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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Brückensensoren vom resistiven
Typ und insbesondere auf die Erfassung von Fehlern in Wheatstonevollbrücken-Sensorelementen und
ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen), die damit verwendet
werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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DE 4323380 offenbart eine
Schaltung zur Erfassung von Kriechdefekten in einem Brückensensor. Ein
Pull-down-Widerstand wird über
einen Schalter nach Masse mit einem der Ausgänge der Brücke verbunden. Um die Brücke zu prüfen, wird
der Sensor mit einer vorgegebenen Last beaufschlagt, der Schalter
geschlossen und der Ausgang der Brücke gespeichert. Nach einer
Zeitdauer wird diese Messung wiederholt, wobei, wenn sich der Wert
geändert hat,
ein Kriechen entdeckt worden ist.
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Wheatstonevollbrücken-Sensorelemente
zur Erfassung einer gegebenen Stimulation wie etwa Druck, Beschleunigung,
Drehmoment oder dergleichen, die mit ASICs zur Konditionierung des
Brückensignals
verbunden werden, sind bekannt. Die Fähigkeit, sowohl Sensorfehler
als auch Fehler in der zugehörigen
Elektronik und den zugehörigen
Anschlüssen
zu erfassen, ist von wachsender Bedeutung in Bezug auf Hochverfügbarkeitsanwendungen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Erfassung von Brückenfehlern,
ASIC-Fehlern und Fehlern außerhalb
des Sensors in dem Anschlusssystem, wie es in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben
ist, zu schaffen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform werden
zwei unabhängig
gesteuerte Diagnoseschalter allgemein mit einem der Ausgangsknoten
der Wheatstone vollbrücke
verbunden. Ein erster Diagnoseschalter schaltet wahlweise einen
ersten Widerstand zwischen den Brückenausgangsknoten und die
Brückenversorgungsspannung
und ein zweiter Diagnoseschalter schaltet wahlweise einen zweiten Widerstand
zwischen den Brückenausgangsknoten und
die Brückenmasse.
Der erste Diagnoseschalter schließt während einer ersten Diagnosesignalformphase
und öffnet
während
allen anderen Arbeitsphasen. Der zweite Diagnoseschalter schließt während einer
zweiten und einer dritten Signalformphase und öffnet während allen anderen Arbeitsphasen.
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Die
Unfähigkeit,
den konditionierten Ausgang bei irgendeinem Eingangsstimulationspegel
(z. B. ein Druckpegel) über
einen vorgegebenen Bereich zwischen vorgegebenen Ausgangsgrenzen
in jeder Phase einer Diagnosesignalform anzusteuern, z. B. eine
niedrigere Versorgungsspannung auf eine höhere Versorgungsspannung, deutet
darauf hin, dass eine oder mehrere der folgenden Fehlerbedingungen vorhanden
sein können:
ein übermäßiger Versorgungsleitungswiderstand,
eine
nicht betriebsbereite Konditionierungselektronik,
ein ohmscher
Nebenwiderstand über
den Ausgangsknoten der Wheatstonevollbrücke,
elektrische Verbindungen
mit übermäßig hohem ohmschem
Widerstand zwischen dem Erfassungselement und der Konditionierungsschaltung.
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Der
erste Widerstandswert wird so gewählt, dass ein Differenzsignal über die
zwei Ausgänge
der Wheatstonevollbrücke
minimal gleich einem positiven Vollausschlag-Stimulationssignalpegel
ist. Der zweite Widerstandswert wird so gewählt, dass ein Differenzsignal über die
zwei Ausgänge
der Wheatstonevollbrücke
maximal gleich einem negativen Vollausschlag-Stimulationssignalpegel
ist. Um die Empfindlichkeit zu maximieren, so dass Ausgangsnebenwiderstände der
Wheatstonevollbrücke
in den Diagnosephasen erfasst werden, werden der erste und der zweite
Widerstandswert so gewählt,
dass Eingangssignale erzeugt wer den, die sowohl positiv als auch
negativ sind und eine Stärke
etwas über
einem Eingang mit Vollausschlag (z. B. 105% des Vollausschlags) über den
gesamten Betriebstemperaturbereich aufweisen. Um folglich einen
maximalen Nutzen zu erzielen, werden der erste und der zweite Widerstandswert
abgeglichen, um Toleranzen im Brückenwiderstand
und eine minimale Empfindlichkeit gegenüber der Temperatur zu berücksichtigen,
wobei sie einen Wert haben sollten, der mit RBRG(T)
proportional nachläuft.
Dabei ist RBRG der effektive ohmsche Widerstand
zwischen den Spannungsversorgungsknoten VBRG und
GND der Brücke,
wobei er die geringen Einflüsse
des Nebenschlusswiderstands RSHUNT nicht
beachtend gleich (R1 + R2)·(R3 + R4)/(R1 + R2 + R3 + R4) ist. Allerdings
ist ein solcher Aufwand nicht erforderlich, falls die sich ergebenden
Erfassungsgrenzen annehmbar sind. Als ein Beispiel hat dieser Lösungsweg
eine modellierte ungünstigste
Erfassungsgrenze von RSHUNT < 0,10 RBRG für ein Erfassungselement
mit einem Faktor zwei der Variabilität für den Brückenwiderstand und die Anfangsempfindlichkeit
bei 25°C.
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Um
die Empfindlichkeit für
einen übermäßigen Versorgungsleitungswiderstand
zu maximieren, sollte der Ausgang so nahm wie möglich zu den Spannungsversorgungsschienen
geführt
werden. Die Beschränkungen
der Ausgangsausteuerung der Konditionierungselektronik müssen in
diesem einschränkenden
Fall berücksichtigt
werden. Die ohmsche Belastung kann an jeden Ausgangsknoten der Wheatstonevollbrücke angelegt
werden, wobei sie jeden Ausgang entweder hochziehen oder herunterziehen
kann. Das Hochziehen eines Ausgangs der Wheatstonevollbrücke, wobei
der andere Ausgang der Wheatstonevollbrücke äquivalent heruntergezogen wird,
kann einen simulierten Eingang schaffen, der keine Änderung
im Mittelwert der Ausgänge
der Wheatstonevollbrücke
bewirkt. Diese Belastungsform kann bei Vorhandensein anderer Fehlerarten, die
für Gleichtaktspannungsänderungen
der Wheatstonevollbrücke
empfindlich sind, vorteilhaft sein.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird die Diagnosesignalform verwendet, um die
Hauptsignalkonditionierungs- und Fehlermeldungswege des ASIC zu prüfen, so
dass nach der Initialisierung die Sicherheit gewährleistet ist, dass die Elektronik
tatsächlich
wie beabsichtigt arbeitet, d. h., dass sie nicht beschädigt worden
ist. Die Erfindung ist auf Brückenfehler,
ASIC-Fehler und Fehler außerhalb
des Sensors in dem Anschlusssystem gerichtet. Indem Signale erkannt
werden, die den bei der Sequentialisierung des ersten und des zweiten
Schalters und der Freigabe der systematischen Fehlererfassung erwarteten
Signalen entsprechen, ist die Sicherheit gewährleistet, dass die oben erwähnten Potentialfehlerzustände kein
Problem darstellen. Die erwartete Signalform hinsichtlich jeder
Phase besteht in drei definierten Potentialen. In jeder Phase prüft das System nach,
ob die Signalform wie erwartet zu erkennen ist, wobei ein Fehler
angezeigt wird, wenn sie nicht zu erkennen ist.
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Wenn
beim Schließen
eines der Schalter ein Widerstand parallel zu den Brückenwiderständen geschaltet
wird, wird eine Stimulation (z. B. Druck) größer als der Vollausschlag simuliert.
Wenn ein weiterer Widerstand parallel zu einem weiteren Brückenwiderstand
geschaltet wird, wird das Gegenteil, kleiner als die schwächste Stimulation
(z. B. Nulldruck), simuliert. In einer dritten Phase, wobei der
zweite Schalter geschlossen gehalten wird, wird eine Fehlerbedingung
an den Eingangsknoten erzeugt, die eine Selbsttestfunktion für eine weitere
Fehlererfassungsschaltung über
den Umfang dieser Anwendung hinaus erlaubt. Somit geht der Ausgang
jeweils in seinem ganz hohen Bereich, seinen ganz niedrigen Bereich
und in den Bereich zur Meldung eines Fehlers über, wobei die Hauptsignalwege
der Brücke
und des ASIC geprüft
werden.
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In
Bezug auf einen Drucksensor umfassen einige der Fehler, die erfasst
werden können,
das Folgende:
Phase 1, in der ein Eingang mit maximaler Stimulation
simuliert wird, ist besonders in Bezug auf die Existenz eines Reihenwiderstands
im Leistungsweg zum Sensor, den Anschluss, den Kabelbaum, Kontaktwiderstandsprobleme
und einen ASIC-Schaden, insbesondere einen ASIC-Schaden an der Ausgangsstufe, empfindlich.
Phase
2, in der ein Eingang mit minimaler Stimulation simuliert wird,
ist in Bezug auf einen Schaden am ASIC-Ausgang und einen Kontaktwiderstand
in der Rückleitung
empfindlich.
Phase 3, in der der Ausgang auf einen Fehlerzustand nahe
der hohen Versorgungsschiene gesteuert wird, ist in Bezug auf einen
Leistungsleitungswiderstand, einen Ausgangsreihenwiderstand anhand
eines in 1 gezeigten Pull-down-Lastwiderstands RPD und einen elektrischen Schaden am ASIC,
der ein Ansteuern des Ausgangs in den Fehlerzustand verhindert,
empfindlich.
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Die
Diagnoseprozedur kann jedes Mal ausgelöst werden, wenn das System
eine ausreichende Versorgungsspannung anlegt, um die Konditionierungsschaltung
nach einer Periode mit einer Versorgungsspannung unterhalb des ASIC-Ausschaltspannungs-Schwellenwerts
einzuschalten. Alternativ kann die Diagnoseprozedur periodisch durch
die Konditionierungselektronik ausgelöst werden.
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Die
zu schaltenden Widerstände
können skaliert
sein, um eine gesteuerte Änderung
am Brückenausgang
zu erhalten. Folglich kann die Stärke des Signals, das in den
Rest des ASIC gegeben wird, gesteuert werden, um sowohl den ganzen
Elektronikabschnitt als auch die elektrischen Nebenwiderstände über den
Ausgängen
der Brücke
zu prüfen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und Einzelheiten der neuartigen Vorrichtung sowie
des neuartigen Verfahrens der Erfindung zeigen sich in der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, wobei die ausführliche
Beschreibung Bezug auf die Zeichnung nimmt, in der:
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1 ein
Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführungsform ist, die ein Erfassungselement, eine
Konditionierungsschaltung, einen Sensoranschluss und eine Systemschnittstelle
umfasst; und
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2 ein
Zeitdiagramm des Ausgangs VOUT während der
Ausführung
einer spezifischen Diagnosephasensequentialisierung für einen
normal funktionierenden Sensor ist.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ein Erfassungselement, elektrische Anschlüsse zwischen
den Erfassungselementknoten und einer Konditionierungsschaltung,
eine Konditionierungsschaltung, eine Systemschnittstelle und elektrische
Sensoranschlüsse
zwischen der Konditionierungsschaltung und der Systemschnittstelle.
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Das
Erfassungselement besteht aus vier ohmschen Widerstandselementen,
die in einer Wheatstonevollbrückenanordnung
verbunden sind. Für eine
Fehlererfassung ist das Erfassungselement mit einem parasitären oder
unerwünschten
ohmschen Widerstandselement RSHUNT zwischen
den Ausgängen
der Wheatstonevollbrücke
gezeigt. Die elektrische Anschlussmöglichkeit zwischen dem Erfassungselement
und der Konditionierungselektronik besteht aus elektrischen Anschlüssen J1,
J2, J3, J4, J5 und J6. Jeder Knoten des Erfassungselements ist mit
der Konditionierungselektronik verbunden.
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Die
Konditionierungselektronik versorgt das Erfassungselement zwischen
den Knoten VBRG und GND' mit Energie, wobei ein Signal die Ausgänge der Wheatstonevollbrücke konditioniert.
Die Signalkonditionierungsschaltung umfasst:
eine Offset- und
Verstärkungskompensation
des Ausgangs der Wheatstonevollbrücke,
eine in Übereinstimmung
mit der Erfindung aufgebaute Diagnoseschaltung,
niedrige und
hohe Klemmpegel, die Ausgangspegel liefern, die den maximalen und
minimalen normalen Ausgangsbereich begrenzen, und
eine Ausgangstufe,
die die Eingangsimpedanz der Systemschnittstelle ansteuern kann.
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Die
Diagnosefunktion der hier beschriebenen Konditionierungsschaltung
ist sowohl durch Schalter S1 und S2 als auch durch ohmsche Widerstandselemente
RA und RB bereitgestellt.
Wie gezeigt ist, stellt der Schalter S1 Mittel bereit, um den Widerstand
RA parallel zum Erfassungselement R3 zu schalten. Der Sensoranschluss umfasst
sowohl elektrische Anschlüsse
J7, J8 und J9 als auch parasitäre ohmsche
Widerstandselemente RPWR, ROUT und
RGND. Die Systemschnittstelle umfasst Lastwiderstände RPU und RPD. Die zur
Messung des Signals VOUT verwendete Elektronik
ist in der Systemschnittstelle enthalten, sie ist jedoch nicht in 1 gezeigt.
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Ein
Schließen
des Schalters S1 bewirkt eine Erhöhung der Spannung VINM, was bei der gezeigten Vereinbarung zu
einer negativen Eingangsstimulation führt. Ähnlich stellt der Schalter
S2 Mittel bereit, um den Widerstand RB zu
dem Erfassungselement R4 parallelzuschalten.
Ein Schließen
des Schalters S2 bewirkt eine Verringerung der Spannung VINM, was bei der gezeigten Vereinbarung zu
einer positiven Eingangsstimulation führt. Der Wert des Widerstandselements
RA wird so gewählt, dass der Ausgang OUT' die untere Klemmpegelgrenze über alle anwendbaren
Toleranzen einer Anwendung erreicht. Beispiele sind Toleranzen der
Erfassungselement-Widerstandsabtastung zur Abtastungsvariabilität, der thermischen
Variabilität
eines Erfassungselementwiderstands über einen Zielanwendungs-Temperaturbereich
und einer ähnlichen
Variabilität
für den
ASIC-Widerstand RA. Der Wert des Widerstands RB wird so gewählt, dass der Ausgang OUT' die obere Klemmpegelgrenze über alle
anwendbaren Toleranzen einer Anwendung erreicht.
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2 zeigt
ein Zeitdiagramm des Ausgangs VOUT während einer
zeitlich hintereinander geordneten Betätigung der Schalter S1 und
S2 zur Realisierung einer Spannungssignalform, um die Systemerkennbarkeit
von Sensorfehlern, die durch das beschriebene Verfahren erfassbar
sind, zu ermöglichen.
Das Diagramm zeigt drei Phasen: Phase 1 von t1 bis
t3, Phase 2 von t3 bis
t5 und Phase 3 von t5 bis t7, wobei der Stimulationsantwortausgang von
t8 an auftritt. Die Zeitdauer zwischen dem
Zeitbezug 0 und dem Zeitpunkt t1 ist eine
Zeitdauer, die der Konditionierungselektronik erlaubt, sich zu initialisieren.
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Die
Auslösung
von Phase 1 wird durch das Schließen des Schalters S2 aus 1 bei
t1 bewirkt. Dieses Schließen bewirkt,
dass der Ausgang OUT' der
Konditionierungsschaltung (VOUT der Systemschnittstelle)
zur oberen Klemmpegelgrenze B für
einen richtig funktionierenden Sensor übergeht. Ein übermäßiger parasitärer Widerstand
für das
Element RPWR kann verhindern, dass der Ausgang
OUT' die obere Klemmpegelgrenze
B innerhalb einer annehmbaren vorgegebenen Toleranz erreicht. Ähnlich kann ein übermäßiger parasitärer Widerstand
ROUT bei Vorhandensein eines Pull-up-Widerstands
RPU oder eines Pull-down-Widerstands RPD verhindern, dass der Ausgang OUT' die obere Klemmpegelgrenze
B innerhalb einer annehmbaren vorgegebenen Toleranz erreicht. Das
Vorhandensein eines ohmschen Nebenwiderstands RSHUNT unterhalb
eines spezifischen Schwellenwerts kann auch verhindern, dass der
Ausgang OUT' die
obere Klemmpegelgrenze B innerhalb einer annehmbaren vorgegebenen
Toleranz erreicht. Die Fähigkeit
hinsichtlich des Ausgangs OUT',
den oberen Klemmpegel B innerhalb annehmbarer Toleranzen zu erreichen,
beruht außerdem
auf einer guten elektrischen Anschlussmöglichkeit über die Anschlüsse J1,
J3, J4, J6, J7, J8 und J9, die alle in 1 gezeigt
sind.
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Durch Öffnen des
Schalters S2 und Schließen
des Schalters S1, die beide in 1 gezeigt sind,
wird die Phase 1 abgeschlossen und die Phase 2 ausgelöst. Das
Schließen
des Schalters S1 bewirkt, dass der Ausgang OUT' zur unteren Klemmpegelgrenze A für einen
richtig funktionierenden Sensor zurückgeht. Ein übermäßiger parasitärer Widerstand für das Element
RGND kann verhindern, dass der Ausgang OUT' die untere Klemmpegelgrenze
A innerhalb einer annehmbaren vorgegebenen Toleranz erreicht. Ähnlich kann
ein übermäßiger parasitärer Wider stand
ROUT bei Vorhandensein eines Pull-up-Widerstands
RPU oder eines Pull-down-Widerstands RPD oder
bei Vorhandensein eines ohmschen Nebenwiderstands RSHUNT unterhalb
eines spezifischen Grenzwertes verhindern, dass der Ausgang OUT' die untere Klemmpegelgrenze
A innerhalb einer annehmbaren vorgegebenen Toleranz erreicht. Die
Fähigkeit
hinsichtlich des Ausgangs OUT',
den unteren Klemmpegel innerhalb annehmbarer Toleranzen zu erreichen,
beruht außerdem
auf einer guten elektrischen Anschlussmöglichkeit über die Anschlüsse J2, J3,
J5, J6, J7, J8 und J9, die alle in 1 gezeigt sind.
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Durch
Freigabe einer Fehlerschaltung in der Konditionierungsschaltung,
die in Bezug auf die Erfassungselementausgänge empfindlich ist, wird die Phase
2 abgeschlossen und die Phase 3 ausgelöst. Der erfasste ASIC-Fehler
bewirken eine Unterdrückung
der oberen Klemmpegelgrenze und steuert den Ausgang OUT' in einen Ausgangsbereich,
der von dem System als ein Fehler für alle Ausgänge oberhalb eines minimalen
Fehlerausgangs-Schwellenwerts C ausgelegt wird. Eine solche Diagnoseschaltung
kann entweder übermäßige Eingangssignale
erfassen oder sie kann übermäßige Änderungen im
Mittelwert eines Ausgangs des Erfassungselements erfassen. Diese
Phase sieht einen Selbsttest für
solche in der Konditionierungselektronik enthaltenen Diagnoseschaltungen
vor.
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Zusammenfassend
schafft die Erfindung, wie oben beschrieben ist, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Erfassung elektrischer Nebenwiderstände über den
Ausgängen
einer Wheatstonevollbrücke und
stellt Mittel für
eine Systemauswertung des Sensorausgangssignals zum Selbsttest der
Konditionierungselektronik bereit. Das Verfahren und die Vorrichtung
stellen Mittel für
eine Systemauswertung des Sensorausgangssignals zur Erfassung eines übermäßigen Versorgungsleitungswiderstands
in Bezug auf PWR, GND oder den Ausgang bereit. Obgleich die Erfindung
in Zusammenhang mit Schaltern beschrieben worden ist, die mit der
Ausgangsspannung des Brückensensors
verbunden sind, liegt ein Verbinden von Diagnoseschaltern mit unterschiedlichen
Erfassungselementausgängen,
z. B. einem zeitmultiplexierten oder zwei hierzu vorgesehenen Pull-up-
oder Pull- down-Widerständen, die
mit jedem der Erfassungselementausgänge verbunden werden, im Bereich
der Erfindung.
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Die
Erfindung umfasst alle Änderungen
und Entsprechungen der beschriebenen Ausführungsform, die in den Umfang
der beigefügten
Ansprüche fallen.