DE4222346C2 - Einrichtung zur Erhöhung der Störsicherheit bei der Differentiation von Signalen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Erhöhung der Stör­ sicherheit bei der Differentiation von Signalen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Da bei einer Anzahl von Problemstellungen eine Wegmessung einfacher ist als eine Geschwindigkeitsmessung, da jedoch zur Lösung eine Geschwindigkeit benötigt wird, ist es bekannt, eine Wegmessung vor­ zunehmen und das Ausgangssignal eines solchen Wegsensors zu diffe­ renzieren, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erhalten.

So wird beispielsweise bei der Fahrwerkregelung mit Hilfe eines Ein­ feder-Wegsensors die aktuelle Lage der Achsen des Fahrzeuges be­ stimmt. Für die Fahrwerkregelung wird jedoch nicht nur die Lage benötigt, sondern es werden auch Geschwindigkeiten, beispielsweise die Geschwindigkeiten, mit denen das Fahrzeug schwingt, benötigt.

Zur Ermittlung eines differenzierten Signales werden üblicherweise elektronische Schaltungen, die als Differenzierer wirken, eingesetzt, diese Schaltungen lassen sich beispielsweise mit Hilfe eines Operationsverstärkers aufbauen. Beispiele für bekannte Differenzierer sind im Fachbuch Tietze Schenk, 5. Auflage, Seite 250 bis 251 angegeben.

Da Signale, die mit Hilfe von Wegsensoren gewonnen werden, insbesondere im rauhen Betrieb eines Kraftfahrzeugs, mit Störungen behaftet sind, sind auch die differenzierten Signale mit Störungen behaftet. Ungünstigerweise wirken sich dabei Störungen mit zunehmender Frequenz besonders stark aus, d. h. daß mit zunehmender Frequenz immer kleinere Störamplituden auf dem Wegsignal nach der Differenzierung dieselbe Störung verursachen.

Auch die Nullpunktgenauigkeit des differenzierten Signales, die verlangt wird, wird durch Störungen beeinträchtigt.

Eine Verringerung der Störungen kann erhalten werden, indem das differenzierte Signal nach der Differentiation tiefpaßgefiltert wird, so daß die hochfrequenten Störungen unterdrückt werden. Diese Tiefpaßfilterung führt jedoch auch beim Nutzsignal zu einer unerwünschten Phasenverschiebung.

Es wurden auch Versuche durchgeführt, als Differenzierer einen Bandpaß einzusetzen. Bei dieser Schaltung wurden die Signalanteile mit niedrigen Frequenzen differenziert und die hochfrequenten Signalanteile abgeschwächt. Eine solche Anordnung ist jedoch ein Kompromiß aus Phasenverschiebung des Nutzsignals und Störunterdrückung.

Einige Einrichtungen oder Verfahren zur Differentiation von Signalen sind aus folgenden Druckschriften bekannt:

Aus der DE-OS 22 03 636 ist eine Einrichtung zur Erhöhung der Störsicherheit bei der Differentiation von Signalen bekannt, bei der Mittel zur Erzeugung einer Hysterese vorgesehen sind, über die die zu differenzierenden Signale dem Differenzierer zugeführt werden.

Aus der DE-OS 29 51 755 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von Frequenzwerten in zur Frequenz proportionale Zahlenwerte beziehungsweise Signale bekannt. Da die auszuwertenden Größen mit Störungen behaftet sein können, sind Maßnahmen zur Störungsunterdrückung vorgesehen. Dazu werden zeitliche Ableitungen gebildet, diese zeitlichen Ableitungen werden mit vorgebbaren Grenzwerten verglichen und bei Überschreitung der Grenzwerte wird eine Beeinflussung der Übertragungscharakteristik bei der Signalumwandlung vorgenommen.

Weitere Einrichtungen zur Differentiation von Signalen, bei denen teilweise auch Maßnahmen zur Erhöhung der Störsicherheit getroffen werden, sind aus der DE-OS 40 33 468, der DE-AS 23 19 466, der DE-OS 28 06 846 sowie der DE-OS 38 30 629 bekannt. Dabei werden insbesondere in der letzten Druckschrift Maßnahmen erwähnt, bei denen die Maximalwerte der Differentiale gebildet werden und diese Maximalwerte zur Fehlererkennung daraufhin überprüft werden, ob sie in geeigneten Bereichen liegen.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der die Störsicherheit bei der Differentiation von Signalen weiter verbessert wird. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Stör­ sicherheit bei der Differentiation von Signalen, beispielsweise von Ausgangssignalen eines Wegsensors zur Ermittlung einer Geschwindig­ keit, hat demgegenüber den Vorteil, daß eine zuverlässige Störungs­ unterdrückung erhalten wird und gleichzeitig keine Phasenverschie­ bung des Geschwindigkeitssignales entsteht. Dieser Vorteil wird er­ reicht, indem das zu differenzierende Wegsignal mit einer kleinen Hysterese versehen wird, dadurch wird sichergestellt, daß nicht jede Störung, die sich beispielsweise als Signaleinbruch darstellt, in das Ausgangssignal mit übernommen wird.

Wesentlich dabei ist, das zu differenzierende Signal vor Zufüh­ rung in den Differenzierer in einer analogen Schaltung zu verändern. Diese analoge Schaltung zur Erzeugung einer Hysterese ist in vor­ teilhafter Weise aus zwei Operationsverstärkern aufgebaut, zwischen oder deren einem Eingang und dem Ausgang zwei zueinander antiparallel geschaltete Dioden liegen.

Bei der Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Hysterese ist wenigstens ein Be­ grenzungswiderstand vorgesehen, der am Eingang der Schaltung liegt. Vorteilhaft ist auch, zwischen dem Ausgang des oder der Ope­ rationsverstärker der Hystereseschaltung und dem Differenzierer einen Kondensator zu schalten.

Die vorteilhaften Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptan­ spruch angegebenen Schaltungsanordnung werden durch die in den Un­ teransprüchen aufgeführten Merkmale erzielt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigt Fig. 1 das Prinzip der Signalbeeinflussung bei einem Nutzsignal ohne Störung, wobei in Fig. 1a das Wegsignal über der Zeit und in Fig. 1b das differenzierte Signal über der Zeit darge­ stellt ist. In Fig. 2a und b ist derselbe Sachverhalt für ein Nutz­ signal mit Störung dargestellt und Fig. 3 zeigt eine konkrete Schaltungsanordnung eines Ausführungsbeispieles.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1a ist mit durchgezogener Linie ein ungestörtes Wegsignal über der Zeit t aufgetragen, wie es beispielsweise von einem Induk­ tivsensor abgegeben wird. Dabei ist mit U1(t) die Ausgangsspannung eines solchen Sensors angegeben. Ein solcher Spannungsverlauf wird erhalten, wenn sich der detektierte Weg z. B. zunächst vergrößert und anschließend wieder verkleinert, so daß sich die Spannung in Abhän­ gigkeit vom zu messenden Weg ebenfalls vergrößert und anschließend wieder verkleinert.

Die gestrichelte Kurve in Fig. 1a bezeichnet die Spannung U2(t), diese Spannung U2(t) entspricht der Spannung U1(t) mit einer zusätz­ lichen Hysterese, die zunächst ein Absinken verhindert. Die Spannung U2(t) wird mit der in Fig. 3 dargestellten Schal­ tung aus der Spannung U1(t) gebildet.

Die Spannung U2(t) sinkt im Gegensatz zu U1(t) nach Erreichen ihres Maximalwertes nicht wegabhängig ab, sondern verharrt bis zum Unter­ schreiten der Hysteresespannung auf einem konstanten Wert. Dies wird erreicht, indem das Signal U1(t) einer Schaltung zugeführt wird, die an ihrem Ausgang beispielsweise beim Anstieg von U1(t) das nahezu gleiche Signal wie am Eingang liefert, jedoch bei fallendem Ein­ gangssignal zunächst nicht absinkt.

Die für die Definition der Hysterese wesentlichen Größen sind die Hysteresespannung U_H sowie die Hysteresezeit t_H.

In Fig. 1b ist der Verlauf der differenzierten Spannung für ein Wegsignal mit der Spannung U2·(t) über der Zeit t aufgetragen. Dabei wird deutlich, daß das differenzierte Signal während der hysterese­ bedingten Verzögerungszeit t_H dauernd gleich Null ist.

Vor Beginn der Hysteresezeit sowie nach Ablauf der Hysteresezeit t_H ist die differenzierte Spannung U2·(t) gleich der zu bestimmen­ den Geschwindigkeit.

In Fig. 2 ist derselbe Sachverhalt wie in Fig. 1 aufgetragen, jedoch für ein Wegsignal, das eine Störung S aufweist. Der Signal­ verlauf von U1(t) weist an der Stelle S einen Einbruch auf, dieser Einbruch würde nach einer Differentiation zu einer sehr großen Stö­ rung führen. Das mit einer Hysterese versehene Signal U2(t), das mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsan­ ordnung erhalten wird, weist an der Stelle S kein Minimum auf, son­ dern ist während der Zeit t_H konstant und steigt danach mit der­ selben Steigung wie das Signal U1(t) an.

In Fig. 2b ist das differenzierte Signal U2(t) dargestellt, es weist bis zum Beginn der Störung an der Stelle S eine konstante negative Steigung auf, die einer bestimmten Geschwindigkeitsabnahme entspricht. Solange die Hysteresezeit t_H dauert, ist das Signal U2 (t) gleich Null, nach Ablauf der Hysteresezeit weist es wieder die­ selbe negative Steigung auf wie vor der Störung. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß im Bereich der Störung ein kleiner Amplitudenwechsel unterdrückt wird, so daß eine Störungsunterdrückung erhalten wird.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung als Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist mit WS ein Wegsensor bezeichnet, beispielsweise ein Einfeder-Wegsensor wie er bei Fahrwerkregelungen eingesetzt wird.

Dieser Wegsensor WS liefert ein wegabhängiges Ausgangssignal, das mit U1(t) bezeichnet ist und das mit der nachfolgenden Auswerte­ schaltung in ein Geschwindigkeitssignal umgewandelt werden soll.

Dabei ist der Wegsensor WS über ein Schaltungsteil H, in dem eine Hysterese erzeugt wird, mit einem Differenzierer D verbunden, an dessen Ausgang A das differenzierte Signal, also das Geschwindig­ keitssignal U2·(t) abgegriffen werden kann.

Somit liegt am Eingang der Hystereseschaltung H die Spannung U1(t), am Ausgang der Hystereseschaltung H entsteht die Spannung U2(t), die im Differenzierer D differenziert wird und am Ausgang A des Diffe­ renzierers D die gewünschte geschwindigkeitsabhängige Spannung U2·(t) liefert.

Die die Hysterese erzeugende Schaltung H weist einen Widerstand R1 auf, dessen eine Seite an den Wegsensor WS angeschlossen ist, wäh­ rend die andere Seite mit dem nicht invertierenden Eingang des Ope­ rationsverstärkers OP1 verbunden ist, dessen invertierender Eingang direkt mit dem Ausgang und mit dem Differenzierer D verbunden ist.

Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist außerdem über einen Widerstand R2 mit dem Ausgang eines Operations­ verstärkers OP2 verbunden, dessen nicht invertierender Eingang auf Masse liegt und dessen invertierender Eingang über zwei antiparallel geschaltete Dioden D1, D2 mit dem Ausgang verbunden ist und über einen Kondensator C1 sowohl mit dem Ausgang des Operationsverstär­ kers OP1 als auch mit dem Differenzierer D verbunden ist.

Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird das Wegsignal U₁(t) dem als Pufferverstärker wirkenden Operationsverstärker OP1 zugeführt und nach dem Pufferverstärker ausgekoppelt und dem Differenzierer D zugeführt. Die Gegenkopplung wirkt auf den Eingang des Pufferver­ stärkers.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP1 wird über den Kon­ densator C1 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 gekoppelt, in dessen Gegenkopplungszweig die beiden antiparallel geschalteten Dioden D1, D2 liegen.

Mit dieser Anordnung ergibt sich für kleine Signale eine sehr hohe Verstärkung des Operationsverstärkers OP1. Dabei wird der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 über den Widerstand R2 zum über R1 gelieferten Wegsignal addiert.

Für kleine Änderungen des Wegsignales ergibt sich daher eine Gegen­ kopplung über den Kondensator C1, den Operationsverstärker OP2 und den Widerstand R2, die die Änderung aufhebt. Wenn die Ausgangsspan­ nung des Operationsverstärkers OP2 die Diodenflußspannung über­ schreitet, bleibt die Ausgangsspannung auf diesen Spannungswert ge­ klemmt und steigt nicht weiter an. Dann kann sich die Änderung des Wegsignales ungestört über den Widerstand R1 ausbreiten.

Beim Umkehren des Signales wird der Operationsverstärker OP2 wieder so lange den letzten Spannungswert an R1 festhalten, bis er seine zweite Klemmspannung erreicht. Die sich dabei ergebende Hysterese­ spannung U_H entspricht der doppelten Diodendurchflußspannung mul­ tipliziert mit dem Widerstandsverhältnis R1/R2.

Durch Wahl des Verhältnisses R1/R2 kann die Hysteresespannung U_H auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden. Damit läßt sich die Schaltung an gewünschte Erfordernisse in sehr einfacher Weise anpassen.

Mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltung werden Geschwindigkeits­ signale erhalten, die keine unerwünschte Phasenverschiebung aufwei­ sen. Mit Nutzsignalen, die bei 1 bis 10 Hz liegen, läßt sich mit einer Hysterese von U_H und 20 Millivolt eine vollständige Unterdrückung der Störungen und ein zumindest noch teilweise nutzbares Signal erzielen. Für große Nutzsignale entstehen nahezu keinerlei Einschränkungen und die Ver­ zögerungszeit des Differenzierers kann reduziert werden. Der Diffe­ renzierer kann also sofort reagieren.

Da bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 während einer Stö­ rung das Differenzierer-Ausgangssignal auf Null geht, bietet es sich an, das differenzierte Signal einem Tiefpaßfilter zuzuführen, wobei ein Tiefpaßfilter mit einer hohen Eckfrequenz möglich ist. Die Schaltung nach Fig. 3 ist dann durch den Widerstand R3 und den Kondensator C2 zu ergänzen, das Ausgangssignal, das die ge­ wünschte Geschwindigkeit darstellt, ist dann an Klemme A′ abgreifbar.

Bei einer digitalen Signalauswertung wird die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ersetzt durch eine Recheneinrichtung, in der ein Programm abläuft, das die von der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 bewirkte Signalbeeinflussung vornimmt. Dabei kann sowohl die Anordnung zur Bildung der Hysterese H als auch der Differenzierer D als auch der Tiefpaß am Ausgang des Differenzierers D als digitale Recheneinrich­ tung ausgebildet sein, weiterhin ist es möglich, einen Teil der er­ wähnten Bauelemente digital und einen Teil analog auszubilden, wobei vor dem Digitalteil ein Analog/Digital-Wandler erforderlich ist.

Beim Einsatz der beschriebenen Einrichtung bei einer Fahrwerk­ regelung in einem Kraftfahrzeug bietet sich eine Unterbringung im Steuergerät an.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Erhöhung der Störsicherheit bei der Differentiation von Signalen, vorzugsweise von Ausgangssignalen eines Wegsensors zur Ermittlung einer Geschwindigkeit, mit einem Differenzierer, dem die zu differenzierenden Signale zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Hysterese (H) vorgesehen ist, an deren Eingang ein Widerstand (R1) liegt, der mit dem nicht invertierenden Eingang eines ersten, als Pufferverstärker wirkenden Operationsverstärkers (OP1) verbunden ist, dessen Ausgang sowohl auf den Differenzierer (D) als auch über einen Kondensator (C1) auf den invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärker (OP2) geschaltet ist, dessen Ausgang über einen Widerstand (R2) gleichfalls mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (OP1) verbunden ist, wobei im Gegenkopplungszweig des zweiten Operaitonsverstärkers (OP2) zwei zueinander antiparallel geschaltete Dioden (D1, D2) liegen.

2. Einrichtung zur Erhöhung der Störsicherheit bei der Differentiation von Signalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Differenzierers (D) ein Tiefpaß (R3, C2) liegt.

3. Einrichtung zur Erhöhung der Störsicherheit bei der Differentiation von Signalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hysteresespannung (U_H) gleich der doppelten Diodendurchflußspannung multipliziert mit dem Widerstandsverhältnis (R1/R2) ist.