DE4215671A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung einer Signaländerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Messung einer Signaländerung an einer von einer physikalischen Größe abhängigen Impedanz eines Sensors, wobei das Signal nach einem durch einen zugeführten Impuls gegebenen Startzeitpunkt mit einer von der physikalischen Größe abhängigen Geschwindigkeit einen Bereich durchläuft, von dem ein Teil einen Meßbereich darstellt.

In Sensoren werden häufig zur Wegmessung, aber auch zur Messung anderer physikalischer Größen Abhängigkeiten einer Induktivität oder Kapazität von der jeweiligen physikalischen Größe ausgewertet. Dabei wird insbesondere die Änderung der Induktivität bzw. Kapazität gegenüber einem vorgegebenen Wert der physikalischen Größe gemessen.

Die Änderung der Induktivität oder Kapazität - im folgenden Impedanz genannt - erfolgt bei bekannten Verfahren durch Beaufschlagung mit einem Strom und einer Spannung und Beobachtung eines Signals, das der Änderung des Stroms in oder der Spannung an der Impedanz entspricht. Die Änderung kann entweder durch Messung des jeweiligen Signalwertes zu einem vorgegebenen Zeitpunkt oder durch Messungen der jeweiligen Zeiten erfolgen, nach welchen das Signal einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Da jedoch die von der zu messenden physikalischen Größe abhängige Änderung der Impedanz im Verhältnis zum Absolutwert der Impedanz häufig recht klein ist und außerdem starke Streuungen der Impedanz vorliegen, ist bei beiden Verfahren ein relativ großer Erfassungsbereich für das Signal erforderlich, von dem nur ein kleiner Teil als Meßbereich für die physikalische Größe dient. Damit entstehen große Ungenauigkeiten. Insbesondere bei der Zeitmessung durch Auszählen von Meßimpulsen sind zur Erzielung einer hohen Auflösung sehr große Frequenzen erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung einer Signaländerung an einer von einer physikalischen Größe abhängigen Impedanz eines Sensors anzugeben, bei welchem mit möglichst geringem Aufwand eine hohe Genauigkeit und eine hohe Auflösung bei der Analog/Digital-Wandlung möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem Eichmodus mit einem Wert für die physikalische Größe, der dem Anfang des Meßbereichs entspricht, diejenige Zeit gemessen wird, nach der das Signal den Anfang des Meßbereichs erreicht, und daß zur Messung der physikalischen Größe derjenige Wert des Signals in ein digitales Signal umgewandelt wird, um den das Signal den Wert am Anfang des Meßbereichs nach der im Eichmodus gemessenen Zeit überschreitet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der gesamte Eingangs-Spannungsbereich eines Analog/Digital-Wandlers genutzt, was zu einer hohen Auflösung trotz geringer Kosten für die Analog/Digital-Wandlung führt. Außerdem werden beispielsweise bei einem induktiven Sensor folgende Fehlereinflüsse stark vermindert:

• - Offset-Fehler der Meßschaltung,
• - Verstärkungsfehler der Meßschaltung,
• - Laufzeitfehler der Meßschaltung,
• - Einfluß der Versorgungsspannung,
• - Streuungen des Spulenwiderstandes,
• - Streuungen des Strommeßwiderstandes,
• - Streuungen der Induktivität.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß im Eichmodus die Zeit bis zum Erreichen des Anfangs des Meßbereichs mit einem ersten Zähler gemessen wird, der mit dem Startimpuls gestartet und bei Erreichen des Anfangs des Meßbereichs gestoppt wird, und daß zur Messung der physikalischen Größe der Zählerstand des ersten Zählers mit dem Startimpuls in einen zweiten Zähler eingeschrieben wird, der abwärts zählt und bei Erreichen des Zählerstandes 0 eine Abtast- und Halteschaltung ansteuert, deren Ausgangssignal in ein digitales Signal umgewandelt wird.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Startimpuls triggerbarer monostabiler Multivibrator über mindestens einen Widerstand und die Impedanz mit konstantem Potential verbunden ist, daß der Verbindungspunkt zwischen Widerstand und Impedanz mit einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers verbunden ist, dessen zweitem Eingang eine dem Anfang des Meßbereichs entsprechende Bezugsspannung zuführbar ist, daß der zweite Eingang des Differenzverstärkers und der Ausgang des Differenzverstärkers mit Eingängen eines Komparators verbunden sind, an dessen Ausgang ein Stopp-Eingang eines ersten Zählers angeschlossen ist, und daß ferner der Ausgang des Differenzverstärkers mit dem Eingang einer Abtast- und Halteschaltung verbunden ist, die von dem zweiten Zähler steuerbar ist und deren Ausgang an einen Eingang eines Analog/Digital-Wandlers angeschlossen ist. Diese Schaltungsanordnung benötigt nur wenige Bauelemente, insbesondere nur wenige Analogsignale verarbeitende Bauelemente.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann dadurch weitergebildet werden, daß ein Eingang für den Startimpuls mit je einem Eingang zweier Und-Schaltungen verbunden ist, deren weitere Eingänge mit je einem Signal beaufschlagbar sind, das einen der Modi "Eichen" und "Messen" bewirkt, und daß die Ausgänge der Und-Schaltungen mit je einem Starteingang der Zähler verbunden sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei allen Sensoren angewendet werden, bei denen eine Impedanz von der zu messenden physikalischen Größe abhängt. Eine bevorzugte Anwendung ist ein Weg-Geber, der eine Spule enthält, deren Induktivität vom Weg abhängt.

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

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 2 Zeitdiagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu bekannten Verfahren.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist eine Spule 1 vorgesehen, deren Induktivität von der Stellung eines in Fig. 1 nicht dargestellten Kerns abhängt. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 dient somit zur Messung des Weges, den der Kern jeweils gegenüber einer Anfangsstellung zuruckgelegt hat. Mit Hilfe eines monostabilen Multivibrators 2 wird ein Impuls von einer vorgegebenen Dauer, beispielsweise 120 µs erzeugt. Dazu wird der monostabile Multivibrator 2 mit einem über einen Eingang 3 zugeführten Startimpuls getriggert. Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 2 ist über zwei Widerstände 4, 5 mit der Spule 1 verbunden.

An den Verbindungspunkt der Widerstände 4 und 5 ist der invertierende Eingang eines Differenzverstärkers 6 angeschlossen, dessen nicht invertierender Eingang mit einer bei 7 zugeführten Bezugsspannung beaufschlagt ist. Die Spannungen am nicht invertierenden Eingang und am Ausgang des Differenzverstärkers 6 werden mit Hilfe eines Komparators 8 verglichen, an dessen Ausgang ein Stopp-Eingang eines ersten Zählers 9 - im folgenden Eichzähler genannt - angeschlossen ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 6 ist ferner mit einem Eingang einer Abtast- und Halteschaltung 10 verbunden, die von einem zweiten Zähler 11 - im folgenden Meßzähler genannt - steuerbar ist.

An den Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 10 ist der Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 12 angeschlossen, von dessen Ausgang 13 der Meßwert entnehmbar ist.

Weiteren Eingängen 14, 15 der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind Signale zuführbar, welche einen Meßmodus bzw. einen Eichmodus der Schaltungsanordnung bewirken. Diese Signale werden mit Hilfe von Und-Schaltungen 16, 17 mit dem Startimpuls verknüpft. Der Ausgang der Und-Schaltung 16 ist mit einem Eingang des Meßzählers 11 verbunden, wodurch ein Abwärtszählen von einem aus dem Eichzähler 9 übertragenen Zählerstand bewirkt wird. Der Ausgang der Und-Schaltung 17 ist mit einem Starteingang des Eichzählers 9 verbunden.

Vor einer Erläuterung der Funktion der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird anhand von Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren näher erläutert. Dazu sind Meßwerte des Signals über der Zeit aufgetragen, wobei die Signalwerte S in Prozent eines Maximalwertes angegeben sind. Die mit AA und EA bezeichneten Kurven stellen den Verlauf des Signals für den Anfangswert und den Endwert des Meßbereichs bei einer kleinen Zeitkonstanten und einem hohen Proportionalanteil dar (Fall A). Die Kurven AB und EB bezeichnen den Signalverlauf für den Anfang und das Ende des Meßbereichs im Falle einer großen Zeitkonstanten und einem niedrigeren Proportionalanteil (Fall B).

Eine Änderung der zu messenden physikalischen Größe, beispielsweise des Weges des in der Spule 1 (Fig. 1) befindlichen Kerns, bewirkt lediglich eine Änderung der Zeitkonstanten. Diese Änderung soll gemessen werden. In dem dargestellten Beispiel wird eine Reduzierung der Induktivität von maximal 30% beim Endwert der zu messenden physikalischen Größe angenommen. Bei einem bekannten Verfahren wird nun zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, von beispielsweise T1 = 20 µs der Signalwert gemessen. Im Fall A ändert sich mit der zu messenden physikalischen Größe das Signal zwischen 33% und 43,5%. Im Fall B ändert sich das Signal zwischen 4,76% und 6,66%. Die Schaltung muß also in der Lage sein, Werte zwischen 4,76% und 43,5% zu verarbeiten. Wird die Signaländerung im Fall B gemessen, so beträgt dieser eigentliche Meßbereich mit 1,9% nur circa 5% des gesamten von der Schaltungsanordnung zu erfassenden Bereichs, das heißt, die Auflösung verschlechtert sich um das 20-fache.

Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine Komparatorschwelle auf einen festen Wert eingestellt, beispielsweise auf 30% des maximalen Endwertes. Die Zeiten, welche das Signal braucht, um die Komparatorschwelle im Fall des Anfangswertes einerseits und im Fall des Endwertes andererseits zu erreichen, werden durch Impulszählung gemessen und voneinander subtrahiert. Im Fall A beträgt die Differenz lediglich 5,35 µs, was für eine Auflösung von 10 Bit eine Taktfrequenz von 192 MHz erfordert. Im Fall B ergibt sich zwar durch den Anfangs- und Endwert eine mit circa 55 µs noch gut meßbare Differenz, die Gesamtzeit zur Durchführung einer Messung beträgt jedoch 183 µs.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei dem dargestellten Beispiel vorgesehen, daß bei 20% des maximalen Signals der Beginn des Arbeitsbereichs liegt. Die Verstärkung bzw. der Eingangsspannungsbereich eines Analog/Digital-Wandlers ist so gewählt, daß bei einer maximal zu erwartenden Anstiegsgeschwindigkeit von einem maximal zu erwartenden Strom gerade das Ende des Arbeitsbereichs erreicht wird.

In einem Eichmodus wird eine Zeit T2 ermittelt, in welcher das Signal den Beginn des Arbeitsbereichs erreicht. Bedingt durch die Quantisierung wird ein kleiner, aber immer gleicher Restfehler als Nullpunktfehler entstehen, der gemessen und gespeichert werden kann. Danach ist die Schaltung bereit zur Eichung des Endwertes. Im Fall A ergibt sich eine Zeit T2A von 20 µs und damit ein Endwert von 27,3%, während im Fall B die Zeit T2B 102,1 µs und der Endwert 25,89% betragen. Die angenommenen Toleranzschwankungen, deren Extremwerte durch die Fälle A und B beschrieben sind, bewirken nur einen Auflösungsverlust von etwa 20% (Unterschied zwischen den beiden Meßbereichen, bezogen auf den Signalwert für den Anfangswert im Fall A). Somit ist ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gleichbleibend genaue Messung möglich ist, wobei nur schwer realisierbare hohe Zählfrequenzen und sehr lange Meßzeiten vermieden werden.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 entspricht der Spannungsabfall am Widerstand 4 dem in Fig. 2 dargestellten Signal. Unmittelbar nach dem bei 3 zugeführten Startimpuls wird der Ausgang des monostabilen Multivibrators 2 auf positives Potential gelegt. Da zunächst durch die Spule 1 kein Strom fließt, ist auch der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 6 positiv. Mit zunehmendem Strom durch die Spule 1 (entsprechend einer der Kurven in Fig. 2) nimmt der Spannungsabfall am Widerstand 4 zu.

Im Eichmodus wird dem Eingang 15 ein Signal mit dem Pegel 1 zugeführt, wodurch nach einem Startimpuls der Eichzähler 9 gestartet wird. Erreicht die Spannung am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 6 den bei 7 zugeführten Bezugswert, wird der Eichzähler 9 über den Komparator 8 gestoppt. Damit liegt die Zeit T2 (Fig. 2) fest.

Während des Meßmodus liegt ein Signal mit dem Pegel 1 am Eingang 14, so daß durch einen bei 3 zugeführten Startimpuls der Meßzähler 11 zum Abwärtszählen gestartet wird. Dabei geht der Zählvorgang von einem aus dem Eichzähler 9 übertragenen Zählerstand aus. Der Eichzähler 9 und der Meßzähler 11 werden mit den gleichen Taktimpulsen getaktet, was in Fig. 1 im einzelnen nicht dargestellt ist. Wenn der Meßzähler den Wert 0 erreicht, ist daher die gleiche Zeit vergangen, die zuvor im Eichmodus ermittelt wurde. Die dann vorhandene Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 6 wird dann in die Abtast- und Halteschaltung 10 eingeschrieben. Diese Ausgangsspannung stellt lediglich die Differenz zwischen dem Bezugswert (in Fig. 2 20%) und dem bei der Messung von dem Signal erreichten Wert dar. Diese Differenz wird dann von dem Analog/Digital-Wandler 12 in ein digitales Signal umgewandelt und steht als Meßwert am Ausgang 13 zur Verfügung. Der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers ist derart gewählt, daß der in Fig. 2 mit M gekennzeichnete Meßbereich unter Berücksichtigung der eingangs genannten Fehlereinflüsse vom Eingangsspannungsbereich des Analog/Digital-Wandlers erfaßt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung einer Signaländerung an einer von einer physikalischen Größe abhängigen Impedanz eines Sensors, wobei das Signal nach einem durch einen zugeführten Impuls gegebenen Startzeitpunkt mit einer von der physikalischen Größe abhängigen Geschwindigkeit einen Bereich durchläuft, von dem ein Teil einen Meßbereich darstellt, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Eichmodus mit einem Wert für die physikalische Größe, der dem Anfang des Meßbereichs entspricht, diejenige Zeit gemessen wird, nach der das Signal den Anfang des Meßbereichs erreicht, und
daß zur Messung der physikalischen Größe derjenige Wert des Signals in ein digitales Signal umgewandelt wird, um den das Signal den Wert am Anfang des Meßbereichs nach der im Eichmodus gemessenen Zeit überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Eichmodus die Zeit bis zum Erreichen des Anfangs des Meßbereichs mit einem ersten Zähler gemessen wird, der mit dem Startimpuls gestartet und bei Erreichen des Anfangs des Meßbereichs gestoppt wird, und
daß zur Messung der physikalischen Größe der Zählerstand des ersten Zählers mit dem Startimpuls in einen zweiten Zähler eingeschrieben wird, der abwärts zählt und bei Erreichen des Zählerstandes 0 eine Abtast- und Halteschaltung ansteuert, deren Ausgangssignal in ein digitales Signal umgewandelt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein vom Startimpuls triggerbarer monostabiler Multivibrator (2) über mindestens einen Widerstand (4) und die Impedanz (1) mit konstantem Potential verbunden ist,
daß der Verbindungspunkt zwischen Widerstand (4) und Impedanz (1) mit einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers (6) verbunden ist, dessen zweitem Eingang eine dem Anfang des Meßbereichs entsprechende Bezugsspannung zuführbar ist,
daß der zweite Eingang des Differenzverstärkers (6) und der Ausgang des Differenzverstärkers (6) mit Eingängen eines Komparators (8) verbunden sind, an dessen Ausgang ein Stopp-Eingang eines ersten Zählers (9) angeschlossen ist, und
daß ferner der Ausgang des Differenzverstärkers (6) mit dem Eingang einer Abtast- und Halteschaltung (10) verbunden ist, die von dem zweiten Zähler (11) steuerbar ist und deren Ausgang an einen Eingang eines Analog/Digital-Wandlers (12) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Eingang (3) für den Startimpuls mit je einem Eingang zweier Und-Schaltungen (16, 17) verbunden ist, deren weitere Eingänge mit je einem Signal beaufschlagbar sind, das einen der Modi "Eichen" und "Messen" bewirkt, und
daß die Ausgänge der Und-Schaltungen (16, 17) mit je einem Starteingang der Zähler (9, 11) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber ein Weg-Geber ist, der eine Spule (1) enthält, deren Induktivität vom Weg abhängt.