DE60014460T2

DE60014460T2 - Elektrische Verbrauchsmessungsanordnung für einen tragbaren Terminal zur Verarbeitung von Daten oder Signalen

Info

Publication number: DE60014460T2
Application number: DE60014460T
Authority: DE
Inventors: Robert Bernard
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2020-01-22
Also published as: ES2230035T3; EP1022575A1; US6392399B1; DE60014460D1; EP1022575B1; FR2788926B1; FR2788926A1

Description

Ein tragbares Endgerät zur Verarbeitung von Daten oder Signalen enthält eine Batterie, die periodisch über das Netz aufgeladen werden muß, oder eine Batterie, die ausgewechselt werden muß. Wenn man beispielsweise einen Handapparat eines zellularen Funktelefonnetzes betrachtet, verbraucht dieser elektrische Energie, selbst wenn er im Stand-by-Modus ist, aber nicht genutzt wird, da er teilweise gespeist werden muß, um von den Funknetzstationen lokalisiert zu werden. Aus diesem Grund verleiht eine Batterie eine begrenzte Autonomie.
Der Benutzer des Handapparats muß daher einen Kompromiß zwischen dicht aufeinanderfolgenden, lästigen und nicht immer notwendigen und auch nicht dem elektrischen Plan genügenden Aufladevorgängen und dem Risiko einer Abschaltung aufgrund eines Energiemangels finden, wenn sein Handapparat längere Zeit nicht aufgeladen wurde.
Um ein Maß für den Verbrauch zu erhalten und auf diese Weise dem Benutzer einen Aufladebedarf zu melden, könnte man erwägen, da der von der Batterie verbrauchte Strom sehr unterschiedlich ist, die Messung eines Stromfühlers mit einem für die Wiederherstellung der Form ausreichend hohen Takt abzutasten und anschließend eine digitale Filterung durchzuführen, um das Signal zu glätten und diesen Verbrauchsmeßwert zu erhalten. Allerdings wäre eine derartige Lösung komplex.
Das Dokument EP-A-0 792 001 beschreibt ein Batterieladegerät, welches einen Wert für den Batterieladezustand liefert. Die vorliegende Erfindung dient dazu, auf einfachere Weise den von den Schaltungen eines tragbaren Endgeräts verbrauchten Strom zu messen.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung zunächst eine Anordnung zur Messung des zwischen einer Energiespeicherquelle und elektrischen Schaltungen übertragenen Stroms für ein tragbares Endgerät zur Verarbeitung von Daten oder Signalen, die einen Strommeßfühler umfaßt, der dazu bestimmt ist, zwischen der Quelle und den besagten Schaltungen angeordnet zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler mit einem ersten Eingang von ersten Integratormitteln verbunden ist, die ausgebildet sind, um die Strommessung zu integrieren und entsprechend Komparatormittel anzusteuern, die so ausgebildet sind, daß sie das Überschreiten eines oberen Schwellwerts durch das Integral des Stroms erfassen und dann an einen zweiten Eingang der ersten Integratormittel ein kalibriertes Rückkopplungssignal zur Rückführung unterhalb des oberen Schwellenwerts anlegen, und das zweite Integratormittel zur Integration der Rückkopplungssignale vorgesehen sind, um eine Messung des übertragenen Stroms zur Verfügung zu stellen.
Somit integrieren die ersten Integratormittel den Strom und bewirken dadurch eine Tiefpaßfilterung, also in dem sie sich von den Momentanwerten freimachen, die dieser annehmen kann. Sie können eine große Empfindlichkeit aufweisen, da die Rückkopplung die Betriebsdynamik auf den oberen Schwellenwert begrenzt. Mit anderen Worten die Komparatormittel reduzieren das Integral des Stroms und die zweiten Integratormittel bewirken die Kumulation der Reduktionen, welche die gesuchte Messung darstellt, das heißt das wahre Integral (ohne Rückkopplung) des Stroms seit dem Beginn der Messung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein tragbares Endgerät zur Verarbeitung von Daten oder Signalen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine erfindungsgemäße Anordnung umfaßt.
Die Erfindung wird mit Hilfe der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines die erfindungsgemäße Meßanordnung umfassenden Endgeräts, und einer Ausführungsvariante besser verständlich, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, in welcher:
1 ein elektrische Blockschaltbild eines Funktelefonhandapparats bzw. Funktelefons zeigt, welches die Meßanordnung aufweist, die mit der Batterie des Handapparats verbunden ist,
2 ein detailliertes elektrisches Schaltbild der bevorzugten Ausführungsform der Anordnung zeigt,
3 ein detailliertes elektrisches Schaltbild der Ausführungsvariante zeigt, wobei die Elemente von 2 übernommen wurden,
die aus den 4A und 4B bestehende 4 ein Zeitdiagramm zeigt, welches die Änderungen des gemessenen Stroms und seinen Meßwert zeigt,
5 ein detailliertes elektrisches Schaltbild einer kalibrierten Rückkopplungsschaltung zeigt, und
6 eine die Rückkopplungsschaltung gemäß 5 betreffendes Zeitdiagramm zeigt.
Die in 1 dargestellte Strommeßanordnung weist eine Fühlerschaltung 2 auf, die über Anschlüsse 3 und 4 zwischen einem Anschluß, hier einem Masseanschluß, einer Batterie 1 und den elektrischen Masseanschlüssen von verschiedenen dargestellten elektronischen Schaltungen in Reihe angeordnet ist. Das Bezugszeichen 19 bezeichnet die Schaltungen, Funkschaltungen und andere, außerhalb der Anordnung, das heißt, welche lediglich durch ihren Verbrauch einwirken, um Daten, Zahlen oder Signale zu verarbeiten, wie zum Beispiel Sprachsignale, analoge Signale. Der Anschluß 4 ist mit den obigen Masseanschlüssen genauso verbunden wie mit einem Anschluß 5 eines Verbinders zum Aufladen der Batterie 1 über ein externes Ladegerät, wobei ein Anschluß 6 dieses Verbinders mit dem positiven Anschluß der Batterie 1 verbunden ist, welcher die obigen Schaltungen direkt speist. Konventionsgemäß und aus Gründen der Klarheit liefert in der folgenden Beschreibung der negative Anschluß der Batterie 1, welcher mit dem Anschluß 3 verbunden ist, die theoretische Massereferenz. Die seitlich der Linien angeordneten Pfeile im Bereich der obigen Schaltungen geben die Richtung des Ladestroms an, wenn dieser fließt, und die in die Linien integrierten Pfeile stellen den Entladestrom dar.
Es sollte klar sein, daß die Strommeßanordnung im Gegensatz dazu auch mit dem positiven Anschluß der Batterie 1 in Reihe geschaltet sein könnte.
Die Fühlerschaltung 2 ist über einen Meßausgang mit einem digitalen Block 13 zur Berechnung von Pulsen gekoppelt, wel cher von einem logischen Block 12 gesteuert wird, der den Betriebszustand des Handapparats anzeigt. Der Rechenblock 13 ist ausgangsseitig mit einem Speicher 14 verbunden, welcher das Ergebnis jeder Berechnung speichert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus eine Mehrzahl von Speichern, hier drei Speicher 15, 16, 17, vorgesehen, in welchen die Ergebnisse oder Teilkumulationen der Berechnung gespeichert sind, die jeweils einen bestimmten Betriebszustand des Handapparats betreffen, wie das Senden, den Empfang, das Stand-by, entsprechend den Angaben des logischen Blocks 12. Der Speicher 14 enthält die Summe dieser Teilkumulationen. Er kann fest verbunden mit der Batterie 1 vorgesehen sein. Es kann genauso vorgesehen sein, daß der Shunt 21, der erste Integrator 22–27 und beispielsweise die Komparatorgruppe 28, 29 auf der Batterie 1 angeordnet sind.
Eine Zeitbasis 10 liefert die Zeitgabe für den Betrieb eines Mikroprozessors 11, welcher mit der Gruppe der Schaltungen verbunden ist und diese steuert, und insbesondere mit einem Anzeigebildschirm 18 zur Anzeige des Stromverbrauchs. Genauer gesagt in Kenntnis der Eigenschaften der Batterie 1 zeigt man die Restladung an, beispielsweise in Form der Autonomiedauer im Stand-by und/oder der aktiven Betriebsdauer für die Kommunikation.
Die Fühlerschaltung 2 ist in 2 detailliert dargestellt. Sie enthält ein Stromfühlerelement 21, hier einen Strommeßshunt in Form eines Präzisionswiderstandes geringen Werts. Der zu messende Verbrauch überschreitet hier 5 Milliampere nicht, so daß ein Widerstand 21 von 20 Ohm maximal nur 0,1 Volt des an die Schaltungsanschlüsse 19 angelegten Potentialabfalls erzeugt, wobei dies einem Wiederanstieg ihres Massepotentials entspricht, welches folglich leicht schwankt, was akzeptabel ist.
Wie angegeben ist, repräsentiert der Anschluß 3 die Masse (negativer Anschluß der Batterie 1) und der Anschluß 4 repräsentiert das obige geringe Potential, welches den Strom durch die Batterie 1 repräsentiert. Dieses Potential ist positiv, wenn es sich um eine Rückführung zur Masse eine Entladestroms handelt und es ist negativ, wenn man die Batterie 1 über den Verbinder 5–6 lädt. Der Anschluß 4 ist mit einem Ende eines ersten Eingangs einer Integratorschaltung verbunden, welche von einem Präzisionsserienwiderstand 22 mit hohem Wert in Bezug auf denjenigen des Widerstands 21 gebildet wird und mit ihrem anderen Ende mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 25 verbunden ist, dessen anderer nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 27 auf Masse vorgespannt wird. Ein Kondensator 26 verbindet den Ausgang des Verstärkers 25 mit seinem invertierenden Eingang und erlaubt auf diese Weise den Betrieb als Integrator, wobei das Spannungssignal an den Anschlüssen des Shunts 21 integriert wird, welches den Strom der Batterie 1 darstellt, und insbesondere ermöglicht, daß alle mit der Messung durch Abtastung des Augenblicksstroms verbundenen Probleme entfallen.
Die obige Integratorschaltung weist einen zweiten Eingang auf, der von einem Präzisionswiderstand 23 gebildet wird, von dem das eine Ende mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 25 verbunden ist und von dem das andere eingangsseitige Ende durch eine Referenzgleichspannung V_ref+ über einen gesteuerten Schalter 24 gespeist wird. Letzterer wird hier von einer analogen Torschaltung wie von einem Transistor oder einer äquivalenten integrierten Schaltung mit logischer Steuerung gebildet.
Der Ausgang der Baugruppe 22–27, welche das Signal an dem Anschluß 4 integriert, das den Entladestrom der Batterie 1 repräsentiert, steuert eine Komparatorschaltung mit einem hohen Schwellwert 28, 29, welche einen zweiten Integrator 12–17 steuert.
Allgemein liest der Komparator 28, 29 das Ausgangssignal des ersten Integrators 22–27 und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Gegenkopplungssignal, das den Schalter 24 derart steuert, daß dieser an den zweiten Eingang 23 des ersten Integrators 22–27 ein kalibriertes Signal anlegt, welches den Ausgang von letzterem tendenziell unter den Schwellwert zurückführt. Da das Signal kalibriert ist, hat die Spannungsauslenkung bei der Rückführung immer einen festen Wert, der einer vollständig be stimmten elektrischen Ladungsänderung in dem Kondensator 26 entspricht, welcher ausgehend von einer hohen Schwellenspannung Vs+ in eine Ruheposition, beispielsweise zwei Volt, zurückgebracht wird. Auf diese Weise wird die Betriebsdynamik des Ausgangs des Integrators 22–27 auf das Innere eines mit der Versorgungsspannung kompatibeln Bereichs begrenzt, hier auf den Bereich zwischen Masse und 12 Volt. Bei fehlender Rückführung würde das Ausgangssignal des Integrators 22–27 bei der Entladung der Batterie anderenfalls unendlich ansteigen und dieser Integrator 22–27 müßte dann mit einer verringerten Empfindlichkeit vorgesehen werden, um eine Auslenkung aufzuweisen, welche ungefähr 10 Volt bei der vollständigen Entladung der Batterie 1 nicht überschreitet.
Bei der vorliegenden Anordnung kompensiert man im Gegenteil durch Rückkopplung die Spannungsänderung am Ausgang des Integrators 22–27 und um die zugehörigen Informationen nicht zu verlieren, welche das Integral des Batteriestroms als Funktion der Zeit t betreffen, integriert man und speichert dann die "Menge" der Rückführung, welche an den ersten Integrator 22–27 angelegt wurde.
Die Komparatorschaltungen 28, 29 und die Integratorschaltungen 12–17 werden im folgenden detaillierter beschrieben. Die obige Rückführung, die bei diesem Beispiel diskontinuierlich durchgeführt wird, besteht darin, in die Kapazität 26 wieder eine vorgegebene elektrische Ladungsmenge einzubringen, wenn deren Ausgangsspannung die obere Schwellenspannung Vs+ überschreitet, welche hier beispielsweise auf 8 Volt festgelegt ist (4A). Die 4A und 4B, in welchen die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen ist, betreffen den allgemeinen Fall der Ausführungsvariante gemäß 3, welche zusätzlich zu der Anordnung gemäß 2 außerdem die als negativ bezeichneten Ströme bearbeitet, d.h. die Aufladeströme der Batterie 1. Um die 2 zu erläutern gilt das Interesse hier zunächst nur dem Entladestrom und dem oberen Schwellwert Vs+.
Ein von einem Operationsverstärker gebildeter Komparator 28 empfängt zu diesem Zweck das Ausgangssignal des Integratorverstärkers 25 und vergleicht dieses mit der oberen Schwellen spannung Vs+, um eine monostabile Schaltung 29 anzusteuern, wenn der Ausgang des Integratorverstärkers 25 den Schwellwert Vs+ überschreitet. Die monostabile Schaltung 29 erzeugt dann einen Impuls Q+ (48) einer kalibrierten Dauer K, welcher den Schalter 24 schließt und folglich die Übertragung einer elektronischen Ladungsmenge an den Kondensator 26 verursacht, welche durch den Wert der Referenzspannung Vref+ und die Dauer K festgelegt ist.
Die Anordnung arbeitet in einem sehr großen Meßbereich für Ströme beliebiger Form korrekt, da der Wert des gemessenen Stroms nur die Geschwindigkeit des Verlaufs des Ausgangs des Integrators 22–27 beeinflußt, wobei letzterer in allen Fällen durch den oberen Schwellwert Vs+ begrenzt bleibt.
Das monostabile Element 29 könnte analog sein mit einer gefilterten und gut stabilisierten Versorgung, um jede Drift der Dauer K zu begrenzen. Bei diesem Beispiel ist das monostabile Element 29 digital und weist einen Zähler auf, welcher ein Taktsignal von der Zeitbasis 10 über eine UND-Torschaltung empfängt, die von dem Komparator 28 kontrolliert wird, dessen Ausgang zur Aktivierung des monostabilen Elements 29 in den logischen Zustand 1 übergeht.
Die Referenzspannung Vref+ ist geringer als die Ruhespannung, d.h. bei diesem Beispiel geringer als 2 Volt, wenn man wirksam zu dieser Ruhespannung zurückkehren will. Sie kann eventuell negativ oder noch einfacher als Massespannung gewählt werden. wenn man die Dauer K der Gegenkopplung im Verhältnis zum variablen Zyklus der Aktivierungen des monostabilen Elements 29 beschränken will, kann man einen Wert für den Widerstand 23 vorsehen, der geringer ist als derjenige des Widerstands 22. Genauso hätte man für den Integrator 22–27 eine höhere Ruhespannung vorsehen können, beispielsweise 6 Volt, wodurch das monostabile Element 29 dann (bei unveränderter Schwellenspannung Vs+) öfters ausgelöst würde, um jedesmal eine reduzierte Ladungsmenge in den Kondensator 26 einzubringen.
Man wird erkennen, daß es nicht obligatorisch ist, daß die Rückkopplungsladung genau der Spannungsdifferenz zwischen der Ruhespannung und der Schwellenspannung Vs+ entspricht, um unter dem Schwellenwert Vs+ zu bleiben. Diese Ladung kann gewiß überdimensioniert werden, um die Ausgangsspannung des Verstärkers 25 auf einen geringeren Pegel als die Ruhespannung zu bringen, sofern dieser Pegel kompatibel mit dem Bereich ist, der einen korrekten Betrieb der Anordnung sicherstellt. Sie könnte auf der anderen Seite auch unterdimensioniert werden, d.h. beim Abfall die integrierte Ausgangsspannung in Richtung der Ruheposition zurückführen, eventuell mehrere Male, ohne diese zu erreichen, d.h. einfach die integrierte Spannung unter den Schwellenwert Vs+ zurückführen. In einem derartigen Fall würde das monostabile Element 29 häufiger ausgelöst.
Daher wird man feststellen, daß die hier vorgestellte Anordnung mit zyklischem Betrieb, deren Zyklen in Abhängigkeit des gemessenen Stroms variabel sind, einer Anordnung mit statischem Betrieb entspricht, in welcher die Meßvariable nicht mehr Anzahl der Einbringvorgänge von kalibrierten Ladungsmengen wäre, sondern die variable Amplitude eines permanenten Steuersignals für einen regelbaren den Schalter 24 ersetzenden Dämpfer, um die Ausgangsspannung des Integrators 22–27 auf einen Sollwert oder Ruhewert zu steuern.
Man wird ferner feststellen, daß der Integrator 22–27 hätte vorgesehen werden können, um die Richtung des integrierten Stroms umzukehren. Die vorstehenden Erläuterungen würden weiterhin gelten, wobei die Spannungsskala von 0 bis 12 Volt umzukehren wäre. Genauso stellt der mit der Spannung Vs+ verbundene Schalter 24 nur eine kalibrierte Stufe hoher Präzision dar, welche die Meßgenauigkeit verbessert. Anderenfalls könnte der Ausgang des monostabilen Elements 28 den Widerstand 23 direkt speisen, hier über einen Inverter, der einen abfallenden Impuls liefert, der beispielsweise auf Masse herunterzieht.
Jeder Impuls Q+ zur Rückkopplung des monostabilen Elements 29 wird in der Schaltung 13 gezählt, d.h. addiert oder integriert zum Ergebnis der bisherigen Zählung, um einen aktuellen Integralwert zu liefern, hier einen digitalen Wert, der das Integral der Rückkopplung seit dem Meßbeginn repräsentiert, d.h. die Anzahl N1, wie oft man die Spannung des Verstärkers 25 um einen vorgegebenen Wert (Vs+ – Vruhe) abgesenkt hat. Dieser integrale Wert (hier N mal 4 Volt) der Gegenkopplung repräsentiert folglich auch den fiktiven Wert, welchen auch die aktuelle Spannung des Integrators 22–27 darstellen würde, wenn sie keine Gegenkopplung erfahren hätte. Dieser integrale Wert der Gegenkopplung kann gespeichert werden, und zwar vorzugsweise wie hier in digitaler Form. Der Speicher 14 empfängt von der Schaltung 13 die Anzahl N1 der Impulse Q+ des monostabilen Elements oder des Zeitgebers 29. Bei diesem Beispiel liefert die Anordnung tatsächlich detailliertere Informationen dadurch, daß die Schaltung 12 darüber hinaus der Rechenschaltung 13 den Betriebszustand des Handapparats angibt. Die Rechenschaltung 13 sendet dann den Impuls Q+ des monostabilen Elements 29, den sie gerade empfangen hat, an einen der Speicher 15–17, welcher dem Betriebszustand des Handapparats entspricht. Jedesmal liest die Schaltung 13 den Speicher 14 und den betroffenen der Speicher 15–17 erneut und fügt eine Einheit zur darin enthaltenen Anzahl hinzu. Eine nicht dargestellte Tastatur erlaubt dem Nutzer des Handapparats, die Zentraleinheit 11 so zu steuern, daß die Speicher 14–17 mit Hilfe des Bildschirms 18 abgefragt werden.
Die Zentraleinheit 11 dividiert die aus dem Speicher 14–17 gelesene Anzahl N1 durch eine im Festwertspeicher befindliche feststehende Anzahl M, welche das Maximum darstellt, d.h. das Integral des vollständigen Entladestroms der Batterie 11, somit seine Kapazität in Amperestunden. Der erhaltene Quotient N/M wird in Form eines Entladeprozentsatzes angezeigt oder der Mikroprozessor 11 berechnet daraus das Komplement zu 1, um den verbleibenden Prozentsatz der Batteriekapazität 100[1–N1/M] anzuzeigen, wobei dieser als solcher angezeigt wird oder auch in Form von verbleibenden Autonomiedauern für den Stand-by und/oder für die Kommunikation.
Wie bereits angegeben wurde, übernimmt die schematische Darstellung von 3 die Elemente von 2 mit den gleichen Bezugszeichen und den gleichen Funktionen und behandelt darüber hinaus negative Eingangsspannungen, d.h. mißt darüber hinaus den Aufladestrom der Batterie über die Anschlüsse 5–6.
Global sind die Funktionen der Schaltungen von 2 dupliziert, so daß sie zwei parallele Meßketten bilden, deren Messungen subtrahiert werden, um eine Verbrauchsbilanzmessung zu liefern. Hier wurde der Integrator 22–27 nicht dupliziert, weil er von den beiden Ketten genutzt wird, und zwar zur Integration des Stroms in der einen und der anderen Richtung. Die logischen Schaltungen 12–17 werden genauso von den beiden Meßketten gemeinsam genutzt.
Zu diesem Zweck weist eine zweite Komparatorschaltung 38, 39 zur Rückkopplung einen Komparator 38 und eine monostabile Schaltung 39 auf, die den Schaltungen 28 und 29 entsprechen und deren Funktionsweise folglich nicht wiederholt wird. Der Komparator 38 vergleicht das von dem Integratorverstärker 25 ausgegebene Signal mit einem unteren Schwellwert Vs–, um das Schließen eines Schalters 34 zu steuern, welcher dem Schalter 24 entspricht, um eine niedrige Referenzgleichspannung Vref an einen dritten Eingang der den Verstärker 25 enthaltenden Integratoranordnung anzulegen, genauer gesagt, an ein Ende eines Widerstands 33, der mit seinem anderen Ende mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 25 verbunden ist.
Die Anordnung gemäß 3 könnte auch mit einer einzigen positiven Versorgung arbeiten, beispielsweise zwischen Masse und 12 Volt, wobei die mittlere Spannung von 6 Volt als Ruhewert am Ausgang des Integratorverstärkers 25 gewählt ist und die Schwellenspannungen Vs+ und Vs– genauso wie die Referenzspannungen Vref+ und Vref– vorzugsweise in bezug auf diesen mittleren Wert von 6 Volt symmetrische Werte hätten, um über zwei möglichst große Dynamikbereiche zu verfügen.
Indessen ist es hier vorgesehen, daß die analogen Eingangsschaltungen (25) mit positiven 12 Volt und negativen –12 Volt gespeist werden und bei Bedarf die monostabilen Elemente 29, 39, deren logische Ausgangssignale in dem positiven Spannungsbereich verbleiben.
Auf diese Weise ist es die Masse, welche die Ruhespannung repräsentiert, und die Schwellenspannung Vs– ist negativ und bis auf das Vorzeichen gleich Vs+. Das gleiche gilt für Vref– in bezug auf Vref+.
Die Schalter 24 und 34 sind folglich vom umgekehrten Typ Ruhe/Arbeit, mit einer Ruheposition, welche den zugehörigen Eingangswiderstand 23, 33 mit Masse verbindet und folglich den Einfluß von elektronischem Rauschen vermeidet.
Ferner ist in Reihe mit dem Widerstand 22 und dem Anschluß 4 ein Umschalter 31 vorgesehen, der von dem Mikroprozessor 12 gesteuert wird, um eine Nullpunktkalibrierung der Meßanordnung zu bewirken, indem der Meßeingang 22 mit Masse verbunden wird.
Die Funktionsweise der Darstellung gemäß 3 ist die folgende.
Wie es 4A zeigt, liefert der Integratorverstärker 25 ein ansteigendes oder abfallendes Signal, welches das Integral der Ladungsbilanz der Batterie 1 repräsentiert, wobei das Integral bereits verringert ist durch Rückkopplungseffekte, welche bereits stattgefunden haben.
Die Komparatoren 28, 38, deren Schwellenwerte Vs+ und Vs– die Ruhespannung des Integratorverstärkers 25 einrahmen, steuern über die entsprechenden monostabilen Elemente 29 und 39 und die Schalter 24, 34 eine jeweils geeignete Rückkopplung und bringen den Ausgangsspannungsbereich des Verstärkers 25 in den Bereich Vs– bis Vs+ zurück.
Das monostabile Element 29 steuert auf diese Weise die stromabwärts angeordneten Schaltungen 12–17, die zu der Meßkette für das Integral N1 des Entladestroms gehören, und das monostabile Element 39 steuert genauso eine Meßkette für das Integral N2 des Ladestroms der Batterie 1, wobei die Kette hier aus den gleichen Schaltungen 12–17 wie die andere gebildet wird. Die Schaltung 13 berechnet die Differenz N2–N1 zwischen der Gesamtanzahl N1 von Impulsen Q+ des monostabilen Elementes 29 und der Gesamtanzahl N2 der Impulse Q– des monostabilen Elementes 39, welche erzeugt werden, wenn der obere Schwellwert Vs+ bzw. der untere Schwellwert Vs- von dem Ausgang des durch die beiden Schwellwerte N2–N1 begrenzten Bereichs überschritten wird, wobei dies die verbleibende Ladung der Batterie 1 repräsentiert.
Wie bereits angegeben erlaubt der Umschalter 31, der einem steuerbaren Kurzschluß des Eingangsshunts 21 entspricht, dem Mikroprozessor 11, die Steigung jeder parasitären Drift im Verlauf der Zeit zu messen, und zwar durch Zählen eventueller Impulse eines der Komparatoren 28, 38 über eine vorgegebene Dauer, um in der Schaltung 13 die endgültigen Meßwerte vorzugsweise digital zu korrigieren.
Das Anlegen eines kalibrierten Stroms zwischen den Anschlüssen 3, 4 erlaubt die Kalibrierung der Empfindlichkeit des Eingangsintegrators 22–27 und der Rückkopplungsschaltungen (analoger Teil).
5 zeigt das monostabile Element bzw. den digitalen Zeitgeber, 29, detaillierter, welches/welcher einen Impuls einer kalibrierten Dauer K liefert, wobei 6 als Funktion der Zeit t den Zustand der Ausgänge der angegebenen Elemente darstellt.
Der digitale Zeitgeber 29 weist einen synchronen Zähler 36 mit vier Stufen auf, dessen Ausgänge Qa, Qb, Qc, Qd synchron zu einem von der Zeitbasis 10 stammenden Steuertaktsignal H schalten. Genauer gesagt, werden sie im Moment der ansteigenden Flanke des Taktsignals H inkrementiert oder von einem Spezialbefehl auf Null zurückgesetzt.
Um jedes Betriebsrisiko zu vermeiden, welches die Dauer K der Steuerung des Schalters 24 verfälschen würde, ist der Zähler 46 von verschiedenen logischen Torschaltungen umgeben, die dessen korrekte Steuerung ermöglichen, obwohl der Komparator 28 keine Synchronisation in bezug auf das Taktsignal H aufweist und sein Ausgang im übrigen in den inaktiven Zustand vor dem Ende der normalen Dauer K des Steuerbefehls des Schalters 24 zurückkehrt.
Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal des Komparators 28 an eine UND-Torschaltung 42 zur Abtastung angelegt, welche durch ein von einem Inverter 41 invertiertes Taktsignal H gesteuert wird. Der Ausgang der Torschaltung 42 greift an dem Eingang S einer Torschaltung 43 eines asynchronen RS-Flip-Flops an, das von zwei invertierenden ODER-Torschaltungen 43, 44 gebildet wird, die gegenseitig zurückgeschleift sind. Der Ausgang der invertierenden ODER-Schaltung ist an den Eingang einer UND-Torschaltung 45 angelegt, die einen Taktgebereingang 461 des Zählers 46 beaufschlagt und das Taktsignal H auf ihrem zweiten Eingang empfängt. Bei diesem Beispiel wird der Zustand "14" (und "15") des Zählers 46 decodiert, indem die Ausgänge Qb, Qc, Qd mit drei Eingängen einer UND-Torschaltung mit vier Eingängen verbunden werden, wobei auf dem vierten Eingang das invertierte Taktsignal H empfangen wird.
Der Ausgang der UND-Torschaltung 47 ist mit dem Rücksetzeingang R der invertierten ODER-Torschaltung 44 verbunden und mit dem Rücksetzeingang R einer invertierten ODER-Torschaltung eines asynchronen RS-Flip-Flops, das aus zwei invertierten ODER-Torschaltungen 48, 49 gebildet wird, die gegenseitig zurückgeschleift sind, und wobei der Setzeingang S der Torschaltung 48 mit dem Ausgang der UND-Torschaltung 45 verbunden ist.
Der Ausgang der Torschaltung 49 steuert den Schalter 24. Überdies empfängt eine UND-Torschaltung 51 das Taktsignal H und legt es an einen Eingang 460 an zum Zurücksetzen des Zählers 46 unter der Steuerung einer invertierten Torschaltung 50, die den Ausgang der invertierten ODER-Torschaltung 44 mit einem Eingang der UND-Torschaltung 51 verbindet.
Die Funktionsweise des Zeitgebers 29 ist die folgende. Beim Anlegen einer Spannung werden die zwei RS-Flip-Flops 43, 44 und 48, 49 durch Aktivierung auf 1 ihres R-Eingangs in den Ruhezustand gedrängt, beispielsweise mit einer Schaltung mit in Reihe geschaltetem Widerstand und parallel geschaltetem Kondensator am Ausgang der UND-Torschaltung 37, wobei der Kondensator eine vorübergehende Rückführung in Richtung auf die Versorgungsspannung bewirkt, die aufgebaut wurde. Wenn der Komparator 28 im Ruhezustand ist, im logischen Zustand 0 des Ausgangs, behält das RS-Flip-Flop 43, 44 seinen Ruhezustand mit einem logischen Zustand 0 am Ausgang, welcher die zum Inkrementieren des Zählers 46 vorgesehene UND-Torschaltung 45 schließt und die UND-Torschaltung 51 zum Rücksetzen auf 0 bei jedem Schlag des Takts H öffnet. Die UND-Torschaltung 37 wird folglich geschlossen, durch den Zustand des Ausgangs, der ganz auf 0 ist, des Zählers 46, welcher blockiert ist.
Wenn der Komparator 28 einen Zustand 1 der Aktivierung des monostabilen Elements 29 liefert, wird dieser Zustand 1 von der Torschaltung 42 während der zweiten Halbperiode des Signals H abgetastet (Pfeil 62), und zwar zu Beginn dieser in 5: Pfeil 61, wenn man berücksichtigt, daß die ansteigende aktive Flanke dem Beginn einer Periode entspricht. Das RS-Flip-Flop 43, 44 geht ausgangsseitig dann auf 1 und entriegelt (Pfeil 64) die UND-Torschaltung 45 zum Inkrementieren des Zählers 46, wobei die UND-Torschaltung 51 zum Nullrücksetzen verriegelt wird (Pfeil 63).
Auf diese Weise sind die Befehle des Zählers 46 auf einen beliebigen, jedoch in der zweiten Halbperiode des Taktsignals H eindeutigen Zeitpunkt voreingestellt, so daß die ansteigende aktive Flanke der folgenden Periode des Taktsignals H, und zwar der Übergang in den Zustand 1 des Zählers 46 berücksichtigt wird, sobald sie auftritt, folglich ohne die erste Zählperiode H abzuschneiden, d.h. ohne die Aktivierung des Schalters 24 zu verzögern. Mit anderen Worten, man fixiert die Umgebung (42) zur Steuerung des Zählers 46, wenn dieser inkrementieren kann, damit er keine gleichzeitigen widersprechenden Befehle empfängt. Die Aktivierung des Schalters 24 wird durch die UND-Torschaltung 45 zur Aktivierung des Zählers 46 gesteuert, deren erste ansteigende aktive Flanke den S-Eingang des Flip-Flops 48, 49 auf 1 aktiviert (Pfeil 66) und am Ausgang 49 diesen logischen Zustand 1 sendet und diesen dort speichert. Dies aktiviert durch Schließen den Schalter 24 stabil, ohne später das Taktsignal zu übertragen, am Anfang des Zählzustands 1.
Wenn der Zähler 46 in den Zustand "14" gelangt, sind die Ausgänge Qb, Qc, Qd folglich auf 1 und das invertierte Taktsignal H der UND-Torschaltung 47 bewirkt eine Abtastung, die in bezug auf das Taktsignal H um eine Halbperiode phasenverschoben ist, d.h. öffnet (Pfeil 71) die UND-Schaltung 47 während der zweiten Halbperiode des Taktsignals H, während der Zähler 46 während der ersten Halbperiode Zeit gehabt hat, sich zu stabilisieren. Man vermeidet auf diese Weise jede Decodierung des Übergangszustands, der den Zähler 46 vorzeitig auf Null rücksetzen kann.
Der logische Zustand 1 am Ausgang der UND-Torschaltung 47 setzt dann die Flip-Flops 43, 44 und 48, 49 (Pfeile 72, 73) zu Beginn der zweiten Halbperiode des Taktsignals H auf Null. Der Schalter 24 wird auf diese weise für genau 13,5 Perioden des Taktsignals H geschlossen.
Die Torschaltung 51 ist entriegelt (Pfeil 74) und läßt das Taktsignal H passieren (Pfeil 65), welches den Zähler zu Beginn der folgenden Periode auf Null zurücksetzt. Dieses führt (Pfeil 66) zum erneuten Schließen der Torschaltung 47 zum Nullrücksetzen der Flip-Flops. Das monostabile Element 29 kann von dem Komparator 28 erneut ausgelöst werden.

Claims

Anordnung zur Messung des zwischen einer Energiespeicherquelle (1) und elektrischen Schaltungen (19) übertragenen Stroms für ein tragbares Endgerät zur Verarbeitung von Daten oder Signalen, die einen Strommeßfühler (21) umfaßt, der dazu bestimmt ist, zwischen der Quelle (1) und den besagten Schaltungen (19) angeordnet zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (21) mit einem ersten Eingang (22) von ersten Integratormitteln (22–27) verbunden ist, die ausgebildet sind, um die Strommessung zu integrieren und entsprechend Komparatormittel (28, 29, 34) anzusteuern, die so ausgebildet sind, daß sie das Überschreiten eines oberen Schwellenwerts (Vs+) durch das Integral des Stroms erfassen und dann an einen zweiten Eingang (23) der ersten Integratormittel (22–27) ein kalibriertes Rückkopplungssignal zur Rückführung unterhalb des oberen Schwellenwerts (Vs+) anlegen, und daß zweite Integratormittel (12–17) zur Integration der Rückkopplungssignale vorgesehen sind, um eine Messung des übertragenen Stroms zur Verfügung zu stellen.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Komparatormittel (28, 29, 34) am Ausgang Mittel (29, 34) zur Kalibrierung des Rückkopplungssignals aufweisen, die einen Zeitgeber (29) umfassen, der eingerichtet ist, um einen Impuls einer kalibrierten Dauer zu liefern.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Kalibiermittel einen Schalter (34) umfassen, der eingerichtet ist, um durch den Zeitgeber (29) angesteuert zu werden und eine Quelle einer vorgegebenen Spannung mit dem zweiten Eingang (23) der ersten Integratormittel (22–27) zu verbinden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweiten Integratormittel (12–17), zumindest teilweise, mit der Quelle (1) fest verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei für die Messung eines Stroms in entgegengesetzter Richtung zu demjenigen, der letztlich die ersten Komparatormittel (28, 29) aktiviert, zweite Komparatormittel (38, 39) vorgesehen sind, um das Überschreiten eines unteren Schwellenwerts (Vs–) am Ausgang der ersten Integratormittel (22–27) zu erfassen und um entsprechend an einen dritten Eingang (33) der ersten Integratormittel (22–27) ein kalibriertes Rückkopplungssignal zur Rückführung oberhalb des unteren Schwellenwerts (Vs–) anzulegen, und dritte Integratormittel (12–17) zur Integration von Rückkopplungssignalen der zweiten Komparatormittel (28, 29), die eingerichtet sind, um eine Messung des betrachteten Stroms zu liefern, und wobei an den Ausgängen der zweiten und dritten Integratormittel (12–17) Subtrahiermittel (13) für ihre jeweiligen Messungen vorgesehen sind, um eine Verbrauchsbilanzmessung zu liefern.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei die ersten Integratormittel (22–27) eingerichtet sind, um in einem Bereich zu arbeiten, der durch die beiden Schwellenspannungen, die obere Vs+ und die untere Vs–, begrenzt wird und in Bezug auf Masse zentriert liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Zeitgeber (29) digital ist und einen Zähler (46) zur Lieferung kalibrierter Impulse umfaßt, der durch einen Komparator (28) über Synchronisationsschaltungen (41–45) angesteuert wird, die eingerichtet sind, um in Gegenphase mit einem Taktgeber zum Vorwärtszählen des Zählers (46) einen aktiven Zustand des Ausgangs des Komparators (28) abzutasten und zu speichern.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei Schaltungen (47–49, 44, 50, 51) zum Abtasten des Zustands des Zählers (46) vorge sehen sind, die ausgebildet sind, um in Gegenphase zu dem Taktgeber einen besonderen Zustand des Zählers (46) zu erfassen und den Zähler (46) und die Synchronisationsschaltungen (41–45) in einen Ruhezustand zurückzuführen.
Tragbares Endgerät zur Verarbeitung von Daten oder Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Anordnung nach Anspruch 1 umfaßt.
Endgerät nach Anspruch 9, wobei die zweiten Integratormittel (12–17) ausgebildet sind, um abhängig von dem Betriebszustand des Endgeräts unterschiedliche Strommessungen (15–17), zu liefern.