DE102006017239B4

DE102006017239B4 - Differentieller Levelshifter mit automatischem Fehlerabgleich

Info

Publication number: DE102006017239B4
Application number: DE102006017239A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Panhofer
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: US7609075B2; US20070241763A1; DE102006017239A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen einer zu messenden Spannung zwischen zwei Messpotenzialen, mit
– einer Potenzialumsetzungseinrichtung (100), die ansteuerbar ist, um die Messpotenziale um ein über ein erstes Paar von gleichen Einprägeströmen definiertes Potenzial zu verschieben (130), um ein erstes Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten, und die Messpotenziale um ein über ein zweites, zu dem ersten unterschiedlichen Paar von gleichen Einprägeströmen definiertes Potenzial zu verschieben, um ein zweites Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten;
– einer Steuereinrichtung (132) zum Steuern der Potenzialumsetzungseinrichtung (100) derart, dass die Potenzialumsetzungseinrichtung (100) in einer ersten Messphase das erste Paar von verschobenen Messpotenzialen erzeugt und in einer zweiten Messphase das zweite Paar von verschobenen Messpotenzialen erzeugt; und
– einer Auswerteeinrichtung (140), die ausgebildet ist, um basierend auf einer ersten Spannung zwischen dem ersten Paar von verschobenen Messpotenzialen und basierend auf einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten Paar von verschobenen Messpotenzialen die zu messende...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Messung einer Spannungsdifferenz bzw. auf eine zur Spannungsmessung ausgelegte Vorrichtung bzw. Schaltung, wie sie z. B. bei der Spannungsmessung an Shuntwiderständen zur Strommessung in Elektromotoren oder Magnetventilen zum Einsatz kommt.
Zur Regelung von Strömen, beispielsweise in Elektromotoren oder Magnetventilen, werden sehr häufig getaktete Systeme verwendet. Diese Systeme bestehen im Allgemeinen aus einer Spule, einem Leistungsschalter, wie z. B. einem Leistungstransistor, und einer Freilaufdiode, die die Anordnung vor Spannungsspitzen schützt, die aufgrund der Selbstinduktion der verwendeten Spulen entstehen können. Ein großes Problem stellt dabei die Messung des Spulenstroms dar. Diese Strommessung erfolgt meist über einen externen oder internen Shuntwiderstand. Ein Shuntwiderstand ist ein hochgenauer ohmscher Widerstand, der in Reihe der zu messenden Anordnung geschaltet wird. Um ein Maß für den Strom durch eine Anordnung zu erhalten, misst man den Spannungsabfall am Shuntwiderstand. Die am Shuntwiderstand gemessene Spannung ist somit ein direktes Maß für den Strom durch die gesamte Anordnung. Um die im Shuntwiderstand verursachte Verlustleistung möglichst gering zu halten, sind die Shuntwiderstandswerte im Allgemeinen gering und liegen beispielsweise zwischen 50 und 200 mOhm. Dies hat zur Folge, dass der am Shuntwiderstand gemessene Spannungsabfall ebenfalls relativ gering ausfällt. Die Hauptprobleme beim Entwurf eines Messverstärkers sind nun der kleine Spannungsabfall am Shunt und die hohen Gleichtaktsprünge am Eingang des Verstärkers, die durch die Selbstinduktion beispielsweise eines Elektromotors hervorgerufen werden können. An einem vorgeschalteten Shuntwiderstand treten beispielsweise negative Spannungen im Freilauffall eines Elektromotors auf, wohingegen im normalen Betriebsfall der Shuntwiderstand auf Batteriepotential bzw. Versorgungsspannungspotential zu liegen kommt. Um nun diese u. U. hohen Potentialspannungen der Spannungsdifferenz, die am Shuntwiderstand gemessen werden kann, auszugleichen, bedient man sich eines sogenannten Levelshifters. Ein Levelshifter ist eine Anordnung aus resistiven Elementen und Stromquellen, die es erlaubt, eine Spannungsdifferenz von einem ersten Potential auf ein zweites Potential zu verschieben.
8 zeigt beispielhaft einen solchen idealen Levelshifter. Am Shuntwiderstand 800 mit dem Widerstandswert R_s soll die Spannung U_shunt 810 gemessen werden. Dazu wird diese Spannung am Shuntwiderstand 800 abgegriffen und über zwei Widerstände 820 und 830 mit je einem Widerstandswert von R_cm, die über zwei Stromquellen 840 und 850 gespeist werden, auf ein gewünschtes Spannungspotential umgesetzt. Die Spannung am Shuntwiderstand 800 wird dann an den Stromquellen 840 und 850 als U_shunt 860 abgegriffen. Um die Spannung U_shunt 810, die am Shuntwiderstand 800 abfällt, nicht zu verfälschen, ist es erforderlich, dass die beiden Widerstände 820 und 830 identische Widerstandswerte R_s haben. Da tatsächliche Widerstände immer mit einer Toleranz behaftet sind, ist eine absolute Gleichheit zwischen den Widerständen 820 und 830 praktisch nicht zu erreichen.
9 zeigt eine weitere Schaltung eines Levelshifters, wobei nun die Widerstandsdifferenz zwischen den beiden Widerständen 820 und 830 als zusätzlicher Widerstand 900 mit dem Widerstandswert dR in die Betrachtung mit einbezogen wird. Die Widerstandsdifferenz dR hat zur Folge, dass die Spannungsdifferenz 910, die nun zwischen den beiden Stromquellen 840 und 850 gemessen werden kann, nicht mehr dem Wert U_shunt 810 entspricht, sondern um einen zusätzlichen Spannungsabfall an dR verfälscht ist, und somit die Spannung U_shunt + dR·I_shift 910 gemessen wird. Der dargestellte Levelshifter, der beispielsweise dazu verwendet wird, einen Gleichanteil der Shuntspannung von Batteriepotential an einen Eingangsbereich eines genauen Vorverstärkers anzupassen, ist somit mit einer Verfälschung (engl. Mismatch) behaftet. Die Genauigkeit der Schaltung wird von der Abweichung der Stromquellen bzw. der Widerstände bestimmt. Durch getrimmte bzw. gechopperte Stromquellen kann zwar die Abweichung der Shiftströme reduziert werden, die Widerstandsabweichung aber bleibt bestehen. Um beispielsweise die Shuntspannung (die ca. 200 mV beträgt) von V_bat = 14 V auf V_input = 4 V zu shiften, braucht man einen Strom von 1 mA und einen Widerstand von 10 kOhm. Geht man nun von einer Widerstandstoleranz von 0,5% aus, so entspricht das 50 Ohm und einer Spannungsverfälschung von 50 mV (50 mV = 50 Ohm·1 mA). Der Fehler beträgt also 50 mV bei einer maximalen Signalspannung von 200 mV. Um dieses Problem zu umgehen, bedient man sich hochgenauer Widerstände, die in den 8 und 9 als 820 und 830 dargestellt sind. Eine hochgenaue Trimmung ohmscher Widerstände erreicht man durch sogenannte Lasertrimmung, die aufwändig und kostenintensiv ist.
Die nächstkommende Druckschrift DE 102004060212 A1 offenbart einen Pegelumsetzer, der in zwei Messzweigen eine zu messende Spannung umsetzt. Der Pegelumsetzer weist zwei Messzweige auf, die jeweils über einen Messwiderstand verfügen und wobei angenommen wird, dass die Widerstände in beiden Messzweigen gleich sind. Ferner wird jedem Messzweig ein Strom aufgeprägt, wobei die beiden Ströme in den Messzweigen idealerweise ebenfalls gleich wären. Um dies zu erreichen offenbart die DE 102004060212 A1 eine Chopper-Anordnung, vergleiche insbesondere die 3, die durch schnelles Umschalten der Ströme in beiden Messzweigen eine Ausmittelung der Ströme erreicht. Eine Möglichkeit, Widerstandstoleranzen, also unterschiedliche Messwiderstände in den Messzweigen auszugleichen, wird nicht aufgezeigt.
Die Druckschrift US 2004/0232945 A1 offenbart einen Pegelumsetzer mit zwei Messzweigen, in denen verschiedene Ströme aufgeschaltet werden können. Insbesondere die 5 zeigt eine Anordnung mit vier Stromquellen, wobei jedoch nicht gezeigt wird, wie mittels dieser Pegelumsetzung Widerstandstoleranzen messtechnisch korrigiert werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer zu messenden Spannungsdifferenz zu schaffen, so dass eine unaufwändigere aber trotzdem genaue Messung ermöglicht wird, so dass beispielsweise kostengünstige bzw. toleranzbehaftete Widerstände verwendet werden können, wobei die Toleranz der Widerstände und die daraus resultierende Spannungsverfälschung der verschobenen Spannung vermindert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 und ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die Gegenstände der jeweiligen Unteransprüche gegeben. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine zusätzliche Messphase mit dem gleichen Levelshifter bzw. der gleichen Spannungsumsetzungseinrichtung eingeführt wird, wobei während der zweiten Messphase ein sich von dem Strom der ersten Messphase unterscheidender Strom eingeprägt wird, so dass nun zwei unterschiedliche fehlerbehaftete Spannungsdifferenzen gemessen werden können, wobei durch Kombination der beiden Spannungsdifferenzen der Messfehler vermindert werden kann. Der Vorteil liegt darin, dass aufgrund des Messverfahrens keine hochgenauen Widerstandspaare in den Messzweigen eingesetzt werden müssen, und somit auf das aufwändige und kostenintensive Verfahren der Lasertrimmung von Widerständen verzichtet werden kann. Beispielsweise eignet sich die vorliegende Erfindung auch für nicht hochspannungsfeste Technologien (z. B. CMOS), da eine Trennung von einem Hochspannungseingang und einem Niederspannungsverstärker erreicht wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
1: ein prinzipielles Blockschaltbild einer Messvorrichtung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
2: ein Schaltbild einer Schaltung zur Realisierung der Messvorrichtung von 1, exklusive der Auswerteeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3: ein Schaltbild einer Schaltung zur Realisierung der Messvorrichtung von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4: ein Schaltbild einer Schaltung zur Realisierung der Messvorrichtung von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem analogen Verstärker und anschließendem Analog-/Digital-Wandler;
5: ein Schaltbild einer Schaltung zur Realisierung der Messvorrichtung von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Analogtechnik;
6: ein Schaltbild einer Schaltung zur Realisierung der Messvorrichtung von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Analogtechnik während Messphase 1;
7: ein Schaltbild einer Schaltung zur Realisierung der Messvorrichtung von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Analogtechnik während Messphase 2;
8: Prinzipschaltbild eines idealen Levelshifters;
9: Prinzipschaltbild eines toleranzbehafteten Levelshifters;
In den nachfolgenden Figuren sind gleiche Elemente in den einzelnen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, und von einer wiederholten Beschreibung dieser Elemente wird abgesehen.
1 zeigt eine Spannungsumsetzungseinrichtung 100, an deren Eingang 110 ein Paar von Messpotentialen anliegt, und an deren Ausgang 120 ein verschobenes Paar von Messpotentialen ausgegeben wird. Die Spannungsumsetzungseinrichtung 100 verschiebt ein an ihrem Eingang 110 anliegendes Paar von Messpotentialen in Abhängigkeit eines an ihrem Steuereingang 130 anliegenden Paares von Einprägeströmen. Das verschobene Paar von Messpotentialen liegt am Eingang 120 einer Auswerteeinrichtung 140 an. Eine Steuereinrichtung 132 gibt dabei über einen Steuereingang 135 aufeinander folgend Messphasen vor, in denen das erste bzw. das zweite Paar von verschobenen Messpotentialen bestimmt werden soll. Die Auswerteeinrichtung 140 bestimmt anhand der an ihrem Eingang 120 anliegenden verschobenen Paare von Messpotentialen die Spannungsdifferenz zwischen den Messpotentialen. Werden nun an der Spannungsumsetzungseinrichtung 100 verschiedene Paare von Einprägeströmen angelegt, so gibt diese verschiedene verschobene Paare von Messpotentialen aus. Die Auswerteeinrichtung 140 empfängt diese verschobenen Paare von Messpotentialen an ihrem Eingang 120, und bestimmt aus den Spannungsdifferenzen der verschobenen Paare die Spannungsdifferenz zwischen dem an der Spannungsumsetzungseinrichtung 100 anliegenden Paar von Messpotentialen, um letzte auszugeben. Die Auswerteeinrichtung 140 vermindert dabei die Einflüsse eventueller Bauteiltoleranzen und Spannungsverschiebungen, die durch die Spannungsumsetzungseinrichtung 100 entstanden sind.
Ein Beispiel für eine erste Realisierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in 2 dargestellt. In 2 wird die Spannung U_shunt 200 über dem Widerstand 210 mit dem Widerstandswert R_s durch einen als Spannungsumsetzungseinrichtung fungierenden Levelshifter auf ein anderes Messpotential gebracht. Der Levelshifter umfasst dabei zwei Messzweige, die von jeweils einem der beiden Anschlüsse des Widerstands 210 ausgehen und in die zwei gleiche Widerstände 220 und 230 mit je einem Widerstandswert von R_cm geschaltet sind, wobei Widerstandstoleranzen zwischen den Widerständen und eventuelle andere Anweichungen im Levelshifter durch einen dritten Widerstand 240 mit dem Widerstandswert dR dargestellt werden, der seriell in einen der beiden Messzweige geschaltet ist. In jeden Messzweig des Levelshifters ist auf permanente Weise eine Stromquelle 250 bzw. 260 geschaltet, wobei die Stromquellen 250 bzw. 260 den gleichen Strom I_shift zur Verfügung stellen bzw. erzeugen. Weiterhin sind in jeden Messzweig des Levelshifters über Schalter 264 und 266 parallel zu den Stromquellen 250 bzw. 260 zwei zuschaltbare Stromquellen 270 und 280 schaltbar. Die Stromquellen 270 bzw. 280 sind ausgebildet, um einen Strom von I_shift/8 zu erzeugen, so dass über dieselben jeweils ein Achtel des Stroms I_shift zugeschaltet werden kann. Die Schaltungsknoten 290 bzw. 294 in den beiden Messzweigen zwischen dem Widerstand 220, 240 bzw. 230 einerseits und der Parallelschaltung der Stromquellen 250, 270 bzw. 260, 280 andererseits, bilden die Ausgänge des Levelshifters.
Nachdem im Vorhergehenden der Aufbau des Levelshifters beschrieben worden ist, wird im folgenden dessen Funktionsweise im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Es finden zwei Messphasen statt. Während Messphase 1 sind die zuschaltbaren Stromquellen 270 und 280 nicht zugeschaltet und es wird eine Spannung U_in(ph1) = U_shunt + dR·I_shift an den Ausgängen 290 und 294 bereitgestellt, die dann von der Auswerteeinrichtung 140 gemessen, bzw. zur Auswertung verwendet werden kann.
Während Phase 2 werden die zuschaltbaren Stromquellen 270 und 280 zugeschaltet, so dass nun die Spannung U_in(ph2) an den Ausgängen 290 bzw. 294 abgreifbar ist, mit: U_in(ph2) = U_shunt + dR·9/8·I_shift.
Es ergibt sich zwischen beiden Messphasen eine von der Widerstandsabweichung abhängige Änderung der an den Ausgängen 290 und 294 bereitgestellten Spannungen zwischen den beiden Zweigen.
Wie es aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen deutlicher werden wird, werden zur Bestimmung der an dem Widerstand 210 abfallenden Spannung U_shunt 200, die Spannungsdifferenzen U_in(ph1) und U_in(ph2) durch die Auswerteeinrichtung 140 beispielsweise unterschiedlich verstärkt und die Ergebnisse voneinander subtrahiert. Als Resultat ergibt sich die Shuntspannung U_shunt. Durch eine einfache Verarbeitung bzw. mathematische Umrechnung kann die Spannung U_shunt genau berechnet werden, wobei die durch dR hervorgerufenen Verfälschungen vermindert bzw. eliminiert werden können. U_shunt = 9U_in(ph1) – 8U_in(ph2) = 9U_shunt + 9dR·I_shift – 8U_shunt – 8dR·9/8·I_shift. (1)
Der Widerstandsfehler des Levelshifters wird somit durch das gleichzeitige Ändern der eingeprägten Ströme, das unterschiedliche Verstärken der in den Messphasen gemessenen Spannungsdifferenzen und der Differenzbildung der verstärkten gemessenen Spannungsdifferenzen automatisch abgeglichen. Das Stromverhältnis n₁:n₂ = 9:8 ist jedoch nur exemplarisch und es können beliebige andere Verhältnisse der eingeprägten Ströme in den beiden Messphasen verwendet werden, solange die Auswerteeinrichtung die gemessenen Spannungen entsprechend der Stromverhältnisse auswertet, aus aU_shunt = n₁U_in(ph1) – n₂U_in(ph2) n₁U_shunt + n₁dR·I_shift – n₂U_shunt – n₂dR·n₁/n₂·I_shift = n₁U_shunt – n₂U_shunt = (n₁ – n₂)U_shunt, (2) folgt, dass U_shunt für beliebige Stromverhältnisse bestimmt werden kann. Der Korrekturfaktor a muss bei der Auswertung entsprechend berücksichtigt werden. Für n₂ = n₁ – 1 ergibt sich ein Korrekturfaktor von a = 1, gemäß der oben vorgestellten Realisierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Die obige mathematische Umformung kann schaltungstechnisch beispielsweise, wie in 3, 4 oder 5 dargestellt realisiert werden.
3 zeigt einen gegenüber dem in 2 dargestellten Aufbau um ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung erweiterte Spannungsmesseinrichtung. Die Auswerteschaltung umfasst einen Operationsverstärker 300 mit der Verstärkung G = 1, einen Analog-/Digital-Wandler 310, zwei digitale Multiplizierer 320 und 330 und einen digitalen Subtrahierer 340. Ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers 300 ist mit einem der Ausgänge 290 und 294 des Levelshifters verbunden, während ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers mit dem anderen der Ausgänge 290 und 294 verbunden ist. Ein Ausgang des Operationsverstärkers 300 ist mit einem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 310 verbunden. Letzterer umfasst zwei Ausgänge, von denen jeder mit einem Eingang eines jeweiligen der beiden Multiplizierer 320 bzw. 330 verbunden ist, deren Ausgänge wiederum mit zwei Eingängen des Subtrahierers 340 verbunden sind. Am Ausgang des Subtrahierers 350 liegt dann die Spannung U_out vor.
Während der Messphase 1 wird nun eine erste Spannungsdifferenz U_in(ph1) durch den Operationsverstärker 300 gemessen, bzw. mit G = 1 verstärkt an den Analog/Digital-Wandler 310 weitergeleitet, wo dieselbe durch den Analog/Digital-Wandler 310 analog/digital gewandelt und zwischengespeichert wird. In der zweiten Messphase wird durch den Operationsverstärker 300 eine zweite Spannung U_in(ph2) gemessen und im Analog/Digital-Wandler 310 analog/digital gewandelt. Den gespeicherten Wert der ersten Messphase U_in(ph1) und den Wert U_in(ph2) der zweiten Messphase gibt der Analog/Digital-Wandler 310 an die Multiplizierer 320 bzw. 330 aus. Im digitalen Bereich werden dann die Werte mit den jeweiligen. Verstärkungsfaktoren 8 und 9 multipliziert, die daraufhin in dem Subtrahierer 340 subtrahiert werden, um die in (1) angegebene Differenz zu bilden. Das um Verfälschungen verminderte bzw. bereinigte Signal U_out wird von dem Subtrahierer 340 an dem Ausgang 350 ausgegeben. Wie im vorhergehenden erwähnt, können dabei beliebige Verhältnisse der eingeprägten Ströme in den beiden Messphasen verwendet werden, solange die Verstärkungsfaktoren entsprechend angepasst werden.
Eine alternative Realisierung zu 3 ist in 4 dargestellt. 4 zeigt über den bereits in 2 beschriebenen Levelshifter hinaus als Auswerteeinrichtung einen analogen Verstärker 400, einen Analog-/Digital-Wandler 410 und einen digitalen Subtrahierer 420. Der Ausgang des Operationsverstärkers 400 ist mit einem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 410 verbunden. Der Analog/Digital-Wandler weist wieder zwei Ausgänge auf, einen zur Ausgabe eines zwischengespeicherten Ergebnisses und einer zur Ausgabe des aktuellen Ergebnisses. Jeder der beiden Ausgänge des Analog/Digital-Wandlers 410 ist mit einem jeweiligen Eingang des digitalen Subtrahierers 420 verbunden, an dessen Ausgang 430 die Spannung U_out vorliegt.
Während der Messphase 1 wird nun eine erste Spannungsdifferenz U_in(ph1) durch den Operationsverstärker 400 gemessen und mit G = 9 verstärkt an den Analog/Digital-Wandler 410 weitergeleitet, wo dieselbe durch den Analog/Digital-Wandler 410 analog/digital gewandelt und zwischengespeichert wird. In der zweiten Messphase wird durch den Operationsverstärker 400 eine zweite Spannung U_in(ph2) gemessen und mit G = 8 verstärkt an den Analog/Digital-Wandler 410 weitergeleitet. Den gespeicherten Wert der ersten Messphase U_in(ph1) und den Wert U_in(ph2) der zweiten Messphase gibt der Analog/Digital-Wandler 410 im digitalen Bereich an den Subtrahierer 420 weiter. Dieser bildet nun die in (1) angegebene Differenz. Das um Verfälschungen verminderte bzw. bereinigte Signal U_out wird von dem Subtrahierer 420 an dem Ausgang 430 ausgegeben. Auch hier können beliebige Verhältnisse der eingeprägten Ströme in den beiden Messphasen realisiert werden, solange die Verstärkungsfaktoren ebenfalls entsprechend angepasst werden.
Eine technische Realisierung, die die Vorrichtung von 1 und insbesondere die Auswerteeinrichtung in reiner Analogtechnik realisiert, ist in 5 dargestellt.
5 zeigt neben dem bereits in den 2 dargestellten Levelshifter als Auswerteeinrichtung eine Analogschaltung mit einem Operationsverstärker 500, der einen invertierenden 502 und einen nicht-invertierenden Ausgang 504 aufweist. In der Schaltung sind mehrere Schalter 510 bzw. 520 vorhanden, wobei während der Messphase 1 die Schalter ph1 510 geschlossen und die Schalter ph2 520 geöffnet sind, und während der Messphase 2 die Schalter ph2 520 geschlossen und die Schalter ph1 510 geöffnet sind. 5 zeigt weiterhin zwei Kondensatoren 530 mit je einem Kapazitätswert von C, zwei Kondensatoren 540 mit je einem Kapazitätswert von 8C und zwei Kondensatoren 550 mit je einem Kapazitätswert von 9C.
Der Operationsverstärker 500 ist von seinen beiden Ausgängen 502 bzw. 504 aus, über zwei Rückkoppelkapazitäten 530 mit je einem Kapazitätswert von C gegengekoppelt, wobei die beiden Kondensatoren 530 während der Messphase 1 kurzgeschlossen sind. Der Levelshifter ist mit seinen beiden Ausgängen 290 und 294 während Messphase 1 über zwei Kondensatoren 550 mit einem Kapazitätswert von 9C gegen ein Bezugspotential (z. B. Masse) geschaltet. Die beiden Kondensatoren 540 mit Kapazitätswerten von je 8C sind während der Messphase 1 kurzgeschlossen. Während Messphase 2 ist der Levelshifter mit seinen Ausgängen 290 und 294 über je einen Kondensator 540 mit einem Kapazitätswert von 8C an die beiden Eingänge des Operationsverstärkers 500 geschalten. Die beiden Kondensatoren 550 mit den Kapazitätswerten 9C sind nun umgepolt und zwischen die Eingänge des Operationsverstärkers 500 und das Bezugspotential geschalten.
Zur Vereinfachung ist die Anordnung aus 5 während der Messphase 1 in 6 noch einmal mit den entsprechenden Schalterstellungen dargestellt. In 6 ist zu erkennen, dass während der Messphase 1 die Kapazitäten 550 jeweils auf die ersten beiden Messpotentiale der Ausgänge des Levelshifters 290 bzw. 294 aufgeladen werden, während alle anderen Kapazitäten, 530 und 540, entladen werden. Am Ende von Phase 1 wird also die Differenzspannung der Ausgänge 290 und 294 des Levelshifters in den beiden Eingangskapazitäten 550 gespeichert sein.
7 zeigt die Anordnung während der Messphase 2. Während der Messphase 2 werden nun die Kapazitäten 540 auf die zweiten verschobenen Messpotentiale an den Ausgängen 290 und 294 des Levelshifters aufgeladen. Die Differenz dieser Messpotentiale wird mit einem Faktor 8 verstärkt, wobei sich der Versstärkungsfaktor durch das Verhältnis der Einkoppelkapazität 540 bzw. 550 zur Rückkoppelkapazität 530 ergibt, und von der Restladung der in Messphase 1 gespeicherten und mit Faktor 9 verstärkten Messpotentiale subtrahiert, da die in den beiden Kapazitäten 550 gespeicherten Messpotentiale aus Messphase 1 nun umgepolt wurden. Zwischen den Ausgängen 502 und 504 des Verstärkers ergibt sich nun die Spannung gemäß (1): U_out = U_shunt.
Es können dabei auch hier. beliebige Verhältnisse der eingeprägten Ströme in den beiden Messphasen verwendet werden, solange die Verstärkungsfaktoren über die verwendeten Kapazitäten ebenfalls entsprechend angepasst werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Trennung von Hochspannungseingang und Niederspannungsverstärker sich dieses Konzept für nicht-hochspannungsfeste Technologien (CMOS) eignet und auf die aufwändige und kostenintensive Lasertrimmung von ohmschen Lasten verzichtet werden kann. Prinzipiell können mit der vorliegenden Erfindung Spannungen auf beliebigen Potentialen und an beliebigen Impedanzen gemessen werden, die Erfindung ist nicht auf das in den Ausführungsbeispielen erläuterte Messen einer Shuntspannung begrenzt. Die in 1–5 gezeigten Elemente können jeweils zusammen in einem Chip integriert sein oder die jeweiligen Ausführungsbeispiele können aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Messverfahren in Hardware oder mittel Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird.
Bezugszeichenliste

100: Spannungsumsetzungseinrichtung
110: Paar von Messpotentialen
120: verschobenes Paar von Mepotentialen
130: Paar von Einprägeströmen
132: Steuereinrichtung
135: Steuereingang/-ausgang
140: Auswerteeinrichtung
150: Spannungsdifferenz
200: Spannung am Shuntwiderstand U_shunt
210: Shuntwiderstand
220: Umsetzungswiderstand R_cm
230: Umsetzungswiderstand R_cm
240: Umsetzungswiderstandsungenauigkeit dR
250: Permanente Stromquelle
260: Permanente Stromquelle
264: Schalter für zuschaltbare Stromquelle
266: Schalter für zuschaltbare Stromquelle
270: Zuschaltbare Stromquelle
280: Zuschaltbare Stromquelle
290: Ausgangsknoten es Levelshifters
294: Ausgangsknoten es Levelshifters
300: Operationsverstärker mit Verstärkung G = 1
310: Analog-/Digital-Wandler
320: Digitaler Multiplizierer
330: Digitaler Multiplizierer
340: Digitaler Subtrahierer
350: Verfälschungsbereinigtes Signal
400: Operationsverstärker
410: Analog-/Digital-Wandler
420: Subtrahierer
430: Verfälschungsbereinigtes Signal
500: Operationsverstärker
502: Invertierender Ausgang des Operationsverstärkers
504: Nicht-invertierender Ausgang des Operationsverstärkers
510: Schalter der Messphase 1
520: Schalter der Messphase 2
530: Rückkopplungskapazität C
540: Speicherkapazität 8C
550: Speicherkapazität 9C
800: Shuntwiderstand
810: Spannung am Shuntwiderstand U_shunt
820: Umsetzungswiderstand
830: Umsetzungswiderstand
840: Stromquelle der Umsetzungseinrichtung
850: Stromquelle der Umsetzungseinrichtung
860: Verschobene Spannung am Shuntwiderstand
900: Widerstandsdifferenz
910: Verfälschte verschobene Spannung

Claims

Vorrichtung zum Messen einer zu messenden Spannung zwischen zwei Messpotenzialen, mit – einer Potenzialumsetzungseinrichtung (100), die ansteuerbar ist, um die Messpotenziale um ein über ein erstes Paar von gleichen Einprägeströmen definiertes Potenzial zu verschieben (130), um ein erstes Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten, und die Messpotenziale um ein über ein zweites, zu dem ersten unterschiedlichen Paar von gleichen Einprägeströmen definiertes Potenzial zu verschieben, um ein zweites Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten; – einer Steuereinrichtung (132) zum Steuern der Potenzialumsetzungseinrichtung (100) derart, dass die Potenzialumsetzungseinrichtung (100) in einer ersten Messphase das erste Paar von verschobenen Messpotenzialen erzeugt und in einer zweiten Messphase das zweite Paar von verschobenen Messpotenzialen erzeugt; und – einer Auswerteeinrichtung (140), die ausgebildet ist, um basierend auf einer ersten Spannung zwischen dem ersten Paar von verschobenen Messpotenzialen und basierend auf einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten Paar von verschobenen Messpotenzialen die zu messende Spannung zu bestimmen.
Vorrichtung zum Messen einer zu messenden Spannung zwischen zwei Messpotenzialen, mit – einer Potenzialumsetzungseinrichtung (100), die ansteuerbar ist, um die Messpotenziale um ein über ein erstes Paar von Einprägeströmen definiertes Potenzial zu verschieben (130), um ein erstes Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten, wobei das erste Paar von Einprägeströmen auf einem ersten Paar von Stromquellen basiert, und die Messpotenziale um ein über ein zweites, zu dem ersten unterschiedlichen Paar von Einprägeströmen definiertes Potenzial zu verschieben, um ein zweites Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten, wobei das zweite Paar von Einprägeströmen auf einem zugeschalteten zweiten Paar von Stromquellen basiert, – einer Steuereinrichtung (132) zum Steuern der Potenzialumsetzungseinrichtung (100) derart, dass die Potenzialumsetzungseinrichtung (100) in einer ersten Messphase das erste Paar von verschobenen Messpotenzialen erzeugt und in einer zweiten Messphase das zweite Paar von verschobenen Messpotenzialen erzeug; und – einer Auswerteeinrichtung (140), die ausgebildet ist, um basierend auf einer ersten Spannung zwischen dem ersten Paar von verschobenen Messpotenzialen und basierend auf einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten Paar von verschobenen Messpotenzialen die zu messende Spannung zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die Potenzialumsetzungseinrichtung (100) einen ersten und einen zweiten Messzweig aufweist, wobei der erste Messzweig zwischen einem ersten Abgriffspunkt und einem Bezugspotenzial liegt, und der zweite Messzweig zwischen einem zweiten Abgriffspunkt und dem Bezugspotenzial liegt, wobei in den ersten Messzweig ein erstes resistives Element und eine Stromquelle geschaltet sind, und in den zweiten Messzweig eine zweites resistives Element und eine zweite Stromquelle geschaltet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das erste und/oder das zweite Paar von Stromquellen eine getrimmte oder eine gechopperte Stromquelle aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswerteeinrichtung (140) ausgebildet ist, um die erste und zweite Spannung zu erfassen, analog/digital zu wandeln und dann digital weiterzuverarbeiten, um die zu messende Spannung zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswerteeinrichtung (140) ausgebildet ist, um die erste und zweite Spannung zu erfassen, analog zu verstärken, analog/digital zu wandeln und dann digital weiterzuverarbeiten.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswerteeinrichtung (140) ausgebildet ist, um die zu messende Spannung mit einer reinen Analogschaltung zu bestimmen, um die zu messende Spannung in analoger Form zu erhalten.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auswerteeinrichtung (140) ausgebildet ist, zwei verschobene Messpotenziale des ersten und zweiten verschobenen Messpotenzialpaares in Kapazitäten zu speichern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Auswerteeinrichtung (140) eine Operationsverstärkerschaltung aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Auswerteeinrichtung (140) eine mit Kapazitäten rückgekoppelte Operationsverstärkerschaltung aufweist.
Verfahren zum Messen einer zu messenden Spannung zwischen zwei Messpotenzialen, mit folgenden Schritten: Verschieben der Messpotenziale um ein über ein erstes Paar von gleichen Einprägeströmen definiertes Potenzial, um ein erstes Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten; Verschieben der Messpotenziale um ein über ein zweites zu dem ersten unterschiedlichen Paar von gleichen Einprägeströmen definiertes Potenzial, um ein zweites Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten; und Bestimmen, basierend auf einer ersten Spannung zwischen dem ersten Paar von verschobenen Messpotenzialen, und basierend auf einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten Paar von verschobenen Messpotenzialen, der zu messenden Spannung.
Verfahren zum Messen einer zu messenden Spannung zwischen zwei Messpotenzialen, mit folgenden Schritten: Verschieben der Messpotenziale um ein über ein erstes Paar von Einprägeströmen definiertes Potenzial, um ein erstes Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten, wobei das erste Paar von Einprägeströmen auf einem ersten Paar von Stromquellen basiert; Verschieben der Messpotenziale um ein über ein zweites zu dem ersten unterschiedlichen Paar von Einprägeströmen definiertes Potenzial, um ein zweites Paar von verschobenen Messpotenzialen zu erhalten, wobei das zweite Paar von Einprägeströmen auf einem zugeschalteten zweiten Paar von Stromquellen basiert; und Bestimmen, basierend auf einer ersten Spannung zwischen dem ersten Paar von verschobenen Messpotenzialen, und basierend auf einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten Paar von verschobenen Messpotenzialen, der zu messenden Spannung.