DE4318584A1

DE4318584A1 - Schaltungsanordnung zur Auswertung hochfrequenter Wechselspannungssignale

Info

Publication number: DE4318584A1
Application number: DE19934318584
Authority: DE
Inventors: Jochen Neumeister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2013-06-05
Also published as: DE4318584C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Auswertung von Wechselspannungssignalen insbesondere für induktive Sensoren nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Auswertung der Ausgangssignale von induktiven Sensoren, bei spielsweise Wirbelstromsensoren, die mit einer Wechselspannung be trieben werden, ist es üblich, den Sensor als Teil eines Spannungs teilers oder einer Brückenschaltung zu betreiben. Weiterhin ist es üblich und beispielsweise aus der DE-OS 34 09 306 bekannt, die Wech selspannung mit Hilfe einer oder mehrerer Dioden gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung weiterzuverarbeiten.

Da an den Dioden bei Betrieb in Flußrichtung eine gewisse Spannung abfällt, die sogenannte Flußspannung der Dioden, ist die Gleichrich tung nicht ideal, da das gleichgerichtete Wechselspannungspotential um diese Flußspannung verringert wird.

Ein weiterer Nachteil solcher Spannungsgleichrichtungen ist die Tem peraturabhängigkeit der Diodenflußspannung, die einen zusätzlichen Fehler verursacht und beispielsweise bei Siliziumdioden zu einer Verringerung dieser Flußspannung von etwa 2 Millivolt pro Grad bei Temperaturerhöhung führt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des An spruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Flußspannung der als Gleichrichter wirkenden Diode weitestgehend kompensiert wird, so daß weder eine Spannungsverschiebung noch eine Temperaturabhängigkeit als Folge der Flußspannung auftritt.

Erreicht wird dieser Vorteil, indem dem Spannungsteiler oder der Meßbrücke zum Potentialbezugspunkt der Wechselspannung eine Paral lelschaltung einer Diode und eines Kondensators in Serie geschaltet wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß die erfindungsgemäße Kompensation der Diodenflußspannung an die verschiedensten Auswerteschaltungen von Sensoren, insbesondere auch an Schaltungen mit Widerständen und In duktivitäten wie sie heute schon im Handel erhältlich sind, anpaßbar ist.

Daß die Schaltung auch für hohe Frequenzen von mehr als 500 kHz sowie für Wechselspannungsamplituden kleiner als 0.6 V geeignet ist, stellt einen weiteren Vorteil dar.

Zusätzliche Vorteile lassen sich mit den in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen und Ausgestaltungen erzielen.

Zeichnung

Ein Beispiel zur Erklärung der Vorteile der Erfindung und mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigen im einzelnen Fig. 1 eine Standardgleichrichterschal tung zur Gleichrichtung einer hochfrequenten Wechselspannung an einem Spannungsteiler mit den Elementen R1 und L1 und Fig. 2 und 3 die zugehörigen Spannungsverläufe über der Zeit.

In Fig. 4 ist eine erste erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dar gestellt und in den Fig. 5 und 6 sind die zugehörigen Spannungs verläufe über der Zeit aufgetragen. In Fig. 7 ist eine Meßbrücken schaltung aus den Bauelementen R1 L1, R2 und L2 für einen Wirbel stromsensor dargestellt, deren Erweiterung in Fig. 10 zu einer er findungsgemäßen Gleichrichtung mit Kompensation der Flußspannung führt. Dabei sind die Induktivitäten L1 und L2 die Sensorelemente. In den Fig. 8, 9 und 11, 12 sind die zugehörigen Spannungsverläu fe über der Zeit aufgetragen und Fig. 13 stellt ein Blockschaltbild der gesamten Auswerteschaltung dar.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Standardgleichrichterschaltung dargestellt, bei der die von einem Generator G abgegebene Spannung U_G an einem Spannungsteiler aus dem Widerstand R1, an dem die Spannung U_R1 abfällt und der Spule L1 (Sensorelement) anliegt. Die am Spannungsteiler abgegriffene Spannung U_L1 wird gleichgerichtet. Dazu ist das Sensorelement L1, die Induktivität, die sich unter Einfluß der zu detektierenden Größe verändert, in Serie zu dem Widerstand R1 angeschlossen. Die beiden Bauelemente R1 und L1 können dabei Bestandteil einer Brückenschaltung sein, sie können gegebenenfalls ersetzt werden durch eine Kombination aus Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten, die als Sensorelement dienen.

Parallel zur Spule L1 liegt eine Reihenschaltung aus einer Diode D1 und einem Widerstand RL1. Die Diode hat die Flußspannung U_F(U_F≈0,61 V). An der Diode D1 liegt die Spannung U_D1 und am Widerstand RL1 die Spannung U_GL1. Der Widerstand RL1 wird auch als Lastwiderstand bezeichnet, an dem die gleichgerichtete Spannung U_GL1 abgegriffen werden kann. Er kann auch als Eingangswiderstand einer Meßeinrichtung betrachtet werden.

Der Widerstand R1 und die zugehörige Induktivität L1 oder gegebenen falls auch Kapazitäten C können Bauteile oder Sensorelemente sein, deren Ersatzschaltbild aus einer beliebigen Kombination von- Grund elementen R, L und C oder auch von Spannungs- und Stromquellen be steht.

In den Fig. 2 und 3 sind die zur Schaltungsanordnung der Fig. 1 gehörenden Spannungen über der Zeit t dargestellt. Die Spannungsver läufe wurden ermittelt für die Bedingungen, daß R1 = wL1 und RL1 = 1000 R1 ist. Dabei ist w die sogenannte Kreisfrequenz, diese ist über die Gleichung w=2Tπf mit der Frequenz f der Generatorspan nung verknüpft. Eine Sinus-Generatorspannung, deren maximaler Spit zenwert 4 Volt und deren minimaler Spitzenwert 0 Volt beträgt, wurde gewählt. Der Gleichspannungsmittelwert bzw. Offset der Generator spannung beträgt dann 2 Volt.

Für den in Fig. 2 dargestellten Wechselspannungsverlauf U_G des Generators G ergibt sich bei einer realen Flußspannung von U_F = 0,6 Volt der in Fig. 3 aufgezeigte Verlauf der gleichgerichteten Spannung U_GL1, der mit A bezeichnet ist. Der mit B bezeichnete Spannungsverlauf würde bei idealer Flußspannung U_F = 0 Volt auftreten. Der Verlust, also die Differenz zwischen Kurve B und Kurve A soll mit der in Fig. 4 angegebenen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verhindert bzw. zumindest weitestgehend verringert werden.

In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die eine Wei terentwicklung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist, gleiche Bauteile weisen wiederum die gleiche Bezeichnung auf. Die an den Bauteilen liegenden Spannungen sind als Pfeile mit entsprechenden Bezeichnungen dargestellt.

Zusätzlich zu den Bauteilen nach Fig. 1 wird in der Schaltung nach Fig. 4 eine Parallelschaltung, die aus der Diode D3 und dem Konden sator C1 besteht, verwendet, die zwischen das Sensorelement L1 und das Bezugspotential geschaltet sind. An der Diode D3 liegt die Span nung U_D3.

Die in Fig. 4 dargestellte Gleichrichterschaltung hat durch die zusätzliche Beschaltung mit der Diode D3 nicht die Nachteile der Standardschaltung nach Fig. 1 unter der Voraussetzung, daß die Wechselspannung einen Gleichspannungsmittelwert (Offset) aufweist, der größer ist als die Flußspannung U_F der Diode D3, die zur Kompensation der Flußspannung der Diode D1 verwendet wird. Mit der Dimensionierungsvorschrift C"1/(wR1) ist die Spannung am Kondensator C1 während der gesamten Periode T=1/f nahezu konstant. Der Kondensator bildet unter anderem mit dem Widerstand R1 einen Tiefpaß, dessen Spannung auf der Flußspannung der Diode D3 gehalten wird. Die Gleichrichtereigenschaft der Schaltung bleibt auch für kleine Wechselspannungsamplituden (kleiner 0.6 V) erhalten, solange der Gleichspannungsmittelwert größer der Flußspannung U_F ist.

Für den in der Fig. 5 dargestellten Wechselspannungsverlauf ergibt sich bei einer realen Flußspannung von U_F=0.6 V der in Fig. 6 auf gezeigte Verlauf der gleichgerichteten Spannung. Dieser ist mit dem in Fig. 3 mit B gekennzeichneten Verlauf identisch.

Im Realfall ist der Spannungsabfall an den Dioden von der Strombe lastung abhängig.

Bei integrierten Dioden besteht die Möglichkeit, die Diodenfläche der Strombelastung anzupassen und dadurch einen identischen Span nungsabfall an den Dioden zu erhalten.

Für die in Fig. 7 dargestellte Beschaltung einer kompletten Meß brücke, die aus zwei Brückenzweigen besteht, in Fig. 1 ist nur ein Brückenzweig dargestellt, kann die Diode D3 und der Kondensator C1 für beide Brückenzweige verwendet werden. Die durch diese Maßnahme verbesserte Schaltungsanordnung nach Fig. 10 hat dann Vorteile bei der Auswertung von Wechselstromsignalen, wenn der Gleichspannungs mittelwert der Generatorspannung größer als die Flußspannung U_F der Diode D3, da in diesem Fall die Möglichkeit gegeben ist, die Flußspannung der Diode D1 bzw. der Diode D2 vollständig zu kompen sieren, so daß eine Verfälschung der Spannung U_GL1 bzw. der Span nung U_GL2 im Gegensatz zur herkömmlichen Gleichrichterschaltung nach Fig. 7 nicht auftritt.

In Fig. 7 ist das Schaltbild einer bisher verwendeten Beschaltung der Sensorspulen L1 und L2 dargestellt, wobei L1 und L2 einen be kannten Drehmomentensensor symbolisieren. Die Spannung U_L1 und U_L2 werden einzeln mit den Gleichrichterdioden D1 und D2 aus gewertet.

Als Wechselspannungsgenerator G kann sowohl ein Sinus-Spannungs- als auch ein Rechteck-Spannungsgenerator verwendet werden. Als Beispiel wird nun ein Rechteck-Spannungsgenerator mit den beiden wechselnden Spannungen +4 Volt und 0 Volt angenommen, der Gleichspannungsanteil oder die sogenannte Offsetspannung beträgt bei einem Tastverhältnis 1:1 folglich 2 V. Die Spannung U_L1 des Sensorelements L1 hat und den in Fig. 9 gezeigten Verlauf. Diese Spannung wird mit der Diode D1 und dem Lastwiderstand R_L1 gleichgerichtet und ausgewertet. Der Spannungsverlust durch die Flußspannung der Diode D1 ist aus dem Signalverlauf U_GL1 ersichtlich. Das gesamte Sensorsignal ergibt sich aus der Differenz der beiden tiefpaßgefilterten Spannungen U_GL1 und U_GL2, da ein einwirkendes Drehmoment die Induktivitäts werte L1 und L2 gegensinnig verändert.

Die Veränderung der Induktivitäten L1 und L2 durch den Sensoreffekt erfolgt gegensinnig. Somit ist die Differenz L1-L2 ein Maß für das Drehmoment.

In Fig. 10 ist die erfindungsgemäße Weiterbildung der Schaltungsan ordnung nach Fig. 7 dargestellt, mit der wiederum eine Kompensation der Flußspannungen der Dioden D1 und D2 möglich ist.

Zusätzlich zu den Elementen der Schaltungsanordnung nach Fig. 7 weist die Schaltungsanordnung nach Fig. 10 noch die Diode D3 und den parallelgeschalteten Kondensator C1 auf. Die Diode D3 liegt zwischen dem Verbindungspunkt der Spulen L1 und L2 und dem Poten tialbezugspunkt.

Als Wechselspannungsgenerator kann sowohl ein Sinus-Spannungs- als auch ein Rechteck-Spannungsgenerator verwendet werden, dabei muß der Gleichspannungsanteil der Generatorspannung größer als die Flußspan nung U_F der Diode D3 sein. Als Beispiel wird nun ein Rechteckgene rator mit den beiden wechselnden Spannungen +4 Volt und 0 Volt ange nommen, der Gleichspannungsanteil oder die sogenannte Offsetspannung beträgt bei einem Tastverhältnis von 1 : 1 folglich 2 V und ist damit größer als die Flußspannung der Diode D3. Die Spannung U1 an dem Knoten 1 (U1 = U_L1 + UD₃) hat den in Fig. 12 gezeigten ge wünschten Verlauf. Diese Spannung wird mit der Diode D1 und dem Lastwiderstand R_L1 gleichgerichtet und ausgewertet. Entsprechendes gilt für die Spannung U2 am Knoten 2 (U2 = U_L2 + U_D3).

Das gesamte Sensorsignal ergibt sich aus der Differenz der beiden tiefpaßgefilterten Spannung U_GL1 und U_GL2, da ein einwirkendes Drehmoment die Induktivitätswerte L1 und L2 gegensinnig verändert. Da der Unterschied der beiden Spannungen wegen des geringen Sensor effektes relativ gering ist, werden die Spannungen in Bild 12 mit einer Signalkurve (U_GL1) gezeichnet. Zur besseren Auswertung bei der Differenzbildung können die Spannung U_GL1 und U_GL2 mit einem Tiefpaß gefiltert werden.

In Fig. 13 ist ein Beispiel für eine Sensorauswerteschaltung sche matisch als Blockschaltung angegeben. Dabei sind im einzelnen zu erkennen, ein Wechselspannungs-Generator 10, eine Sensorbrücke 11, zwei Gleichrichter 12 und 13, zwei Tiefpässe 14 und 15 sowie die Signalauswerteeinrichtung 16, in der die Differenz zwischen den Eingangssignalen gebildet wird. Die Verschaltung der einzelnen Bau gruppen ist derart, daß von der Sensorbrücke ein erster Sensor signalpfad 1 über einen Gleichrichter 1 und einen Tiefpaß 1 zur Signalauswerteschaltung 16 und ein zweiter Sensorsignalpfad 2 über einen weiteren Gleichrichter 2 und Tiefpaß 2 ebenfalls zur Signal auswertung 16 führt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Auswertung von Wechselspannungssignalen, insbesondere des Ausgangssignales eines induktiven Sensors, bei der das Wechselspannungssignal über einen Spannungsteiler oder eine Meß brücke geführt wird und mittels wenigstens einer Diode gleichgerich tet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Diode (D1) abfal lende Diodenflußspannung durch Beschaltung mit wenigstens einer wei teren Diode (D3) und eines zu dieser Diode parallel liegenden Kon densators (C1) kompensiert wird, indem diese dem Spannungsteiler oder der Meßbrücke zum Potentialbezugspunkt in Serie geschaltet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D1) mit einem Lastwiderstand (RL) in Serie geschaltet ist, an dem das gleichgerichtete Signal (U_Gl1) abgreifbar ist.

3. Schaltungsanordnung zur Auswertung von Wechselspannungssignalen, insbesondere des Ausgangssignales eines induktiven Sensors, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Wirbelstromsensor ist und die Sensorspulen (L1, L2) in einer Brückenschaltung mit einem Generator (G) und je einem Widerstand (R1, R2) verschaltet sind, daß beide Brückenzweige über je eine Diode (D1, D2) und einen zugehörigen Lastwiderstand (RL1, RL2) mit dem Potentialbezugspunkt verbunden sind, daß an beiden Lastwiderständen (RL1 und RL2) ein gleichge richtetes Signal abgreifbar ist und daß die Parallelschaltung einer Diode (D3) und eines Kondensators (C1) die zur Kompensation der Flußspannungen der Dioden (D1 und D2) vorgesehen ist, zwischen Brückenschaltung und Potentialbezugspunkt in Serie geschaltet wird.