DE19906981A1 - Integrated calibration and identification device for a transducer or sensor has means for balancing the measurement circuit based on an operational amplifier and an adder step - Google Patents

Abstract

The device comprises transducer with integrated digital data and control unit (4) with an operational amplifier (3) and downstream adder step arranged as a measurement value amplifier. The digital data and control unit (4) includes a digital to analogue converter (5) the output of which is connected to the input of the adder step. An Independent claim is made for a procedure for balancing a transducer circuit that has the following steps (a) measurement of the output of the output of the operation amplifier (3) without external influence (b) writing of the determined output signal with inverse sign as a digital value to the data and control unit (4) (c) application of the null-voltage arrived at in step (b) using the DAC as the input to the adder step

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Kalibrier- und Identifikationseinrichtung für Meßaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Angleichen eines Meßaufnehmers.The invention relates to an integrated calibration and identification device for Sensor according to the preamble of claim 1 and a method for Alignment of a sensor.

Eine Identifikationseinrichtung für Meßaufnehmer ist beispielsweise aus der EP 0 406 627 B1 bekannt. Dabei ist das eigentliche Geberelement als Widerstandsbrücke beispielsweise von piezoresistiven Widerständen aufgebaut. Zur Erzeugung geeigneter Testsignale einer nachgeordneten Signaldatenaufbereitungs- und Datenauswertungseinrichtung muß die integrierte Kalibrier- und Identifikationseinrichtung die im Betriebszustand zu erfassenden Sensorsignale selbst erzeugen. Hierzu ist es bekannt, die Brückenschaltung mittels eines Kalibrierwiderstandes zu verstimmen. Hierzu wird der Kalibrierwiderstand mittels zweier als Transistoren ausgebildeter Schalter über ein Kalibriersignal wahlweise jeweils einem Widerstand der Brückenzweige parallel zugeschaltet, wodurch sich der Gesamtwiderstand jeweils so ändert, als ob ein reales Signal von außen erfaßt wurde. Die derart erzeugten Testsignale können dann über einen Operationsverstärker der eigentlichen Signaldatenaufbereitungs- und Datenauswertungseinheit zugefügt werden. Bei der bekannten Kalibrier- und Identifikationseinrichtung wird von einer abgeglichenen Meßbrücke ausgegangen. Aufgrund der unvermeidlichen Herstellungstoleranzen muß daher die Meßbrücke zunächst in einem Kalibrierlabor selbst vermessen werden und Abweichungen durch parallel zu schaltende Abgleichwiderstände kompensiert werden. Dieses Vermessen, Berechnen der Abgleichwiderstände und der Kalibrierwiderstände, sowie das Einlöten der Abgleichwiderstände ist relativ zeitaufwendig und umständlich. Die Identifikationseinrichtung, die alle relevanten charakteristischen Daten des Meßaufnehmers enthält, ist dabei vorzugsweise als Halbleiterspeicher ausgebildet. Neben den Daten des Meßaufnehmers sind darüber hinaus auch die Kalibriersignale zur gezielten Verstimmung der Meßbrücke für die zu erzeugenden Testsignale abgelegt.An identification device for sensors is for example from EP 0 406 627 B1 known. The actual encoder element is a resistance bridge, for example, from piezoresistive resistors built. To generate suitable test signals a downstream signal data processing and data evaluation device must Integrated calibration and identification device to be recorded in the operating state Generate sensor signals yourself. For this purpose, it is known to use a bridge circuit Detune calibration resistor. For this purpose, the calibration resistor is used as two Transistors trained switches via a calibration signal either one Resistance of the bridge branches switched in parallel, which increases the total resistance changes as if a real signal was detected from the outside. The so generated Test signals can then be the actual ones via an operational amplifier Signal data processing and data evaluation unit are added. In the known calibration and identification device is from a calibrated measuring bridge went out. Due to the inevitable manufacturing tolerances, the Measuring bridge are first measured in a calibration laboratory itself and deviations can be compensated by trimming resistors to be connected in parallel. This gauging, Calculate the trimming resistors and the calibration resistors, as well as soldering the Trimmer resistors are relatively time consuming and cumbersome. The identification device, which contains all the relevant characteristic data of the sensor preferably designed as a semiconductor memory. In addition to the data of the sensor in addition, the calibration signals for the specific detuning of the measuring bridge for the filed test signals to be generated.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine integrierte Kalibrier- und Identifikationseinrichtung für Meßaufnehmer zu schaffen, bei der der Abgleich der Meßaufnehmer vereinfacht ist und die flexibler an veränderte Bedingungen anpaßbar ist.The invention is therefore based on the technical problem of an integrated calibration and To create identification device for sensors, in which the adjustment of Sensor is simplified and is more flexible to adapt to changing conditions.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 3. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from the features of the patent claim 1 and 3. Further advantageous embodiments of the invention result from the Subclaims.

Dabei erfolgt der Abgleich des Meßaufnehmers nicht mehr direkt am Meßaufnehmer selbst, sondern das aufgrund der Verstimmung am Ausgang des Operationsverstärkers erzeugte Differenzsignal wird durch eine Nullspannung kompensiert. Die Nullspannung weist den gleichen Betrag wie das Differenzsignal auf, hat jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen. Die beiden Signale werden über eine den Operationsverstärker nachgeschaltete Addierstufe verknüpft, dessen Ausgangssignal somit ohne äußere Einflüsse stets Null ist. Dadurch wird eine Vorab-Kalibrierung des Meßaufnehmers vor Einbau in die Kalibrier- und Identifikationseinrichtung überflüssig. Hierzu wird die Nullspannung in die Daten- und Steuereinheit eingeschrieben und über einen Digital-Analog-Wandler automatisch als analoge Spannung der Addierstufe zugeführt.The sensor is no longer adjusted directly on the sensor itself, but rather that generated due to the detuning at the output of the operational amplifier Differential signal is compensated by a zero voltage. The zero voltage has the same amount as the difference signal, but has an opposite sign. The Both signals are added via an adding stage downstream of the operational amplifier linked, whose output signal is therefore always zero without external influences. This will a pre-calibration of the sensor before installation in the calibration and Identification device unnecessary. For this purpose, the zero voltage in the data and Control unit registered and automatically as a digital-to-analog converter analog voltage supplied to the adder.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Schaltungsanordnung einer integrierten Kalibrier- und Identifikationseinrichtung für Meßaufnehmer.The invention is explained in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment explained. The single figure shows a schematic circuit arrangement of an integrated Calibration and identification device for sensors.

Die integrierte Kalibrier- und Identifikationseinrichtung 1 umfaßt einen Meßaufnehmer 2, einen Operationsverstärker 3 mit integrierter Addierstufe, eine Daten- und Steuereinheit 4 und einen Digital-Analog-Wandler 5. Der Meßaufnehmer 2 ist mit den beiden Differenzeingängen des Operationsverstärkers 3 verbunden. Die Daten- und Steuereinheit 4 ist ausgangsseitig mit dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers 5 verbunden, dessen Ausgang auf einen Eingang der integrierten Addierstufe geschaltet ist. Derartige Operationsverstärker 3 mit integrierter Addierstufe werden auch als Instrumentenverstärker bezeichnet. Der Ausgang 6 der Addierstufe liefert dann das Eingangssignal für eine nachgeschaltete Signaldatenaufbereitungs- und Datenauswertungseinheit. The integrated calibration and identification device 1 comprises a measuring sensor 2 , an operational amplifier 3 with an integrated adding stage, a data and control unit 4 and a digital-to-analog converter 5 . The sensor 2 is connected to the two differential inputs of the operational amplifier 3 . On the output side, the data and control unit 4 is connected to the input of the digital-to-analog converter 5 , the output of which is connected to an input of the integrated adder. Such operational amplifiers 3 with an integrated adding stage are also referred to as instrument amplifiers. The output 6 of the adding stage then supplies the input signal for a downstream signal data processing and data evaluation unit.

Die Daten- und Steuereinheit 4 umfaßt einen Halbleiterspeicher, der beispielsweise als EE- PROM ausgebildet ist, in dem die charakteristischen Daten des Meßaufnehmers 2 abgelegt sind. Darüber hinaus sind in dem Halbleiterspeicher ein Nullsignal und Kalibriersignal abgelegt. Das Nullsignal dient dabei zum Abgleich des aufgrund von Herstellungstoleranzen verstimmten Meßaufnehmers 2. Würden beispielsweise der Operationsverstärker 3 aufgrund des verstimmten Meßaufnehmers 2 ohne äußeres Signal eine Ausgangsspannung von 1 V liefern, so ist entsprechend die Nullspannung -1 V. Die Nullspannung kompensiert daher vorzeichengerecht die Verstimmung des Meßaufnehmers 2 und ersetzt die Abgleichwiderstände aus dem Stand der Technik. Die im Halbleiterspeicher digital abgespeicherte Nullspannung wird dazu vom Digital-Analog-Wandler 5 in eine analoge Spannung umgewandelt und der Addierstufe zugeführt. Die Adresse der Nullspannung ist dabei als Grundeinstellung ausgewählt, d. h. mit Einschaltung der Betriebsspannung U_B wird die Nullspannung in den Digital-Analog-Wandler 5 geladen. Ebenso wird die Nullspannung auch nach kurzen Spannungseinbrüchen stets automatisch in den Digital-Analog-Wandler 5 eingelesen.The data and control unit 4 comprises a semiconductor memory which is designed, for example, as an EEPROM, in which the characteristic data of the sensor 2 are stored. In addition, a zero signal and calibration signal are stored in the semiconductor memory. The zero signal is used to adjust the sensor 2 out of tune due to manufacturing tolerances. If, for example, the operational amplifier 3 would supply an output voltage of 1 V due to the detuned sensor 2 without an external signal, then the zero voltage is correspondingly -1 V. The zero voltage therefore compensates for the detuning of the sensor 2 and replaces the trimming resistors from the prior art. For this purpose, the zero voltage digitally stored in the semiconductor memory is converted by the digital-analog converter 5 into an analog voltage and fed to the adder. The address of the zero voltage is selected as the basic setting, ie when the operating voltage U _B is switched on, the zero voltage is loaded into the digital-to-analog converter 5 . Likewise, the zero voltage is always automatically read into the digital-to-analog converter 5 even after brief voltage drops.

Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung ist, daß sehr einfach die verschiedensten Kalibriersignale erzeugbar sind. Während beim Stand der Technik nur zwei verschiedene Zustände möglich sind, nämlich den Kalibrierzustand mal dem einen und mal dem anderen Brückenzweig zuzuschalten, kann über den Digital-Analog-Wandler 5 sehr einfach jedes beliebige Kalibriersignal am Ausgang 6 erzeugt werden. Hierzu werden einfach die gewünschten Ausgangssignale unter Beachtung der Nullspannung digital abgespeichert und durch ein Steuersignal am Dateneingang 7 in den Digital-Analog-Wandler 5 geladen.Another advantage of the circuit arrangement is that the most varied of calibration signals can be generated very easily. While only two different states are possible in the prior art, namely switching the calibration state on one and on the other to the other bridge branch, any desired calibration signal can be generated very easily at the output 6 via the digital / analog converter 5 . For this purpose, the desired output signals are simply stored digitally taking into account the zero voltage and loaded into the digital-to-analog converter 5 by a control signal at the data input 7 .

Sowohl die Nullspannung als auch die Kalibrierwerte werden erst nach dem Einbau des Meßaufnehmers 2 in die Kalibrier- und Identifikationseinrichtung eingeschrieben, wodurch eine aufwendige Vorab-Kalibrierung des Meßaufnehmers 2 entfällt. Jeder neue Kalibrierwert, der beispielsweise durch Änderung des Einsatzes erforderlich wird, jede Änderung des Nullsignals durch Alterung oder veränderter mechanischer Einbaulage, kann von außen einfach in die Daten- und Steuereinheit 4 eingeschrieben werden. Der veränderte mechanische Einbau kann beispielsweise bei Beschleunigungssensoren einen Einfluß in der Größenordnung von +/- 1 g haben, was insbesondere bei kleinen Meßbereichen sehr störend wäre und nunmehr sehr leicht korrigiert werden kann. Both the zero voltage and the calibration values are only written into the calibration and identification device after the sensor 2 has been installed, as a result of which there is no need for complex calibration of the sensor 2 beforehand. Each new calibration value, which is required, for example, due to a change in the insert, any change in the zero signal due to aging or a changed mechanical installation position, can simply be written into the data and control unit 4 from the outside. The changed mechanical installation can have an influence in the order of magnitude of +/- 1 g, for example in the case of acceleration sensors, which would be very annoying in particular in the case of small measuring ranges and can now be corrected very easily.

Weiterhin ermöglicht der Digital-Analog-Wandler 5 auch eine umfassende dynamische Analyse der nachfolgenden Signaldatenaufbereitung, indem der Digital-Analog-Wandler 5 wie ein Funktionsgenerator sukzessive verschiedene Ausgangsspannungen erzeugt. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der integrierten Kalibrier- und Identifikationseinrichtung sind die Precrash- und Crash-Sensoren in der Kraftfahrzeugtechnik. Weiter kann eine Rückkopplung vom Ausgang 6 der Addierstufe auf die Daten- und Steuereinheit 4 vorgesehen sein, mittels derer eine automatische Adaptierung des Nullsignals erfolgt.Furthermore, the digital-to-analog converter 5 also enables a comprehensive dynamic analysis of the subsequent signal data preparation, in that the digital-to-analog converter 5 successively generates different output voltages like a function generator. A preferred application of the integrated calibration and identification device are the pre-crash and crash sensors in automotive engineering. A feedback from output 6 of the adder to data and control unit 4 can also be provided, by means of which the zero signal is automatically adapted.

Claims (3)

1. Integrierte Kalibrier- und Meßeinrichtung für Meßaufnehmer, umfassend einen Meßwertverstärker und eine digitale Daten- und Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertverstärker als Operationsverstärker (3) mit nachgeschalteter Addierstufe ausgebildet ist und der digitalen Daten- und Steuereinheit (4) ein Digital-Analog-Wandler (5) zugeordnet ist, dessen Ausgang mit einem Eingang der Addierstufe verbunden ist.1. Integrated calibration and measuring device for sensors, comprising a measuring amplifier and a digital data and control unit, characterized in that the measuring amplifier is designed as an operational amplifier ( 3 ) with a downstream adder and the digital data and control unit ( 4 ) is a digital Analog converter ( 5 ) is assigned, the output of which is connected to an input of the adder. 2. Integrierte Kalibrier- und Identifikationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der digitalen Daten- und Steuereinheit (4) neben den Daten des Meßaufnehmers (2) einschließlich des Nullsignales verschiedene Kalibriereinstellungen und/oder diskretisierte dynamische Testsignale gespeichert sind.2. Integrated calibration and identification device according to claim 1, characterized in that in the digital data and control unit ( 4 ) in addition to the data of the sensor ( 2 ) including the zero signal, various calibration settings and / or discretized dynamic test signals are stored. 3. Verfahren zum Abgleichen eines Meßaufnehmers (2) mittels einer Daten und Steuereinheit (4), eines Digital-Analog-Wandlers (5) und einen Operationsverstärker (3) mit nachgeschalteter Addierstufe, umfassend folgende Verfahrensschritte:

• a) Erfassen des Ausgangssignals am Operationsverstärker (3) des Meßaufnehmers (2) ohne äußere Einflüsse,
• b) Einschreiben des unter Verfahrensschritt a) ermittelten Ausgangssignals mit umgekehrtem Vorzeichen als digitalen Wert in die Daten- und Steuereinheit (4) und
• c) Zuführen der unter Verfahrensschritt b) erzeugten Nullspannung dem Digital-Analog- Wandler (5), dessen Ausgangssignal auf einen Eingang der Addierstufe geschaltet wird.

3. Method for comparing a measuring sensor ( 2 ) by means of a data and control unit ( 4 ), a digital-to-analog converter ( 5 ) and an operational amplifier ( 3 ) with a subsequent adding stage, comprising the following method steps:

• a) detecting the output signal at the operational amplifier ( 3 ) of the sensor ( 2 ) without external influences,
• b) writing the output signal determined under method step a) with the opposite sign as a digital value into the data and control unit ( 4 ) and
• c) supplying the zero voltage generated in method step b) to the digital-to-analog converter ( 5 ), the output signal of which is switched to an input of the adder.