Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des Ausgangssignals eines aktiven Sensors, das in Form eines binären Stromsignals, d.h. eines Rechtecksignals mit zwei unterschiedlichen Strompegeln, vorliegt.

Aus der DE 39 36 831 AI ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Aufbereitung des Ausgangssignals eines Drehzahlsensors bekannt, die eine Triggerschaltung oder Kippschaltung ent¬ hält, deren Umschaltschwellen in Abhängigkeit von einem Kopp- lungsfak or, der die Sensor-Ausgangsspannung beeinflußt, va¬ riiert werden. Eine solche Schaltungsanordnung ist für pas¬ sive und aktive Sensoren brauchbar. Bei Auswertung des Aus¬ gangssignals eines aktiven Sensors, der ein binäres Stromsi¬ gnal liefert, wäre jedoch eine Strom-/Spannungswandlung mit Hilfe eines in Serie geschalteten Lastwiderstandes notwendig, der relativ niederohmig sein müßte, damit an dem aktiven Sen¬ sor eine ausreichende Betriebsspannung anliegt. Dieser Wider¬ stand müßte hochbelastbar sein, damit er auch einem Kurz¬ schluß der Sensorleitung gegenüber der Versorgungsspannung widersteht. Außerdem wäre eine hohe Genauigkeit des Wider¬ standes erforderlich, weil von dieser die Sensorsig¬ nalerkennung abhängt. Solche Widerstände sind aufwendig, der hohe Energieverbrauch ist von Nachteil. Sensorfehler ließen sich nur mit zusätzlichem Schaltungsaufwand erkennen. Eine

Überlappung von Funktionsbereich und Fehlererkennungsbereich ist mit einer solchen Schaltung bei Einsatz eines aktiven Sensors nicht möglich.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schal¬ tungsanordnung zu entwickeln, die auch bei ungünstigen Span- nungs- und Bauelementetoleranzen eine sichere Erkennung des Ausgangssignals eines aktiven, ein binäres Stromsignal lie¬ fernden Sensors gewährleistet. Außerdem sollten die in der Praxis unvermeidlichen Leckströme oder Nebenschlüsse, solange sie ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, die Auswertung des Sensorsignals nicht beeinträchtigen. Andererseits sollten jedoch Kurzschlüsse der Sensorleitungen gegen Masse oder ge¬ genüber der Stromzuführung, Kurzschlüsse der Sensorleitungen untereinander und Unterbrechungen der Sensorleitungen erkenn¬ bar sein. Schließlich sollte sich die Schaltungsanordnung zur Realisierung in Form einer integrierten Schaltung besonders gut eignen.

Es hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe mit der in An¬ spruch 1 beschriebenen Schaltungsanordnung zu lösen ist. Da¬ nach besteht das Besondere der erfindungsgemäßen Schal¬ tungsanordnung darin, daß aus dem Sensorstrom mit Hilfe einer Stromspiegelschaltung zum Sensorstrom proportionale Signalströme gewonnen werden, daß der durch Stromspiegelung hervorgerufene Strom einer (stabilisierten) Spannungsquelle über einen ohmschen Wider¬ stand entnommen wird und dadurch ein dem Sensor-Aus¬ gangssignal entsprechendes binäres Spannungssignal erzeugt wird, daß das Spannungssignal einer Kippschaltung mit einer varia¬ blen Umschaltschwelle zugeführt wird, die das Spannungssignal mit einer Bezugsspannung, die sich aus einer Referenzspannung

und einer Hysteresespannung zusammensetzt, vergleicht, und daß die Umschaltschwelle der Kippschaltung von der Bezugsspannung abhängig ist.

Eine Stromspiegelung der erfindungsgemäß vorgesehenen Art läßt sich mit einer integrierten Schaltung auf einfache Weise verwirklichen. Der relativ hohe Sensorstrom wird mit Hilfe des Stromspiegels in einen kleineren, mit geringem Leis¬ tungsbedarf auswertbaren Strom transformiert. Dieser Strom wird über einen ohmschen Widerstand einer stabilisierten Spannungsquelle entnommen, um ein mit Hilfe einer Kippschal¬ tung auswertbares, den Verlauf des Sensorsignals wiedergeben¬ des Spannungssignal zu erzeugen.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Referenzspannung in Abhängigkeit von dem tat¬ sächlichen, von Leckströmen, Nebenschlüssen, von der Höhe der Versorgungsspannung etc. beeinflußten Sensorstrom bzw. von dem transformierten, durch Stromspiegelung abgeleiteten Strom variiert und dadurch die Umschaltschwelle der Kippschaltung dem Sensorstrom nachgeführt. Auf diese Weise wird auch bei ungünstigen Toleranzen, bei der Überlagerung von Leckströmen oder bei der Reduzierung des Sensorstromes infolge von Neben¬ schlüssen eine sichere Erkennung und Auswertung des Sensor¬ signals ermöglicht.

In den Unteransprüchen sind noch andere besonders vorteil¬ hafte Ausführungsbeispiele der I indung beschrieben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen

Fig. 1 in schematisch vereinfachter Teildarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Schal¬ tungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 bis 4 in gleicher Darstellungweise und mit weiteren Details Varianten der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, und

Fig. 5A, 5B eine weitere Variante der erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung mit einem Fensterkomparator (Fig. 5B).

Zur Veranschaulichung des Aufbaus und der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dient Fig. 1. Ein ak¬ tiver Sensor 1, bei dem es sich z.B. um einen Radgeschwindig¬ keitssensor eines Antiblockiersystems für Kraftfahrzeuge han¬ deln kann, liefert ein binäres Stromsignal I _s , d.h. ein Recht¬ ecksignal mit zwei unterschiedlichen Strompegeln. Die Fre¬ quenz des Rechtecksignals ist der sensierten Geschwindigkeit des Rades proportional . Der aktive Sensor 1 ist einerseits an die Versorgungsspannung, hier an die Batterie des Fahrzeugs mit der Spannung U _B , und andererseits über eine Stromspiegelschaltung 2 an Masse angeschlossen. Der von dem Sensor 1 gelieferte Strom I _s nimmt beispielsweise die Werte 7 mA (L) und 14 mA (H) an. Der Spannungsabfall über dem aktiven Sensor 1 darf einen Mindestwert von z.B. 8 Volt nicht un¬ terschreiten, damit der Sensor in Funktion bleibt. Der Ein¬ gang der Stromspiegelschaltung 2, an den der Sensor 1 ange¬ schlossen ist, muß folglich relativ niederohmig sein.

Die Batteriespannung U _E bzw. die mit einer Batterie gepufferte

Generatorspannung eines Kraftfahrzeugs schwankt bekanntlich bei einem Nennwert von 12 Volt zwischen etwa 9 und 18 Volt. Die beiden Pegel des Sensorsignals I _s , deren Nennwert 7 mA (L) und 14 mA (H) betragen soll, werden ebenfalls in Abhängigkeit von der tatsächlichen Batteriespannung, von den Toleranzen der einzelnen Bauteile, der Temperatur usw. zu höheren oder niedrigeren Werten verschoben.

Mit Hilfe der Stromspiegelschaltung 2 wird der Sensorstrom I _s in einen sehr viel kleineren, proportionalen Signalstrom I, transformiert. Dieser Strom I _: wird einer Quelle mit der sta¬ bilisierten Spannung U _κ über einen ohmschen Widerstand Rj ent¬ nommen. Für das Spannungspotential V _λ am Knotenpunkt Nl gilt folglich die Bezeichnung

V, = U _κ - Ri.Ii

Das Spannungspotentila Vi entspricht also dem Strom I _: und damit dem Sensorstrom I _s .

Das Spannungssignal V wird nun mit Hilfe einer Kippschaltung 3 ausgewertet, die einen Komparator 4 enthält, der das Span¬ nungssignal I, mit einer Bezugsspannung U _Be2 vergleicht. Am Ausgang A der Kippschaltung 3 bzw. des Komparators 4 steht schließlich ein Rechtecksignal zur Verfügung, das in Abhän¬ gigkeit von dem Sensorstrom I _s einen hohen (H) oder niedrigen (L) Wert annimmt. Die Umschaltung ^J er Kippschaltung 3 bzw. des Komparators 4 setzt jeweils c Überwindung einer Hysteresespannung ± U _Hyst voraus, C-i in Fig. 1 als Span¬ nungsabfall über einem Rückkopplungswiderstand R _H symbolisch dargestellt ist. Die Erzeugung der Bezugsspannung U _Bez , die sich aus einer Referenzspannung U _Ref und einer von der Hysteresespannung abhängigen Anteil zusammensetzt, wird im

folgenden anhand der Figuren 2 bis 4 beschrieben.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist das Variieren der Umschaltschwelle des Komparators 4. Auf diese Weise wird eine Nachführung der Schaltschwellen an den tatsächlichen, von der Betriebsspannung, von Fertigungstoleranzen usw. abhängigen Sensorstrom I _s erreicht. Die Unterscheidung zwischen einem hohen Signalpegel (H) bzw. Sensorstrom und einem niedrigen Signalpegel (L) oder Sensorstrom wird mit der erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung infolge der Nachführung der Schaltschwellen auch dann noch möglich, wenn durch Leckströme oder Nebenschlüsse der Mittelwert des rechteckförmigen Sensorsignals verschoben ist.

Nach Fig. 2 wird die Nachführung der Schaltschwelle des Kom¬ parators 4 an den Sensorstrom I _s bzw. an den gespiegelten Strom Ij mit Hilfe eines Kondensators Cl erreicht, der über einen ohmschen Widerstand R _cl auf das am Knoten Nl bzw. am Meßeingang des Komparators 4 herrschende Potential V, aufge¬ laden wird. Cl und R _cl sind so aufeinander abgestimmt, daß die Kondensatorspannung U _C] auch dann noch dem Signalwechsel von H nach L und umgekehrt folgen kann, wenn die Frequenz dieses Rechtecksignals (bei hoher Radgeschwindigkeit) hoch ist. An¬ dererseits soll sich die Kondensatorspannung während der Flankendauer, d.h. während des Wechsels von H nach L bzw. L nach H höchstens geringfügig ändern.

Die Umschalthysterese wird in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit Hilfe einer Konstantspannungsquelle VC , die die Hysteresespannung H _ι ,H' _ι liefert, hervorgerufen. Durch einen Umschalter Sl, dessen Schaltstellung von dem Logikpegel H oder L am Ausgang des Komparators 4 abhängig ist, wird die Konstantspannungsquelle VC mit wechselnder Polarität H,,H',

zwischen die Referenzspannung oder Kondensatorspannung U und dem N-Komparatoreingang eingefügt, so daß die Bezugsspan¬ nung am N-Eingang des Komparators 4 aus der Referenzspannung U _cl zuzüglich oder abzüglich der Konstantspannung H^H'], die der Hysteresespannung entspricht, besteht. Bei Verwirklichung der Kippschaltung nach Fig. 2 mit Hilfe einer integrierten Schaltung lassen sich solche Konstantspannungsquellen VQ _: wechselnder Polarität H^H, auf verschiedene Weise realisie¬ ren.

Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem Aus¬ führungsbeispiel nach Fig. 2 dadurch, daß die Referenzspan¬ nung U _Ref bzw. U _C2 mit Hilfe eines weiteren Schaltungszweigs, der ebenfalls einen dem Sensorstrom I ₃ proportionalen, gespie¬ gelten Strom I ₂ führt, erzeugt wird. Da auch dieser Schal¬ tungszweig an die Konstantspannungsquelle U _κ angeschlossen ist, wird I _: = I ₂ , wenn die Widerstände R _: ,R ₂ , über die die Ströτιe I _ι ,I ₂ der Konstantspannungsquelle U _κ entnommen werden, gle.. a sind.

Nach Fig. 3 wird im Unterschied zu Fig. 2 die Hysteresespan¬ nung, deren Polarität sich bei jedem Umschalten des Kom¬ parators 4 ändern muß, mit Hilfe von Konstantstromquellen IQ _1/ IQ ₂ gewonnen, die über einen Umschalter S _2/ dessen Schalt¬ position von dem Pegel H oder L am Ausgang A des Komparators 4 abhängt, einen zusätzlichen Ladestrom für den Kondensator C ₂ liefern. Am N-Eingang des Komparators 4 steht wiederum eine Bezugsspannung an, die sich aus einem von de: ϊensorstrom I _s bzw. dem gespiegelten Strom I ₂ abhängigen Anttil und aus einem die Hysteresespannung darstellenden, mit Hilfe der Strom¬ quellen I ₀₁ ,I _Q2 erzeugten Bestandteil zusammensetzt.

Nach Fig. 4 wird ebenfalls eine Spannungsquelle VQ ₂ wechseln-

der Polarität über einen Umschalter S ₃ in den vom Si¬ gnaleingang oder P-Eingang des Komparators 4 zu einem Konden¬ sator C ₃ führenden Weg eingefügt, um die Spannung über dem Kodensator C ₃ aus einer dem gespiegelten Sensorstrom I pro¬ portionalen Komponente und einer die erforderliche Hysterese¬ spannung H ₂ ,H' ₂ , berücksichtigenden Komponente zusam¬ menzusetzen. Außer den Varianten 2 und 4 gibt es noch andere, prinzipiell gleichwertige Möglichkeiten zur Erzeugung einer nachgeführten, die jeweilige Batteriespannung U _B und die Tole¬ ranzen berücksichtigenden und außerdem eine Schalthysterese hervorrufenden Bezugsspannung U _Bez . Der Kondensator und der für die Lade-/Entladezeiten des Kondensators maßgebende Wi¬ derstand ist in jedem Fall so zu bemessen, daß sich die Kon¬ densatorspannung während der Signalflanken nur unwesentlich ändert, daß jedoch während der wechselnden Signalzustände (H/L,L/H) eine Umladung stattfinden kann.

In Fig. 5A sind weitere Details einer Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Art wiedergegeben. Die Stromspiegelung wird mit Hilfe von Transistoren Tl bis T4, die einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis angehören, verwirklicht. Tl ist die Eingangsstufe der Stromspiegelschaltung, der der Sensorstrom I _s des aktiven Sensors 1 zugeführt wird. Der Sensorstrom I _s wird in den Transistorstufen T2,T3,T4 gespiegelt. Die Erzeu¬ gung eines dem Sensorstrom I _s entsprechenden Spannungssignals V _} und dessen Auswertung mit Hilfe des Komparators 4 gleicht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3. Für übereinstimmende Teile wurden daher gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen gewählt.

Die Umschalthysterese und Referenzspannung werden nach Fig. 5A mit Hilfe der Transistoren T3,T4, die ebenfalls den Sen¬ sorstrom I spiegeln, mit Hilfe der Konstantstromquellen

IQ _3/ IQ ₄ und eines Umschalters S , der ebenfalls durch Schalt¬ transistoren des gemeinsamen integrierten Schaltkreises ver¬ wirklicht ist, realisiert. Die Bezugsspannung U _Be2 für das Spannungssignal am N-Eingang des Komparators 4 wird wiederum mit Hilfe eines Kondensators C,, der über einen Widerstand R _C geladen wird, erzeugt.

Der Sensorstrom I _s wird also in dem Stromspiegel T1,T2 in der bereits erläuterten Weise umgesetzt. Für I _x gilt, wenn mit A _! ,A ₂ die Flächen der Transistoren T1,T2 des integrierten Schaltkreises bezeichnet werden, die Beziehung

I _I = A ₂ /Aι x I _s

Am Drain-Anschluß des Transistors T2 stellt sich deshalb ein Potential V _! ein, das sich wie folgt berechnen läßt:

T3 und R ₂ werden zweckmäßigerweise derart bemessen, daß bei I _Hyst - ⁼ 0 die Drain-Spannung am Transistor T3 mit der Drainspannung am Transi tor T2 übereinstimmt. Unter Berück¬ sichtigung des Stromes I _Hyat . stellt sich am Transistor T3 fol¬ gende Drain-Spannung ein:

V = v _uκ - R,(I ₃ + I _Hys t-)

und damit

V ₂ = V _uκ - R ₂ ((A ₃ /A _! ) I _s + I„ _yst .).

Die Stromquelle I ₀₃ und damit I _Hy3t . werden so dimensioniert, daß sich eine Spannung V ₂ einstellt, die der Spannung Vj ab-

züglich einer Differenzspannung ΔVj entspricht, wobei dieses ΔV, der minimalen Stromdifferenz zwischen dem Sensorstrompegel H (High) und dem Sensorstrompegel L (Low) entspricht. Es gilt also

ΔV, = R _α ( A ₂ /A _α ) ( I ^n ~ I- _L max )

Wenn mit Hilfe des Komparator 4 ein L-Strompegel erkannt wor¬ den ist, wird der Kondensator C ₄ auf die zuvor abgeleitete Spannung V ₂ aufgeladen. Steigt nun der Sensorstrom I _s , so schaltet der Komparator 4 um, sobald der Strom um einen der Schalthysterese entsprechenden Betrag 1^^ - I _Lmax angestiegen ist. Daraufhin wird der Kondensator C auf die Spannung V ₃ aufgeladen. Diese Spannung wird auf den Umschaltpunkt bzw. auf den Übergang von der High(H)- zur Low(L)-Stromflanke ein¬ gestellt; bei R ₂ = R ₃ und A ₃ = A ₄ ergibt sich

Sinkt der Sensorstrom ausgehend von dem Strom-H-Pegel um den der Schalthysterese 1^ _^ - I _Lmax entsprechenden Betrag, erfolgt eine Zurückschaltung des Komparators 4.

Für die Dimensionierung des Kondensators C _< und des Widerstan¬ des R _C4 gilt wiederum, daß sich einerseits während der Schalt¬ flanken die Kondensatorspannung kaum ändern darf, während die kürzeste Zeitspanne der Umschaltung von H auf L bzw. L auf H zur Änderung der Kondensatorspannung entsprechend der Signal¬ änderung V, bzw. V ₃ ausreichen muß.

Die Stromquellen I ₀₃ und I _Q4 können grundsätzlich durch Strom-

Spiegelung von einer gemeinsamen Stromquelle abgeleitet wer¬ den. In Fig. 5A sind der Einfachheit halber zwei voneinander unabhängige Stromquellen dargestellt.

Durch das anhand der Figuren 1 bis 5 beschriebene Nachführen der Umschaltschwelle der Kippschaltung 3 bzw. des Komparators 4 wird ein Erkennen und Auswerten des Sensorsignals I _s selbst dann noch möglich, wenn aufgrund von Leckströmen, Neben¬ schlüssen und dergl . der L-Strompegel des Sensorstroms I _s größer wird als I _Lmax oder der H-Strompegel kleiner wird als I _HΠHΠ « Ein Sensorsignal wird sogar dann erkannt, wenn L- und H- Pegel sich zwischen I^ _n und I^ oder ischen 1^ und I _Lmax befinden. Selbst bei diesen Extrembedi-.gungen bleibt die Schalthysterese von IΗπun - I- _max erhalten.

Übersteigen die Leckströme oder Nebenschlüsse ein bestimmtes Maß oder liegt ein Sensorfehler, Leitungsunterbrechung oder dergl. vor, wird mit Hilfe eines in Fig. 5B dargestellten Fensterkomparators, der sich auf demselben IC wie die Schal¬ tung nach Fig. 5A befindet, der fehlerhafte Zustand sig¬ nalisiert.

Die zulässigen Grenzen des Spannungssignals V werden mit Hil¬ fe einer Stromspiegelschaltung T5,T6,T7 definiert. Die obere Grenze wird durch den Strom I ₆ bestimmt, der der stabilisier¬ ten Spannungsquelle U _κ über einen ohmschen Widf tand R ₅ ent¬ nommen wird. Von T5 wird nach T6 ein Strom geε gelt, der dem maximal zulässigen Strom entspricht. ilt R ₆ = R _l7 ste 1t sich am Drain-Anschluß des Transistors T iin Spannungswe ein, der die obere Grenze V _max wiedergibt Überschreitet V _α diesen Spannungswert V _roax , wird dies als Sensorfehler gewer¬ tet. Ein Komparator 5 vergleicht Vj mit dem Spanπungspotential am Drain des Transistors T6. H am Ausgang "Short P" des Korn-

parators 5 signalisiert einen Kurzschluß oder unzulässig ho¬ hen Nebenschluß zwischen dem Sensor 1 oder der Sensorleitung und der Versorgungsspannung U _B .

Der Sensorstrom I _s sinkt unter seinen Minimalwert ab, wenn einer der Sensoranschlüsse gegen Masse kurzgeschlossen ist, wenn über einen Leckwiderstand Strom zur Masse hin abfließt oder wenn Sensorzuleitungen unterbrochen sind. Dies wird mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 5B folgendermaßen erkannt: Von dem Transistor T5 wird über T7 ein Strom gespiegelt, der dem minimalen Sensorstrom entspricht. Gilt R ₇ = R _α , stellt sich am Drain-Anschluß des Transistors T7 ein Spannungswert V_, _ιn ein, bei dessen Unterschreiten ein Sensorfehler vorliegen muß. Ein Komparator 6 vergleicht V _! mit dem Potential V _min am Drain des Transistors T7. Ein H am Ausgang "Short M" des Komparators 6 signalisiert das Unterschreiten des vorgegebenen minimalen Sensorstroms.

Das Ausgangssignal des Komparators 5 (Short P ) wird zweck¬ mäßigerweise - was allerdings nicht dargestellt ist - zur Unterbrechung des Sensorstromes I _s und damit zum Schutz des Eingangstransistors Tl vor Überlastung ausgewertet.