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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltungsanordnung zum Auswerten binären, durch zwei Stromschwellenwerte
definierte Ausgangssignals eines aktiven Sensors nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1. bekanntlich eine Stromquelle dar, die, wenn man
den Stromverlauf aufträgt,
ein Rechtecksignal auf Basis von zwei unterschiedlichen Stromwerten
oder Stromschwellen liefert, dessen Frequenz die zu messende Information
enthält.
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Aus der
DE 39 36 831 A1 (P 6820)
ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Aufbereitung des Ausgangssignals
eines Drehzahlsensors bekannt, die eine Triggerschaltung oder Kippschaltung
enthält, deren
Umschaltschwellen in Abhängigkeit
von einem Kopplungsfaktor variiert werden. Der Kopplungsfaktor beeinflußt die Amplitude
der Sensor-Ausgangsspannung. Eine derartige Schaltungsanordnung
ist für
passive und aktive Sensoren brauchbar. Bei Auswertung des Ausgangssignals
eines aktiven Sensors, der ein binäres Stromsignal liefert, wäre jedoch eine
Strom-/Spannungswandlung mit Hilfe eines in Serie geschalteten Lastwiderstandes
notwendig, der relativ niederohmig sein müßte, damit an dem aktiven Sensor
eine ausreichende Betriebsspannung anliegt. Dieser Wider stand müßte hochbelastbar
sein, damit er auch einem Kurzschluß der Sensorleitung gegenüber der
Versorgungsspannung widersteht. Außerdem wäre eine relativ hohe Genauigkeit
des Widerstandswertes erforderlich, weil von dieser Genauigkeit
die Sensorsignalerkennung abhängt.
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Solche Widerstände sind relativ aufwendig, der
hohe Energieverbrauch ist unerwünscht.
Außerdem
lassen sich Sensorfehler nur mit zusätzlichem, ebenfalls recht hohem
Schaltungsaufwand erkennen. Eine Überlappung von Funktionsbereich
und Fehlererkennungsbereich ist mit einer solchen Schaltung bei
Einsatz eines aktiven Sensors nicht möglich.
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In der älteren, nicht vorveröffentlichten
DE 44 34 180 A1 (P
7748) ist auch schon eine Schaltungsanordnung zur Auswertung eines
binären
Stromsignals, also auch des Ausgangssinals eines aktiven Sensors,
beschrieben, bei der mit Hilfe einer Stromspiegelschaltung ein zum
Sensorstrom proportionaler Signalstrom gewonnen wird. Dieser Signalstrom wird über einen
ohmschen Widerstand einer Quelle mit konstanter Spannung entnommen,
wodurch ein dem Sensor-Ausgangssignal entsprechendes binäres Spannungssignal
entsteht. Die Stromspiegelschaltung dient also zur Wandlung des
Sensor-Stromsignals in ein binäres
Spannungssignal, das dann mit geringem Aufwand und vor allem geringem
Leistungsbedarf weiterverarbeitet werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Auswerten eines
binären
Stromsignals zu entwickeln, die mit vergleichsweise wenigen Bauteilen
auskommst und die sich besonders gut für eine Realisierung mit Hilfe einer
integrierten Schaltung eignet. Auf geringen Energieverbrauch wird
Wert gelegt. Außerdem
sollte es möglich
sein, mit geringem Aufwand eine Sensorfehlererkennung – d.h. Kurzschluß gegen
Masse oder gegen Betriebsspannung, Leitungsunterbrechung usw. – aufzubauen.
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Es hat sich gezeigt, daß diese
Aufgabe erfindungsgemäß durch
eine Schaltungsanordnung der im Anspruch 1 beschriebenen Art gelöst werden kann.
Die Besonderheit dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Signalquelle,
nämlich
dem als Stromquelle wirkenden Sensor, eine (zweite) Stromquelle
in Reihe geschaltet wird, die für
einen Nennstrom ausgelegt ist, der zwischen dem unteren und dem
oberen Schwellenwert des Sensor- bzw.
Signalstroms liegt, und darin, daß die Spannung über der (zweiten)
Stromquelle zum Erkennen des Signalzustandes des binären Signals
bzw. des Sensorstromes ausgewertet wird. Die Strom-Spannungswandlung
findet also gewissermaßen
mit Hilfe der in Reihe geschalteten (zweiten) Stromquelle statt,
wobei das Unterschreiten und Erreichen des Nennstromes die Potentialänderung
auslöst.
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Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die zweite Stromquelle gegen Masse geschaltet
und liegt am Eingang einer Verstärkerschaltung,
beispielsweise an der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors. Diese
Verstärkerschaltung
gibt ein binäres
Ausgangssignal ab, daß das
Erreichen oder Unterschreiten des Nennstroms der Stromquelle wiedergibt.
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Zweckmäßigerweise ist der Stromquelle
eine Zenerdiode parallel geschaltet, die die Spannung über der
Stromquelle und damit am Eingang der Verstärkerschaltung auf einen vorgegebe nen
Maximalwert, nämlich
der Durchbruchspannung der Zenerdiode entsprechenden Wert, begrenzt.
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Ein weiteres, besonders vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung besteht darin, daß zur Fehlererkennung
und Überwachung
der Signalquelle die (zweite) Stromquelle aus mehreren Einzelstromquellen
zusammengesetzt ist, denen jeweils eine Verstärkerschaltung parallel geschaltet
ist und die derart zusammengeschaltet sind, daß aus den Ausgangssignalen
der Verstärkerstufen
das Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestwertes des Signalstroms,
d.h. des von der Signalquelle hervorgerufenen Stromes, das Überschreiten
eines vorgegebenen Maximalwertes und das Auftreten eines vorgegebenen,
zwischen den Stromschwellenwerten liegenden mittleren Wertes des
Signalstroms erkennbar sind. Zweckmäßigerweise besteht dabei die
Stromquelle aus drei Einzelstromquellen, die unter Einfügung von
Entkoppeldioden parallel geschaltet sind und von denen eine auf
den Mindestwert des Signalstroms, die zweite auf die Differenz zwischen
dem mittleren Wert des Signalstroms und dem Mindestwert und schließlich die
dritte auf die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem mittleren
Wert ausgelegt sind.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung
läßt sich
insgesamt, einschließlich
der zur Signalverarbeitung und Fehlererkennung den Einzelstromquellen parallel
geschalteten Verstärkerstufen,
in einer integrierten Schaltung unterbringen. Die Einzelstromquellen
werden dabei zweckmäßiger- weise
auf Basis von Stromspiegelschaltungen aufgebaut, die über ohmsche
Widerstände,
die die jeweiligen Nennströme
der Einzelstromquellen bestimmen, aus einer ge meinsamen Referenzspannungsquelle
versorgt werden. Durch Wahl der Referenzspannung und der die Nennströme bestimmenden
ohmschen Widerstände läßt sich
dabei die Schaltungsanordnung sehr leicht an unterschiedliche Typen
von aktiven Sensoren und den jeweils vorgegebenen Stromschwellenwerten sowie
der Toleranzbreite dieser Schwellenwerte anpassen.
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Weitere Beschreibungen, Vorteile
und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung gehen aus. der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
sowie aus den beigefügten
Abbildungen hervor.
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Es zeigen
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1 schematisch
vereinfacht eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung des Funktionsprinzips
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 in
gleicher Darstellungsweise eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung
der Fehlererkennung und
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3 einen
Teil einer integrierten Schaltung zur Realisierung der Schaltung
nach 2.
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Dem Ausführungsbeispiel nach 1 liegt die Verwendung eines
aktiven Drehzahlsensors 1 in einem Kraftfahrzeug zugrunde.
Ein solcher Sensor 1 kann Bestandteil eines Kraftfahrzeug-Regelungssystems
sein, beispielsweise eines Antiblockiersystems, eines Antriebs-
oder Antriebsschlupfregelungssystems, einer Fahrstabilitätsregelung
oder dergleichen. Mit Hilfe solcher Sensoren bzw. Radsensoren läßt sich
ein Signal gewinnen, dessen Frequenz der Drehgeschwindigkeit des
jeweiligen Rades proportional ist.
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Im dargestellten Beispiel ist das
Meßelement ein
aktiver Sensor 1, dessen Ausgangssignal durch zwei Stromschwellenwerte,
nämlich
einen Low-Strom von 7 mA und einem High-Strom von 14 mA,
gebildet wird. Der Low-Strom ist erforderlich, um die ordnungsgemäße Funktion
des aktiven Sensors 1 aufrechtzuerhalten. Zur Stromversorgung
dient hier ein Anschluß IGN,
durch den in einem Kraftfahrzeug beim Einschalten der Zündung der
Anschluß an
den positiven Pol der Fahrzeugbatterie hergestellt wird. Der Masseanschluß führt zum
negativen Pol der Batterie.
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Der Radsensor 1 ist hier
als eine Stromquelle symbolisch dargestellt, die sich aus zwei Einzelstromquellen
zusammensetzt. Eine dieser Einzelstromquellen liefert den Low-Strom
IL = IS1, der in
der High-Phase des Signals durch Parallelschalten der zweiten Einzelstromquelle
bzw. durch eine zusätzliche
Stromkomponente IS2 zu dem High-Strom IH =IS
1 +
IS2 ergänzt
wird.
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Erfindungsgemäß ist in Serie zu dem aktiven Sensor 1 eine
zweite Stromquelle IQ geschaltet, die für einen Nennstrom IQ ausgelegt ist. Genau genommen handelt es
sich bei dieser Stromquelle um eine Stromsenke, wie aus den folgenden
Erläuterungen ersichtlich
wird.
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Der Nennstrom IQ liegt über dem
unteren Stromschwellenwert des Sensors 1, nämlich dem Low-Strom
IL. Zweckmäßigerweise wird ein Nennstrom
IQ für
die Stromquelle IQ gewählt,
der einem mittleren Wert zwischen den beiden Stromschwellenwerten
IL und IH entspricht.
Parallel zur Spannungsquelle IQ liegt eine Ver stärkerstufe, hier die Basis-Emitterstrecke
eines Transistors T2. Der Spannungsabfall über der
Stromquelle IQ ist gleichzeitig die Eingangsspannung UE der
Vertärkerstufe
T. Die Schaltung nach 1 funktioniert
wie folgt:
Solange der Strom über dem Sensor 1 unter
dem Nennstrom bzw. dem eingeprägten
Strom der Stromquelle IQ liegt, was in der Low-Phase des Sensors 1 zutrifft,
wird das Potential UE am Eingang der Verstärkerschaltung
T durch die Stromquelle IQ nahezu auf Massepotential GND reduziert.
Der Transistor T sperrt. Das Ausgangssignal bzw. das Ausgangspotential
UA der Verstärkerschaltung, nämlich das
Potential am Kollektor des Transistors T, ist "high";
das Ausgangssignal UA nimmt den vollen Wert
der Versorgungsspannung VCC5 an.
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Sobald dagegen der Sensorstrom I über den Nennstrom
IQ der Stromquelle IQ ansteigt, wird der Transistor
T angesteuert. Dies ist in der High-Phase, wenn der Sensor 1 den
High-Strom IH liefert, der Fall. Die Stromquelle
Q ist nämlich
lediglich in der Lage, ihren Nennstrom IQ aufzunehmen.
Der darüber
hinausgehende Strom führt
zum Anstieg des Potentials UE, zum Durchsteuern
des Transistors T und damit zu einem "low" des
Ausgangssignals UA. In dieser Phase wird durch eine parallel zur
Stromquelle IQ liegende Zenerdiode Z das Eingangspotential UE begrenzt. Ein Stromfluß über die Zenerdiode Z stellt
außerdem
sicher, daß ein
für den
Betrieb des Sensors 1 ausreichender Strom IH fließen kann.
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Die Schaltung nach 1 läßt sich
sehr einfach und mit geringem Aufwand zu einer Schaltung erweitern,
die in der Lage ist, Sensorfehler zu erkennen und anzuzeigen. Zu
diesen Sen sorfehlern zählt auch
ein Kurzschluß der
Anschlußleitung
gegen Masse (GND) oder gegen Batterie (IGN), eine Leitungsunterbrechung
und Nebenschlüsse.
Die Arbeitsweise einer solchen Schaltung mit Fehlererkennung veranschaulicht 2. Erreicht wird diese Erweiterung
durch eine Aufteilung der zweiten Stromquelle (IQ in 1) in mehrere, hier in drei
einzelne Stromquellen IQ1, IQ2,
IQ3. Das Potential über diesen Spannungsquellen
wird jeweils mit Hilfe einer parallel geschalteten Verstärkerstufe,
symbolisiert durch die Transistoren T1,
T2 und T3, ermittelt.
Dioden D1 und D2 dienen
zur Entkopplung der Einzelstromquellen.
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Die Einzelstromquellen IQ1, IQ2 und IQ3 sind derart zusammengeschaltet und an den
aktiven Sensor 1 angeschaltet, daß die erste, direkt an den
Sensor 1 angeschlossene Einzelstromquelle IQ1 eine Leitungsunterbrechung
oder einen unter einem Mindestwert liegenden Sensorstrom signalisiert.
IQ1 ist im vorliegenden Beispiel auf einen
Nennstrom von I1 = 3 mA ausgelegt, so daß erst dann,
wenn der Signalstrom bzw. Sensorstrom I über diesen Wert ansteigt, die
zugehörige
Verstärkerstufe
T1 angesteuert wird. Ein "high" am Ausgang X1 der zugehörigen Verstärkerschaltung T1 zeigt
folglich eine Leitungsunterbrechung oder einen aus einem anderen
Grund zu niedrigen Sensorstrom I an.
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Die nächste, über die Diode D1 angeschlossene
Einzelstromquelle IQ2, die hier für einen
Nennstrom I2 = 7 mA ausgelegt ist, wird
stromführend,
sobald der Sensorstrom den Mindestwert I1 überschreitet.
Am Ausgang der Verstärkerschaltung
T2, die der Einzelstromquelle IQ2 parallel liegt, steht so lange ein "high"-Signal an, bis der
Sensorstrom die Summe aus den Nennströmen I1 +
I2 der beiden Einzelstromquellen IQ1 und IQ2 erreicht
oder überschreitet.
Erst dann wechselt das Signal am Ausgang X2 der
Stufe T2 von "high" zu "low". Da die Summe (I1 + I2) der Nennströme der beiden
beschriebenen Einzeltromquellen IQ1, IQ2 über
den unteren Stromschwellenwert IL des Radsensors 1 liegt,
in der Low-Phase des Sensors der Nennstrom der Einzelstromquelle
IQ2 jedoch noch nicht erreicht wird, steht
am Ausgang der Verstärkerstufe
T2 bei ordnungsgemäßem Betrieb des Radsensors 1,
d.h. bei ständigem
Wechsel des Sensor-Signalstroms zwischen dem unteren (I1)
und dem oberen (I2) Stromschwellenwert,
das auswertbare Spannungssignal, welches das Ergebnis der Strom-Spannungswandlung
darstellt und welches dem Ausgangssignal UA nach 1 entspricht, zur Verfügung.
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Die dritte Einzelstromquelle IQ3 nach 2 dient
zur Signalisierung eines zu hohen, fehlerbedingten Sensor-Stromes
bzw. zu hohen Eingangsstromes in die Auswerteschaltung. Ein zu hoher Strom
kann durch einen Nebenschluß oder
gar einen Kurzschluß zum
Versorgungsanschluß IGN
hervorgerufen werden. Der Nennstrom der dritten Einzelstromquelle
IQ3 bestimmt den oberen Grenzwert. Wird
die Summe I1 + I2 +
I3 der Nennströme der einzelnen Stromquellen
IQ1, IQ2, IQ3 überschritten,
hat dies eine Ansteuerung der Verstärkerstufe T3 und
damit einen Wechsel des Signals am Ausgang X3 dieser Verstärkerstufe
von "high" nach "low" zur Folge.
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3 zeigt
ein Beispiel zur Realisierung der Schaltung nach 2. Alle dargestellten Komponenten sind
Bestandteile einer integrierten Schaltung. Die Einzelstromquellen
IQ1',
IQ2' und
IQ3' sind
hier durch Stromspiegelschaltungen realisiert.
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Durch entsprechende Dimensionierung
der ohmschen Widerstände
R1, R2, R3 und Vorgabe der Versorgungsspannung UREF wird in bekannter Weise der Nennstrom
oder eingeprägter
Strom der einzelnen Stromquellen vorgegeben. Aus dem Potential am
Ausgang X1' ,X3' der Verstärkerschaltungen
T1' und
T3' läßt sich
wiederum in der anhand der 2 beschriebenen
Weise erkennen, ob ein Sensorfehler vorliegt. Das gewandelte Sensorsignal
steht am Ausgang X2' der Verstärkerschaltung T2' zur weiteren Auswertung
an.
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Die zur Einstellung der Nennströme benötigte Spannung
URef ist in jedem Falle stabilisiert, während für die Versorgungsspannung
VCC5 in manchen Anwendungsfällen eine
nicht oder nur grob stabilisierte Spannung genügen dürfte.
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Aus der vorausgegangenen Beschreibung von
Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist zu erkennen, daß sich die Erfindung besonders
gut in Form von integrierten Schaltungen verwirklichen läßt. Für die Signalauswertung
und Fehlererkennung sind nur wenige Bauteile erforderlich. Der Energieverbrauch
ist gering. Ein wesentlicher Vorteil besteht noch darin, daß keine
hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile, Einstellung
der Stromschwellenwerte usw. zu stellen sind. Dies wirkt sich günstig auf
die Herstellungskosten für
eine solche Schaltungsanordnung aus. Außerdem ist aus gleichen Gründen eine
hohe Zuverlässigkeit
der Arbeitsweise zu erwarten. Da die Nennströme der einzelnen Stromquellen
und damit die Schwellenwerte für
die Fehlererkennung, beispielsweise durch Einstellung der Referenzspannung,
auf einfache Weise und mit geringem Aufwand verändert werden können, ist eine
Anpassung an Sensoren unterschiedlicher Art leicht möglich.