DE4439886A1 - Elektronisches Gerät mit einem beschleunigungsempfindlichen Sensor - Google Patents
Elektronisches Gerät mit einem beschleunigungsempfindlichen SensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung mit
einem beschleunigungsempfindlichen Sensor nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus DE 37 06 765 A1 ist ein Aufprallsensor für ein Fahrzeug
mit einer Prüfschaltung bekannt. Um die
Funktionstüchtigkeit des Aufprallsensors überprüfen zu
können, ist ein elektroakustischer Wandler vorgesehen, der
den in dem Aufprallsensor vorhandenen Beschleunigungsfühler
beschallt. Die dadurch von dem Beschleunigungsfühler
abgegebenen elektrischen Signale werden in einer Auswerte-
und Auslöseschaltung hinsichtlich vorgegebener Kriterien
mit Hilfe einer Prüfschaltung überprüft.
Aus DE 37 36 294 A1 ist weiter eine Einrichtung zur
Funktionskontrolle von Beschleunigungssensoren bekannt, bei
der ein oder mehrere Beschleunigungaufnehmer durch
elektrische Anregung so stimuliert werden, daß einer der
Aufnehmer als Körperschallsender wirkt, während der andere
oder die anderen dessen Signale empfängt und damit über
eine Auswerteschaltung in seiner Funktion, Eichung und
Ankopplung an die Gehäusestruktur überprüft wird.
Aus DE 35 42 397 A1 ist eine Anordnung zur Funktionsprüfung
von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern bekannt,
die mehrere mit Elektroden versehene piezoelektrische
Elemente aufweist, von denen mindestens eines als Meßsensor
bei Beaufschlagung durch eine von der aufzunehmenden
Beschleunigung verursachte Kraft eine elektrische
Reaktionsspannung erzeugt und bei der wenigstens eines der
piezoelektrischen Elemente zeitweise als Aktuator für das
andere Piezoelement wirkt, indem den Elektroden des
Aktuatorelementes eine elektrische Prüfspannung zugeführt
wird.
Aus US 3 830 091 A1 ist weiterhin eine Testeinrichtung für
Beschleunigungsgeber bekannt, die einen Aluminiumstab
umfaßt, der vermittels piezoelektrischer Kristalle zu
Schwingungen anregbar ist. Auf der Stirnfläche des
Aluminiumstabes sind ein Standardbeschleunigungsgeber und
der zu testende Beschleunigungsgeber angeordnet. Eine
Auswerteschaltung vergleicht die Ausgangssignale der beiden
an der Stirnfläche des Aluminiumstabes angeordneten
Beschleunigungsgeber, die durch den schwingenden
Aluminiumstab angeregt werden.
Weiterhin ist aus US 3 120 622 A1 ein selbst kalibrierender
Beschleunigungsmesser bekannt, der ein
beschleunigungsempfindliches Element und in enger
Verbindung mit diesem ein piezoelektrisches Element umfaßt.
Bei elektrischer Anregung des piezoelektrisches Elementes
erzeugt dieses mechanische Schwingungen und regt damit das
beschleunigungsempfindliche Element an.
Schließlich ist aus DE 38 09 299 C2 eine elektronische
Einrichtung mit einem schwingfähigen Sensor und mit einer
Auswerteschaltung zur Auswertung eines bei
Beschleunigungsbeanspruchung auftretenden Ausgangssignales
des Sensors und mit einem in Nachbarschaft des Sensors
angeordneten Schwingungserzeuger, durch den der Sensor zu
mechanischen Schwingungen anregbar ist, bekannt, bei der
der Sensor für Prüfzwecke durch den Schwingungserzeuger zu
Schwingungen anregbar ist, die auch die Resonanzfrequenz
des Sensors einschließen.
Die Erfindung ermöglicht auf besonders einfache Weise eine
Überprüfung der elektronischen Einrichtung auf
Funktionsfähigkeit, die insbesondere auch eine Überprüfung
des Sensors einschließt. Für die Überprüfung sind im
Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten
Lösungen keine zusätzlichen Spannungsquellen oder externe
Schwingungserzeuger notwendig. Besonders vorteilhaft ist,
daß der Sensor frequenzbestimmender Bestandteil eines
Schwingkreises ist und durch entsprechende Ausgestaltung
dieses Schwingkreises, zumindest während der Dauer einer
Testphase, vorteilhafterweise jedoch ständig während der
Betriebszeiten des Fahrzeugs, zu Schwingungen anregbar ist.
Sobald nämlich der Sensor schwingt, kann davon ausgegangen
werden, daß er funktionsfähig ist und auch auf das Fahrzeug
einwirkende Beschleunigungen registriert. Im Falle von
Beschädigungen des Sensors, wie beispielsweise einem Bruch
des Keramiksubstrates, Ablösung von Elektroden oder
dergleichen wird es nämlich nicht gelingen, den Sensor zu
Schwingungen anzuregen. Besonders vorteilhaft ist, daß
durch vergleichsweise einfache Schaltmittel der Sensor
abwechselnd in Serien- bzw. Parallelresonanz anregbar ist,
wodurch sich eine erweiterte Diagnosemöglichkeit bezüglich
der Funktion des Sensors eröffnet. Vorzugsweise werden die
Schaltmittel durch einen Mikrorechner angesteuert, so daß
sich vielfältige Schaltvarianten besonders einfach
programmieren lassen. Bei besonders vorteilhaften
Ausgestaltungen der Erfindung wird der Schwingkreis so
bemessen, daß der Sensor zu Schwingungen auf seiner
Eigenfrequenz anregbar ist. Diese Eigenfrequenz liegt
jedoch wesentlich höher als der Frequenzbereich, in dem das
auszuwertende Nutzsignal zu erwarten ist. Da zur besseren
Auswertung des Nutzsignals eine Tiefpaßfilterung zweckmäßig
ist, kann die Oszillatorfrequenz des schwingenden Sensors
nicht ohne weiteres auf die Auswerteschaltung übertragen
werden. In den vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung
werden daher zweckmäßig Frequenzteilerschaltungen
vorgesehen, die die Oszillatorfrequenz auf einen niedrigen
Wert herabsetzen, der auch die Tiefpaßschaltungen noch
passieren kann. In einem besonders vorteilhaften
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als
Frequenzteilerschaltung eine bistabile Kippstufe
eingesetzt, die von einem Mikrorechner gesteuert wird. In
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird von der Oszillatorfrequenz des schwingenden
Sensors ein Taktsignal zur Steuerung der gesamten
Auswerteschaltung abgeleitet. Das Nichtvorhandensein dieses
Taktsignals bei einem Defekt des Sensors kann dann auf
einfache Weise für eine Fehlererkennung benutzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter
Bezug auf die Zeichnung und die Beschreibung näher
erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines
ersten Ausführungsbeispiels der elektronischen Einrichtung,
Fig. 2 eine dazugehörige Funktionstabelle mit Erläuterung
der Schalterstellungen der Schaltmittel, Fig. 3 ein
Funktionsdiagramm, in dem Spannungswerte als Funktion der
Zeit aufgetragen sind, Fig. 4 ein Blockschaltbild eines
zweiten Ausführungsbeispiels der elektronischen
Einrichtung, Fig. 5 ein dazugehöriges Funktionsdiagramm,
Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 ein dazugehöriges Funktionsdiagramm, Fig. 8 ein
viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 9 ein
Schieberegister mit Summiergliedern als Teilbaugruppe des
in Fig. 8 dargestellten Steuergerätes, Fig. 10 bis Fig.
16 diverse Funktionsdiagramme, Fig. 19 und Fig. 20
Filterkurven, Fig. 21, in einem Funktionsdiagramm,
gefilterte Beschleunigungssignale als Funktion der Zeit,
Fig. 22 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 23 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 24 (Fig. 24a bis Fig. 24d) zu diesem sechsten
Ausführungsbeispiel gehörende Funktionsdiagramme.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen elektronischen Einrichtung 1 mit einem
beschleunigungsempfindlichen Sensor 10. Ein Anschluß dieses
Sensors 10 ist mit dem Anschluß eines ersten Kondensators
11 und weiterhin mit dem nicht invertierenden Eingang eines
ersten Operationsverstärkers 13 verbunden. Der
invertierende Eingangsanschluß dieses ersten
Operationsverstärkers 13 ist mit dem Ausgangsanschluß
dieses Verstärkers verbunden. An den Ausgang dieses
Verstärkers 13 ist ein Widerstand 14 angeschlossen, der
wiederum mit dem nicht invertierenden Eingang eines
weiteren Operationsverstärkers 15 verbunden ist. Zwischen
Masse und dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des
Verstärkers 15 ist ein weiterer Kondensator 16 geschaltet.
Der invertierende Eingangsanschluß des Verstärkers 15 ist
mit dem Verbindungspunkt von zwei Widerständen 17, 18
verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 18 ist mit
Masse verbunden, während der andere Anschluß des
Widerstands 17 mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 15
verbunden ist. Weiterhin ist der Ausgang des Verstärkers 15
mit dem Eingangsanschluß einer Auswertungsschaltung 19
verbunden. Schließlich ist der Ausgangsanschluß des
Verstärkers 15 noch mit dem ersten Pol eines Ein/Aus-
Schalters S5 verbunden. Der andere Pol des Schalters S5 ist
mit je einem Pol weiterer Ein/Aus-Schalter S1, S3
verbunden. Ein jeweils anderer Pol der Schalter S1, S3 ist
einerseits mit je einem Pol jeweils eines dritten und
vierten Ein/Aus-Schalters S2, S4 und andererseits mit dem
freien Anschluß des Sensors 10 bzw. des Kondensators 11
verbunden. Der jeweils andere Pol der Schalter S2, S4 ist
mit Masse verbunden.
Die jeweiligen Schalterstellungen und die sich daraus ergebenden
Funktionen sind in der Funktionstabelle gemäß Fig. 2
aufgelistet. In dieser Tabelle kennzeichnet die Zahl 1 jeweils
einen geschlossenen Schalterzustand, während die Zahl 0 einen
offenen Schalterzustand bedeutet. Im Normalbetrieb der
elektronischen Einrichtung sind die Schalter S1, S3 und S5
geöffnet, während die Schalter S2 und S4 geschlossen sind. Zum
Zwecke des Selbsttestes der elektronischen Einrichtung wird
Schalter S5 in die geschlossene Stellung überführt. Eine
Schwingung des Sensors 10 in Serienresonanz wird erreicht, wenn
die Schalter S1 und S4 geschlossen und die Schalter S2 und S3
geöffnet sind. Eine Anregung des Sensors 10 in Parallelresonanz
wird durch eine Schalterstellung erreicht, in der die Schalter
S2 und S3 geschlossen und die Schalter S1 und S4 geöffnet sind.
Das Funktionsdiagramm der Fig. 3, in dem Spannungswerte V als
Funktion der Zeit t aufgetragen sind, erläutert den
Schwingungszustand des Sensors 10 im Rückkopplungsfall.
Dargestellt ist eine Schwingung mit einer Frequenz von ungefähr
12 Kilohertz. Das ist diejenige Resonanzfrequenz, mit der der
Sensor 10 im Testbetrieb, also bei geschlossenem Schalter S5,
schwingt. Der Sensor 10 schwingt dabei auf seiner eigenen, von
ihm selbst bestimmten Resonanzfrequenz, ohne daß eine externe
Wechselspannung für Anregung der Schwingung vorgegeben werden
muß. In einer einfachen Auswertung wird entweder in Serien- oder
Parallelresonanz die Resonanzfrequenz ausgewählt und die
entsprechende Frequenz bestimmt. Die Bestimmung der Frequenz
erfolgt in der Auswertungsschaltung 19, in der auch im
Normalbetrieb die von dem Sensor 10 abgegebenen Ausgangssignale
ausgewertet werden. Dabei wird zweckmäßig ein Frequenzbereich
vorgegeben, in dem die Resonanzfrequenz eines funktionstüchtigen
Sensors 10 liegen muß. Bei einer komplexeren Auswertung werden
sowohl die Parallel- als auch die Serienresonanzfrequenz
bestimmt. Wenn diese Frequenzen bestimmt sind, genügt die
Kenntnis der Kapazität des Sensors 10, um zusätzlich auch noch
die Empfindlichkeit des Sensors 10 für Beschleunigung, Kraft und
dergleichen abzuschätzen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
elektronischen Einrichtung wird nachfolgend unter Bezug auf das
in Fig. 4 dargestellte Blockschaltbild und das in Fig. 5
dargestellte Funktionsdiagramm erläutert.
Ein piezoelektrischer Sensor 10 ist Bestandteil eines
rückgekoppelten Schwingkreises, der neben dem Sensor 10 einen
Phasenschieber 23, einen Verstärker 24 und einen Hochpaß 25 und
ein Addierglied 31 (Spannungsaddierer) umfaßt. Ein Anschluß des
Sensors 10 ist mit dem Masseanschluß der Einrichtung verbunden.
Der masseferne Anschluß des Sensors 10 ist mit dem
Eingangsanschluß eines Spannungsaddierers 31 und eines
Hochpaßfilters 25 verbunden. Der Ausgangsanschluß des
Hochpaßfilters 25 ist mit dem Eingangsanschluß des Verstärkers
24 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Spannungsaddierers 31 ist
mit dem Eingangsanschluß des Tiefpaßfilters 26 verbunden. Der
Ausgangsanschluß des Tiefpaßfilters 26 ist mit dem
Eingangsanschluß eines Verstärkers 27 verbunden, dessen
Ausgangsanschluß mit dem Eingangsanschluß eines weiteren
Tiefpaßfilters 28 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des
Tiefpaßfilters 28 ist mit einem ersten Eingangsanschluß eines
Analog/Digital-Wandlers eines Mikrorechners 29 verbunden. Ebenso
ist der Eingangsanschluß des Tiefpaßfilters 28 mit einem zweiten
Anschluß eines Analog/Digital-Wandlers des Mikrorechners 29
verbunden. Die Verbindungsleitung zwischen dem Verstärker 24 und
dem Phasenschieber 23 ist mit dem Eingang einer
Impulsformerstufe 22 verbunden, deren Ausgangsanschluß mit einem
Eingangsanschluß einer bistabilen Kippstufe 21 verbunden ist.
Ein weiterer Eingangsanschluß der bistabilen Kippstufe 21 ist
mit einem Testanschluß verbunden, der wiederum mit einem
Ausgangsanschluß des Mikrorechners 29 verbunden ist. Der
Ausgangsanschluß der bistabilen Kippstufe 21 ist mit dem
massefernen Anschluß des Sensors 10 verbunden. Die vorerwähnten
Bauelemente 20-27 sind in einer Sensorbaugruppe 200
zusammengefaßt. Diese Sensorbaugruppe 200 kann im Bedarfsfall
auch räumlich getrennt von dem Mikrorechner 29 angeordnet sein.
Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn
beschleunigungsempfindliche Sensoren 10 dezentral, d. h.
beispielsweise in der Nähe der Außenhaut des Fahrzeugs,
angeordnet werden müssen, um einen Seitenaufprall erkennen zu
können. Ein Ausgang des Mikrorechners 29 ist weiterhin mit
mindestens einem Rückhaltemittel 30 für Fahrzeuginsassen, wie
beispielsweise Airbag und/oder Gurtstraffer verbunden.
Im folgenden wird die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Sobald infolge von Krafteinwirkungen auf das
Fahrzeug eine Beschleunigung auf den Sensor 10 ausgeübt wird,
findet eine Verformung des Sensors 10 statt, die sich durch eine
an den Anschlußklemmen des Sensors 10 abgreifbare Spannung
äußert. Die Ausgangsspannung des Sensors 10 wird über einen
Tiefpaßfilter 26 gefiltert und mit einem vorzugsweise
programmierbaren Kalibrierverstärker 27 auf eine vorgebbare
Nennempfindlichkeit gebracht. Zweckmäßig wird das verstärkte
Ausgangssignal des Sensors 10 durch einen weiteren Tiefpaßfilter
28 geleitet, bevor es einem ersten Eingangsanschluß eines
Analog/Digital-Wandlers zugeführt wird, der in einem
Mikrorechner 29 angeordnet ist. In diesem Mikrorechner 29 wird
das von dem Sensor 10 abgegebene Ausgangssignal daraufhin
überprüft, ob eine Unfallsituation vorliegt. Wird anhand der
Analyse des Ausgangssignals des Sensors 10 eine für die
Fahrzeuginsassen kritische Unfallsituation erkannt, dann steuert
der Mikrorechner 29 ein die Fahrzeuginsassen sicherndes
Sicherungsmittel 30, wie beispielsweise einen Airbag und/oder
einen Gurtstraffer an. Bei elektronischen Einrichtungen dieser
Art, die für die Sicherheit der Fahrzeuginsassen vorgesehen
sind, ist es außerordentlich wichtig, eine ständige
Funktionsbereitschaft sicherzustellen. Zumindest soll im Falle
einer Funktionsstörung der Fahrer einen Hinweis, zum Beispiel
durch Aufleuchten einer Warnlampe, erhalten, um dann notfalls
unverzüglich eine Werkstatt aufsuchen zu können. Eine
Überprüfung des Sensors 10, eines besonders kritischen
Bauelements, wird dadurch ermöglicht, daß der Sensor 10
Bestandteil eines rückgekoppelten Schwingkreises 10, 23, 24, 25
ist und zumindest für die Dauer eines Funktionstests in diesem
Schwingkreis zu Schwingungen angeregt wird. Als besonders
zweckmäßig hat es sich erwiesen, den Sensor 10 ständig zu
Schwingungen anzuregen, da hierdurch eine kontinuierliche
Überwachung des Sensors 10 möglich ist. Vorzugsweise ist der
Schwingkreis so dimensioniert, daß der Sensor 10 auf einer
Eigenfrequenz schwingt, die bei handelsüblichen Sensoren in der
Größenordnung einiger 10 Kilohertz liegt. Beispielsweise
schwingt der Sensor 10 auf einer zwischen etwa 30 und 40
Kilohertz liegenden Frequenz. Diese Schwingung des angeregten
Sensors 10 ist schematisch in dem Funktionsdiagramm in Fig. 5a
dargestellt. Eine solche Schwingungsfrequenz ist wesentlich
höher als das beschleunigungsabhängige Nutzsignal, das von dem
Mikrorechner 29 ausgewertet werden soll. Dieses Nutzsignal liegt
im Bereich einiger 100 Hertz und kann somit die Tiefpässe 26 und
28 passieren, deren Grenzfrequenz beispielsweise bei ungefähr
250 Hertz liegt. Diese Tiefpässe lassen jedoch nicht die
vergleichsweise hohe Schwingungsfrequenz des zu
Eigenschwingungen angeregten Sensors 10 passieren. Um nun
dennoch feststellen zu können, ob der Sensor 10 in seinem
Schwingkreis 10, 23, 24, 25 tatsächlich schwingt und demzufolge
voll funktionsfähig ist, ist eine bistabile Kippstufe 21
vorgesehen, deren Ausgangsanschluß mit dem massefernen Anschluß
des Sensors 10 verbunden ist. Einem ersten Eingangsanschluß der
bistabilen Kippstufe 21 wird, über eine Impulsformerstufe 22,
das hochfrequente Testsignal zugeführt, das am Ausgang des
Verstärkers 24 abgegriffen wird. Einem zweiten Eingangsanschluß
der bistabilen Kippstufe 21 wird ein von dem Mikrorechner 29
erzeugtes Steuersignal zugeführt, das an dem Testanschluß der
Sensorbaugruppe 200 anliegt. Dieses Steuersignal, das
vorzugsweise die Gestalt eines Rechtecksignals mit einer
Amplitude von ca. 5 Volt und eine vom Mikrorechner 29 bestimmte
niedrige Frequenz (zum Beispiel einige Kilohertz) aufweist, ist
in dem Funktionsdiagramm 5b dargestellt. Dieses Steuersignal
liegt am D-Eingang der bistabilen Kippstufe 21 an. Sobald nun
die nächste positive Flanke der an dem Ausgang des Verstärkers
24 abgegriffenen Oszillatorschwingung (Fig. 5a) an dem Eingang
der bistabilen Kippstufe 21 anliegt, wird der jeweils aktuelle
Zustand des D-Eingangs der bistabilen Kippstufe 21 auf ihren
Ausgangsanschluß durchgeschaltet. An diesem Ausgang liegt somit
das in dem Diagramm der Fig. 5c dargestellte Signal an. Dieses
Signal überlagert sich an der in dem Blockschaltbild der Fig. 4
dargestellten Summationsstelle 31 vor dem Tiefpaß 26 mit dem auf
Beschleunigungseinwirkung zurückzuführenden Ausgangssignal des
Sensors 10 und kann zusammen mit diesem den Tiefpaß 26 und den
Verstärker 27 passieren, so daß an dem Ausgangsanschluß des
Verstärkers 27 etwa das in Fig. 5d schematisch dargestellte
Signal ansteht. Da dem Mikrorechner 29 Frequenz und Amplitude
des Steuersignals bekannt sind, das dem D-Eingang der bistabilen
Kippstufe 21 zugeführt wird, vermag er auf einfache Weise zu
erkennen, ob das an dem Ausgang des Verstärkers 27 abgegriffene
Ausgangssignal mit diesem Steuersignal moduliert ist. Ist diese
Modulation vorhanden, kann auf eine ordnungsgemäße
Funktionsweise des Sensors 10 zurückgeschlossen werden, da er
nur in diesem Fall schwingt und der Schwingungszustand des
Sensors 10 für eine Durchschaltung des modulierenden
Steuersignals zum Ausgangsanschluß der bistabilen Kippstufe 21
sorgt. Im Falle eines Defekts des Sensors, wie z. B. Bruch der
Sensorkeramik, Depolarisierung des Sensors, Ablösung von
Elektroden und dergleichen, kann der Sensor 10 nicht zu
Schwingungen angeregt werden. Demzufolge kommt es auch nicht zu
einer Durchschaltung der am Eingangsanschluß D der bistabilen
Kippstufe 21 anliegenden Signale zu deren Ausgangsanschluß.
Zugleich können selbstverständlich auch noch Fehler im
Signalweg, wie beispielsweise Leitungsunterbrechungen und
Bauelementdefekte in und außerhalb der Sensorbaugruppe 200
erkannt werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
elektronischen Einrichtung wird anhand von Fig. 6 und Fig. 7
erläutert. Dabei zeigt Fig. 6 ein Blockschaltbild der
Einrichtung, während Fig. 7 ein Funktionsdiagramm mit
zahlreichen Signalformen darstellt, die an verschiedenen Punkten
des Blockschaltbilds gemäß Fig. 6 feststellbar sind.
In Fig. 6 ist mit 10 ein piezoelektrischer Sensor bezeichnet,
der bei einer Biegebeanspruchung infolge einer
Beschleunigungseinwirkung an seinen Anschlußklemmen ein Signal
abgibt. Ein Anschluß des Sensors 10 ist mit dem Masseanschluß
der elektronischen Einrichtung verbunden. Der masseferne
Anschluß des Sensors 10 ist einerseits mit einem Anschluß eines
Kondensators 63 und andererseits mit dem Eingangsanschluß eines
Pufferverstärkers 65 verbunden. Parallel zu dem Sensor 60 ist
ein Widerstand 64 geschaltet. Der zweite Anschluß des
Kondensators 63 ist mit dem Ausgangsanschluß eines weiteren
Verstärkers 62 verbunden, dessen Eingangsanschluß mit einem
Phasenschieber 61 verbunden ist, dessen Eingangsanschluß
wiederum mit dem Ausgangsanschluß des Pufferverstärkers 65
verbunden ist. Mit dem Ausgangsanschluß des Pufferverstärkers 65
ist weiterhin der Eingangsanschluß eines Tiefpaßfilters 66
verbunden, dessen Ausgangsanschluß mit dem nicht invertierenden
Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 72 verbunden ist.
An dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers
72 liegen, parallel zueinander geschaltet, eine
Referenzstromquelle 67, ein Kondensator 70 und ein Schaltelement
71. Die jeweils zweiten Anschlüsse der zuletzt erwähnten
Bauelemente 67, 70, 71 sind mit dem Masseanschluß der
elektronischen Einrichtung verbunden. Der Ausgangsanschluß des
Pufferverstärkers 65 ist weiterhin mit dem Eingangsanschluß
einer Signalformerstufe 68 verbunden, deren Ausgangsanschluß mit
dem Triggereingang einer monostabilen Kippstufe 69 verbunden
ist. Der Ausgangsanschluß der monostabilen Kippstufe 69 ist mit
dem Steueranschluß des Schaltelements 71 verbunden. Der
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 72 ist mit einem
Eingangsanschluß eines Mikrorechners 73 verbunden, dessen
Ausgangsanschluß mit dem Eingangsanschluß von Rückhaltemitteln
74 für Fahrzeuginsassen, wie beispielsweise Airbag und/oder
Gurtstraffer verbunden ist.
Wie bereits erwähnt, liegt bei Beschleunigungseinwirkung an den
Anschlußklemmen des Sensors 10 eine Signalspannung an, die an
dem parallel zu dem Sensor 10 geschalteten Widerstand 64
abgegriffen wird und dem Pufferverstärker 65 zwecks
Weiterverarbeitung zugeleitet wird. Gleichzeitig ist der Sensor
10 frequenzbestimmender Bestandteil eines rückgekoppelten
Schwingkreises, der die Bauelemente 10, 61, 62, 63, 65 umfaßt.
Bei Erfüllung der Schwingungsbedingung, was durch entsprechende
Bemessung der Bauelemente ohne weiteres erreichbar ist, schwingt
der Schwingkreis auf einer Eigenfrequenz des Sensors 10. Je nach
mechanischer Ausgestaltung des Sensors 10 liegt die
Resonanzfrequenz dabei in der Größenordnung einiger 10
Kilohertz, beispielsweise zwischen etwa 10 Kilohertz und 60
Kilohertz. An dem Schaltungspunkt A liegt das aus dem Diagramm
der Fig. 7b ersichtliche Signal an, das aus den überlagerten
Signalanteilen des Oszillatorsignals einerseits und des
Beschleunigungssignals (Fig. 7a) andererseits besteht. Für die
Weiterverarbeitung und die Auswertung des Beschleunigungssignals
muß das an Punkt A der Schaltung anstehende Signal wieder von
dem Taktsignal des Oszillatorkreises befreit werden. Dies ist
auf einfache Weise durch einen entsprechend dimensionierten
Tiefpaßfilter 66 möglich, dessen Signalbandbreite wenige 100
Hertz, insbesondere 200 bis 300 Hertz beträgt. Am
Schaltungspunkt B des Blockdiagramms gemäß Fig. 6 steht dann
das vom Taktsignal des Oszillatorkreises befreite
Beschleunigungssignal gemäß Signaldiagramm der Fig. 7a zur
Verfügung, das dann dem nicht invertierenden Eingangsanschluß
des Operationsverstärkers 72 zugeleitet wird. Andererseits wird
das am Schaltungspunkt A anstehende Signal (vergleiche Fig. 7b)
auch dem Eingangsanschluß der Signalformerstufe 68 zugeleitet,
die die Signale gemäß Fig. 7b in saubere Digitalsignale gemäß
Fig. 7c umwandelt. Die Signale gemäß Fig. 7c stehen am
Schaltungspunkt G an. Mit diesen Signalen wird die monostabile
Kippstufe 69 getriggert. Dies hat zur Folge, daß am
Ausgangsanschluß der monostabilen Kippstufe 69 (Schaltungspunkt
D) Signale entsprechend dem Diagramm der Fig. 7d anstehen, mit
denen der Steuereingang des Schaltelements 71 beaufschlagt wird.
Dieses Schaltelement 71 wird demzufolge im Takt dieser in Fig.
7d dargestellten Signale geöffnet und geschlossen, wodurch der
Kondensator 70 periodisch aufgeladen und wieder entladen wird.
Am invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 72
steht dann das im wesentlichen sägezahnförmig ausgestaltete
Signal gemäß Diagramm 7e an. Solange das am Schaltungspunkt B,
also auch an dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 72 anliegende Beschleunigungssignal (siehe
Fig. 7a) bezüglich seiner Amplitude größer ist als die
Amplitude der sägezahnförmigen Signalspannung gemäß Fig. 7e,
bleibt der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 72 auf
einem hohen Signalpegel, der einer logischen 1 entspricht. Ist
das Beschleunigungssignal am Schaltungspunkt B niedriger als die
sägezahnförmige Spannung gemäß Darstellung des Diagramms 7e,
dann fällt der Pegel am Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers 72 auf den Wert logisch 0. Am
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 72 (Schaltungspunkt
F) liegt demzufolge ein pulsbreitenmoduliertes Signal an
(Diagramm 7f), das mit der Frequenz des Oszillatorschaltkreises
moduliert ist. Die Information über die Größe der Beschleunigung
liegt in der Zeitdauer des höheren Pegels (logisch 1) am
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 72. Je kleiner der
Beschleunigungswert ist, mit dem der Sensor 10 beaufschlagt
wird, desto kürzer ist die Impulsdauer. Die jeweilige
Impulsdauer kann auf einfache Weise in dem Mikrorechner 73
ausgewertet werden. Wenn die festgestellte Beschleunigungshöhe
auf ein schwerwiegendes Unfallereignis schließen läßt, steuert
der Ausgang des Mikrorechners 73 Rückhaltemittel 74 für
Fahrzeuginsassen, wie beispielsweise Airbag und/oder
Gurtstraffer an, um die Fahrzeuginsassen zu schützen. In dem an
dem Schaltungspunkt A abgreifbaren Ausgangssignal (vergleiche
Diagramm der Fig. 7b) sind zwei voneinander unabhängige
Informationen enthalten. Einerseits eine Information über die
Beschleunigung, mit der der Sensor beaufschlagt wird und
andererseits eine Information über die Taktfrequenz, mit der der
Sensor 10 in dem Schwingkreis schwingt. Eventuelle
Fehlerzustände, insbesondere auch Fehler des Sensors 10 können
nun auf einfache Weise dadurch erkannt werden, daß das
Taktsignal ausbleibt. Da der Mikrorechner 73 bei der Auswertung
des am Schaltungspunkt F anstehenden Signals auf den Takt
angewiesen ist (er mißt ja die Zeit zwischen positiver und
negativer Flanke des Signals gemäß Diagramm 7f), wird er das
Ausbleiben des Taktes erkennen und in einen Fehlerzustand
verzweigen. Wenn der Sensor 10 zum Beispiel mit einer
Schwingungsfrequenz von 20 Kilohertz schwingt, kann ein
Fehlerzustand durch Ausbleiben dieses Schwingungstaktes schon
nach rund 50 Mikrosekunden erkannt werden. Insbesondere führen
folgende Fehlerzustände zu einem Ausbleiben des Taktsignals und
damit zu einer Fehlererkennung:
- - alle Fehler in dem Oszillatorkreis 10, 61, 62, 63;
- - Fehler in dem Pufferverstärker 65;
- - Fehler in der Signalformerstufe 68;
- - Fehler in der Referenzstromquelle 67;
- - Fehler, insbesondere Kurzschluß bei dem Kondensator 70;
- - fehlerhaftes Schaltelement 71;
- - fehlerhafter Operationsverstärker 72.
Das mit diesem Ausführungsbeispiel vorgestellte Prinzip
funktioniert mit allen Datenübertragungsmethoden, deren Funktion
zwingend von einem Taktsignal abhängt und die den Systemtakt,
oder zumindest Teile davon, noch im Ausgangssignal enthalten.
Beispielsweise könnte anstelle der hier beschriebenen
Pulsweitenmodulation auch ein Sigma-Delta-Wandler eingesetzt
werden. Auch eine digitale Datenübertragung käme in Frage. Dazu
müßte der Pulsweitenmodulator durch einen Analog/Digital-Wandler
ersetzt werden, dessen Ausgangssignal seriell an den
Mikrorechner 73 weitergeleitet würde. Für eine derartige
Übertragung wäre dann zusätzlich noch ein synchrones Schaltwerk
nötig, das mit dem Schwingungstakt des Sensors 10 getaktet
werden müßte.
Besonders vorteilhaft eignet sich die erfindungsgemäße
elektronische Einrichtung für einen Einsatz bei
Insassensicherungssystemen, die neben einem zentral angeordneten
Steuergerät mit mindestens einem in diesem zentral angeordneten
Steuergerät untergebrachten beschleunigungsempfindlichen Sensor
auch noch über externe oder ausgelagerte
beschleunigungsempfindliche Sensoren verfügen, die
beispielsweise nahe der Außenhaut des Fahrzeugs angeordnet sind.
Derartige Sicherungssysteme stoßen in jüngster Zeit verstärkt
auf Interesse, weil die Fahrzeughersteller bemüht sind, durch
sogenannte Seitenairbags die nachteiligen Folgen von
Seitenaufprallen zu vermeiden. Derartige Unfallsituationen
kommen insbesondere im Stadtverkehr relativ häufig vor. Sie
bieten auch besondere Schwierigkeiten bei der rechtzeitigen
Erkennung und Einleitung von Sicherungsmaßnahmen, weil, im
Vergleich zum Frontalaufprall, nur eine vergleichsweise kleine
Knautschzone zur Verfügung steht. Wenn beispielsweise ein
Aufprall auf eine Tür des Fahrzeugs erfolgt, muß ein
risikoträchtiges Unfallereignis in einer außerordentlich kurzen
Zeit, beispielsweise vor Ablauf von drei Millisekunden, erkannt
werden. In dieser Zeit hat sich beispielsweise die Türaußenhaut
nur um wenige Zentimeter nach innen bewegt. Von dem
beispielsweise in der betroffenen Tür angeordneten
beschleunigungsempfindlichen Sensor muß dann ein entsprechendes
Signal zu dem zentral angeordneten Steuergerät übertragen
werden, das die von dem Unfall herrührenden Signale auswertet
und erforderlichenfalls Auslösesignale zur Aktivierung der
Rückhaltemittel, wie zum Beispiel Airbag, abgibt. Aus Gründen
der Störsicherheit wird dabei eine digitale Signalübertragung
bevorzugt. Ein derartiges System wird anhand des
Ausführungsbeispiels der Fig. 8 näher erläutert. In Fig. 8 ist
mit 86 ein zentral in dem Fahrzeug angeordnetes Steuergerät
bezeichnet, das unter anderem Auswerteschaltungen für die
Ausgangssignale von beschleunigungsempfindlichen Sensoren,
beispielsweise auch eines zentral angeordneten
beschleunigungsempfindlichen Sensors 801 umfaßt. Mit 87 ist ein
von dem Steuergerät 86 aktivierbarer Airbag bezeichnet. Die
elektronische Einrichtung gemäß Fig. 8 umfaßt weiter eine
Sensorbaugruppe 800, die örtlich getrennt von dem zentral
angeordneten Steuergerät 86 in dem Fahrzeug untergebracht ist.
Beispielsweise ist die Sensorbaugruppe 800, die einen weiteren
beschleunigungsempfindlichen Sensor 80 umfaßt, in der Nähe der
Außenhaut des Fahrzeugs, zum Beispiel bevorzugt in einer
Fahrzeugtür, untergebracht. Es versteht sich von selbst, daß in
dem Fahrzeug mehrere derartige Sensorbaugruppen 800 angeordnet
sein können, die mit dem zentral angeordneten Steuergerät 86
verbunden sind. Neben dem bereits schon erwähnten Sensor 80
umfaßt die Sensorbaugruppe 800 weiterhin einen
Oszillatorschaltkreis 81, eine Taktvervielfacherschaltung,
insbesondere Taktverdopplungsschaltung 82, eine
Integratorschaltung 83, eine Analog/Digital-Wandlerschaltung 84,
sowie eine Treiberschaltung 85. Dabei ist der Ausgangsanschluß
der Analog/Digital-Wandlerschaltung 84 einerseits an dem
Verknüpfungspunkt 83′ mit dem Eingangsanschluß der
Integratorschaltung 83 und andererseits mit dem Eingangsanschluß
der Treiberschaltung 85 verbunden. Der Ausgangsanschluß der
Treiberschaltung 85 ist mit dem Eingangsanschluß des entfernt
angeordneten Steuergerätes 86 verbunden. Der Ausgangsanschluß
der Taktverdopplungsschaltung 82 ist mit einem Takteingang der
Analog/Digital -Wandlerschaltung 84 verbunden.
Wie schon im Zusammenhang mit den oben erläuterten
Ausführungsbeispielen beschrieben, bilden der
beschleunigungsempfindliche Sensor 80 und der
Oszillatorschaltkreis 81 einen zu Schwingungen anregbaren
Schwingkreis, der den Sensor 80 zu Schwingungen auf seiner
Resonanzfrequenz anregt. Diese Resonanzfrequenz kann, je nach
Ausführungsform des Sensors 80, im Bereich einiger 10 Kilohertz
liegen und betrage beispielsweise 32 KHz. Diese
Schwingungsfrequenz wird der nachgeschalteten
Taktvervielfachungsschaltung, insbesondere
Taktverdopplungsschaltung 82 zugeführt, die die
Schwingungsfrequenz auf eine Frequenz TS = 64 KHz verdoppelt.
Diese Frequenz wird als Taktfrequenz dem Takteingang der
Analog/Digital-Wandlerschaltung 84 zugeführt, die das an dem
Ausgangsanschluß der Integratorschaltung 83 anstehende
Ausgangssignal mit der zuvor erwähnten Taktfrequenz TS in ein
digitales Signal umwandelt, das über eine Treiberschaltung 85 zu
dem entfernt angeordneten Steuergerät 86 weitergeleitet wird
Dem Eingangsanschluß der Integratorschaltung 83 wird am
Verknüpfungspunkt 83′ das Ausgangssignal des
beschleunigungsempfindlichen Sensors 80 zugeleitet, das durch
die Baugruppen 83 und 84 einer Sigma-Delta-Modulation unterzogen
wird. Dieses Modulationsverfahren wird unter Bezug auf die
Funktionsdiagramme der Fig. 10 und Fig. 11 anhand von zwei
Beispielen erläutert. In dem ersten Beispiel gemäß Fig. 10
werde angenommen, daß an dem Eingangsanschluß der
Integratorschaltung 83, also an dem Verknüpfungspunkt 83′ ein
konstantes Ausgangssignal des Sensors 80 mit der relativen,
zeitlich konstanten Amplitude von 0,4 anliege. Dieser
Signalverlauf ist in dem Diagramm der Fig. 10 durch die
parallel zur Zeitachse verlaufende Kurve 1 veranschaulicht. Das
an dem Ausgangsanschluß der Integratorschaltung 83 liegende
Ausgangssignal ist durch die mit gestricheltem Kurvenzug
dargestellte Kurve 2 veranschaulicht. Schließlich ist das an dem
Ausgangsanschluß der Analog/Digital-Wandlerschaltung 84
anliegende digitale Ausgangssignal, das durch Abtastung des
Integratorausgangssignals mit der Taktfrequenz TS von 64 KHz
gewonnen worden ist, im unteren Teil des Diagramms der Fig. 10
als ausgezogener Kurvenzug (Kurve 3) dargestellt. Es handelt
sich dabei um ein impulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal. Das
Diagramm gemäß Fig. 11 erläutert die zuvor beschriebene
Signalumwandlung, wobei jedoch jetzt beispielsweise angenommen
wird, daß als Ausgangssignal des Sensors 80 ein sinusförmiges
Signal mit der relativen Amplitude 0,8 und der Frequenz 1000 Hz
vorliegt. Dieses Ausgangssignal des Sensors 80 ist in Fig. 11
als Kurve 1 dargestellt. Das Ausgangssignal der
Integratorschaltung 83 wiederum ist als Kurve 2 dargestellt und
schließlich ist im unteren Teil des Diagramms wiederum das am
Ausgangsanschluß der Analog/Digital-Wandlerschaltung 84
anstehende digitale Ausgangssignal als Kurve 3 gezeigt. Beide
Diagramme in Fig. 10 und Fig. 11 zeigen den Signalverlauf
innerhalb eines Zeitintervalls von etwa einer Millisekunde. Die
zuvor beschriebenen und in Fig. 10 und Fig. 11 dargestellten
Ausgangssignale werden nach Passieren der Treiberschaltung 85 zu
dem entfernt angeordneten Steuergerät 86 weitergeleitet. Die
Treiberschaltung 85 dient dabei insbesondere einer
Pegelanpassung, beispielsweise einer Verstärkung. Für die
Übertragung zwischen dem Ausgangsanschluß der Treiberschaltung
85 und dem Eingangsanschluß 85 des Steuergeräts 86 kann
zweckmäßig eine nicht abgeschirmte verdrillte Doppelleitung
benutzt werden. Dadurch ist eine relativ einfache und
kostengünstige Verbindung der entfernt angeordneten
Sensorbaugruppen 800 mit dem zentral angeordneten Steuergerät 86
möglich. In dem Steuergerät 86 ist eine Auswerteschaltung für
die von der Sensorbaugruppe 800 gelieferten, digitalen
Ausgangsimpulse enthalten, deren wesentliche Einzelheiten in
Fig. 9 als Blockschaltbild dargestellt sind. Die
Auswerteschaltung umfaßt die Baugruppen 86a und 86b. Die
Baugruppe 86a ihrerseits umfaßt ein, mindestens einen Eingang
und mehrere Ausgänge aufweisendes Schieberegister 90, sowie eine
Mehrzahl von Summiergliedern 91, 92, 93 und Schaltelementen 97,
98, 99. Jeder Ausgang des Schieberegisters 90 ist dabei in einem
Verknüpfungspunkt 94, 95, 96 mit dem Eingangsanschluß jeweils
eines, diesem Ausgang des Schieberegisters 90 zugeordneten
Summiergliedes 91, 92, 93 verbunden. Auch der Eingangsanschluß
des Schieberegisters 90 ist mit jedem der erwähnten
Verknüpfungspunkte 94, 95, 96 verbunden. Jeder Ausgangsanschluß
jedes Summiergliedes 91, 92, 93 ist mit je einem Schaltelement
97, 98, 99 verbunden. Die Schaltelemente 97, 98, 99 wiederum
sind mit Eingangsanschlüssen eines Microcontrollers (Baugruppe
86b) verbunden. Über Ausgangsanschlüsse des Microcontrollers 86b
und die dargestellten Verbindungsleitungen sind die
Schaltelemente 97, 98, 99 mit einem vorgebbaren Zeittakt derart
ansteuerbar, daß die Schaltelemente 97, 98, 99 taktmäßig öffnen
und schließen und dabei im geschlossenen Zustand jeweils das an
den Ausgangsanschlüssen der Summierglieder 91, 92, 93 anliegende
Ausgangssignal zu den Eingangsanschlüssen des Microcontrollers
86b weiterleiten. Anhand der in Fig. 12, Fig. 13 und Fig. 14
dargestellten Funktionsdiagramme wird nun beispielhaft
erläutert, wie die Ausgangssignale des Sensors 80, also die an
dem Schaltungspunkt 83′ der Sensorbaugruppe 800 entstehenden
Signale vermittels der Baugruppen 83, 84, 85, 86 von dem örtlich
entfernt angeordneten Sensor 80 zu dem zentral angeordneten
Steuergerät 86 übertragen und für eine weitere Auswertung durch
das Steuergerät 86 aufbereitet werden. In den vorerwähnten
Fig. 12, 13, 14 ist auf der Zeitachse jeweils ein
Zeitintervall von 30 Millisekunden aufgetragen. Auf der Ordinate
sind relative Beschleunigungswerte zwischen den Werten - 0,4 und
+ 1,0 dargestellt. Der relative Beschleunigungswert 1,0
entspricht dabei etwa einem Wert von rund 50g, also dem 50-
fachen der Erdbeschleunigung. In allen drei Diagrammen der
Fig. 12 bis 14 stellt die ausgezogen dargestellte Kurve 1 das
Ausgangssignal des Sensors 80 am Verknüpfungspunkt 83′ in Fig.
8 dar. Die von der Treiberschaltung 85 über die Leitung 85′ an
das Steuergerät 86 weitergeleiteten Impulse werden am
Schaltungspunkt 90′ dem Eingangsanschluß des Schieberegisters 90
zugeleitet. Die an dem Eingangsanschluß des Schieberegisters 90
anliegenden Impulse werden mit einem Systemtakt von 64 KHz in
das Schieberegister 90 eingelesen, das eine Länge von 960
Speicherstufen aufweist. Ein erster Ausgang des Schieberegisters
verbindet die 64. Speicherzelle mit dem Verknüpfungspunkt 94
(Fig. 9), der mit dem Eingangsanschluß des ersten
Summiergliedes 91 verbunden ist. Das Schaltelement 97, das mit
dem Ausgangsanschluß des ersten Summiergliedes 91 verbunden ist,
wird mit einer Taktfrequenz von T1 = 4 KHz getaktet. Von dem
Summierglied 91 werden demzufolge alle 250 Mikrosekunden
Mittelwerte der letzten 64 übertragenen Impulse (entspricht
einer Millisekunde) gebildet. Am Anschlußpunkt 97′ der Schaltung
(Fig. 9) steht demzufolge ein in 64 Stufen quantisiertes (6-
Bit-)Signal an, das von dem Mikrorechner 86b weiterverarbeitet
werden kann. Dieses Signal ist in Fig. 12 als Kurve 7
dargestellt und repräsentiert näherungsweise das von dem
beschleunigungsempfindlichen Sensor 80 abgegebene
Ausgangssignal, also eine Beschleunigung, die von hochfrequenten
Signalanteilen geprägt ist.
Ein zweiter Ausgangsanschluß des Schieberegisters 90 ist mit dem
Verknüpfungspunkt 95 und dem Eingangsanschluß eines zweiten
Summiergliedes 92 verbunden. Das mit dem Ausgangsanschluß des
Summiergliedes 92 verbundene Schaltelement 92 wird von dem
Mikrorechner 86b mit einer Taktfrequenz von 2 KHz getaktet. Am
Schaltungspunkt 98′ steht demzufolge ein Ausgangssignal zur
Verfügung, das den Mittelwert über die letzten 192 übertragenen
Impulse (entspricht einer Übertragungsdauer von rund 3
Millisekunden) darstellt, der in 192 Stufen (entspricht rund 8
Bit) quantisiert ist und alle 500 Mikrosekunden abgefragt wird.
Schließlich ist ein dritter Ausgang des Schieberegisters 90 mit
dem Verknüpfungspunkt 96 und dem Eingangsanschluß des
Summiergliedes 93 verbunden. Das mit dem Ausgangsanschluß 93 des
Summiergliedes 93 verbundene Schaltelement wird mit einer
Taktfrequenz von 1 KHz getaktet. Am Schaltungspunkt 99′ ergibt
sich dadurch alle 1000 Mikrosekunden ein in 960 Stufen
(entspricht rund 10 Bit) quantisiertes Ausgangssignal, das einen
Mittelwert über die zuletzt übertragenen 960 Impulse (entspricht
einer Übertragungszeit von 15 Millisekunden) darstellt. Die an
den Schaltungspunkten 98′ bzw. 99′ anstehenden Ausgangssignale
sind in Fig. 13 (Kurve 8) und 14 (Kurve 9) dargestellt. Wie
bereits oben erwähnt, können die an den Schaltungspunkten 97′,
98′, 99′ anstehenden Ausgangssignale von dem Mikrorechner 86b
weiterverarbeitet werden. Zweckmäßig werden diese
Ausgangssignale dazu beispielsweise noch in Ausgangsregister
abgespeichert, die in dem Blockschaltbild nach Fig. 9 nicht
ausdrücklich dargestellt sind, da sie beispielsweise auch
Bestandteil des Mikrorechners 86b sein können.
Im Vorstehenden wurde beispielhaft dargestellt, auf welche Weise
Ausgangssignale externer bzw. ausgelagerter Sensoren besonders
einfach und störungsfrei zu einem zentral angeordneten
Steuergerät übertragen werden können, um dort weiter ausgewertet
zu werden. Eine besonders einfache und kostengünstige
Übertragung wird dadurch ermöglicht, daß der zu
Eigenschwingungen angeregte beschleunigungsempfindliche Sensor
80 zugleich den Systemtakt zur Verfügung stellt, mit dem das
aufgrund von Beschleunigungseinwirkungen erzeugte Ausgangssignal
des Sensors übertragen wird. Auf besonders zweckmäßige Weise
wird hierdurch eine Doppelfunktion bewirkt. Einerseits kann
durch die Schwingungsanregung des Sensors 80 auf einfache Weise
seine Funktionsfähigkeit überprüft werden, andererseits wird aus
der Schwingungsfrequenz ein Systemtakt für die Signalübertragung
zu dem zentral angeordneten Steuergerät 86 abgeleitet. Ein
Versagen des Sensors 80, beispielsweise durch mechanische
Beschädigung, verhindert den Schwingungsbetrieb und damit
letztlich eine Übertragung von unzutreffenden Ausgangssignalen,
wodurch gleichzeitig mit Sicherheit die mangelnde
Betriebssicherheit des Sensors 80 feststellbar ist.
Auf besonders zweckmäßige Art und Weise erfolgt die weitere
Signalauswertung mittels des Mikrorechners 86b unter Verwendung
eines besonders bemessenen Suchfilters, der eine schnelle
Erkennung einer kritischen Unfallsituation, insbesondere auch
bei einem Seitenaufprall, ermöglicht. Wie oben bereits erwähnt
wurde, sind dabei die von der elektronischen Einrichtung zu
erfüllenden Forderungen außerordentlich anspruchsvoll. Aufgrund
der außerordentlich geringen Abmessungen der Knautschzonen, die
im Seitenbereich eines Fahrzeugs zur Verfügung stehen, ist die
zur Erkennung eines kritischen Unfallereignisses zur Verfügung
stehende Zeit außerordentlich kurz. So wird beispielsweise von
Fahrzeugherstellern gefordert, daß die elektronische Einrichtung
in der Lage sein muß, ein kritisches Unfallereignis vor Ablauf
von 5 Millisekunden sicher zu erkennen. Da andererseits bei
heute üblichen Fahrzeugkonstruktionen vor Ablauf von etwa 2
Millisekunden nach Beginn eines Unfallereignisses nahezu keine
charakteristischen Ausgangssignale des
beschleunigungsempfindlichen Sensors zur Verfügung stehen,
verbleiben praktisch maximal 3 Millisekunden, um die geforderte
Entscheidung zu treffen. Die vorerwähnte Situation wird anhand
von Fig. 15 erläutert, die in einem Diagramm bei Crashversuchen
gemessene Beschleunigungswerte als Funktion der Zeit darstellt.
Auf der x-Achse oder Zeitachse ist dabei ein Zeitintervall von 6
Millisekunden dargestellt, während auf der y-Achse
Beschleunigungswerte zwischen 0 und 60 g (g = Erdbeschleunigung)
aufgetragen sind. Die in dem Diagramm erkennbare Kurvenschar
(Kurven UO4, UO1, V21, V22, V23, V24, V25) repräsentiert
insgesamt sieben Crashversuche, die mit einem bestimmten
Fahrzeugtyp und einer zwischen 50 km/h und 60 km/h liegenden
Kollisionsgeschwindigkeit durchgeführt worden sind. Die
dargestellten Kurvenscharen zeigen das zuvor schon angesprochene
Verhalten. In dem Zeitintervall zwischen dem Beginn der
Kollision (also 0,0 Sekunden bis etwa 2 Millisekunden) sind die
von dem beschleunigungsempfindlichen Sensor abgegebenen Signale
noch sehr undifferenziert, so daß im wesentlichen keine auf Art
und Schwere des Unfalls hindeutende Informationen gewonnen
werden kann. Zwischen etwa 2 Millisekunden und 5 Millisekunden
nach Unfallbeginn zeigen die dargestellten Kurven alle eine im
wesentlichen ansteigende Flanke. Trägt man zusätzlich die
Beschleunigung als Funktion des Eindringweges (Intrusion), wie
in Fig. 16 dargestellt, auf, dann erkennt man, daß ab etwa 2 cm
Eindringtiefe eine auf etwa 5 Zentimeter Eindringweg nachgebende
und dabei ähnlich einer Feder immer höhere Kräfte bzw.
Beschleunigungen zeigende Struktur eingedrückt wird. Bei einer
Eindringtiefe von ca. 7 Zentimeter findet ein Bruch der Struktur
statt, was an dem Einbruch der dargestellten
Beschleunigungssignale erkennbar wird. Die Ergebnisse dieser
Crashversuche lassen den Schluß zu, daß es sich bei den
gemessenen Beschleunigungskurven um zumindest für einen
bestimmten Fahrzeugtyp charakteristische Kurven handelt, die
typisch für Geometrie und Steifigkeit des durch den Unfall
betroffenen Fahrzeugs sind, und aus denen sich demzufolge
charakteristische Eigenschaften des Unfallvorganges ableiten
lassen. Für die praktische Anwendung stellt sich dabei das
Problem, aus dem in der Regel stark verrauschten Ausgangssignal
des beschleunigungsempfindlichen Sensors diesen
charakteristischen Kurvenverlauf zu extrahieren und für den
Unfallhergang typische Eigenschaften des Kurvenverlaufs mit
möglichst geringem Aufwand, d. h. auch möglichst schmalbandig, zu
dem entfernt angeordneten Steuergerät zu übertragen.
Bevor auf die Lösung dieses Problems eingegangen wird, werden
zur weiteren Verdeutlichung der Situation in Fig. 17 und Fig.
18 noch die Ergebnisse weiterer Crashversuche bei einem
bestimmten Fahrzeugtyp dargestellt, die allerdings im
Unterschied zu den in Fig. 15 und Fig. 16 dargestellten
Beschleunigungskurven bei unterschiedlichen
Aufprallgeschwindigkeiten des aufprallenden Fahrzeugs gewonnen
worden sind. Dabei ist in Fig. 17 wiederum die Beschleunigung
als Funktion der Zeit dargestellt, während in Fig. 18 die
Beschleunigung in Abhängigkeit von der Eindringtiefe (Intrusion)
abgebildet ist. In beiden Diagrammen sind jeweils drei Kurven
dargestellt, die unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten
zugeordnet sind. Die Kurve V 24 entspricht dabei einem Aufprall
mit einer Geschwindkeit von rund 55 km/h, bei dem eine
Aktivierung des Airbags nach rund 5 Millisekunden erfolgt. Die
Kurve T03 entspricht einem Aufprall mit einer Geschwindigkeit
von 30 km/h und einer Aktivierung des Airbags im Zeitintervall
zwischen rund 5 Millisekunden und 10 Millisekunden. Schließlich
entspricht Kurve T02 einem Aufprall mit einer Geschwindigkeit
von rund 25 km/h, der zu keiner Auslösung des Airbags führte.
Auch diese Kurven lassen einen für den untersuchten Fahrzeugtyp
charakteristischen Verlauf erkennen, der allerdings von
zahlreichen hochfrequenten Schwingungskomponenten überlagert
ist. Vor einer Weiterleitung des Ausgangssignals des
beschleunigungsempfindlichen Sensors wird das Ausgangssignal
zweckmäßig einer Filterung unterzogen, die das Nutzsignal von
den störenden hochfrequenten Komponenten befreit und auch
Rauschanteile unterdrückt. Die Impulsantwort eines dafür
geeigneten Suchfilters zweiter Ordnung mit PDT2-Verhalten
(proportional, differenzierend, Tiefpaß 2. Ordnung) ist in Fig.
19 dargestellt. Dieses Diagramm zeigt relative Amplitudenwerte
als Funktion der Zeit. Ein derartiges Filterverhalten kann
beispielsweise durch folgende Gleichung beschrieben werden:
mit zum Beispiel
b₀ = 1,141.e
b₁ = 200
a₀ = 1,141e
a₁ = 1,375e
a₂ = 0,414
V =1.
b₀ = 1,141.e
b₁ = 200
a₀ = 1,141e
a₁ = 1,375e
a₂ = 0,414
V =1.
Vergleichsweise gute Ergebnisse sind auch erreichbar mittels
eines digitalen Filters (FIR-Filter 6. Ordnung) mit einer
Abtastung von rund 500 Mikrosekunden, dessen Impulsantwort im
Diagramm der Fig. 20 dargestellt ist. Eine solche Filterkurve
läßt sich näherungsweise durch folgenden Ausdruck darstellen:
y Ausgang, u Eingang zum Takt k.
Der mittels der beschriebenen Filterung erreichbare Effekt geht
deutlich erkennbar aus dem in Fig. 21 dargestellten Diagramm
hervor, das wiederum die bereits schon aus Fig. 17 und Fig. 18
bekannten Signalverläufe, aber diesmal gefiltert, zeigt.
Dargestellt ist die Beschleunigung als Funktion der Zeit. Das
Diagramm zeigt, daß überlagerte hochfrequente Störungen nahezu
völlig unterdrückt sind. Die Signalverläufe der Kurven V24 und
T03, die also für einen Crashvorgang charakteristisch sind,
streben zu den Sollauslösezeiten (einerseits rund 5
Millisekunden, in dem anderen Fall zwischen 6 und 10
Millisekunden) einem Maximum zu und bieten dadurch einen hohen
Signalabstand zu dem Signal der Kurve T02, die einem
Nichtauslösefall entspricht. Eine derart ausgestaltete
elektronische Einrichtung ist in Gestalt eines Blockschaltbildes
in Fig. 22 dargestellt. Sie umfaßt zunächst wieder den schon
bekannten beschleunigungsempfindlichen Sensor 80, dem ein
Suchfilter 220 mit Tiefpaßcharakter nachgeschaltet ist. Der
Ausgangsanschluß des Suchfilters 220 ist mit dem
Eingangsanschluß eines Vorhersageschaltkreises 221 und eines
Integrationskreises 222, 223 verbunden. Die Ausgangsanschlüsse
der Baugruppen 221 und 223 sind in einem Verknüpfungspunkt 221′
zusammengeführt, der mit dem Eingangsanschluß des von dem Sensor
80 entfernt angeordneten Steuergerätes 86 verbunden ist. In
bereits beschriebener Weise ist der Ausgangsanschluß des
Steuergerätes 86 mit dem Eingangsanschluß eines
Sicherungsmittels, insbesondere eines Airbags 87 verbunden.
Durch den Integrationsschaltkreis 222, 223 wird aus dem
Ausgangssignal des Sensors 80, das die Beschleunigung der
Türbestandteile infolge eines Aufpralls wiedergibt, durch
Integration eine der Türgeschwindigkeit entsprechende Größe
gebildet. Dieser kann an dem Verknüpfungspunkt 221′ durch
Überlagerung mit dem Ausgangssignal des Schaltkreises 221 noch
eine Komponente der gemessenen Beschleunigung überlagert werden,
bevor diese Information an das entfernte Steuergerät 86
übertragen wird. Zu diesem Steuergerät 86 wird in der zuvor
beschriebenen Weise nur noch die dynamisch wesentlich langsamere
und rauschärmere Geschwindigkeit der Tür übertragen, die eine
markante Größe für die Aktivierung des Airbagsystems darstellt.
Denn zwischen der Türgeschwindigkeit im Moment des Aufpralls auf
den Insassen und der Verletzungsschwere besteht ein
unmittelbarer Zusammenhang. Da in der Regel der freie Weg
zwischen Tür und dem Fahrzeuginsassen bekannt ist, kann somit
aus dem Anstieg der Türgeschwindigkeit über der Zeit bereits
sehr früh die Notwendigkeit der Auslösung des Airbagsystems
abgeleitet werden. Die Tür bewegt sich dabei in der Regel
unabhängig von den durch den Unfall nicht unmittelbar
betroffenen Fahrzeugteilen. So wurde beispielsweise bei einem
Seitenaufprall mit einer Geschwindigkeit von ca. 50 km/h zu
einem Zeitpunkt bereits eine Türgeschwindigkeit von mehr als 65
km/h gemessen, in dem das durch den Unfall betroffene Fahrzeug
als Ganzes noch in Ruhe war. Da vermittels der in Fig. 22
dargestellten Einrichtung eine Aufbereitung des Sensorsignals im
wesentlichen am Einbauort des Sensors erfolgt, kann die
Übertragung zu dem zentral angeordneten Steuergerät 86 auf
wenige wichtige Informationen begrenzt werden. Beispielsweise
können die Amplitudenwerte der in Fig. 21 dargestellten Kurven
zu dem Steuergerät 86 übertragen werden, die dort mit
vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden. Beispielsweise
kann dann in dem Steuergerät 86 festgestellt werden, zu welchem
Zeitpunkt bestimmte Schwellwerte von Beschleunigungswerten bzw.
Geschwindigkeitswerten (Türgeschwindigkeit) erreicht werden.
Weiterhin kann festgestellt werden, in welcher Reihenfolge und
in welchem zeitlichen Abstand diese vorgebbaren Schwellwerte
durchlaufen werden. Dies wird anhand von Fig. 21 erläutert. In
Zusammenhang mit der Kurve V24, die wie oben erwähnt, einem
Aufprall bei rund 54 km/h entspricht, wurden drei Punkte (A, B,
C) markiert, die entsprechenden Schwellwerten der
Beschleunigung, nämlich 20g, 30g und 35g entsprechen. Im
zeitlichen Ablauf gesehen wird der Schwellwert A nach rund 4
Millisekunden, der Schwellwert B nach rund 4,8 Millisekunden und
der Schwellwert C nach rund 5 Millisekunden erreicht. Der
Schwellwert C kennzeichnet dabei denjenigen Wert, der das
Steuergerät 86 zu einer Aktivierung des Airbags 87 veranlaßt.
Aus der Abfolge dieser Schwellwerte A, B, C kann das Steuergerät
86 ableiten, daß eine stark ansteigende Beschleunigung vorhanden
ist und daß die Schwellwerte in der logischen Reihenfolge
durchlaufen werden. Dies deutet auf ein kritisches
Unfallereignis hin, das die Aktivierung des Airbags notwendig
macht, der, wie bereits erwähnt, etwa 5 Millisekunden nach
Unfallbeginn ausgelöst wird. Weiterhin ist es auch möglich,
durch Abtastung einzelner Amplitudenwerte der
Beschleunigungskurve die Steigung dieser Kurve festzustellen und
diese mit einem gegebenenfalls abgespeicherten Grenzwert zu
vergleichen und das Airbagsystem dann auszulösen, wenn die
Steigung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Eine steil
ansteigende Kurve deutet nämlich ebenfalls auf einen kritischen
Unfallablauf hin.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand
des in Fig. 23 dargestellten Blockdiagramms und der in Fig. 24
(Fig. 24a bis Fig. 24d) dargestellten Funktionsdiagramme
erläutert. Die in Fig. 23 dargestellte Schaltungsanordnung ist
besonders betriebssicher, da sie über einen weiten
Temperaturbereich zuverlässig arbeitet und den Einsatz von
Sensoren mit einem relativ großen Toleranzbereich ermöglicht.
Ein erster Anschluß eines zwei Anschlüsse aufweisenden
piezoelektrischen Sensors (Bimorph) X1 ist an den
Schaltungspunkt E geführt, der mit dem nicht invertierenden
Eingangsanschluß eines ersten Operationsverstärkers OP1
verbunden ist. Der zweite Anschluß des Sensors X1 liegt
einerseits am Schaltungspunkt D, der wiederum mit einem Anschluß
eines Schaltelements S1 verbunden ist, dessen anderer Anschluß
auf Masse liegt. Andererseits ist der zweite Anschluß des
Sensors X1 mit einem Widerstand R1 verbunden, dessen anderer
Anschluß an dem Schaltungspunkt C liegt, der wiederum mit dem
Ausgangsanschluß eines Operationsverstärkers OP3 verbunden ist.
Parallel zu der Serienschaltung des Sensors X1 und des
Widerstands R1 liegt ein weiterer Widerstand R2. Der
Schaltungspunkt E ist über einen Kondensator C1 mit dem
Schaltungspunkt F verbunden, der wiederum über einen Widerstand
R9 mit dem Ausgangsanschluß eines Pufferverstärkers P1 verbunden
ist. An dem Eingangsanschluß des Pufferverstärkers P1 liegt der
gemeinsame Anschluß mehrerer Widerstände R8a, R8b, R8c, R8d,
derer jeweils zweiter Anschluß über Schaltelemente S4a, S4b,
S4c, S4d mit dem Masseanschluß verbindbar ist. Weiterhin ist der
Eingangsanschluß des Pufferverstärkers P1 über ein weiteres
Schaltelement S3 und einen Widerstand R8e mit dem
Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden.
Zwischen diesem Verbindungspunkt und dem Masseanschluß sind zwei
Reihenschaltungen aus je zwei Widerständen R10, R11 bzw. R12,
R13 parallel geschaltet. Der Mittenabgriff der Reihenschaltung
der Widerstände R10, R11 ist an den Schaltpunkt a eines
Schaltelements S2 gelegt. Der Mittenabgriff der Reihenschaltung
der Widerstände R12, R13 ist an den Schaltanschluß b des
Schaltelements S2 gelegt. Ein anderer Anschluß des
Schaltelements S2 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß
des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden. Der
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP1 ist über einen
Stellwiderstand R17 mit dem invertierenden Eingangsanschluß
eines zweiten Operationsverstärkers OP2 verbunden, der als
Kalibrierverstärker dient. Der Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers OP2 ist über einen Widerstand R16 mit dem
invertierenden Eingangsanschluß verbunden. Andererseits ist der
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 an den
Schaltungspunkt A geführt. Der nicht invertierende
Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 ist mit dem
Masseanschluß verbunden. Der Stellanschluß des Stellwiderstands
R17 ist mit dem Ausgangsanschluß eines PROM verbunden, dessen
Eingangsanschluß wiederum mit einem ersten Ausgangsanschluß
eines logischen Schaltkreises 230 verbunden ist. Der
Ausgangsanschluß des PROM ist weiterhin mit dem Stellanschluß
eines zweiten Stellwiderstandes R15 verbunden, dessen
Ausgangsanschluß mit dem invertierenden Eingangsanschluß eines
dritten Operationsverstärkers OP3 verbunden ist, dessen nicht
invertierender Eingangsanschluß mit dem Masseanschluß verbunden
ist. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP3 ist über
einen Widerstand R14 mit dem invertierenden Eingangsanschluß
verbunden. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP3
ist weiterhin mit dem Schaltungspunkt c und der Verbindung
zwischen den Widerständen R1 und R2 verbunden. Der
Schaltungspunkt a ist weiterhin über einen Widerstand R3 mit dem
invertierenden Eingangsanschluß eines weiteren
Operationsverstärkers OP4 verbunden, dessen nicht invertierender
Eingangsanschluß auf Masse liegt. Weiterhin ist der
invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP4
über einen Kondensator C3 mit seinem Ausgangsanschluß verbunden,
der auch an einem Anschluß des veränderbaren Widerstands R15
liegt. Die Widerstände R8a, R8b, R8c, R8d bilden einen
schaltbaren Spannungsteiler, der von einem 4-Bit-Zähler
angesteuert wird, der wiederum von dem logischen Schaltkreis 230
angesteuert wird.
Der Sensor X1 wird in zwei unterschiedlichen Betriebsarten
eingesetzt. Als Beschleunigungssensor wird die Spannung
gemessen, die bei einer Verbiegung infolge Krafteinwirkung
erzeugt wird. Im Selbsttest wird der Sensor als
frequenzbestimmendes Bauteil eines Oszillators eingesetzt. Im
Oszillatorbetrieb ergeben sich jedoch insbesondere dann größere
Schwierigkeiten in der Praxis, wenn Sensoren X1 zum Einsatz
kommen, die relativ große Toleranzbereiche aufweisen. Um nämlich
im Oszillatorbetrieb die Schaltung zum Schwingen zu bringen,
müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Die Phase muß 0 sein und
die Kreisverstärkung muß größer als 1 sein. Zusätzlich gilt für
die Kreisverstärkung eine Obergrenze, ab der die Frequenz nicht
mehr von den mechanischen Eigenschaften des Sensors X1 bestimmt
wird, sondern überwiegend von den Kapazitäts- und
Widerstandsverhältnissen in der Schaltung. Die Schaltung gerät
dann in eine Kippschwingung niederer Frequenz nach Art eines
astabilen Multivibrators. Für die Anwendung in Steuergeräten für
Airbagsysteme muß vor der ersten aktiven Stufe ein passiver
Tiefpaß angeordnet sein, dessen Grenzfrequenz in der
Größenordnung einiger hundert Hertz, typischerweise kleiner
gleich dreihundert Hertz, und damit allerdings so niedrig liegt,
daß die Resonanzfrequenz des Oszillatorkreises, der in der
Praxis einige 10 Kilohertz beträgt, insbesondere zwischen etwa
30 und 40 Kilohertz, liegt vollkommen unterdrückt wird. Der
Tiefpaß muß deshalb für den Testbetrieb, also im Schwingzustand,
abschaltbar sein. Bei der relativ hohen Oszillatorfrequenz
kommen weiterhin die nicht idealen Eigenschaften der
Operationsverstärker voll zum Tragen, nämlich die endliche
Leerlaufverstärkung und die Phasendrehung. Beide Eigenschaften
beeinflussen die Kreisverstärkung und den Phasengang. Dazu kommt
weiterhin, daß die Parameter der Operationsverstärker stark von
der Temperatur abhängen. Diese nicht idealen Eigenschaften der
einzelnen Komponenten der Schaltung bewirken, daß die Schaltung
im Testbetrieb nicht mit jedem beliebigen Sensor X1 und bei
jeder beliebigen Temperatur anschwingt, obwohl der Sensor X1
innerhalb vorgebbarer, relativ breiter Toleranzwerte liegt.
Diese Problem löst jedoch die vorgeschlagene Schaltung, indem
sie einen passiven Tiefpaß zwischen dem Sensor und dem
Eingangsverstärker bei Meßbetrieb, eine Temperaturkompensation
der Empfindlichkeit bei Meßbetrieb, eine einstellbare
Kreisverstärkung bei Testbetrieb zur Abdeckung eventueller
Toleranzen, und aus Sicherheitsgründen eine feste Verstärkung
bei Meßbetrieb vorsieht. Bei alledem erfordert sie relativ
wenige Bauelemente, die zum Teil mehrfach ausgenutzt werden, was
einer günstigen Preisgestaltung dienlich ist. In der Praxis hat
sich gezeigt, daß alle Toleranzprobleme durch eine in
beispielsweise 16 Schritten einstellbare Kreisverstärkung
aufgefangen werden können. Damit die Kosten niedrig bleiben,
wird die Verstärkung vom Prozessor des Steuergerätes
eingestellt. Der Test gilt dann als bestanden, wenn in
mindestens einer der 16 möglichen Verstärkungsstufen der Sensor
X1 mit der bekannten Nennfrequenz geschwungen hat. Im folgenden
werden die Betriebszustände Meßbetrieb und Testbetrieb
erläutert.
Alle Schaltelemente befinden sich in der gezeichneten Stellung.
Mit dem Widerstand R2 wird der Arbeitspunkt der Schaltung
eingestellt. Der Kondensator C1 liegt über R9 für die
Nutzfrequenz niederohmig auf einem Referenzpotential und bildet
somit zusammen mit dem Widerstand R1 den passiven Tiefpaß,
dessen Grenzfrequenz, wie zuvor schon erwähnt, einige Hundert
Hertz beträgt. Das Meßsignal wird von dem Operationsverstärker
OP1 verstärkt und gelangt dann auf den Kalibrierverstärker
(Operationsverstärker OP2). Dessen Verstärkung wird über das
PROM so eingestellt, daß sich am Ausgangsanschluß A die
Nennempfindlichkeit einstellt. Der Widerstand R9 bildet zusammen
mit der Kapazität des Sensors X1 die untere Grenzfrequenz der
Schaltungsanordnung, die weniger als 1 Hertz beträgt. Aufgrund
des relativ hohen Widerstandswertes des Widerstandes R9, der
einige Hundert Megaohm beträgt, erzeugt der durch ihn fließende
Eingangsleckstrom des Operationsverstärkers OP1 eine
unerwünschte Offsetspannung, die mittels eines aus den
Operationsverstärkern OP3 und OP4 bestehenden Offsetregelkreises
kompensierbar ist. Um eine unerwünschte Schwankung der unteren
Grenzfrequenz der Schaltungsanordnung zu kompensieren, die
wesentlich auch durch die in einem großen Bereich veränderbare
Verstärkung des Operationsverstärkers 2 beeinflußt ist, wird
nach Möglichkeit die Schleifenverstärkung auf einem konstanten
Wert gehalten. Dies wird auf einfache Weise dadurch erreicht,
daß die Verstärkung des Operationsverstärkers OP3 mit den beiden
höchstwertigen Bits aus dem PROM so eingestellt wird, daß das
Produkt der Verstärkungen des Operationsverstärkers OP3 und des
Operationsverstärkers OP2 konstant bleibt. Der Kondensator C1
liegt für sehr kleine Frequenzen parallel zu dem Sensor X1 und
kompensiert damit den Temperaturgang der Empfindlichkeit des
Sensors X1.
Die Schaltelemente S1, S3 sind jetzt geschlossen. Das
Schaltelement S2 befindet sich in Schaltstellung a. Der 4-Bit-
Zähler ist zurückgesetzt, demzufolge sind also die
Schaltelemente S4a, S4b, S4c, S4d ebenfalls noch geschlossen.
Der Widerstand R1 wird von dem Schaltelement S1 überbrückt.
Daher ist der im Eingangsbereich liegende Tiefpaß nicht mehr
wirksam. Für den Schwingbetrieb werden, je nach Toleranz des
Sensors X1, Kreisverstärkungen in der Größenordnung zwischen
etwa 2 und 8 benötigt. Der Verstärkungsbereich, in dem die
Schaltung gerade anschwingt, aber noch nicht in Kippschwingungen
gerät, liegt zwischen etwa 0,5 und 3. Die dafür erforderliche
Verstärkung wird über den schaltbaren Spannungsteiler R8a, R8b,
R8c, R8d, R8e eingestellt. Die Schaltelemente werden von einem
4-Bit-Zähler angesteuert. Damit kann die Verstärkung in 16
Schritten von kleinen Werten beginnend hin zu großen Werten
eingestellt werden. Wenn man den ganzen Wertebereich durchläuft,
wird der Sensor X1 meistens anfangs gar nicht, einige Stufen
später auf der Nennfrequenz schwingen. Bei den höchsten Stufen
wird er sogar in eine Kippschwingung kommen. Dieser Sachverhalt
wird anhand der Funktionsdiagramme in Fig. 24 verdeutlicht. Um
nun auch bei besonders ungünstigen Betriebsbedingungen noch ein
Anschwingen zu garantieren, ist auch noch eine höhere
Verstärkung einstellbar. Diese ungünstigen Betriebsbedingungen
können deshalb eintreten, weil die Leerlaufverstärkung des
Operationsverstärkers 1 bei der Nennfrequenz schon relativ
niedrig und obendrein temperaturabhängig ist. Zur Lösung des
Problems kann eine sehr viel höhere Sollverstärkung von
beispielsweise 12fach eingestellt werden, so daß effektiv der
Faktor 8 mindestens erreichbar ist. Für den Meßbetrieb ist diese
Verstärkung allerdings zu hoch, so daß eine Umschaltung von 8
auf 12 vorgesehen ist. Der Pufferverstärker P1 koppelt das
Signal mit hoher Impedanz aus und führt es über die Widerstands-
Kondensator-Kombination R9/C1 auf den Eingang zurück. Der
Widerstand R9 und der Kondensator C1 dienen dabei als
Phasenschieber. Damit ist der Oszillatorschwingkreis
geschlossen. Die Schwingamplitude ist in der Regel so hoch, daß
die Operationsverstärker begrenzen. Am Ausgang a steht daher ein
digitales Signal zur Verfügung, das von einem Prozessor bequem
auswertbar ist. Die Schaltung wurde so ausgelegt, daß nur eine
minimale Anschlußzahl benötigt wird. Dies konnte nur dadurch
erreicht werden, daß einige Leitungen mehrfach belegt sind. Die
deshalb erforderliche Dekodierung erfolgt im logischen
Schaltkreis 230. Der Anschluß P dient als Dateneingang bzw.
Programmierspannungseingang während des Kalibriervorgangs. Der
Anschlußtest ist direkt mit dem Prozessor verbunden. Während des
Meßbetriebs liegt er auf Masse. Der Testbetrieb wird
eingeleitet, indem der Anschluß "TEST" auf die Spannung VDD
gelegt wird. Bei günstigen Toleranzverhältnissen schwingt die
Schaltung schon an. Wenn nach ungefähr 50 Millisekunden noch
keine Schwingung beobachtet wird, kann der Anschluß TEST für
weniger als 10 Mikrosekunden auf Masse gelegt werden. Dadurch
wird die Kreisverstärkung auf den nächsthöheren Wert angehoben
Anschließend wird wieder für einen Zeitraum von 50 Millisekunden
auf ein Anschwingen gewartet. Falls das gewünschte Signal
beobachtet wurde, wird der Anschluß TEST wieder für mindestens
100 Mikrosekunden auf Masse gelegt. Dadurch wird der 4-Bit-
Zähler wieder zurückgesetzt. Am Ausgang des Pufferverstärkers P1
stellt sich die Referenzspannung ein, die Schaltung ist im
Meßbetrieb. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung zeichnet sich
insbesondere durch folgende Eigenschaften aus. Es ist ein
mechanischer Selbsttest möglich. Keine zusätzlichen Komponenten
sind für den Testbetrieb erforderlich. Durch eine
Mehrfachausnutzung des Kondensators C1 als Tiefpaß,
Temperaturkompensator, Phasenschieber und Rückkoppelelement
werden vergleichsweise wenig Bauelemente benötigt, was einer
günstigen Preisgestaltung zugute kommt. Die Schaltungsanordnung
ist gegen vergleichsweise große Toleranzabweichungen
insbesondere der Bauelemente Sensor X1, Operationsverstärker
OP1, Kondensator C1, Widerstand R9 vergleichsweise
unempfindlich, da solche Toleranzen durch eine einstellbare
Kreisverstärkung ausgeglichen werden können. Die Einstellung der
Kreisverstärkung erfolgt vom Prozessor durch kurze Impulse, also
durch eine Mehrfachausnutzung der Leitung TEST. Der Tiefpaß ist
vermittels eines auf der kalten Seite des Sensors X1
angeordneten Schaltelementes abschaltbar, wodurch die
Schaltungsanordnung unempfindlich gegenüber Leckströmen ist.
Claims (19)
1. Elektronische Einrichtung mit einem
beschleunigungsempfindlichen Sensor, die Mittel zur
Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Sensors umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung
einen den Sensor als Bauelement umfassenden elektrischen
Schwingkreis umfaßt, und daß der Sensor, zumindest während
der Dauer einer Überprüfungsphase zu Schwingungen anregbar
ist.
2. Elektronische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (10) auf seiner
Eigenfrequenz schwingt.
3. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz des
Sensors (10) ein Vielfaches der Nutzsignalfrequenz des
Sensor beträgt.
4. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz des
Sensors (20) im Bereich einiger 10 Kilohertz, insbesondere
zwischen 10 Kilohertz und 50 Kilohertz liegt.
5. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Nutzsignalfrequenzbereich einige 100 Hertz, insbesondere
zwischen 0 Hertz und 500 Hertz beträgt.
6. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische
Einrichtung Schaltmittel (S1, S2, S3, S4, S5) umfaßt, die
derart schaltbar sind, daß der Sensor (10) wechselweise in
Parallel- bzw. Serienresonanz anregbar ist.
7. Elektronische Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (S1, S2, S3, S4, S5)
von einem Mikrorechner (29) ansteuerbar sind.
8. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz des
schwingenden Sensors (10, 80) von einer
Auswertungseinrichtung (10, 29) auswertbar ist und daß für
die Auswertung der Frequenz ein Frequenzbereich festgelegt
ist, innerhalb dessen die Resonanzfrequenz des
funktionsfähigen Sensors liegt.
9. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mindestens
einen Tiefpaßfilter (26, 28, 66) umfaßt, dessen
Grenzfrequenz wesentlich unterhalb der Schwingungsfrequenz
des Sensors (10, 860) liegt und daß Schaltmittel zur
Frequenzteilung der Schwingungsfrequenz des Sensors
vorgesehen sind, derart, daß zumindest die geteilte
Schwingungsfrequenz des Sensors den Tiefpaß (26, 28, 66)
passieren kann und zu der Auswerteschaltung (Mikrorechner
29, 73) gelangt.
10. Elektronische Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel zur Frequenzteilung eine
bistabile Kippstufe (21) umfassen, die vorzugsweise
vermittels eines Steuersignals der Auswerteschaltung
(Mikrorechner 29) triggerbar ist.
11. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß von der
Schwingungsfrequenz des Sensors (10) ein Taktsignal zur
Steuerung der Auswerteschaltung (29, 67, 70, 71, 72, 73)
abgeleitet wird.
12. Elektronische Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Ableitung des Taktsignals aus der
Schwingungsfrequenz des Sensors (64) eine Taktteilerstufe,
insbesondere eine monostabile Kippstufe (69) vorgesehen
ist, der eingangsseitig, vorzugsweise über eine
Impulsformerstufe (68) die Oszillatorfrequenz des Sensors
(10) zugeleitet wird.
13. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1,
bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung des
Taktsignals aus der Schwingungsfrequenz des Sensors (10,
80) eine Taktvervielfacherstufe, insbesondere
Taktverdopplungsstufe (82), vorgesehen ist.
14. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche l
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens einen
Eingang und mehrere Ausgänge umfassendes Schieberegister
(90) vorgesehen ist, daß der Eingang des Schieberegisters
(96) mit jeweils jedem der mehreren Ausgänge des
Schieberegisters (90) verbunden ist (Verknüpfungspunkte 94,
95, 96), daß jeder Verknüpfungspunkt (94, 95, 96) jeweils
mit dem Eingangsanschluß eines Summiergliedes (91, 92, 93)
verbunden ist, deren Ausgangsanschlüsse mit je einem
Schaltelement (97, 98, 99) verbunden sind.
15. Elektronische Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (97, 98, 99) von
einem Mikrorechner (86b) steuerbar sind.
16. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10),
zumindest zeitweilig, in Doppelfunktion als
Beschleunigungsgeber und als Schwingungserzeuger betrieben
wird.
17. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisverstärkung
des Oszillatorkreises einstellbar ist.
18. Elektronische Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Verstärkung ein
schaltbarer Spannungsteiler (R8a, R8b, R8c, R8d, R8e)
vorgesehen ist, der von einem Zählerbaustein (4-Bit-Zähler)
ansteuerbar ist.
19. Elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß ein im Meßbetrieb den Bestandteil
eines Tiefpasses bildender Kondensator C1 mehrfach ausgenutzt
ist, indem er im Testbetrieb als Temperaturkondensator,
Phasenschieber und Rückkoppelelement eingesetzt ist.
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