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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ansteuerung wenigstens
eines induktiven Sensors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Induktive
Sensoren bestehen aus einem Stabmagneten mit weichmagnetischem Polstift,
der die Induktionsspule mit zwei Anschlüssen trägt. Dreht sich vor diesem Aufnehmer
beispielsweise ein ferromagnetisches Zahnrad, so wird in der Spule
eine der zeitlichen Änderung
des Magnetflusses proportionale Spannung induziert.
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Aus
der
DE 35 19 978 A1 ist
eine Ansteuerschaltung für
einen induktiven Sensor bekannt, der während einer Messung über eine
Strombegrenzung und einen Schalter an eine Spannungsquelle angeschlossen
ist. Hierbei wird die Zeit vom Anlegen einer Meßspannung bis zum Einsatz der
Strombegrenzung durch einen Mikrocomputer ausgewertet und in die
vom Sensor erfaßte
Größe umgerechnet.
Zur Verringerung der Einflüsse
von Temperaturänderungen
und Bauteiltoleranzen der Schaltung wird mittels einer Rückführleitung
zur regelbar ausgebildeten Spannungsquelle die am Sensor anliegende
Spannung auf einen konstanten Wert geregelt. Als nachteilig bei
dieser Schaltung erweist sich jedoch, daß in der Rückführleitung Dioden vorgesehen
sind, welche einen sehr großen
Temperaturdrift aufweisen. Dies führt dazu, daß eine Realisierung
dieser Schaltung relativ hohe Versorgungsspannungen erfordert, da nur
so gewährleistet
werden kann, daß dieser
Fehler relativ zum Nutzsignal ein gewisses Maß nicht übersteigt. Ferner erweist sich
diese Schaltung insofern als aufwendig, als zwei Schaltstellen verwendet
werden, nämlich
ein Transistor zur Zuschaltung bzw. Auswahl eines Sensors und eine
steuerbare Stromquelle zur Regelung der am Sensor anliegenden Spannung.
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Insbesondere
in jüngster
Zeit ist ferner zu beobachten daß aufgrund von Rationalisierungsbestrebungen
Induktivitäten
induktiver Sensoren eine starke Temperaturabhängigkeit aufweisen, so daß eine genaue
Spannungsregelung bzw. Temperaturerfassung wünschenswert ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer einfachen
Schaltung zur Ansteuerung eines induktiven Sensors, deren Temperaturabhängigkeit
gegenüber
dem Stand der Technik vermindert ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist nun
gewährleistet,
daß dem
Operationsverstärker,
der die zu regelnde Ist-Spannung der Spule mit einer Soll-Spannung
vergleicht, die an der Spule anliegende Spannung ohne Zwischenschaltung
von Halbleiterübergängen, wie sie
beispielsweise bei Dioden oder bipolaren Transistoren auftreten,
zugeführt
wird. Derartige Halbleiterübergänge führen stets
zu einem stark temperaturabhängigen
Spannungsabfall (Temperaturdrift), wodurch eine genaue Regelung
erschwert ist. Durch Vermeidung dieser Temperaturabhängigkeit
ist es erfindungsgemäß möglich, die
Schaltung mit einer geringen Versorgungsspannung zu betreiben. Ferner erweist
es sich bei der erfindungsgemäßen Schaltung
als vorteilhaft, daß der
als Transistor ausgebildete Schalter sowohl die Zuschaltung als
auch die Spannungsregelung des Sensors bewirkt. Hierdurch ist die
Schaltung gegenüber
dem Stand der Technik im Aufbau vereinfacht. Die erfindungsgemäße Schaltung
benötigt
keine eigene Versorgungsspannung.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise
ist im Regelkreis zwischen Spule und Operationsverstärker ein
Widerstand vorgesehen. Mittels dieses Widerstandes ist der durch
den Regelkreis fließende
Strom in geeigneter Weise auf die im Regelkreis vorgesehenen Analogschalter
abstimmbar. Der Widerstand begrenzt hierbei den Strom durch das
Schutznetzwerk der Analogschalter-Eingänge.
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Vorteilhafterweise
ist ein als Komparator geschalteter zweiter Operationsverstärker vorgesehen, an
dessen erstem Eingang eine an einem Meßwiderstand zwischen Versorgungsspannung
und Schalter abfallende Spannung, und an dessen zweiten Eingang
eine Vergleichsspannung anliegt. Da bei Zuschaltung des Sensors
mit steigendem Strom durch den Sensor der Spannungsabfall an diesem
Meßwiderstand
ansteigt, unterschreitet diese Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt
die Vergleichsspannung. Die hierfür benötigte Zeitdauer ist ein Maß für die Induktivität der Spule.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltung
ist ein dritter Operationsverstärker
zur Bestimmung der Sensortemperatur vorgesehen. Da temperaturabhängige Fehler bei
der erfindungsgemäßen Schaltung
sehr gering sind, kann nun in einfacher Weise die tatsächliche Temperatur
des Sensors sehr genau bestimmt werden.
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Es
ist ferner bevorzugt, aus binärcodierten Leitungen
bestehende Adressleitungen zur Ansteuerung der Analogschalter zu
verwenden. Eine derartige Ansteuerung erweist sich als sehr einfach
und zuverlässig.
Ferner weisen derartige Leitungen einen geringen Rechnerportbedarf
auf.
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Die
Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Temperaturbestimmung wenigstens
eines induktiven Sensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 zur
Verfügung.
Hierbei wird der Sensor solange mit einer konstanten Spannung beaufschlagt,
bis er seinen Sättigungszustand
erreicht, so daß eine
an einem Meßwiderstand
abfallende Spannung konstant wird. Diese Spannung ist proportional
zur Sensortemperatur und kann in einfacher Weise ausgewertet werden.
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Vorteilhafterweise
wird die am Meßwiderstand
abfallende Spannung einem ersten Eingang eines Operationsverstärkers zugeführt, wobei
dessen zweitem Eingang eine Vergleichsspannung zugeführt wird
und das hierdurch entstehende Ausgangssignal, welches ebenfalls
proportional zur Sensortemperatur ist, zur Bestimmung der Temperatur
des Sensors ausgewertet wird.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung wird nun anhand
der beigefügten
Zeichnung im einzelnen erläutert.
In dieser zeigt
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1 einen
Schaltplan einer Schaltung nach der Erfindung.
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Die
dargestellte Schaltung weist eine Versorgungsspannungsquelle 60 auf,
welche über
einen Meßwiderstand 13 mit
als Transistoren ausgebildeten Schaltern 27 verbunden ist.
Im dargestellten Beispiel beträgt
die Versorgungsspannung 5V. Die Schaltung ist aber auch
für beliebige
andere Versorgungsspannungen, beispielsweise 12V, geeignet.
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Jeder
der Schalter 27 ist einem Sensor zugeordnet. In der Figur
sind zwei derartige Sensoren 1, 2 konkret dargestellt.
Die folgende Darstellung beschränkt
sich zunächst
auf Sensor 1, dem der in Block 11 dargestellte
Schalter 27 zugeordnet ist (der entsprechende, dem Sensor 2 zugeordnete
Block ist mit 12 bezeichnet). Es können auch weitere Sensoren
vorgesehen sein, wie schematisch anhand der weiter unten im einzelnen
erläuterten
Analogschalter 4, 5 angedeutet ist, welche vier
Ausgänge
zur Beaufschlagung jeweils eines Sensors aufweisen.
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Schalter 27 steht
in Wirkverbindung mit Analogschalter 4. Bei Beaufschlagung
des Schalters 27 mit einem entsprechenden Schaltsignal über Leitung 4a schaltet
dieser durch, so daß Spule
bzw. Sensor 1 über
einen Widerstand 13, den Schalter 27 und eine Schutzdiode 8 mit
Spannung versorgt wird. Mit steigendem Strom durch den Sensor nehmen
die Spannungsabfälle
im Widerstand 13 und im Schalter 27 zu. Zur Gewährleistung
einer konstanten Spannung am Sensor 1 ist daher ein Regelkreis
vorgesehen.
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Dieser
Regelkreis umfaßt
die bereits erwähnten
Bauteile 4, 27 und 8 sowie einen Widerstand 10,
einen weiteren Analogschalter 5 sowie einen Operationsverstärker 31.
Der Spannungsabfall am Sensor 1 (Ist-Spannung) wird über den
Widerstand 10 und den Analogschalter 5 dem nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 31 zugeführt. Da
in diesem Zweig kein nennenswerter Strom fließt, entsteht praktisch kein
zu fehlerhaften Ergebnissen führender
Spannungsabfall im Analogumschalter 5. Dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 31 wird
eine Sollspannung 24 zugeführt. Der Operationsverstärker 31 bewirkt
eine Regelung der Ist-Spannung auf diese Soll-Spannung. Das entsprechende Ausgangssignal
wird über
Leitung 4a dem Schalter 27 zugeführt (Basisanschluß). Schalter 27 dient
also nicht nur zum Zuschalten des Sensors 1, sondern auch
zu dessen Spannungsregelung.
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Widerstand 10 begrenzt
den Strom durch ein (nicht im einzelnen dargestelltes) Schutznetzwerk der
Analogschaltereingänge.
Er dient als Eingangsschutz des Analogschalters 5 (Analogschalter
sind in der Regel in CMOS-Technologie ausgeführt. Sie sind im ausgeschalteten
Zustand hochohmig und verhalten sich im eingeschalteten Zustand
wie Ohmsche Widerstände).
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Der
Regelkreis ist derart ausgeführt,
daß sich
weder die Innenwiderstände
der Analogumschalter 4, 5, noch das Temperaturverhalten
der diskreten Halbleiter 8, 27 auf die Genauigkeit
des gemessenen Sensorsignals auswirken.
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Der
am Sensor 1 anliegende Spannungs-Istwert kann über eine
Leitung 22 zur Funktionsüberwachung an einen Mikroprozessor 28 übertragen
werden. Dieser Mikroprozessor 28 kann ferner beispielsweise
zum Einlesen eventuell ergänzend
oder alternativ zu den induktiven Sensoren angeschlossener Potentiometer
oder Drucksensoren verwendet werden. In diesem Fall wird mittels
einer Chip-Select-Leitung (CS) 19 bzw. 20 das
Zuschalten des Schalters 27 verhindert. Besitzen die Analogumschalter
nur einen gemeinsamen Chip-Select
(z.B. bei lediglich vier Sensoren und somit nur einem IC), kann
durch Minderbestückung
der Bauteile 8, 9, 27 dieser betreffende
Sensoreingang umkonfiguriert werden.
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Die
Schaltung weist ferner einen als Komparator geschalteten zweiten
Operationverstärker 32 auf,
dessen Funktion im folgenden erläutert
wird.
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Aufgrund
der Induktivität
des Sensors 1 nimmt sein Ladestrom, wie erwähnt, allmählich zu. Die
Dauer des Anstiegs bis zu einem Grenzwert ist ein Maß für die Induktivität des Sensors.
Den aktuellen Ladestrom und einen einstellbaren Grenzwert vergleicht
der als Komparator geschaltete Operationsverstärker 32. Über Leitung 26 wird
seinen invertierenden Eingang ein dem Ladestrom proportionales Signal
zugeführt.
Dem nichtinvertierenden Eingang wird der einstellbare Grenzwert 25 zugeführt. Bei
Erreichen des Grenzwertes ändert
sich bzw. kippt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32,
welches über
eine Leitung 18 auf den Mikroprozessor 28 gegeben
wird und in diesem beispielsweise ein Interrupt-Signal erzeugt.
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Mittels
eines weiteren Operationsverstärkers 33 ist
ferner die Sensortemperatur bestimmbar. Operationsverstärker 33 ist
mit seinem nichtinvertierenden Eingang mit Leitung 26 verbunden.
Zur Durchführung
der Temperaturbestimmung wird auch nach Änderung des Ausgangssignals
des zur Induktivitätsbestimmung
verwendeten Operationsverstärkers 32 die
am Sensor anliegende Spannung aufrechterhalten, bis dieser seinen
Sättigungszustand
erreicht hat. Die Spannung auf Leitung 26 (welche um den
Betrag Sensorstrom x Widerstand 13 unter der Versorgungsspannung
liegt) wird dann mit einer am invertierenden Eingang von Operationsverstärker 33 anliegenden
Vergleichsspannung verglichen. Die Widerstände 14, 15 dienen
diesem Verstärker
als Offseteinstellung, während
ein weiterer Widerstand 16 die Verstärkung des Operationsverstärkers 33 bestimmt. Damit
kann mittels der Widerstände 14, 15, 16 die Ausgangstemperaturkennlinie
hinsichtlich Verstärker und
Offset optimal als Ausgangsgröße dargestellt werden.
Das am Ausgang 17 des Operationsverstärkers 33 anliegende
Signal ist proportional zum Strom durch Widerstand 13,
d.h. im Spulensättigungszustand
zur Temperatur der Spule. Auch bei Messung der Sensortemperatur
bewirkt der Regelkreis, daß die
diskreten Halbleiter 8, 27 keinen Einfluß auf das Meßergebnis
haben. Auch die Innenwiderstände
der Analogschalter 4, 5 beeinflussen das Meßergebnis nicht.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Genauigkeit des Temperatursignals kann, beispielsweise bei Bandende,
zusammen mit einem Offsetabgleich des induktiven Sensors ein Offsetabgleich
des Temperatursignals vorgenommen werden (bei mehreren Temperatursensoren
unter der Annahme, daß an
allen Temperatursensoren die gleiche Temperatur anliegt). Hiermit
kann ein Fehler infolge von Streuungen des ohmschen Widerstandes
der Sensorspule korrigiert und somit ein sehr genaues Temperatursignal
gemessen werden.
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Die
Löschung
der Sensorspannung nach Beendigung der Messung erfolgt mittels einer
Zenerdiode 23. Hierbei ermöglichen Dioden 9,
daß die
Zenerdiode 23 für
sämtliche
Sensoren verwendbar ist. Zweckmäßigerweise
sind die Dioden 8 und 9 in einem Gehäuse untergebracht.
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Wie
oben erwähnt,
ist eine Anzahl von Sensoren 1, 2 mittels der
beschriebenen Schaltung regelbar. Jeder Sensor weist einen ihm zugeordneten Schaltblock 11 bzw. 12 auf.
Analogumschalter 4, 5 sind vom Mikroprozessor 28 über Adressleitungen 21 zur
entsprechenden Auswahl eines der Sensoren beaufschlagbar. Die Adressleitungen 21 bestehen
beispielsweise jeweils aus zwei binärcodierten Leitungen. Damit
können
bis zu vier Sensoren eingelesen werden. Bei Vorsehen einer weiteren
derartigen Leitung sind bis zu acht Sensoren einlesbar.
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Mit
Ausnahme der in den Blöcken 11 bzw. 12 jeweils
enthaltenen Bauteile 8, 9, 10 ist die
Auswerteschaltung lediglich einfach ausgeführt. Eine eventuell gemeinsame
Chip-Select-Leitung 19, 20 kann auch für die Zuschaltung
der Versorgungsspannung verwendet werden.