DE4302184A1 - Circuit for amplifying the output signal of a sensor - Google Patents

Circuit for amplifying the output signal of a sensor

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals eines mit hohem Nullpunkt­ fehler behafteten Sensors, insbesondere zur Verstärkung von solchen Sensor-Ausgangssignalen mit sehr niedrigfrequenten Wechselanteilen mit einem rückgekoppelten Gleichspannungs­ verstärker.The invention relates to a circuit for amplification of the electrical output signal one with a high zero point faulty sensor, especially for amplifying such sensor output signals with very low frequencies AC components with a feedback DC voltage amplifier.

Die Qualität und der Herstellungsaufwand von Regelungssyste­ men werden weitgehend von den Sensoren und von der erforder­ lichen Elektronik zur Aufbereitung und Verarbeitung der Sen­ sorsignale beeinflußt. Bei manchen Sensortypen, z. B. bei Sen­ soren auf Halbleiterbasis, variieren die elektrischen Signale der einzelnen Exemplare in weiten Grenzen. Hinzu kommt eine hohe Temperaturabhängigkeit. Der sogen. Offset oder der Null­ punktfehler kann ein Vielfaches des gesamten Ausgangssignals bzw. der Nutzsignalbreite betragen. Bei den benötigten hohen Verstärkungen der schwachen Sensorsignale sind auch die Null­ punkt-Abweichungen der Verstärkerelektronik nicht zu vernach­ lässigen. Als Folge dieser Exemplarstreuungen und Temperatur­ abhängigkeiten werden häufig aufwendige Kalibrier- und Tempe­ raturkompensationsmaßnahmen und -schaltungen erforderlich. The quality and manufacturing effort of control systems Men are largely required by the sensors and the electronics for the preparation and processing of the sen sor signals influenced. With some sensor types, e.g. B. with Sen sensors based on semiconductors, the electrical signals vary of the individual specimens within wide limits. There is also one high temperature dependence. The so-called Offset or the zero point error can be a multiple of the total output signal or the useful signal width. At the required high Gainings of weak sensor signals are also zero point deviations of the amplifier electronics not to be neglected casual. As a result of this specimen scatter and temperature Dependencies often become complex calibration and temp Temperature compensation measures and circuits required.  

Zum Eliminieren des Nullpunktfehlers ist es natürlich mög­ lich, dem Verstärker kapazitiv an den Sensorausgang anzukop­ peln, sofern Gleichanteile des Sensorausgangssignals nicht interessieren. Bei Verstärkerschaltungen mit sehr niedrigen unteren Grenzfrequenzen (< 1Hz) werden solche Schaltungen je­ doch recht aufwendig, da Kondensatoren hoher Kapazität benö­ tigt werden.It is of course possible to eliminate the zero point error Lich, capacitively coupling the amplifier to the sensor output peln if there are no DC components of the sensor output signal interested. For amplifier circuits with very low Such circuits are lower limit frequencies (<1Hz) but quite complex, since capacitors require high capacitance be done.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die sich mit geringem Aufwand herstellen läßt und die auch bei großen Exemplarstreuungen ohne individuelle Kalibriermaßnah­ men auskommt.The present invention is therefore based on the object to develop a circuit of the type mentioned that can be produced with little effort and also at large sample sizes without individual calibration measures men gets along.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß bei einer Schaltung zur Verstärkung eines solchen Sensorsignals das Verstärkerausgangssignal mit Hilfe einer Microcontroller-Regelschleife, die durch Rückführung des Ver­ stärker-Ausgangssignals über einen Analog/Digital-Wandler, über den Microcontroller, über einen Digital/Analog-Wandler und über eine Addierstufe zu dem Verstärkereingang gebildet wird, auf Null oder auf einen anderen bestimmten Wert abge­ glichen wird, wobei das Zeitverhalten bzw. die Zeitkonstante des Abgleichs durch die Datenverarbeitung im Microcontroller vorgegeben ist.It has been shown that this object can be achieved can that in a circuit for amplifying such Sensor signal the amplifier output signal using a Microcontroller control loop, which by feedback of Ver stronger output signal via an analog / digital converter, via the microcontroller, via a digital / analog converter and formed via an adder to the amplifier input is reduced to zero or some other specific value is compared, the time behavior or the time constant the comparison through data processing in the microcontroller is specified.

Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung umgeht also die mit der Verwendung eines kapazitiv gekoppelten Verstärkers sehr niedriger Grenzfrequenz zwangsläufig verbundenen Probleme, indem ein einfacher Gleichspannungsverstärker verwendet wird, dessen Ausgangssignal mit Hilfe einer Microcontroller-Regel­ schleife ständig auf einen bestimmten Wert, vorzugsweise auf "Null", abgeglichen wird. Mit diesem Microcontroller bzw. mit der Microcontroller-Regelschleife können ohne Schwierig­ keiten Grenzfrequenzen von 0,01 Hz oder noch kleinere reali­ siert werden. Sämtliche Nullpunktfehler des Sensors und des Verstärkers, seien sie durch Exemplarstreuung oder durch Tem­ peraturgang verursacht, werden automatisch über die Regel­ schleife kompensiert.The amplifier circuit according to the invention thus avoids the the use of a capacitively coupled amplifier low cut-off frequency inevitably connected problems, using a simple DC amplifier, its output signal using a microcontroller rule  constantly grind to a certain value, preferably to "zero". With this microcontroller or with the microcontroller control loop can be done without difficulty limit frequencies of 0.01 Hz or even smaller reali be settled. All zero point errors of the sensor and the Amplifiers, be they by specimen distribution or by tem temperature gear caused are automatically over the rule loop compensated.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die erfin­ dungsgemäße Schaltung zur Verstärkung des Ausgangssignals ei­ nes piezoresistiven Beschleunigungsaufnehmers, der für Kraft­ fahrzeug-Regelungssysteme vorgesehen ist, verwendet.According to an advantageous embodiment, the invented ei circuit according to the invention for amplifying the output signal piezoresistive accelerometer that is designed for power Vehicle control systems is used.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an­ hand der beigefügten Abbildungen hervor. Es zeigenOther features, advantages and possible uses go from the following description of an embodiment hand from the attached illustrations. Show it

Fig. 1 in Prinzipdarstellung die wichtigsten Komponenten einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und Fig. 1 shows in principle the most important components of a circuit arrangement according to the invention and

Fig. 2 Diagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1. Fig. 2 shows diagrams for illustrating the operation of the circuit of FIG. 1.

Ein Sensor S, dessen Ausgangssignal durch eine Schaltung nach der Erfindung verstärkt werden soll, ist in Fig. 1 mit 1 be­ zeichnet. Über eine Addierstufe 2, in der zur Nullpunkt-Kor­ rektur eine bestimmte Spannungskomponente überlagert wird, wird das Ausgangssignal des Sensors 1 einem Gleichspannungs­ verstärker 3, hier einem einfachen Operationsverstärker, zu­ geführt. Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal des Verstär­ kers 3 über eine Serienschaltung, die aus einem Analog/Digi­ tal-Wandler 4, einem Microcontroller 5 (MC) und einem Digi­ tal/Analog-Wandler 6 besteht, und über die Addierstufe 2, in der das Sensorausgangssignal und die von dem Verstärkeraus­ gangssignal abgeleitete Signalkomponente überlagert werden, zum Eingang des Verstärkers 3 zurückgeführt.A sensor S, the output signal of which is to be amplified by a circuit according to the invention, is marked 1 in FIG. 1. Via an adder 2 , in which a certain voltage component is superimposed on the correction of the zero point, the output signal of the sensor 1 is fed to a DC amplifier 3 , here a simple operational amplifier. According to the output signal of the amplifier 3 via a series circuit consisting of an analog / digital tal converter 4 , a microcontroller 5 (MC) and a digital tal / analog converter 6 , and via the adder 2 , in which the sensor output signal and the signal component derived from the amplifier output signal are superimposed, fed back to the input of the amplifier 3 .

Mit Hilfe des Microcontrollers 5 wird eine Regelschleife ge­ bildet, über die das Ausgangssingal des Gleichspannungsver­ stärkers 3 mit einer vorgegebenen Zeitkonstante bzw. einem vorgegebenen Zeitverhalten ständig auf "Null" abgeglichen wird. Auf diese Weise wird automatisch, d. h. ohne jegliche Kalibrierung - ein Offset des Sensors 1 bzw. das in der Ruhe­ lage des Sensors 1 anliegende Ausgangspotential, ebenso wie ein Offset oder Nullpunktfehler des Verstärkers 3, durch Tem­ peraturänderungen bedingte Verschiebungen des Nullpunktes usw. ausgeglichen. Schnelle, d. h. oberhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz liegende Änderungen des Ausgangssignals des Sensors 1 werden dagegen in dem Gleichspannungsverstärker 3 verstärkt und stehen dann als weiterverarbeitbares, analoges Signal an dem Analogausgang des Verstärkers 3 und als digita­ les Signal an dem Digitalausgang des Microcontrollers 5 zur Verfügung.With the help of the microcontroller 5 , a control loop is formed via which the output signal of the DC voltage amplifier 3 is constantly adjusted to "zero" with a predetermined time constant or a predetermined time behavior. In this way, automatically, ie without any calibration - an offset of the sensor 1 or the resting potential of the sensor 1 applied output potential, as well as an offset or zero point error of the amplifier 3 , compensated by temperature changes caused by displacements of the zero point, etc. Rapid, ie changes in the output signal of the sensor 1 which lie above a predetermined limit frequency, are amplified in the DC voltage amplifier 3 and are then available as a further processable, analog signal at the analog output of the amplifier 3 and as a digital signal at the digital output of the microcontroller 5 .

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem als Sensor 1 ein piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer vorge­ sehen ist, der zur Messung von Aufbaubeschleunigungen als Re­ gelgröße eines Fahrwerkregelungssystems für Kraftfahrzeuge dient, liegt die untere Grenzfrequenz der Verstärkerschaltung nach Fig. 1 bei 0,01 Hz. Langsame, aber noch über dieser sehr niedrigen Frequenz liegende Änderungen des Sensor-Ausgangssi­ gnals führen zu einer deutlichen, auswertbaren Änderung des Verstärker-Ausgangssignals. Noch langsamere Änderungen werden durch die Microcontroller-Regelschleife vollständig kompen­ siert.According to an embodiment of the invention, in which a piezoresistive accelerometer is provided as sensor 1 , which serves to measure body accelerations as a control variable of a chassis control system for motor vehicles, the lower limit frequency of the amplifier circuit according to FIG. 1 is 0.01 Hz. but changes in the sensor output signal that are still above this very low frequency lead to a clear, evaluable change in the amplifier output signal. The microcontroller control loop fully compensates for even slower changes.

Durch die Zusammenfassung in einem gestrichelt umrandeten Baustein 5′ ist symbolisch angedeutet, daß die beiden Wandler 4 und 6 mit dem Microcontroller 5 zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt werden können.By summarizing in a broken line block 5 'is symbolically indicated that the two converters 4 and 6 can be combined with the microcontroller 5 to form a structural unit.

Das Zeitverhalten der Regelschleife läßt sich durch entspre­ chende Ausbildung und Programmierung des Microcontrollers 5, 5′ in sehr einfacher Weise festlegen und durch Änderung der Programmierung sehr schnell den jeweiligen Forderungen anpas­ sen. Aus diesem Grunde eignet sich die Verstärkerschaltung nach der Erfindung zur Verarbeitung bzw. Aufbereitung der Ausgangssignale unterschiedlicher Sensoren-Typen. Die Verwen­ dung eines Microcontrollers zur Ausbildung der Regelschleife führt in den sehr häufigen Fällen, in denen ohnehin zur Si­ gnalverarbeitung ein Microcomputer vorhanden ist, zu keiner Erhöhung des Herstellungsaufwandes.The timing of the control loop can be determined by appropriate training and programming of the microcontroller 5 , 5 'in a very simple manner and quickly adapt to the respective requirements by changing the programming. For this reason, the amplifier circuit according to the invention is suitable for processing or conditioning the output signals of different types of sensors. The use of a microcontroller to form the control loop does not lead to an increase in production costs in the very common cases in which a microcomputer is available for signal processing anyway.

Fig. 2 zeigt in einem Ausführungsbeispiel den Verlauf des Verstärker-Ausgangssignals (Fig. 2C) in Abhängigkeit von dem Sensor-Ausgangssignal (Fig. 2A). In diesem Ausführungsbei­ spiel bzw. bei dem hier verwendeten Sensorexemplar beträgt der Offset, d. h. das im Ruhezustand an dem Sensorausgang an­ stehende Potential, bereits 0,5 V. Durch einen Beschleuni­ gungsvorgang wird hier eine annähernd sprungförmige Span­ nungserhöhung um 0,1 V hervorgerufen. Diese Signaländerung führt zu einem verstärkten, auswertbaren Signal am Ausgang C des Verstärkers 3; dies gibt Fig. 2C wieder. Der Potential­ sprung zum Zeitpunkt t1 am Sensorausgang A von 0,1 V führt zu einem Potentialsprung von 1 V am Verstärkerausgang C. Die Microcontroller-Regelschleife, mit der erfindungsgemäß das Verstärkerausgangssignal ständig abgeglichen wird, bewirkt, daß das Potential von 1 V mit der durch die Programmierung des Microcontrollers vorgegebenen Zeitkonstanten abklingt; die Zeitkonstante liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10-60 Sekunden. FIG. 2 shows the course of the amplifier output signal ( FIG. 2C) as a function of the sensor output signal ( FIG. 2A) in one exemplary embodiment. In this exemplary embodiment, or in the case of the sensor specimen used here, the offset, ie the potential at the sensor output in the idle state, is already 0.5 V. An acceleration step causes an approximately sudden voltage increase of 0.1 V here. This signal change leads to an amplified, evaluable signal at the output C of the amplifier 3 ; this is shown in Fig. 2C. The potential jump at time t 1 at sensor output A of 0.1 V leads to a potential jump of 1 V at amplifier output C. The microcontroller control loop, with which the amplifier output signal is constantly compared according to the invention, has the effect that the potential of 1 V with the the time constant given by the programming of the microcontroller subsides; the time constant is, for example, on the order of 10-60 seconds.

Fig. 2B veranschaulicht den Verlauf des Ausgleichs- bzw. Aus­ gangssignals des Digital/Analog-Wandlers 6 bzw. des Microcon­ trollers 5′, das in der Addierstufe 2 dem Sensor-Ausgangssi­ gnal überlagert wird. Fig. 2B illustrates the course of the compensation or output signal from the digital / analog converter 6 or the Microcon trollers 5 ', which is superimposed on the sensor output signal in the adder 2 .

Es handelt sich bei den Diagrammen nach Fig. 2 natürlich um eine idealisierte Darstellung, der Nullpunktfehler des Ver­ stärkers 3 wurde vernachlässigt; die Potentialänderung am Sensorausgang wurde als idealer Sprung angenommen. Ferner ist zu beachten, daß im allgemeinen das Ausgleichssignal durch Mittelwertbildung eines in der Regelschleife gebildeten puls­ förmigen Signals erzeugt wird.It is in the diagrams of Figure 2, of course, to an idealized illustration, the zero point error of the Ver stärkers 3 was neglected. the potential change at the sensor output was assumed to be an ideal jump. It should also be noted that in general the compensation signal is generated by averaging a pulse-shaped signal formed in the control loop.

Claims (3)

1. Schaltung zur Verstärkung des elektrischen Ausgangssi­ gnals eines mit hohem Nullpunktfehler behafteten Sensors, insbesondere zur Verstärkung von Signalen mit sehr nie­ drigfrequenten Wechselanteilen, mit einem rückgekoppelten Gleichspannungsverstärker, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangssignal des Verstärkers (3) mit Hilfe einer Microcontroller-Regelschleife (4-6, 5′), die durch Rückführung des Verstärker-Aus­ gangssignals über einen Analog/Digital-Wandler (4), über den Microcontroller (5), über einen Digital/Analog-Wand­ ler (6) und über eine Addierstufe (2) zu dem Verstärker­ eingang gebildet wird, mit einem durch die Datenverarbei­ tung im Microcontroller vorgegebenen Zeitverhalten bzw. einer vorgegebenen Zeitkonstanten auf Null oder auf einen anderen bestimmten Wert abgeglichen wird.1. Circuit for amplifying the electrical output signal of a sensor with a high zero point error, in particular for amplifying signals with very never drig-frequency alternating components, with a feedback DC voltage amplifier, characterized in that the output signal of the amplifier ( 3 ) using a microcontroller control loop ( 4-6, 5 '), by feedback of the amplifier output signal via an analog / digital converter ( 4 ), via the microcontroller ( 5 ), via a digital / analog converter ( 6 ) and via an adder ( 2 ) to the amplifier input is formed, with a predetermined by the data processing in the microcontroller timing or a predetermined time constant to zero or to another specific value. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die untere Grenzfrequenz der Ver­ stärkung in der Größenordnung von 0,1 oder 0,01 Hz liegt.2. Circuit according to claim 1, characterized records that the lower cut-off frequency of Ver gain is in the order of 0.1 or 0.01 Hz. 3. Verwendung der Schaltung nach Anspruch 1 oder 2 zur Ver­ stärkung des Ausgangssignals eines piezoresistiven Be­ schleunigungssensors (1) für Kraftfahrzeug-Regelungssy­ steme.3. Use of the circuit according to claim 1 or 2 for the amplification of the output signal of a piezoresistive Be acceleration sensor ( 1 ) for motor vehicle control systems.
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