anforderungen an die Timing-Funktionen sehr gering sind, kann auch ein größerer Modulationshub bei der Modulation der Oszillatorfrequenz von beispielsweise ±0,5% oder ±1,5% vorgesehen werden, um eine noch größere Verteilung der Störsignale über der Frequenz zu erreichen.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, bei der die Modulationsfrequenz von ei­ nem Signal gesteuert wird, das der Mikroprozessor ab­ gibt, dessen Takt- bzw. Busfrequenz moduliert werden soll.

Der Mikroprozessor 1 weist einen Quarz 2 auf, der in Reihe zu einer Kapazitätsdiode 3 geschaltet ist. Diese Reihenschaltung ist über geeignete Verbindungsleitungen 4 mit Mikroprozessor 1 ver­ bunden, wobei die Anode der Kapazitätsdiode 3 am Mi­ kroprozessor angeschlossen ist. Die Kathode der mit dem Quarz 2 verbundenen Kapazitätsdiode 3 ist sowohl mit einem an einer Versorgungsspannung +U _v liegenden Vorwiderstand R _v als auch mit einem Trennkondensator C ₁ verbunden, der mit einem Tiefpaß in Verbindung steht. Der Tiefpaß ist aus einem an Masse liegenden Kondensator C und einem Widerstand R gebildet, der über eine Leitung 5 an dem Mikroprozessor 1 ange­ schlossen ist. Dieser gibt ein Rechtecksignal über die Leitung 5 an den Tiefpaß weiter, der aufgrund seiner Integrationswirkung aus dem Rechtecksignal ein sägezahnförmiges Signal erzeugt, das als Steuersignal an die Kathode der Kapazitätsdiode 3 gelegt wird. Statt des einfachen hier dargestellten Tiefpasses können auch Tiefpaß-Schaltungen höherer Ordnung vor­ gesehen werden. Eine optimale Modulation der Quarz- Frequenz läßt sich mit einem dreieckförmigen Steuer­ signal erzielen.

Über die Versorgungsspannung +U _v wird der Arbeits­ punkt der Kapazitätsdiode 3 eingestellt. Aus diesem Grund kann die Versorgungsspannung +U _V auch variabel ausgebildet sein. Durch das Ausgangssignal des Tiefp­ asses wird die Spannung an der Kathode der Kapazi­ tätsdiode verändert, wobei deren Kapazität mit sin­ kender Spannung zunimmt. Beispielsweise kann eine Kapazitätsdiode verwendet werden, deren Kapazität bei 10 V etwa 6 pF und bei 1 V etwa 60 pF beträgt.

Durch die sich ändernde Kapazität der Kapazitätsdiode wird die Frequenz des Quarzes 2 und damit die von dem Quarz 2 gesteuerte Takt- bzw. Busfrequenz des Mikro­ prozessors 1 verändert, wobei mit steigender Kapazi­ tät die Frequenz des Quarzes abnimmt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, bei der allerdings die Ausgangsfrequenz des Quarzes eines Mikroprozessors extern gesteuert wird. In der Figur sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß auf deren Beschreibung verzichtet werden kann.

Die aus einer Kapazitätsdiode 3 und einem Quarz 2 be­ stehende Reihenschaltung ist über geeignete Leitungen 4 mit dem Mikroprozessor 1 verbunden, wobei die Anode der Diode am Mikroprozessor liegt. An der Ver­ bindungsstelle zwischen Quarz und Kathode der Kapazi­ tätsdiode sind über einen Vorwiderstand R _v eine Ver­ sorgungsspannung +U _v sowie ein Kondensator C ₁ ange­ schlossen. An den Kondensator C ₁, der als Trennkon­ densator dient, ist andererseits ein Frequenz-Genera­ tor G angeschlossen, der vorzugsweise ein sinus­ förmiges Spannungssignal abgibt, durch das, wie oben beschrieben, die Kapazität der Kapazitätsdiode ver­ ändert wird. Dadurch ändert sich, wie bei der Schal­ tung gemäß Fig. 2, die Frequenz des Quarzes 2, der die Takt- bzw. Busfrequenz des Mikroprozessors 1 er­ zeugt.

Nach allem zeigt sich, daß der Pegel der Störsignale einer Mikroprozessor-Schaltung wirkungsvoll reduziert werden kann, ohne daß aufwendige Abschirmgehäuse mit Durchführungskondensatoren für die Anschlußleitungen vorgesehen werden müssen.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild dargestellt, aus der eine Anwendungsmöglichkeit einer oben beschriebe­ nen Mikroprozessorschaltung ersichtlich ist. Wiederum sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen verse­ hen, so daß auf deren ausführliche Beschreibung ver­ zichtet werden kann.

Der in der Figur gezeigte Mikroprozessor 1 liefert hier über eine Leitung 6 das Steuersignal der mit einer Zündspule einer Brennkraftmaschine. Die Takt­ bzw. Busfrequenz des dargestellten Mikroprozessors 1 wird über einen geeigneten Frequenzgenerator mit si­ nusförmigem Ausgangssignal über eine Leitung 7 extern moduliert. Über geeignete Signalleitungen 8 werden dem Mikroprozessor 1 Informationen und Daten zugelei­ tet, die zur Erzeugung eines Steuersignals für eine Zündspule einer Brennkraftmaschine nötig sind. Bei­ spielsweise werden Informationen über die Stellung der Kurbelwelle, die Motortemperatur, die Drosselklappenstellung eingegeben. Überdies ist es möglich, zum Beispiel Daten eines Klopfsensors über eine der Signalleitungen 8 dem Mikroprozessor zuzuführen.

Die Mikroprozessorschaltung kann selbstverständlich auch für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung herangezogen werden, wobei entsprechende Daten und Informationen, beispielsweise das Signal einer Lambda-Sonde eingegeben werden. Wesentlich ist jeden­ falls, daß Störungen durch die Oberwellen der Takt- bzw. Busfrequenz des Mikroprozessors durch die Modu­ lation der Ausgangsfreguenz des Quarzes 2 des Prozes­ sors vermieden werden.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung, bei der die Oszillatorfrequenz des Mikroprozes­ sors extern erzeugt wird. Dazu ist eine externe Os­ zillatorschaltung 9 vorgesehen. Grundsätzlich sind hier beliebige Oszillatorschaltungen verwendbar. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde beispiels­ haft ein sogenannter Colpitts-Oszillator dargestellt, der unter anderem einen Quarz und eine Kapazitätsdi­ ode 30 aufweist. Die Frequenz der Oszillatorschaltung 9 wird auch hier mit der Kapazitätsdiode 3 moduliert, indem ein sinusförmiges Ausgangssignal eines Fre­ quenzgenerators über die Leitung 7 und einen Trenn­ kondensator C₁ an die Kathode der Kapazitätsdiode 30 gelegt wird. Auch hier wird der Arbeitspunkt der Ka­ pazitätsdiode über eine Versorgungspannung +U _V einge­ stellt, die über einen Vorwiderstand R _V ebenfalls an der Kathode der Kapazitätsdiode liegt.

Eine externe Oszillatorschaltung gemäß Fig. 5 ist dann vorteilhaft, wenn in einer Schaltung mehrere Mikroprozessoren gleicher Oszillatorfrequenz betrie­ ben werden.

Die hier erwähnten Oszillatoren können einen Quarz oder vorzugsweise auch Keramikresonatoren aufweisen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Entstören von Mikroprozessor-Schal­ tungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des vom Mikroprozessor abgestrahlten Störspektrums über einen Frequenzbereich verteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Frequenz des Oszil­ lators des Mikroprozessors einer Frequenzmodulation unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz vom Mikroprozessor selbst erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz von einem Frequenz-Generator außerhalb des Mi­ kroprozessors gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Mi­ kroprozessors von einer externen Oszillatorschaltung erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Modulationshub ca. ±1,5%, vorzugsweise ±0,5 bis ±0,1% der Mittenfrequenz der Oszillatorfrequenz beträgt.

7. Vorrichtung zum Entstören von Mikroprozessor- Schaltungen nach einem Verfahren gemäß einem der An­ sprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung aus einem dem Mikro­ prozessor (1) zugeordneten Oszillator (2) und einer Kapazitätsdiode (3), deren Kathode mit einer eine va­ riable Spannung abgebenden Spannungssteuerschaltung verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungssteu­ erschaltung ein Kondensator (C ₁) vorgeschaltet ist, und daß an der Kathode der Kapazitätsdiode (3) ein mit einer Spannungsquelle (+U _v ) verbundener Vorwider­ stand (R _v ) liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteu­ erschaltung einen Tiefpaß (C, R) aufweist, dem ein Steuersignal des Mikroprozessors (1) zugeleitet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerschaltung einen Frequenz-Generator (G) aufweist, der eine sich ändernde Spannung abgibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus dem Oszillator (2) und der Kapazitätsdiode (3) Teil einer externen Oszillatorschaltung (9) ist.