DE4241822A1 - Schaltungsanordnung zur Fehlererkennung bei der Auswertung von Sensorsignalen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Fehlerer­ kennung bei der Auswertung von Sensorsignalen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, physikalische Größen, beispielsweise einen Druck mit Hilfe von Widerständen deren Widerstandswert sich unter Druckeinwir­ kung verändert, zu messen. Dabei werden diese Widerstände üblicher­ weise als Brückenschaltung zwischen die Versorgungsspannung und Mas­ se geschaltet. Wird auf wenigstens einen dieser Widerstände ein Druck ausgeübt, ändert sich die Brückenspannung, die abgegriffen wird und in einer nachgeschalteten Verstärkerschaltung auf auswert­ bare Werte verstärkt wird. Das Ausgangssignal der Verstärkerschal­ tung ist damit direkt druckabhängig.

Eine solche Anordnung zur Druckmessung ist aus der deutschen Patent­ anmeldung P 41 22 434 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung sind außerdem Maßnahmen vorgesehen, die den Sensor bei Auftreten einer Überspannung auf der Versorgungsleitung oder bei Verpolung schützen.

Es ist jedoch nicht bekannt, eine geeignete Fehlererkennung vorzu­ nehmen, mit der möglicherweise auftretende Fehler sicher erkannt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Fehlererkennung bei der Auswertung von Sensorsignalen mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsan­ ordnung den Vorteil, daß eine zuverlässige Fehlererkennung möglich ist, wobei solche Fehler sowohl Kurzschlüsse als auch Unterbrechun­ gen der signalführenden Leitung umfassen können.

Erzielt wird dieser Vorteil in dem das Sensorausgangssignal schal­ tungsmäßig auf einen bestimmten Bereich beschränkt wird, der auch bei Signalübersteuerung nicht verlassen werden kann und die sich an die obere und untere Grenze dieses Bereiches anschließenden Bereiche oder von diesen noch weiter getrennte Bereiche als Fehlererkennungs­ bereiche zur Fehlererkennung herangezogen werden. Ein Fehler wird dann erkannt, wenn das Ausgangssignal in einen dieser Fehlerbereiche fällt.

Besonders vorteilhaft ist eine Beschaltung derart, daß das Ausgangs­ signal des Sensors mit Anwachsen der zu messenden physikalischen Größe kleiner wird. Es kann damit ohne zusätzlichen Aufwand, allein mit den ohnehin vorhandenen Gegebenheiten ein schaltungsbedingter elektrischer Anschlag, der nicht unterschritten werden kann, zur Begrenzung des unteren Fehlerbereiches definiert werden. Kurze Über­ steuerungen lösen dabei keine irrtümliche Fehlerreaktion aus.

Durch Erzeugung eines geeigneten Offsets wird die der physikalischen Eingangsgröße umgekehrt proportionale Signalkennlinie so verschoben, daß der durch den Offset definierte Bereich als Fehlererkennungs­ bereich ausgenutzt werden kann.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Schaltung, Fig. 2 eine ähnliche Schaltung wie sie aus der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung bekannt ist, jedoch um die erfindungsgemäßen Merk­ male erweitert und Fig. 3a, 3b und 3c die zugehörigen Signalver­ läufe und Fehlererkennungsbereiche.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 angegebenen Ausführungsbeispiel ist das Sensor­ element mit 10 bezeichnet, es ist beispielsweise eine Hallelement, welches zum Abgriff eines Magnetfeldes dient. Das Sensorelement 10 ist zwischen die Versorgungsspannung UV und einen Verstärker 11 ge­ schaltet, die Ausgangsspannung dieses Verstärkers 11 wird mit Hilfe einer mit dem invertierenden Eingang in Verbindung stehenden Serien­ schaltung eines Widerstandes 12 und einer Zenerdiode 13 sowie eines parallel dazu liegenden veränderbaren Widerstandes 14, dessen Mit­ tenabgriff mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden ist, ein­ gestellt.

Das Ausgangssignal des Sensorelementes 10 wird über zwei temperatur­ abhängige Widerstände 14, 15 einem Verstärker 16 zugeführt. Dieser Verstärker 16 liegt über eine Diode 17 an Versorgungsspannung UV, zwischen seinem Ausgang und dem invertierenden Eingang liegt ein Kondensator 18. Der nichtinvertierende Eingang ist über einen Kon­ densator 19 auf Masse geführt, zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers 16 und Masse liegt ein Kondensator 20.

Ein veränderbarer Widerstand 21 liegt zwischen der Versorgungsspan­ nung UV und Masse. Sein Mittenabgriff ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 16 verbunden und über einen weiteren verän­ derbaren Widerstand 22 mit dem Ausgang A, an dem das Ausgangssignal UA abgenommen werden kann.

Der Ausgang des Verstärkers 16 ist über einen Widerstand 23 mit einem Spannungsteiler, der die Widerstände 24 und 25 umfaßt und zwi­ schen Versorgungsspannung und Masse liegt, verbunden. Dabei ist der gemeinsame Anschluß der drei veränderbaren Widerstände 23, 24 und 25 ebenfalls mit dem Ausgang A verbunden.

Zwischen der Versorgungsspannung und Masse liegt ein Kondensator 26, ein weiterer Kondensator 27 liegt zwischen der Versorgungsspannung und Fz. Masse. Ein weiterer Kondensator 28 liegt zwischen dem Signal­ ausgang A und Fz. Masse und ein Kondensator 29 liegt zwischen dem An­ schluß EL. Masse und dem Anschluß Fz. Masse.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 darge­ stellt. Dabei besteht das Sensorelement 10, das beispielsweise ein Drucksensor ist, aus den Widerständen 30, 31, 32, 33, die als Brücke geschaltet sind, wobei sie mit ihrer Versorgungsdiagonalen über einen temperaturabhängigen Widerstand 34 an die Versorgungsspannung UV angeschlossen sind, während die andere Seite der Versorgungs­ diagonalen mit Masse verbunden ist.

Dabei ist der Widerstandswert wenigstens eines, vorzugsweise aller Widerstände 31 bis 34 von der Meßgröße, also in diesem Fall vom zu bestimmenden Druck abhängig, die Ausgangsspannung des Sensorelementes 10 ist mit Uan bezeichnet.

Die andere Diagonale der Brückenanordnung ist über einen Widerstand 35 an den nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärker 36 und über den Widerstand 37 an den invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers 36 angeschlossen. Der Operationsverstärker 36 ist über seinen Versorgungsanschluß und einen Widerstand 38 an die Ver­ sorgungsspannung UV gelegt, weiterhin ist er mit Masse verbunden.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 36 ist über einen Widerstand 38 und einen Kondensator 39 mit dem invertierenden Eingang verbun­ den. Weiterhin ist die Parallelschaltung eines Kondensators 40 und zweier Widerstände 41, 42 zwischen dem invertierenden Eingang und Masse vorhanden.

Zwischen Versorgungsspannung UV und Masse sowie dem Versorgungsan­ schluß des Operationsverstärkers 36 liegt der Widerstand 38, in Serie zu diesem ist eine Zenerdiode 43 geschaltet, zu der ein Kondensator 44 parallel liegt.

Der Ausgang des Operationsverstarkers 36 ist über einen Widerstand 45 mit einem Stromspiegel, der aus den Transistoren 46 und 47 be­ steht, verbunden. Der Emitter des Transistors 46 des Stromspiegels führt über einen Widerstand 48 auf Masse, der Emitter des Transi­ stors 47 des Stromspiegels führt über einen Widerstand 49 auf Masse und der Kollektor des Transistors 47 ist sowohl mit dem Signalaus­ gang A als auch über einen Widerstand 50 mit der Versorgungsspannung UV verbunden.

Parallel zum Widerstand 50 liegt ein Kondensator 51. In der Verbin­ dung zwischen dem Ausgang A und dem Widerstand 50 sowie dem Kollek­ tor des Transistors 47 liegen noch die Widerstände 52 und 53, die als Serienschaltung mit dem nichtinvertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers 36 verbunden sind. Ein Kondensator 54 liegt zwi­ schen dem Ausgang A und dem Anschluß GND. Zwischen GND und Masse liegt ein Kondensator 55.

Die zum Sensor gehörende Auswerteschaltung besteht vorzugsweise aus einem einzigen Hybrid, dessen Anschlüsse der Versorgungsanschluß V, der Ausgang A sowie der Masseanschluß GND über Kabel oder einen Ka­ belbaum beispielsweise mit einem Steuergerät 56 in einem Kraftfahr­ zeug verbunden werden können. Dabei liegt ein Pull-up-Widerstand 57 zwischen dem Versorgungsanschluß und dem mit dem Ausgang A verbind­ baren Anschluß. Dieser Anschluß führt zu einem Analog/Digitalwandler 58, dessen digitales Ausgangssignal als Sensorausgangssignal im Steuergerät bzw. einer sonstigen Auswerteeinrichtung weiterverwertet wird.

Mit beiden Schaltungsanordnungen ist es möglich, eine Fehlererken­ nung bei einem analogen Ausgangssignal Uan durch Schaffung von zwei elektrischen Spannungsbereichen, die auch nicht durch Signalüber­ steuerung erreicht werden können, durchzuführen. Es ist damit mög­ lich sowohl Fehler, die im Kabelbaum auftreten können als auch Fehler des Sensors selbst, zu erkennen.

Durch Schaffung eines Offsets von beispielsweise 0,5 V wird bei einer Kennlinie, die einer physikalischen Eingangsgröße proportional ist, ein Bereich I geschaffen, der zwischen 0 und 0.5 V liegt und vom Signal nicht erreicht werden kann. Dieser Bereich kann als unterer Fehlererkennungsbereich benutzt werden.

Ein zweiter solcher Fehlererkennungsbereich 11 liegt zwischen bei­ spielsweise 4,5 und 5 V. Er wird durch Begrenzung der elektrisch-ge­ wandelten physikalischen Größe auf 4,5 Volt erreicht, seine obere Grenze ist durch die Versorgungsspannung bedingt.

In Fig. 3a, in der die Ausgangsspannung über der zu messenden Größe, beispielsweise dem Druck p aufgetragen ist, sind die beiden Bereiche eingetragen.

Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird definiert der positive Aussteuerbereich begrenzt zur, Erzeugung der oberen Signalbegren­ zung. Dabei wird der Operationsverstärker mit offenem Kollektor über das variable Widerstandsnetzwerk 23, 24 und 25 betrieben. Der aus den Widerständen 23 und 24 gebildete Spannungsteiler sorgt bei stromlosem, offenem Kollektor für den oberen Anschlag des Signales. Die untere Signalbegrenzung wird mit Hilfe des Spannungsteilers 23 und 24 sowie mit dem Widerstand 25 erzielt. Diese Widerstandskom­ bination sorgt bei maximalem Kollektorstrom für den unteren Anschlag.

Als Kennlinie ergibt sich die in Fig. 3a oder 3b dargestellte Ver­ teilung, dabei ist zu erkennen, daß die Ausgangsspannung über der Meßgröße, also entweder dem Druck oder der Beschleunigung oder ähn­ lichem mit steigt. Oberhalb und unterhalb der Kennlinie sind Berei­ che II und I definiert, in die die Kennlinie nicht fallen darf.

Werden die Bereiche I und II so festgelegt wie in Fig. 3b ange­ geben, ist also zwischen den Extremwerten der Meßgröße und dem Feh­ lerbereich ein Abstand vorgesehen, so daß die Fehlererkennungsbe­ reiche zwischen z. B. 0 V und 0.3 V und zwischen 4.7 und 5.0 V lie­ gen, läßt sich eine noch zuverlässigere Fehlererkennung durchführen.

Die Fehlererkennung ist durch Vergleich der Sensorspannung mit einem oberen und einem unteren Grenzwert möglich, wobei das Überschreiten des oberen Grenzwertes und das Unterschreiten des unteren Grenzwer­ tes eine Fehlererkennung auslöst. Ein solches Über- oder Unter­ schreiten kann verursacht werden durch Leitungsbruch, Kurzschluß oder ähnliches. Der Vergleich findet in einer Auswerteeinrichtung, nach einer analog-/digital-Wandlung z. B. in einem Steuergerät statt. Ein Fehler kann angezeigt werden oder in einem Fehlerspeicher fest­ gehalten werden.

Die in Fig. 3c aufgezeigte invertierte Kennlinie führt zu weiteren Vorteilen, die insbesondere in der von selbst wirkenden Beschränkung im unteren Signalbereich hervorgerufen werden. Wegen dieser Beschrän­ kung können auch kurze Übersteuerungen, beispielsweise kurze Druck­ spitzen beim Drucksensor nicht dazu führen, daß das Signal in den Fehlererkennungsbereich gelangt und so zu einer irrtümlichen Fehler­ erkennung führt.

Die Schaltungsanordnung mit der eine solche invertierte Kennlinie erzielt werden kann, bei der also das Signal umgekehrt proportional zur Eingangsgröße ist und mit einem hohen Offset versehen wird, ist die Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Die untere Begrenzung wird dabei mittels einer geeigneten Widerstandsdimensionierung vorge­ nommen.

Im einzelnen wird bei der Schaltung nach Fig. 2 die aus den vier Widerständen bestehende Brückenschaltung von der Meßgröße aktiv der­ art verstimmt, daß sich die Widerstandswerte der einen Seite ver­ größern und der anderen verringern.

Wird die Brückenschaltung derart verstimmt, daß die Widerstände 30 und 33 vergrößert und die Widerstände 31 und 32 verringert werden, muß zusätzlich der Offset vom unteren Ende des Aussteuerbereichs an das obere Ende gelegt werden. Das Ausgangssignal liegt dann ohne Eingangsgröße auf dem durch den Offset bestimmten oberen Wert, eine Signalbeaufschlagung verringert die Ausgangsspannung bis sie bei weiterer Erhöhung der Meßgröße widerstandsbedingt durch die Paral­ lelschaltung des Widerstandes 50 und des Pull-up-Widerstandes 57 sowie den Widerstand 49 an die untere Schwelle gelangt.

Die Einstellung des Offsets erfolgt mit Hilfe des Verstarkers 11 sowie des Widerstandes 14.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Fehlererkennung bei der Auswertung von Sensorsignalen, mit einem Sensor, dessen Ausgangssignal aufbereitet wird und einer Auswerteeinrichtung, der das aufbereitete Signal zu­ geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer und ein unterer Bereich festgelegt werden, daß das Sensorsignal elektrisch so be­ grenzt wird, daß es die beiden Bereiche bei fehlerlosem Zustand nicht erreichen kann und daß in der Auswerteschaltung immer dann wenn das aufbereitete Signal in einen der beiden Bereiche fällt, ein Fehler erkannt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung ein Steuergerät ist, dem das aufbereitete Signal über einen Analog-/Digital-Wandler zugeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Sensor eine Brückenschaltung aus druckabhängigen Wider­ ständen eingesetzt wird und eine Druckerhöhung zur Erhöhung des Widerstandswertes zweier Widerstände und zur Erniedrigung des Wider­ standswertes der beiden anderen Widerstände führt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Sensor ein Beschleunigungssensor eingesetzt wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Operationsverstärker mit offenem Kollektor vorhanden ist, dem ein Widerstandsnetzwerk zuge­ ordnet ist, das bei stromlos, offenem Kollektor für einen oberen Anschlag und bei maximalem Kollektorstrom für einen unteren Anschlag sorgt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dimensionierung derart erfolgt, daß das Ausgangssignal ohne Eingangsgröße an dem durch den Offset be­ stimmten oberen Wert liegt und eine Signalbeaufschlagung die Aus­ gangsspannung so weit verringert, bis sie bei weiterer Erhöhung durch eine Widerstandskombination beschränkt wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus zwei einstellbaren Widerständen und einem Pull-up-Widerstand besteht, die eine untere Schwelle des Aus­ gangssignales definieren.