DE3919191C2

DE3919191C2 - Auswerteschaltung

Info

Publication number: DE3919191C2
Application number: DE19893919191
Authority: DE
Inventors: Werner Wallrafen
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2009-06-14
Also published as: DE3919191A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für Differenzen zweier Kapazitäts- oder Widerstandswerte, insbesondere von Sensoren.

Bei Sensoren, welche eine physikalische Größe in eine elektrische Größe umwandeln, liegt die elektrische Größe häufig als Differenz von zwei Kapazitäts- oder Widerstandswerten vor. So sind beispielsweise Beschleunigungssensoren bekannt, bei denen die Kapazitäten zweier Kondensatoren gegensinnig von der zu messenden Beschleunigung abhängig sind.

Zum Auswerten von veränderlichen Kapazitäten ist ein Verfahren bekannt, welches auch Differenzimpulsverfahren genannt wird. Dabei sind zwei Multivibratoren vorgesehen, wobei die Frequenz des einen von der Kapazität abhängig ist. Durch eine Differenzbildung des Impulses mit konstanter Breite und demjenigen (längeren) mit veränderlicher Breite wird ein Impuls gewonnen, der integriert wird, um als Ausgangssignal eine Gleich spannung zu erhalten. Nachteilig ist hierbei der unsymmetrische Aufbau. Die Impulsbreite des einen Multivibrators muß immer größer als die des anderen sein. Dieses Verfahren ist dementsprechend nicht für Differenzsensoren geeignet, bei denen die Differenz positiv und negativ sein kann.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden ein Taktsignalgenerator und zwei monostabile Kippstufen verwendet. Abgesehen von dem größeren Aufwand ist bei diesem Verfahren nachteilig, daß beide Ausgangssignale in getrennten Signalkanälen vorhanden sind und daß durch die Triggerung der beiden monostabilen Kippstufen mit einer fest vorgegebenen Frequenz nur die Differenz beider Größen gebildet wird. Bei vielen Sensoren liegt jedoch eine Abhängigkeit der beide Größen von Störeinflüssen vor, beispielsweise der Temperatur. Diese Ab hängigkeit kann bei der Auswertung der Differenz allein nicht kompensiert werden.

Gemäß der DE 36 20 399 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Kompensation von Temperatur- und nichttemperaturbedingtem Driften eines kapazitiven Sensors bekannt. Diese Auswerteschaltung enthält einen Oszillator, der aus einer ersten und zweiten monostabilen Kippschaltung besteht. Die Kippschaltungen sind als Ring geschaltet, d. h. der Ausgang einer Kippschaltung ist mit dem invertierenden Ein gang der jeweils anderen Kippschaltung verbunden. Mit den Kippschaltungen ist jeweils ein Meßkondensator verbunden, so daß die monostabilen Kippschaltungen Impulse mit einer zur Kapazität der Meßkondensatoren proportionalen Dauer liefern.

Aus der DE 37 32 756 A1 ist ebenfalls eine Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitätsdifferenzen bekannt, bei welchen ein periodisches Ausgangssignal mit einen den Kapazitäten entsprechenden Tastverhältnissen erzeugt wird.

Ein Auftreten von Störungen wird bei beiden Lösungen nicht betrachtet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Auswerteschaltung einzugeben, welche mit möglichst geringem schaltungstechnischen Aufwand ein Ausgangssignal erzeugt, welches beide Werte des Sensors enthält und eine einfache weitere Auswertung ermöglicht, welche die Eigenschaften des Sensors sowie Störungen im Schwingverhalten berücksichtigt.

Die erfindungsgemäße Auswerteschaltung ist durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 charakterisiert.

Weiterbildungen sind in den Weiteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Auswerteschaltung zeichnet sich durch einen geringen Aufwand aus und erzeugt ein binäres Ausgangssignal, das in einfacher Weise sowohl von einem Mikroprozessor als auch mit Hilfe einer einfachen Analogschaltung weiterverarbeitet werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auf einer Signalleitung Informationen über beide Sensorgrößen ausgegeben werden. Es kann jedoch auch ein symmetrischer Ausgang der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung genutzt werden, was eine gute elektromagnetische Verträglichkeit zur Folge hat.

Zur weiteren Verarbeitung des Ausgangssignals kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, daß das Ausgangssignal mindestens einer monostabilen Kippstufe einem Integrator zuführbar ist. Ferner ist die Übertragung eines Analogsignals zu einer weiterverarbeitenden Schaltung dadurch möglich, daß das Ausgangssignal einer monostabilen Kippstufe direkt einem ersten Integrator und invertiert einem zweiten Integrator zuführbar ist und daß die Ausgänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahierschaltung verbunden sind. Hierdurch wird eine einfache asymmetrische binäre Schnittstelle zwischen der in unmittelbarer Nähe des Sensors befindlichen Auswerteschaltung und einer Schaltung zur weiteren Verarbeitung des Ausgangssignals der Auswerteschaltung gebildet.

Eine symmetrische binäre Schnittstelle wird dadurch gebildet, daß die Ausgangssignale der monostabilen Kippstufe je einem Integrator zuführbar sind und daß die Ausgänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahierschaltung verbunden sind.

Um ein sicheres Wiederanschwingen zu ermöglichen, kann die erfin dungsgemäße Auswerteschaltung dadurch weitergebildet werden, daß die Differenzierglieder von je einem Kondensator und je einem an einen An schluß für die Betriebsspannung angeschlossenen Widerstand bestehen und daß beide Anschlüsse der zu den Differenziergliedern gehörenden Kondensatoren über je eine Diode mit einem Widerstand verbunden sind, dessen von den Dioden abgewandter Anschluß mit Massepotential beauf schlagt ist.

Obwohl die erfindungsgemäße Auswerteschaltung in erster Linie zur Auswertung von zwei gegensinnig verlaufenden Größen eines Sensors gedacht ist, ist sie auch für Sensoren geeignet, bei welchen lediglich eine Größe veränderbar ist und bei der Auswertung eine Bezugsgröße zu be rücksichtigen ist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 2 die Ausgangssignale der monostabilen Kippstufen,

Fig. 3 verschiedene nach dem Stand der Technik bekannte Möglichkei ten, die Ausgangssignale der Auswerteschaltung, welche sich in unmittelbarer Nähe eines Sensors befindet, zu einer Verarbei tungsschaltung zu übertragen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung werden zwei mono stabile Kippstufen 1, 2 von einem integrierten Baustein aus der Typense rie 556 (zweifache Zeitgeberschaltung) gebildet. Dabei sind die Ausgänge über je ein Differenzierglied 3, 4 bzw. 5, 6 mit dem invertierenden Trigger- Eingang der jeweils anderen monostabilen Kippstufe verbunden. Wider stände 41 und 42 sind zwischen den Anschluß 43 der Betriebsspannung U_B und den jeweiligen Ausgang geschaltet und dienen als Arbeitswider stände.

Die Eingänge Dis und Thr der monostabilen Kippstufen 1, 2 sind an je ein Zeitkonstantenglied angeschlossen, das jeweils aus einem Widerstand 46, 47 und einem Kondensator 48, 49 mit veränderbarer Kapazität be steht. Die Kondensatoren 48, 49 sind beispielsweise Teile eines Sensors, bei welchem in Abhängigkeit von der zu messenden Größe die Kapazitä ten X₁, X₂ gegenläufig verändert werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Dauer t₁, t₂ des jeweils instabilen Zustandes proportional zur Kapazität X₁, X₂, wodurch an den Ausgängen der monostabilen Kippstufen 1, 2 die Ausgangssignale U_A1 und U_A2 entstehen.

Um ein sicheres Anschwingen zu ermöglichen, sind die Ausgänge der monostabilen Kippstufen 1, 2 über je eine Diode 51, 52 und über einen gemeinsamen Widerstand 53 mit Massepotential verbunden. Die Dioden 51, 52 wirken als Oder-Verknüpfung der Signale U_A1 und U_A2. Aufgrund der Tatsache, daß U_A1 und U_A2 invertiert zueinander sind, beträgt beim Schwingen der Schaltung zu jedem Zeitpunkt die Spannung U₅₃ am Widerstand 53 U_B - 0,7 V. Ein Kondensator 54 glättet etwaige Spitzen, die während der Flanken von U_A1 und U_A2 entstehen.

Bleibt das Schwingen aus, so liegen die Ausgangsspannungen U_A1 und U_A2 auf Massepotential und beide Dioden 51, 52 sperren. Die Spannung U₅₃ und die Spannungen an den Trigger-Eingängen werden dann durch die Widerstände 4, 6, die dann leitend werdenden Dioden 55, 56 und den Widerstand 53 bestimmt. Die Spannungen an den Trigger-Eingängen fallen somit auf den Wert

U_tr = (U_B - 0,7 V)/(1 + R₄/R₅₃) + 0,7 V.

Durch die Wahl der Werte R₄ und R₅₃ der Widerstände 4 und 53 wird U_tr unter den im Datenblatt der monostabilen Kippstufe spezifizierten Wert gelegt. Damit gehen beide Ausgangssignale wieder in den instabilen Zustand und die mit den Dioden durchgeführte Starthilfe wird beendet.

Die Dioden 55, 56 dienen neben ihrer Funktion als Starthilfe noch zur Begrenzung der den Trigger-Eingängen zugeführten Spannungen, damit diese nicht über die Betriebsspannung U_B ansteigen. Die Dimensionierung der Widerstände 4 bzw. 6 und 53 erfolgt nach der Gleichung

R₄₍₆₎/R₅₃ ≧ (U_B - 0,7 V)/(U_tr - 0,7 V) - 1,

mit U_B = 5 V und U_tr ≧ 1,26 V bei Verwendung des Bausteins 556. Daraus ergibt sich R₄₍₆₎/R₅₃ ≧ 6,68. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltungsanordnung wurde R₄ = R₆ = 47 kOhm und R₅₃ = 6,8 kOhm gewählt. Die Differenzierglieder 3, 4 und 5, 6 haben die Aufgabe, einen kurzen Impuls, der die fallende Flanke des jeweiligen Ausgangssignals kennzeichnet, abzuleiten. Dazu ist eine Zeitkonstante erforderlich, die wesentlich geringer als die Dauer der instabilen Zustände der monostabilen Kippstufen ist. Es ergibt sich daher folgende Bedingung:

R₄ . C₃ « R₄₆ . C₄₈,

die sinngemäß auch für die Elemente 5, 6, 47 und 49 gilt.

An den Ausgängen U_A1, U_A2 der monostabilen Kippstufen 1, 2 ergeben sich dann Rechtecksignale, deren Verlauf in Fig. 2 dargestellt ist. Wie be reits erläutert, sind dabei die beiden Zeitabschnitte t₁ und t₂ jeweils pro portional zu den Eingangsgrößen X₁ und X₂.

Wird die Differenz der Größen X₁ und X₂ ausgewertet, so erhält man eine Verminderung der Temperaturempfindlichkeit für den Fall, daß beide Grö ßen den gleichen Temperaturgang aufweisen. Dieses gilt jedoch nur für die Nullpunkt-Stabilität. Für eine Verminderung des Temperaturgangs der Steilheit muß noch durch die temperaturabhängigen Größen dividiert wer den. Ein derartiges Signal wird bei der erfindungsgemäßen Auswerte schaltung in einfacher Weise durch Subtraktion der Mittelwerte wie folgt erhalten:

U_A1 - U_A2 = U_B . (X₁ - X₂)/(X₁ + X₂).

Bei den meisten Sensoren, insbesondere solchen, bei denen hohe Wider standswerte oder kleine Kapazitätswerte ausgewertet werden, befindet sich die Auswerteschaltung unmittelbar bei den Widerständen bzw. Kon densatoren, während ein Gerät, welches die Ausgangssignale der Aus werteschaltung weiterverarbeitet, über eine oder mehrere Leitungen mit der Auswerteschaltung verbunden ist. Die Ausgangssignale der erfin dungsgemäßen Auswerteschaltung bilden eine gute Grundlage zur Über tragung an die weiterverarbeitende Schaltung, beispielsweise ein Steuer gerät in einem Kraftfahrzeug. Je nach Erfordernissen im einzelnen kann die Übertragung von der Auswerteschaltung zum Steuergerät in Form ei nes Binärsignals oder in Form eines Analogsignals erfolgen.

Fig. 3 veranschaulicht dazu mehrere Schaltungsanordnungen. In Fig. 3a wird eines der Ausgangssignale U_A1 von einer Auswerteschaltung 24 in unveränderter Form, das heißt binär, übertragen. Empfängerseitig ist ein Digital-Rechner 15 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Zeiten t₁ und t₂ ge messen werden, wodurch die Werte X₁ und X₂ wiedergewonnen werden. Im Digital-Rechner 15 kann in einfacher Weise dann eine Differenz, Summen und Quotientenbildung erfolgen, so daß eine Größe (X₁ - X₂)/ (X₁ + X₂) entsteht, welche bei Sensoren, deren Ausgangsgröße zwar von der Differenz der beiden Größen X₁ und X₂ gebildet wird, wobei jedoch X₁ und X₂ einem Störeinfluß unterworfen sind - beispielsweise einer Tempe raturabhängigkeit, unmittelbar kompensiert ist.

Bei der in Fig. 3b dargestellten Schaltung wird ebenfalls das binäre Signal U_A1 übertragen. Die weitere Auswertung erfolgt jedoch mit Hilfe einer Analogschaltung, welche aus einem Eingangsverstärker 16, einem Inver tierer 17, zwei Integrationsgliedern 18 und 19 bzw. 20 und 21 und einem Differenzverstärker 22 besteht. Durch die Integration mit Hilfe des Integra tionsgliedes 18, 19 wird der Mittelwert des Signals U_A1 gebildet, der zu X₁/ (X₁ + X₂) proportional ist. Der Mittelwert des invertierten Signals wird durch das Integrationsglied 20, 21 gebildet und entspricht X₂/(X₁ + X₂). Durch den Differenzverstärker 22 wird dann das erwünschte Ergebnis gebildet, das am Ausgang 23 als Analogsignal vorliegt.

Während die in Fig. 3b dargestellte Schaltung zwischen dem Ausgang der Auswerteschaltung und dem Eingang des Steuergerätes eine asym metrische binäre Schnittstelle dargestellt, weist die in Fig. 3c dargestellte Schaltung eine symmetrische binäre Schnittstelle auf. Dazu werden beide Ausgänge der Auswerteschaltung über je eine Leitung mit Eingangsver stärkern 16, 25 des Steuergerätes verbunden. Über Integrationsglieder 18, 19 bzw. 20, 21 und einen Differenzverstärker 22 erfolgt wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3b die Bildung des Analogsignals. Der Vorteil liegt in der Störsicherheit bei der Übertragung über lange Leitun gen.

Schließlich ist anhand von Fig. 3d eine weitere Möglichkeit der Si gnalübertragung zwischen einer Auswerteschaltung und einem Steuerge rät dargestellt, bei welcher ein Analogsignal übertragen wird. Dazu befin den sich Integrationsglieder 9, 10 bzw. 11, 12 und ein Differenzverstärker 26 im Bereich der Auswerteschaltung 24. Die Verbindung zum Steuerge rät erfolgt dann über eine Leitung 27.

Claims

1. Auswerteschaltung für Differenzen zweier Kapazitäts- oder Wider standswerte, insbesondere von Sensoren, bei welcher zwei mono stabile Kippstufen vorgesehen sind, und die Widerstands- oder Ka pazitätswerte die Zeitkonstanten der monostabilen Kippstufen be stimmen, wobei jeweils ein Ausgang einer monostabilen Kippstufe mit einem Setzeingang (Trigger-Eingang) der anderen monostabilen Kippstufe derart verbunden ist, daß durch einen Übergang jeweils einer monostabilen Kippstufe in den stabilen Zustand die jeweils an dere monostabile Kippstufe in den instabilen Zustand gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung der Schaltung durch eine logische Oder-Verknüpfung der beiden Ausgangssignale der monostabilen Kippstufen (1, 2) überwacht wird, und beim Ausbleiben der Schwingung mindestens eine monostabile Kippstufe (1, 2) über den jeweiligen Setzeingang wieder in den instabilen Zustand gesetzt wird.

2. Auswerteschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der monostabilen Kippstufen (1, 2) mit den Setzein gängen über Differenzierglieder (3, 4; 5, 6) verbunden sind.

3. Auswerteschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal mindestens einer monostabilen Kippstufe (1; 2) einem Integrator (9, 10; 11, 12) zu führbar ist.

4. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der monostabilen Kipp stufen (1, 2) je einem Integrator (9, 10; 11, 12; 18, 19; 20, 21) zu führbar sind und daß die Ausgänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahierschaltung (22; 26) verbunden sind.

5. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal einer monostabilen Kipp stufe (1) direkt einem ersten Integrator (18, 19) und invertiert einem zweiten Integrator (20, 21) zuführbar ist und daß die Ausgänge der Integratoren mit Eingängen einer Subtrahierschaltung (22) verbun den sind.

6. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Differenzierglieder aus je einem Kondensator (3, 5) und je einem an einen Anschluß (43) für die Betriebsspannung angeschlossenen Widerstand (4, 6) bestehen und daß beide An schlüsse der zu den Differenziergliedern gehörenden Kondensatoren (3, 5) über je eine Diode (51, 52, 55, 56) mit einem Widerstand (53) verbunden sind, dessen von den Dioden abgewandter Anschluß mit Massepotential beaufschlagt ist.