用于精准检测例如传感器的信号的方法
阅读说明：本技术 用于精准检测例如传感器的信号的方法 (Method for the precise detection of signals, for example of sensors ) 是由 C·贝沃特 B·莱德曼 F·梅茨格尔 F·鲍曼 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：一种用于精准检测例如传感器(200)的信号的方法,所述检测借助例如与所述传感器(100)电连接的分析处理和控制单元(100)进行,其中,所述分析处理和控制单元(100)具有多路复用器(110),在所述多路复用器的输入端(111,112,113,114,115,116)处至少施加已知其电压值(U-(Ref))的参考电压(U-R)、所述参考电压的参考电位(GND-R)、废气传感器的测量信号(U-M)和所述测量信号的参考电位(GND-M),其中,经由传输路线(120)并经由将在其两个输入端(131、132)之间施加的电压转换为数字值的ADC(130),在所述多路复用器(110)的后面连接计算装置(140),其中,所述方法设置,执行多个单次测量(E1,E2,E3,E4),在所述单次测量中分别改变所述多路复用器(110)的开关状态,并且在所述单次测量中分别随后在所述ADC(130)的输出端处检测数字值,并且所述方法设置,所述计算装置(140)由所述数字值计算经偏移校正和增益校正的测量值,其特征在于,在所述ADC(130)的输入端处的两个电平已经达到稳态之前分别检测所述数字值,或者在所述ADC(130)的输入端处的两个电平已经达到稳态之前开始所述AD转换。(Method for the precise detection of signals, for example of a sensor (200), by means of an evaluation and control unit (100), for example electrically connected to the sensor (100), wherein the evaluation and control unit (100) has a multiplexer (110), at the input (111, 112, 113, 114, 115, 116) of which at least one known voltage value (U) is applied Ref ) Via a transmission line (120) and via a reference potential (GND _ M) which converts a voltage applied between its two inputs (131, 132) into a digital valueAn ADC (130) connected downstream of the multiplexer (110) to a computing device (140), wherein the method provides that a plurality of single measurements (E1, E2, E3, E4) are carried out in which the switching state of the multiplexer (110) is changed in each case and in which a digital value is subsequently detected at the output of the ADC (130) in each case, and that the computing device (140) computes an offset-corrected and gain-corrected measurement value from the digital values, characterized in that the digital values are detected in each case before the two levels at the input of the ADC (130) have reached a steady state or the AD conversion is started before the two levels at the input of the ADC (130) have reached a steady state.)
背景技术
从现有技术中已知如下方法：借助所述方法将模拟信号沿传输路线传输，并随后进行数字化，其中，校正在此出现的偏移误差和增益误差。在所述方法中，始终以所传输的、待进行数字化的信号在数字化中在时间上恒定(即处于稳态(eingeschwungenen)状态下)为前提，从而能够容易地从模拟信号中获得无偏移误差和增益误差的测量值，参见例如US7,710,303B2。所述方法相应地缓慢。
发明内容
本发明基于发明人的以下意外发现：在根据权利要求1的前序部分的方法中，也能够确定正确的经偏移校正和增益校正的测量值，而无需在每个单次测量中ADC(英语：Analog-Digital-Wandler，模数转换器)的输入端处的两个电平都已经达到稳态。
虽然通过单次测量所获得的数字值中的每个数字值尤其与在等待施加在ADC的输入端处的电平的瞬态过程(Einschwingvorgangs)之后将获得的值相比发生变化，但是这种变化对于所有数字值以基本上类似的方式发生，从而在由数字值计算经偏移校正和增益校正的测量值时所述变化至少部分地相互补偿。
因此，本发明能够精准并且同时特别快速地检测信号、例如传感器的信号。但是也可以涉及任意其他信号。
在本申请的范畴内，系统在其输入参量发生变化之后尤其仅在如下情况下才视作达到稳态：其输出参量已经完成对于其而言根据具有变化后的输入参量的静态解而导致的变化的至少86％。
在其一种扩展方案中，系统在其输入参量发生变化之后尤其在如下情况下已视作达到稳态：其输出参量已经完成对于其而言根据具有变化后的输入参量的静态解而导致的变化的至少63％。
该方法可以设置执行以下单次测量：
a)参考电压测量：多路复用器将参考电压接通到ADC的第一输入端上，并将参考电压的参考电位接通到ADC的第二输入端上；在ADC的输出端处求取参考电压值；和/或
b)参考偏移电压测量：多路复用器将参考电压的参考电位接通到ADC的两个输入端上；在ADC的输出端处求取参考偏移电压值；和/或
c)测量电压测量：多路复用器将测量电压接通到ADC的第一输入端上，并将测量电压的参考电位接通到ADC的第二输入端上；在ADC的输出端处求取测量电压值；和/或
d)测量偏移电压测量：多路复用器将测量电压的参考电位接通到ADC的两个输入端上；在ADC的输出端处求取测量偏移电压值。
如果参考的参考电位与测量电压的参考电位在物理上相同，则可以通过唯一的单次测量同时实现单次测量a)和d)，其结果同时提供参考偏移电压值和测量偏移电压值。
随后尤其可以根据以下公式计算经偏移校正和增益校正的测量值：
U_MuC＝URef*(Z_UM-Z_UMoffset)/(Z_UR-Z_URoffset)，
其中，
U_MuC是经偏移校正和增益校正的测量值；
URef是参考电压的已知电压值；
Z_UM是测量电压值；
Z_UMoffset是测量偏移电压值；
Z_UR是参考电压值；
ZURoffset是参考偏移电压值。
本发明所基于的效应，即上述变化在由数字值计算经偏移校正和增益校正的测量值中至少部分地相互补偿，在如下情况下在特别高的程度上给定：在每个单次测量之前将分析处理和控制单元置于相同的基本状态下。为此可以设置，在每个单次测量之前，将分析处理和控制单元的单个或所有的能量存储器、功能值、数字存储器和/或功能块复位为相同的、定义的、但是不必静态的基本状态。
本发明所基于的效应，即上述变化在由数字值计算经偏移校正和增益校正的测量值中至少部分地相互补偿，在如下情况下也在特别高的程度上给定：单次测量彼此之间具有相同的定时，即，尤其是紧接在所述测量之前，始终借助分析处理和控制单元以相同的时间间隔进行相同或类似的其他测量；和/或多路复用器的开关彼此之间具有准确的匹配，即，尤其是所述开关在关闭状态下具有相同的电阻值，所述开关在打开状态下具有相同的电阻值和/或所述开关的开关时间相同。相同性的概念在此仅包括相当窄的波动范围，例如正/负2％。
为了运行传感器可以符合目的地设置，周期性地重复单个测量和经偏移校正和增益校正的测量值的计算。
传感器可以涉及λ探测器(Lambdasonde)，例如涉及宽带λ探测器。λ探测器的信号例如可以涉及能够在其馈送线之间量取的电压。分析处理和控制单元可以通过ASIC实现。
附图说明
图1示出示例性的电路，借助该电路能够执行根据本发明的方法。
图2示例性地以流程图示出根据本发明的方法。
具体实施方式
图1示出用于运行宽带λ探测器200的分析处理和控制单元100。分析处理和控制单元100经由连接端(在图1中仅示出其中两个连接端A1、A2)与宽带λ探测器200的电线201、202连接。所述线路201、202例如通向宽带λ探测器200的电化学电池210，从而在所述线路上存在宽带λ探测器200的测量电压UM及其参考电位GND_M。分析处理和控制单元100经由两个另外的连接端A3、A4与参考电压源300及其参考电位GND_R连接。替代地，参考电压源300及其参考电位GND_R也可以是分析处理和控制单元100的部分。由参考电压源300所提供的电压的实际值URef是非常准确地已知的并且此外在时间上恒定。
宽带λ探测器200的可能细节例如在DE 10 2011 007 068 A1中示出。
分析处理和控制单元100仅在如其对于本发明的理解所必需的范围内示出。分析处理和控制单元100的可能细节例如在专利文献EP 2 277 035 B1中示出。
在图1中示例性示出的多路复用器110具有六个输入端111、112、113、114、115、116，其中，所述输入端中的第一输入端111与参考电压U_R连接，所述输入端中的第二和第五输入端112、115与参考电压的参考电位GND_R连接，所述输入端中的第三输入端113与测量电压U_M连接，所述输入端中的第四和第六输入端114、116与测量电压的参考电位GND_M连接。
经由多路复用器110的配属于多路复用器110的第一输入端111的第一开关P1并且经由多路复用器110的配属于多路复用器110的另外的输入端112、113、114、115、116的另外的开关P2、P3、P4、M1、M2，多路复用器110的第一、第二、第三和第四输入端111、112、113、114能够与多路复用器110的第一输出端118连接并且多路复用器110的第五和第六输入端115、116能够与多路复用器110的第二输出端119连接。多路复用器110的开关P1、P2、P3、P4、M1、M2彼此之间具有准确的匹配，即，所述开关在打开状态下的内阻、所述开关在关闭状态下的内阻和/或所述开关的开关时间仅略微不同，例如不超过2％。
经由例如具有一个或多个滤波器和一个或多个放大器以及在必要时具有另外的功能块并且例如在总体上显示出低通行为的传输路线120，在多路复用器110的两个输出端118、119后面连接模数转换器130的输入端131、132，该模数转换器将施加在其两个输入端131、132之间的电压转换为数字值并将所述数字值转发至数字计算装置140。
根据本发明的方法例如在步骤S1至S13(参见图2)中运行，所述步骤在时间上例如通过从外部施加在分析处理和控制单元上的或者由分析处理和控制单元本身所生成的时钟T定义：
步骤S1：将所有功能块、能量存储器和数字存储器复位为所定义的基本状态。
步骤S2：将ADC 130的输入端131、132接通到参考电压U_R及其参考电位GND_R上。为此关闭第一开关P1和第五开关M1。
步骤S3：检测ADC 130的输出端133上的参考电压值Z_UR，更确切地说，在时间上已在ADC 130的输入端131、132上的两个电平已经达到稳态之前进行。将参考电压值Z_UR递交至数字计算装置140。
步骤S4：将所有功能块、能量存储器和数字存储器复位为如在步骤1中所定义的基本状态。
步骤S5：将ADC 130的两个输入端131、132接通到参考电压的参考电位GND_R上。为此关闭第二开关P2和第五开关M1。
步骤S6：检测ADC 130的输出端133上的参考偏移电压值Z_URoffset，更确切地说，在时间上已在ADC 130的输入端131、132上的两个电平已经达到稳态之前进行。将参考偏移电压值Z_URoffset递交至数字计算装置140。
步骤S7：将所有功能块、能量存储器和数字存储器复位为如在步骤1中和在步骤4中所定义的基本状态。
步骤S8：将ADC 130的输入端131、132接通到测量电压U_M及其参考电位GND_M上。为此关闭第三开关P3和第六开关M2。
步骤S9：检测ADC 130的输出端133上的测量电压值Z_UM，更确切地说，在时间上已在ADC 130的输入端131、132上的两个电平已经达到稳态之前进行。将测量电压值Z_UM递交至数字计算装置140。
步骤S10：将所有功能块、能量存储器和数字存储器复位为如在步骤1、4和7中所定义的基本状态。
步骤S11：将ADC 130的两个输入端131、132接通到测量电压的参考电位GND_M上。为此关闭第四开关P4和第六开关M2。
步骤S12：检测ADC 130的输出端133上的测量偏移电压值Z_UMoffset，更确切地说，在时间上已在ADC 130的输入端131、132上的两个电平已经达到稳态之前进行。将测量偏移电压值Z_Umoffset递交至数字计算装置140。
步骤S13：根据以下公式，由事先所获得的数字值Z_UM、Z_UMoffset、Z_UR和Z_Uroffset以及参考电压的已知的值URef，计算出经偏移校正和增益校正的测量值U_MuC：
U_MuC＝URef*(Z_UM-Z_UMoffset)/(Z_UR-Z_URoffset)。
如此获得的经偏移校正和增益校正的测量值U_MuC可以在技术上继续使用。例如，该测量值可以非易失性地存储在分析处理和控制单元100中和/或作为施加在电化学电池210上的电压的实际值递交至分析处理和控制单元100的调节器，该调节器就其而言通过相应的电压和电流物理地操控宽带λ探测器200。
参考电压值Z_UR的测量(E1；方法步骤S1、S2、S3)与参考偏移电压值Z_URoffset的测量(E2；方法步骤S4、S5、S6)在时间上相近地进行，从而分析处理和控制单元100的由于温度和/或老化造成的主要的、在此期间的物理变化得以排除。
参考电压值Z_UR的测量(E1；方法步骤S1、S2、S3)以与参考偏移电压值Z_URoffset的测量(方法步骤E2；S4、S5、S6)相同的定时进行，从而对于两种测量而言，由于不等待ADC的输入端131、132上的电平的瞬态振荡而产生类似的动态效应。
除了其特定的差异之外，两个单次测量E1、E2在分析处理和控制单元100的相同系统状态下进行，例如在所述单次测量E1、E2之间，省略(unterlassen)另外的电流和电压的接通，只要其可能影响测量。
测量电压值Z_UM的测量(E3，方法步骤S7、S8、S9)与测量偏移电压值Z_UMoffset的测量(E4，方法步骤S4、S5、S6)在时间上相近地进行，从而分析处理和控制单元100的由于温度和/或老化造成的主要的、在此期间的物理变化得以排除。
测量电压值Z_UM的测量(E3；方法步骤S10、S11、S12)以与测量偏移电压值Z_UMoffset的测量(E4；方法步骤S4、S5、S6)相同的定时进行，从而对于两种测量而言，由于不等待ADC的输入端131、132上的电平的瞬态振荡而产生类似的动态效应。
除了其特定的差异之外，两个单次测量E3、E4在分析处理和控制单元100的相同系统状态下进行，例如在所述单次测量E3、E4之间，省略另外的电流和电压的接通，只要其可能影响测量。
在当前情况下，甚至所有单次测量E1、E2、E3和E4，除了其特定的差异之外，在分析处理和控制单元100的相同系统状态下以相同的定时和在时间上彼此相近地进行。
本发明在示例中还利用以下技术优点：由多路复用器110、传输路线120和ADC 130组成的测量路径的传输函数在所有单次测量E1、E2、E3、E4中是相同的，因此，测量电压值的测量中的误差与参考电压值的测量中的测量误差成比例地相同。因此，在计算经偏移校正和增益校正的测量值U_MuC时，所述误差在很大程度上相互补偿。
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