DE60038512T2

DE60038512T2 - Verfahren zur Messung der Schwellenspannung eines Komparators und Anwendung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE60038512T2
Application number: DE2000638512
Authority: DE
Inventors: Heinrich Pinta; Christian Hernitscheck; Jürgen Mayer
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: DE19903557C1; EP1024370B1; EP1024370A3; DE60038512D1; EP1024370A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Schwellenspannung eines Komparators sowie auf eine Anwendung dieses Verfahrens.
Beim Messen physikalischer Parameter wie Spannung, Strom, Temperatur oder dergl. werden häufig Mikrocomputer verwendet. Die Messungen werden üblicherweise so ausgeführt, daß ein mit dem Eingang eines Mikrocomputers verbundener Kondensator auf einen Spannungspegel aufgeladen wird, der mit dem zu messenden Parameter im Zusammenhang steht. Der Mikrocomputer löst dann einen Entladevorgang dieses Kondensators aus, und aus der Entladezeit des Kondensators kann der Mikrocomputer dann den zu messenden Parameter berechnen. Als Eingangsstufe des Mikrocomputers dient dabei ein Komparator, dessen Ausgangsspannung sich immer dann in charakteristischer Weise ändert, wenn die seinem Eingang zugeführte Spannung einen bestimmten Schwellenwert unter- oder je nach angewendetem Verfahren auch überschreitet. Zur Messung der Entladezeit wird die Zeitmessung mit Beginn des Entladevorgangs des Kondensators gestartet, und das Ende der Entladezeit wird durch eine Änderung der Ausgangsspannung des Komparators angezeigt, die angibt, daß die Eingangsspannung den Komparatorschwellenwert unterschritten hat. Beispiele solcher Messungen unter Verwendung des Mikrocomputers des Typs MSP430 von Texas Instruments sind im Handbuch "MSP430 Family, Metering Application Report" von Texas Instruments von 1997 beschrieben. Auf den Seiten 52 bis 54 dieses Handbuchs ist beispielsweise ein Spannungsmeßvorgang unter Verwendung des Mikrocomputers dieses Typs im einzelnen erläutert.
Die obige Schilderung des Meßvorgangs zeigt, daß eine wichtige Größe bei den vom Mikrocomputer durchzuführenden Zeitmessungen die Schwellenspannung des Komparators im Mikrocomputer ist. Die genaue Kenntnis dieser Schwellenspannung ist entscheidend für die Genauigkeit der durchgeführten Messungen. In dem Bestreben, möglichst kostengünstige Mikrocomputer herzustellen, wird der für den Komparator vorgesehene Schaltungsaufwand stark herabgesetzt, was zwangsläufig zu starken Schwankungen der jeweiligen Schwellenspannung der einzelnen Bausteine führt. Die für die Genauigkeit der durchzuführenden Messungen notwendige Kenntnis der Schwellenspannung des Komparators setzt daher eine genaue Bestimmung dieser Schwellenspannung voraus.
Ein Verfahren zur genauen Messung einer Spannung ist aus der US 5 099 209 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe die Schwellenspannung eines Komparators auf einfache Weise und ohne großen Aufwand genau bestimmt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Messen der Schwellenspannung eines Komparators, dessen Ausgangsspannung sich in charakteristischer Weise ändert, wenn seine Eingangsspannung seine Schwellenspannung über- oder unterschreitet, mit folgenden Schritten:

a) Anlegen einer ersten bekannten Spannung U1 an einen mit dem Eingang des Komparators verbundenen entladenen Kondensator über einen ersten Widerstand und Messen der Zeitdauer N3 zwischen dem Beginn der dadurch eintretenden Aufladung des Kondensators und der Änderung der Ausgangsspannung des Komparators;
b) weiteres vollständiges Aufladen des Kondensators bis auf die bekannte erste Spannung U1;
c) Entladen des Kondensators über einen zweiten Widerstand mit dem gleichen Widerstandswert wie der erste Widerstand und Messen der Zeitdauer N2 zwischen dem Beginn der Entladung und der Änderung der Ausgangsspannung des Komparators;
d) Anlegen einer zweiten bekannten, von der ersten Spannung U1 verschiedenen Spannung U2 an den Kondensator über den ersten Widerstand und erneutes Messen der Zeitdauer N1 zwischen dem Beginn der dabei eintretenden Aufladung des Kondensators und der Änderung der Ausgangsspannung des Komparators; und
e) Berechnen der Schwellenspannung U_th des Komparators nach folgender Formel:

Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, mit minimalem Schaltungsaufwand die Schwellenspannung eines Komparators genau zu bestimmen. Wie das Verfahren zeigt, müssen lediglich drei Zeitmessungen durchgeführt werden, worauf dann die Berechnung der Schwellenspannung erfolgen kann.
Bei Anwendung dieses Verfahrens auf das Messen eines physikalischen Parameters unter Verwendung eines Mikrocomputers, dessen Meßeingang vom Eingang eines Komparators gebildet ist, an dem der Kondensator angeschlossen ist, und der an zwei Ausgängen die Spannungen U1 und U2 programmgesteuert abgibt und eine Zeitmeßeinrichtung zum Messen der Zeitdauern N1, N2 und N3 enthält, kann das Verfahren vor jedem Meßvorgang, nach einer vorbestimmten Anzahl von Meßvorgängen oder jeweils nach vorbestimmten Zeitperioden durchgeführt werden. Durch diese Anwendung wird sichergestellt, daß Änderungen der Schwellenspannung des Komparators aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen, Referenzspannungsänderungen oder auch von Alterungsvorgängen die Ergebnisse der Messung des gewünschten physikalischen Parameters nicht beeinträchtigen können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert, deren einzige Figur eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in schematischer Weise zeigt.
In dem zu beschreibenden Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Schwellenspannung eines Komparators K bestimmt werden soll, der die Eingangsstufe eines Mikrocomputers 10 darstellt. Von dem Mikrocomputer 10 sind in der Zeichnung nur diejenigen Baueinheiten schematisch wiedergegeben, die für die Durchführung des zu beschreibenden Verfahrens notwendig sind. Bei dem Mikrocomputer 10 kann es sich beispielsweise um den Mikrocomputer des Typs MSP430 handeln, der von der Firma Texas Instruments hergestellt und vertrieben wird.
Wie zu erkennen ist, weist der Mikrocomputer 10 einen digitalen Eingang IN auf, der gleichzeitig der Eingang des Komparators K ist. Mit dem Eingang IN ist ein Kondensator C verbunden, der zwischen diesem Eingang und Masse liegt.
Der Mikrocomputer 10 weist ferner zwei Ausgänge OUT1 und OUT2 auf, wobei zwischen dem Ausgang OUT1 und dem Eingang IN ein Widerstand R1 und zwischen dem Ausgang OUT2 und dem Eingang IN ein Widerstand R2 liegen. Die Widerstände R1 und R2 haben den gleichen Widerstandswert. Der Mikrocomputer 10 kann unter der Steuerung durch die Ablaufsteuerung 12 mittels eines Umschalters 14 an den Ausgang OUT1 die Spannung U1 oder die Spannung U2 anlegen. Der Ausgang OUT2 kann ebenfalls unter der Steuerung durch die Ablaufsteuerung 12 mittels eines Schalters 16 an Masse gelegt werden. Eine mit dem Ausgang des Komparators K verbundene Zeitmeßschaltung 18 kann von der Ablaufsteuerung 12 gesteuert werden, und es ist ein Speicher 20 vorgesehen, der die von der Zeitmeßschaltung 18 gemessenen Zeitwerte für eine nachfolgende Weiterverarbeitung speichern kann.
Der Komparator K hat die Eigenschaft, daß sich seine Ausgangsspannung in charakteristischer Weise ändert, wenn die seinem Eingang zugeführte Spannung seinen Schwellenwert U_th über- oder unterschreitet. Beispielsweise kann sich seine Ausgangsspannung von einem niedrigen Wert zu einem hohen Wert ändern, wenn seinem Eingang eine ansteigende Spannung zugeführt wird und diese dabei den Schwellenwert U_th überschreitet. Andererseits kann sich seine Ausgangsspannung von einem hohen Wert zu einem niedrigen Wert ändern, sobald eine abnehmende Eingangsspannung kleiner als der Schwellenwert U_th wird. Prinzipiell hat der Komparator zwar eine Hysterese, die sich im Vorliegen von zwei Schwellenwerten äußert, nämlich einem Schwellenwert für das Ansprechen auf eine ansteigende Spannung und einem Schwellenwert für das Ansprechen auf eine sinkende Spannung. Für den hier betrachteten Fall sei jedoch angenommen, daß sich die Schwellenwerte so wenig unterscheiden, daß die Hysterese vernachlässigt werden kann.
Wie mit Hilfe der dargestellten Schaltungsanordnung der Schwellenwert des Komparators K bestimmt werden kann, wird nun erläutert.
Die Ablaufsteuerung 12 bringt den Umschalter 14 in die in der Zeichnung dargestellte Stellung, in der dem Ausgang OUT1 die Spannung U1 zugeführt wird. Gleichzeitig setzt die Ablaufsteuerung 12 die Zeitmeßschaltung 18 in Betrieb, so daß in dieser Zeitmeßschaltung 18 beispielsweise ein Zähler zu laufen beginnt, dessen Stand jeweils ein Maß für die verstrichene Zeit ist. Sobald sich der Umschalter 14 in der dargestellten Stellung befindet, wird der zunächst entladene Kondensator C über den Widerstand R1 geladen, so daß die Spannung am Eingang IN des Komparators K anzusteigen beginnt. Sobald die noch unbekannte Schwellenspannung U_th überschritten wird, ändert sich die Ausgangsspannung des Komparators K in charakteristischer Weise, beispielsweise von einem niedrigen zu einem hohen Wert. Diese Änderung hat in der Zeitmeßschaltung 18 zur Folge, daß der als Beispiel für die Messung der verstrichenen Zeit verwendete Zähler anhält. Der erreichte Zählerstand wird als Zeitdauer N3 im Speicher 20 gespeichert und entspricht der Zeitdauer, die seit dem Beginn der Aufladung des Kondensators C bis zur Änderung der Ausgangsspannung des Komparators K verstrichen ist.
Da sich der Umschalter 14 immer noch in der dargestellten Stellung befindet, wird der Kondensator C schließlich vollständig bis auf die Spannung U1 aufgeladen. Die Ablaufsteuerung 12 bringt dann den Umschalter in eine neutrale Mittelposition, wodurch die Spannung U1 nicht mehr am Ausgang OUT1 anliegt. Gleichzeitig schließt die Ablaufsteuerung 12 den Schalter 16 und setzt die Zeitmeßschaltung 18 erneut in Betrieb. Durch das Schließen des Schalters 16 wird der Kondensator C über den Widerstand R2 nach Masse entladen. Dies hat zur Folge, daß die Eingangsspannung des Komparators K sinkt. Wenn seine Schwellenspannung U_th unterschritten wird, ändert sich seine Ausgangsspannung im vorliegenden Beispiel von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert, und diese Änderung bewirkt, daß der Zeitmeßvorgang in der Zeitmeßschaltung 18 durch Anhalten des in ihr enthaltenen Zählers unterbrochen wird, so daß die bisher verstrichene Zeitdauer genau der Zeitdauer zwischen dem Beginn der Entladung des Kondensators C und dem Auftreten der Änderung der Ausgangsspannung des Komparators K entspricht. Der dadurch erhaltene Zeitmeßwert wird als Zeitdauer N2 im Speicher 20 abgespeichert.
Wenn nun der Kondensator C entladen ist, bringt die Ablaufsteuerung 12 den Umschalter 14 in die Stellung, in der dem Ausgang OUT1 die von der Spannung U1 verschiedene Spannung U2 zugeführt wird. Gleichzeitig wird wieder die Zeitmeßschaltung 18 in Betrieb gesetzt. Es beginnt nun ein erneuter Ladevorgang des Kondensators C über den Widerstand R1, wobei wieder die Zeitdauer zwischen dem Beginn der erneuten Aufladung des Kondensators C und dem Überschreiten der Schwellenspannung U_th des Komparators K und der damit verbundenen Änderung seiner Ausgangsspannung verstreicht. Der so erhaltene Zeitmeßwert wird als Zeitdauer N1 im Speicher 20 abgespeichert.
Nach Durchführung dieser Schritte sind alle Größen bekannt, die erforderlich sind, um die Schwellenspannung U_th des Komparators K zu berechnen. Für die Berechnung wird dabei die folgende Formel eingesetzt:
Diese Berechnung kann von einem entsprechend programmierten Mikrocomputer durchgeführt werden.
Das beschriebene Verfahren kann vorteilhafterweise im Zusammenhang mit dem Messen physikalischer Parameter unter Verwendung eines Mikrocomputers eingesetzt werden, dessen Eingangsstufe von einem Komparator gebildet ist und der zur Erzielung genauer Meßergebnisse über den genauen Wert der Schwellenspannung des Komparators verfügen muß. Bei dem eingangs bereits erwähnten Meßverfahren wird ja bereits ein Kondensator C verwendet, da bei der Messung der verschiedenen physikalischen Parameter immer von der Messung der Lade- und Entladezeiten dieses Kondensators Gebrauch gemacht wird. Die Widerstände R1 und R2 können zwar prinzipiell nur für den Vorgang der Bestimmung der Schwellenspannung des Komparators K hinzugefügt werden, doch ist es auch möglich, durch eine entsprechende Schaltung auch zwei gleiche Widerstände zu verwenden, die bereits für die Durchführung der eigentlichen Meßvorgänge vorhanden sind. Das Verfahren zur Bestimmung der Schwellenspannung des Komparators K kann dabei im Zusammenhang mit jeder Messung eines gewünschten Parameters durchgeführt werden, jedoch ist es auch möglich, diese Schwellenspannungsbestimmung nur nach einer vorbestimmten Anzahl von Meßvorgängen oder auch periodisch nach Ablauf bestimmter Zeitperioden vorzunehmen.
Die durchgeführte Schwellenspannungsbestimmung ist besonders vorteilhaft, weil die oben angegebene Formel zeigt, daß sie unabhängig von der Taktfrequenz ist, die im Mikroprozessor zur Durchführung der Zeitmessungen zur Anwendung kommt. Außerdem besteht keine Abhängigkeit von der Zeitkonstanten der RC-Schaltung aus den Widerständen R1, R2 und C. Da sich die Schwellenspannung des Komparators leicht bestimmen läßt, ist es nicht erforderlich, für den Aufbau des Komparators im Mikrocomputer einen großen Schaltungsaufwand zu betreiben, und dies trägt nicht unerheblich dazu bei, den Mikrocomputer insgesamt kostengünstig aufzubauen.

Claims

Verfahren zum Messen der Schwellenspannung eines Komparators, dessen Ausgangsspannung sich in charakteristischer Weise ändert, wenn seine Eingangsspannung seine Schwellenspannung über- oder unterschreitet, mit folgenden Schritten: a) Anlegen einer ersten bekannten Spannung U1 an einen mit dem Eingang des Komparators (K) verbundenen entladenen Kondensator (C) über einen ersten Widerstand (R1) und Messen der Zeitdauer N3 zwischen dem Beginn der dadurch eintretenden Aufladung des Kondensators (C) und der Änderung der Ausgangsspannung des Komparators; b) weiteres vollständiges Aufladen des Kondensators (C) bis auf die bekannte erste Spannung U1; c) Entladen des Kondensators (C) über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem gleichen Widerstandswert wie der erste Widerstand (R1) und Messen der Zeitdauer N2 zwischen dem Beginn der Entladung und der Änderung der Ausgangsspannung des Komparators (K); d) Anlegen einer zweiten bekannten, von der ersten Spannung U1 verschiedenen Spannung U2 an den Kondensator (C) über den ersten Widerstand (R1) und erneutes Messen der Zeitdauer N1 zwischen dem Beginn der dabei eintretenden Aufladung des Kondensators (C) und der Änderung der Ausgangsspannung des Komparators (K); und e) Berechnen der Schwellenspannung U_th des Komparators (K) nach folgender Formel:
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Messen eines physikalischen Parameters unter Verwendung eines Mikrocomputers (10), dessen digitaler Meßeingang (IN) vom Eingang eines Komparators (K) gebildet ist, an den der Kondensator (C) angeschlossen ist und der an zwei Ausgängen die Spannungen U1 und U2 programmgesteuert abgibt und eine Zeitmeßschaltung (18) zum Messen der Zeitdauern N1, N2 und N3 enthält, wobei das Verfahren vor jedem Meßvorgang, nach einer vorbestimmten Anzahl von Meßvorgängen oder nach bestimmten vorbestimmten Zeitperioden durchgeführt wird.