DE4401949C1 - Einrichtung zum multiplikativen Korrigieren eines elektrischen Meßsignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum multiplikativen Korrigieren eines einem Analog- Digital-Wandler von einem Meßfühler zuzuführenden, langsam veränderlichen elektrischen Meßsignals, insbesondere des Meßsignals eines im Luftansaugkanal einer Verbrennungskraftmaschine befindlichen Luftmassenstrommessers, in Abhängigkeit von positiven und negativen zeitlichen Abweichungen eines für den Analog-Digital-Wandler als Bezugsgröße dienenden, elektrischen Referenzsignals von seinem Nennwert gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Viele Meßfühler arbeiten als Spannungsteiler, zum Beispiel als Weg/Winkelmesser mit einem Potentiometer oder als temperaturabhängige Widerstände. Hierbei folgt das Ausgangs- bzw. Meßsignal des Meßfühlers stets seiner Versorgungsspannung. Wenn die Referenzspannung eines das Ausgangssignal des Meßfühlers verarbeitenden Analog- Digital-Wandlers gleichzeitig auch als Versorgungsspannung des Meßfühlers benutzt wird, gehen Änderungen der Referenzspannung nicht in die Meßgenauigkeit ein.

Wenn dagegen Meßfühler eingesetzt werden, die andere physikalische Effekte ausnutzen und nicht nach dem Spannungsteilerprinzip arbeiten, ist die beschriebene, sogenannte ratiometrische Auswertungsmethode im allgemeinen nicht möglich. Um Wandler und Referenz - ohne Einbuße an Genauigkeit - beibehalten zu können, muß das Ausgangs- bzw. Meßsignal des Meßfühlers der Referenz folgen, wozu eine elektronische Multiplikation von Spannungen erforderlich ist. Das Ausgangssignal U_M des Meßfühlers muß mit dem Quotienten zwischen dem Istwert U_ref der Referenzspannung und dem Nennwert U_refN der Referenzspannung multipliziert werden, um hierdurch die Eingangsspannung des Analog- Digital-Wandlers zu erhalten. Multiplikationsglieder, wie spannungsgesteuerte Widerstände sind jedoch vielfach ungeeeignet, beispielsweise in der Kfz-Elektronik, wegen zu hoher Kosten und mangelnder Temperaturstabilität.

Die EP-A1 0 444 234 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Analog-Digital-Wandlung eines sich zeitlich ändernden elektrischen Eingangssignals ES. Dabei wird das Eingangssignal einer ersten Übertragungsfunktion, insbesondere derjenigen eines Hochpasses, unterworfen und mit einem Faktor F verstärkt, um ein aufbereitetes Signal AS zu erhalten. Zeitlich aufeinanderfolgende Proben der Signale ES und AS durchlaufen eine Analog/Digital-Wandlung. Die so aus dem Signal ES erhaltenen digitalen Daten werden mit dem Faktor F multipliziert. Die dem Signal ES entsprechenden digitalen Daten werden einer zweiten Übertragungsfunktion unterworfen, die insbesondere dem komplexen Element der ersten Übertragungsfunktion entspricht. Die Ergebnisse der Analog-Digital-Wandlung werden dann unter Heranziehung der digitalen Daten ermittelt. Bei diesem System wird ein Sägezahngenerator benutzt, der ein periodisches Sägezahnsignal erzeugt. Dieses Sägezahnsignal gelangt über zwei elektronische Schalter, die von einer elektronischen Recheneinrichtung gesteuert werden, zu zwei Summierungspunkten, die jeweils vor einem zu einer Sample and Hold-Schaltung führenden Verstärker bzw. vor einem Multiplexer liegen. Dadurch kann das Sägezahnsignal wahlweise den Proben des Eingangssignals ES oder dem dem Verstärker zugeführten Signal überlagert werden. Das Sägezahnsignal dient also ausschließlich zu einer aufsummierenden Signalüberlagerung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff genannten Art so auszubilden, daß auch beliebige Meßfühler einsetzbar sind, die nicht nach dem Spannungsteilerprinzip arbeiten, und daß auch unter Berücksichtigung unvermeidbarer kleinerer Schwankungen der Referenzspannung für den Analog-Digital- Wandler mit einfachen Maßnahmen eine große Meßgenauigkeit erzielbar ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine Einrichtung der im Oberbegriff genannten Art erfindungsgemäß aus durch einen Sägezahngenerator zum Erzeugen einer Sägezahnspannung, deren Mittelwert dem Spannungsnennwert des Referenzsignals und deren Schwankungsbreite der maximalen Schwankungsbreite des Referenzsignals entsprechen, durch einen Komparator zum ständigen Vergleichen des Referenzsignals mit der Sägezahnspannung zwecks Erzeugens einer Steuerimpulsfolge, deren Tastverhältnis innerhalb der maximalen Schwankungsbreite des Referenzsignals von 0% bis 100% reicht, durch einen von dem unkorrigierten Meßsignal gespeisten Spannungsteiler mit einem von der Steuerimpulsfolge des Komparators getakteten Ein-Aus-Schalter und mit einem Spannungsteiler- Abgriff, an dem das Meßsignal als modifiziertes Signal in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis der Steuerimpulsfolge abwechselnd unverändert und entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis geringfügig reduziert anliegt, wobei der zeitliche Anteil der Meßsignalreduzierung gegenüber dem unveränderten Meßsignalzustand mit abnehmender Größe des Referenzsignals ansteigt und mit zunehmender Größe des Referenzsignals abnimmt, und durch ein an den Spannungsteiler-Abgriff angeschlossenes, zum Analog-Digital- Wandler führendes mittelwertbildendes Filterglied zum Erzeugen des korrigierten Meßsignals.

Demgemäß ist die Sägezahnspannung im Normalfall abwechselnd größer und kleiner als die Referenzspannung. Wenn diese ihrem Nennwert entspricht, ergibt sich ein Tastverhältnis der Steuerimpulsfolge von beispielsweise etwa 50%. Hiervon ausgehend nimmt das Tastverhältnis mit ansteigender Referenzspannung bis beispielsweise 0% ab, während es mit fallender Referenzspannung bis beispielsweise 100% ansteigt. Dementsprechend wird der Spannungsteiler über den Ein-Aus-Schalter beispielsweise so getaktet, daß das modifizierte Meßsignal am Spannungsteiler-Abgriff bei einem Tastverhältnis von 0%, also bei maximaler Referenzspannung, stets exakt dem Meßsignal entspricht und bei ansteigendem Tastverhältnis, also mit abnehmender Referenzspannung, wiederholt und mit zunehmender Zeitdauer entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis reduziert wird. Der Mittelwert dieses Signals am Spannungsteiler-Abgriff ist also im Normalfall gegenüber dem Grenzfall bei einem Tastverhältnis von 0% (maximale Referenzspannung) um so länger in bezug auf das Meßsignal vom Meßfühler reduziert, je größer das Tastverhältnis (je kleiner die Referenzspannung) ist. Eine mittlere Signalreduzierung liegt dann vor, wenn das Referenzsignal seinem Nennwert entspricht, also bei einem Tastverhältnis von beispielsweise 50%.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß bei gegenüber ihrem Nennwert abnehmender bzw. ansteigender Referenzspannung auch der Mittelwert des Signals am Spannungsteiler- Abgriff als auszuwertendes Maß für das Meßsignal des Meßfühlers entsprechend abnimmt bzw. zunimmt, so daß Fehler der Referenzspannung ausgeglichen werden. Dieses gilt vor allem für kleine sowie langsame Abweichungen des Referenzsignals von seinem Nennwert.

Durch das Filterglied wird schließlich aus dem modifizierten Meßsignal das korrigierte Meßsignal als Eingangssignal für den Analog-Digital-Wandler erzeugt, dessen Ausgangssignal weitgehend unabhängig von Schwankungen der Referenzspannung ist.

Die Weiterbildungen der Ansprüche 2 und 3 stellen sicher, daß im praktischen Betrieb eine ausreichend große Meßgenauigkeit sichergestellt wird. Das Referenzsignal kann von nominal 5 Volt auf 5,25 Volt ansteigen bzw. auf 4,75 Volt fallen, ohne daß sich diese Schwankungen bei der Analog-Digigal-Wandlung verfälschend auswirken, wenn sie nur ausreichend langsam erfolgen, wie mit bis zu 1 Volt pro mscec.

Die Ausgestaltungen der Ansprüche 4 und 5 lassen vielfältige Ausbildungen des Sägezahngenerators zu. Die ansteigenden und abfallenden Flanken des Sägezahns können gleich oder unterschiedlich sein.

Die weiteren Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 6 bis 8 sind praxisgerecht und genügen für eine Kompensation üblicher Referenzspannungsschwankungen.

Die Weiterbildung von Anspruch 9 erlaubt ein einfaches sowie preiswertes Erzeugen der erforderlichen Sägezahnspannung.

Die Maßnahme von Anspruch 10 ermöglicht ein Abheben des zuvor durch Spannungsteilung reduzierten korrigierten Meßsignals auf das Ausgangsniveau.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 2 den Verlauf der Sägezahnspannung des Sägezahngenerators,

Fig. 3 das Erzeugen einer Steuerimpulsfolge für den Ein-Aus-Schalter des Spannungsteilers und die hiervon abhängigen Schaltzustände des Ein-Aus-Schalters.

Ein im vorliegenden Beispiel im Luftansaugkanal einer Verbrennungskraftmaschine anzuordnender Luftmassenstrommesser bzw. LMSM-Meßfühler 10 erzeugt ein in Form einer Meßspannung vorliegendes Meßsignal U_M, das gemäß Fig. 1 einem an Masse angeschlossenen Spannungsteiler aus Widerständen R1, R2 zugeführt wird. Im vorliegenden Fall hat der Widerstand R2 den neunfachen Widerstandswert des Widerstandes R1, so daß das Widerstandsverhältnis R1/(R1+R2) einen Wert von 10% hat. Zwischen R2 und Masse befindet sich ein durch eine Steuerimpulsfolge U_P gesteuerter Ein-Aus-Schalter 18, der gesperrt ist, wenn ein Steuerimpuls U_P ansteht, und der durchgeschaltet ist, wenn kein Steuerimpuls U_P ansteht.

An einem Spannungsteiler-Abgriff 20 kann somit ein modifiziertes Meßsignal U_E1 abgenommen werden, das bei offenem Ein-Aus-Schalter 18 dem Meßsignal U_M exakt entspricht und sonst gegenüber diesem um 10% reduziert ist. Das modifizierte Meßsignal U_E1 gelangt zu einem mittelwertbildenden Filterglied 22, das gegebenenfalls auch noch geringfügig signalverstärkend sein kann. Am Ausgang des Filterglieds 22 steht ein korrigiertes Meßsignal U_E2 an, welches unter Berücksichtigung der noch zu erläuternden Ansteuerung des Ein-Aus- Schalters 18 den eventuellen Spannungsschwankungen eines Referenzsignals U_ref erfolgt. Das korrigierte Meßsignal U_E2 gelangt zu einem Analog-Digital-Wandler 12, dem als Bezugsspannung ein Referenzsignal U_ref dient und der am Ausgang ein dem Meßsignal U_M entsprechendes digitales Ausgangssignal U_A liefert.

Die Bezugsspannung bzw. das Referenzsignal U_ref beträgt beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug 5 V und unterliegt kleineren Spannungsschwankungen von etwa 4,75 V bis 5,25 V, also von plus und minus 5%, bei einer relativ kleinen Änderungsgeschwindigkeit von weniger als etwa 1 V pro msec. Solche Änderungen wirken sich im Normalfall unmittelbar auf das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung aus und müssen somit kompensiert werden. Dieses erfolgt durch entsprechende Ansteuerung des Ein-Aus-Schalters 18.

Die Steuerimpulsfolge U_P für den Ein-aus-Schalter 18 ist das Ausgangssignal eines Komparators 16, dessen positiver Eingang das erwähnte Referenzsignal U_ref (Referenzspannung) und dessen negativer Eingang eine Sägezahnspannung U_S zugeführt werden. Die im vorliegenden Fall symmetrische Sägezahnspannung U_S (die auch unsymmetrisch sein könnte) hat gemäß Fig. 2 einen Mittelwert U_SM, der dem Spannungsnennwert U_refN des Referenzsignals U_ref entspricht und demnach im vorliegenden Fall einen Wert von 5 V hat. Die Sägezahnspannung U_S durchläuft Spannungswerte von 4,75 V bis 5,25 V - ihre Schwankungsbreite ΔU_S entspricht also der maximalen Schwankungsbreite ΔU_ref des Referenzsignals U_ref.

Immer dann, wenn die Sägezahnspannung U_S am negativen Eingang des Komparators 16 kleiner ist als das Referenzsignal U_ref am positiven Eingang, entsteht ein Impuls der Steuerimpulsfolge U_P, der den Ein-Aus-Schalter 18 sperrt, so daß das modifizierte Meßsignal U_E1 exakt dem Meßsignal U_M des Meßfühlers 10 entspricht. Solange jedoch die Sägezahnspannung U_S größer als das Referenzsignal U_ref ist, entsteht kein Impuls. Der Ein-Aus- Schalter 18 ist dann durchgeschaltet, und U_E1 wird entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis um 10% reduziert.

Wenn im Normalfall der Mittelwert U_SM der Sägezahnspannung U_S dem Spannungsnennwert U_refN des Referenzsignals U_ref entspricht, ergibt sich für die Steuerimpulsfolge U_P ein Tastverhältnis von 50%, so daß das modifizierte Meßsignal U_E1 während gleich langer Zeiten gegenüber U_M abwechselnd unverändert und um 10% reduziert ist. Demnach ist in diesem Normalfall das korrigierte Meßsignal U_E2 durch Mittelwertbildung um 5% gegenüber U_M reduziert. Falls das Filterglied 22, wie erwähnt, einen geeigneten kleinen Verstärkungsfaktor hat, kann U_E1 im Normalfall genau U_M entsprechen.

Wenn das Referenzsignal U_ref kleiner als U_SM wird, verkleinert sich das Tastverhältnis von U_P gegenüber dem Normalwert von 50% zugunsten kürzerer Impulse der Steuerimpulsfolge U_P, so daß U_E1 in längeren Zeitspannen um 10% und U_E2 dauerhaft stärker gegenüber U_M reduziert werden. Wenn U_ref der minimalen Größe von U_S entspricht, entfällt die Steuerimpulsfolge U_P (das Tastverhältnis hat dann den Wert von 0%), und die Werte von U_E1 und U_E2 sind beide gegenüber U_M dauerhaft um 10% reduziert, gegenüber dem Normalfall also um 5%.

Wenn das Referenzsignal U_ref dagegen größer als U_SM bzw. U_refN wird, erhöht sich das Tastverhältnis von U_P gegenüber dem Normalwert von 50% zugunsten längerer Impulse der Steuerimpulsfolge U_P, so daß U_E1 in kürzeren Zeitspannen um 10% und U_E2 dauerhaft weniger stark gegenüber U_M reduziert werden. Wenn U_ref der maximalen Größe von U_S entspricht, entsteht ein dauerhafter Impuls der Steuerimpulsfolge U_P (das Tastverhältnis hat dann den Wert von 100%), und die Werte von U_E1 und U_E2 sind beide gegenüber U_M dauerhaft nicht reduziert, gegenüber dem Normalfall also um 5% vergrößert.

Somit verändert sich U_E2 in Abhängigkeit von U_ref und das digitale Ausgangssignal U_A des Analog-Digital-Wandlers 12 ist daher unabhängig von Spannungsveränderungen des Referenzsignals U_ref.

In Fig. 2 ist genauer dargestellt, daß die Sägezahnspannung U_S gegenüber ihrem Mittelwert U_SM von 5 V um ΔU_S=0,25 V auf 5,25 V ansteigt und auf 4,75 V abfällt.

Aus Fig. 3 ergibt sich, daß immer dann, wenn die Referenzspannung U_ref größer als die Sägezahnspannung U_S ist, vom Komparator 16 ein Steuerimpuls U_P für den dadurch gesperrten Ein-Aus-Schalter 18 erzeugt wird.

Der als Kipposzillator ausgebildete Sägezahngenerator 14 ist an eine Zenerdiode Z angeschlossen, die mit Masse sowie über einen Widerstand R3 mit einer Gleichspannungsquelle U verbunden ist und eine stabilisierte Versorgungsspannung U_stab liefert.

Ein integrierter Verstärker V ist mit seinem positiven Eingang an einen zwischen U_stab sowie Masse geschalteten Spannungsverteiler mit Widerständen R4, R5 angeschlossen und mit seinem negativen Eingang über einen Kondensator C mit Masse verbunden. An den Ausgang des Verstärkers V ist eine Steuerelektrode eines steuerbaren Schalters S (Analogschalter, Umschalter) angeschlossen, der je nach Schaltstellung zwei mit Widerständen R6, R7 ausgebildete, zu den positiven und negativen Eingängen des Verstärkers V führenden Rückkopplungszweige entweder exakt mit Masse oder mit U_stab verbindet. Grundsätzlich könnte dieser Schalter S auch fehlen (die Widerstände R6 und R7 wären dann direkt mit dem Ausgang des Verstärkers V verbunden) - es ergäbe sich dann aber ein größerer Fehler, weil der Ausgang des Verstärkers V unter Berücksichtigung der Exemplarstreuungen und der Temperaturdrift nicht so exakt nach Masse und U_stab schalten kann wie der Schalter S. Die Sägezahnspannung U_S wird am Kondensator C bzw. am negativen Eingang des Verstärkers S abgenommen und dann zum Komparator 16 geleitet.

Ausgehend von einem entladenen Kondensator C liegt am negativen Eingang des Verstärkers V eine Spannung von 0 V an. Mit beispielhaften Werten von U_stab=10 V, R4=R5=10K, R6=100K ergibt sich für den positiven Eingang von V die obere Schwelle von 5,25 V, da der Verstärkerausgang seinen positiven Wert abnimmt und damit U_stab über den Umschalter S durchschaltet. Der Kondensator C lädt sich über den Widerstand R7 auf, und die Spannung am negativen Eingang von V steigt in guter Näherung linear an. Wenn diese Spannung die Schwelle von 5,25 V erreicht, schaltet V um, und der Analogschalter S verbindet die Widerstände R6 und R7 mit Masse. Die Spannung am positiven Eingang von V ändert sich auf 4,75 V. Der Kondensator C entlädt sich über R7. Erreicht die Kondensatorspannung 4,75 V, schaltet V um, und die Ladephase beginnt erneut.

Grundsätzlich wäre es auch möglich, den Ein-Aus-Schalter 18 innerhalb des Spannungsteilers in Reihe zum Widerstand R1 (statt R2) zu legen. Dann ergäbe sich aber ein anderer Reduzierungsfaktor für U_M. Nicht empfehlenswert ist eine Parallelschaltung, da dann der endliche Durchgangswiderstand des Schalters stark in die Genauigkeit eingehen würde (Exemplarsteuerung, Temperaturdrift).

Das Spannungsteilerverhältnis kann wie in diesem Beispiel dem maximalen Signal- bzw. dem maximalen Sägezahnschwankungsbreitenverhältnis angepaßt sein, muß es aber nicht. Ziel der benutzten Dimensionierung ist ein Signal mit geringem Oberwellenteil am Spannungsteiler- Abgriff 20, um den Aufwand im Filterglied 22 (Tiefpaß) gering zu halten.

Claims (10)

1. Einrichtung zum multiplikativen Korrigieren eines einem Analog-Digital-Wandler (12) von einem Meßfühler (10) zuzuführenden, langsam veränderlichen elektrischen Meßsignals, insbesondere des Meßsignals eines im Luftansaugkanal einer Verbrennungskraftmaschine befindlichen Luftmassenstrommessers, in Abhängigkeit von positiven und negativen zeitlichen Abweichungen eines für den Analog-Digital- Wandler als Bezugsgröße dienenden, elektrischen Referenzsignals von seinem Nennwert,
gekennzeichnet durch einen Sägezahngenerator (14) zum Erzeugen einer Sägezahnspannung (U_S), deren Mittelwert (U_SM) dem Spannungsnennwert (U_refN) des Referenzsignals (U_ref) und deren Schwankungsbreite (ΔU_S) der maximalen Schwankungsbreite (ΔU_ref) des Referenzsignals entsprechen durch,
einen Komparator (16) zum ständigen Vergleichen des Referenzsignals (U_ref) mit der Sägezahnspannung (U_S) zwecks Erzeugens einer Steuerimpulsfolge (U_P), deren Tastverhältnis innerhalb der maximalen Schwankungsbreite des Referenzsignals von 0% bis 100% reicht, durch
einen von dem unkorrigierten Meßsignal (U_M) gespeisten Spannungsteiler (R1, R2) mit einem von der Steuerimpulsfolge des Komparators getakteten Ein-Aus- Schalter (18) und mit einem Spannungsteiler-Abgriff (20), an dem das Meßsignal als modifiziertes Signal (U_E1) in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis der Steuerimpulsfolge (U_P) abwechselnd unverändert und entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis geringfügig reduziert anliegt, wobei der zeitliche Anteil der Meßsignalreduzierung gegenüber dem unveränderten Meßsignalzustand mit abnehmender Größe des Referenzsignals ansteigt und mit zunehmender Größe des Referenzsignals abnimmt, und durch
ein an den Spannungsteiler-Abgriff (20) angeschlossenes, zum Analog- Digital-Wandler (12) führendes mittelwertbildendes Filterglied (22) zum Erzeugen des korrigierten Meßsignals (U_E2).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen positiven und negativen Spannungsabweichungen des Referenzsignals (U_ref) von seinem Spannungsnennwert (U_refN) etwa 5% betragen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsänderungen des Meßsignals (U_M) pro msec kleiner als etwa 1 Volt sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägezahnspannung (U_S) symmetrisch ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägezahnspannung (U_S) asymmetrisch ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsteilerverhältnis (R1/(R1+R2)) des Spannungsteilers (R1, R2) dem Sägezahnverhältnis (2×ΔU_S/U_SM) aus der gesamten Schwankungsbreite (2×ΔU_S) der Sägezahnspannung (U_S) zu seinem Mittelwert (U_SM) entspricht.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsteilerverhältnis (R1/(R1+R2)) und das Sägezahnverhältnis (2×ΔU_S/U_SM) maximal etwa 10% betragen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (U_ref) von ihrem Nennwert (U_refN) von 5 V max. um plus und minus 0,25 V abweicht, daß die Sägezahnspannung (U_S) zwischen 4,75 V und 5,25 V veränderlich ist sowie einen Mittelwert (U_SM) von 5 V hat und daß das Spannungsteilerverhältnis (R1/(R1+R2)) eine Reduzierung des Meßsignals (U_M) um 10% zuläßt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahngenerator (14) als Kipposzillator ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterglied (22) geringfügig signalverstärkend ausgebildet ist.