Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Brauche Hilfe zu einer Komperator-Schaltung


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von Steffen H. (avrsteffen)


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Hallo Leute

Ich komm einfach nicht weiter bei der Komperatorbeschaltung wie in dem 
Bild im Anhang.

Die Signale die mit PINx bezeichnet sind kommen von einem PIC16C65. 
Dieser hat weder AD-Wandler noch DA-Wandler integriert. Deswegen löst 
man hier wahrscheinlich eine Niveausteuerung über die tatsächliche Höhe 
einer Hinterachse eines Autos über Komperatoren (Vergleicher). Die 
Sensoren geben eine zur Höhe der Hinterachse proportionale Spannung im 
Bereich von 0..5V aus.

Was ich jetzt nicht nachvollziehen kann ist, wie wird hier die 
Sollwertspannung der Komperatoren zur Verfühgung gestellt?

Ich vermute mal über eine PWM auf den Komperator IC1a. Aber dessen 
Ausgang ist ja ein Open-Collector. Woher hat er denn jetzt die Spannung 
mit der er am Ausgang arbeitet?
Vielleicht über den PIN7?

Kann mir diese Schaltung wer erklären? Ich blick da echt nicht durch!
Oder bin ich denn wenigstens meine Ansätze schon auf dem richtigen Weg?

Bitte um Hilfe
Gruß Steffen

von Michael R. (mexman) Benutzerseite


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>
> Ich vermute mal über eine PWM auf den Komperator IC1a. Aber dessen

Eher nicht als PWM, denn der taete der 100nF C nicht so gut. Entweder 
die Quelle an Pin35 hat einen hohen Innenwiderstand oder ist eine 
Gleichspannung.


> Ausgang ist ja ein Open-Collector. Woher hat er denn jetzt die Spannung
> mit der er am Ausgang arbeitet?
> Vielleicht über den PIN7?

Klar. Aber auch hier nicht niederohmig,
sonst macht der 1K-R keine Hysterese!
Gruss

Michael

von Messi (Gast)


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Was zeigt eine Messung an Pin7 und Pin35?

von Dietmar (Gast)


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Idee:

IC1a läuft als Sägezahngenerator mit start und retrigger?
Wird die Ausgangsspannung des Sensors erreicht kippen IC2b /IC2c.

Aus der Pulsdauer lässt sich dann die Spannung des Sensors errechnen.
IC2a könnte als Referenz dienen?

von Messi (Gast)


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>IC1a läuft als Sägezahngenerator...

Ja schon, aber der Sägezahn erscheint dann an Pin35. Am Ausgang von IC1a 
hast du nur ein Rechteck.

von Steffen H. (avrsteffen)


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Hallo

Danke schonmal für die hilfreichen Antworten.

Messi schrieb:
>Was zeigt eine Messung an Pin7 und Pin35?
Ich werde heute Abend mal das Oszi dran hängen und schauen was am PIN35 
und PIN7 sowie am Ausgang des IC1a anliegt.

Ich melde mich dann wieder.

Gruß Steffen

von Steffen H. (avrsteffen)


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Ich nochmal


Michael Roek schrieb:
> Eher nicht als PWM, denn der taete der 100nF C nicht so gut. Entweder
> die Quelle an Pin35 hat einen hohen Innenwiderstand oder ist eine
> Gleichspannung.
Dann könnte PIN35 doch schon eher ein Eingang sein. Denn der ist 
hochohmig.


Steffen

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Prinzipiell würde ich auch vermuten, dass das Gebilde um IC1a eine durch
den µC getriggerte Rampe erzeugt, so dass über Zeitmessung die Signal-
spannungen der beiden Sensoren ermittelt werden kann.

Aber wie ich es drehe oder wende, komme ich auf keine mögliche und
sinnvolle Abfolge von Zuständen an den Pins 35 und 7 des µC, der die
gewünschte Rampe zur Folge hat. Zumindest nicht, wenn man annimmt, dass
alle beteiligten Bauteile entsprechend ihrer Spezifikation betrieben
werden, d.h.

- keine negative Spannung an einem der beiden Komparatoreingänge
- kein Schalten des Komparators, wenn beide Eingänge oberhalb des
  Input-Common-Mode-Range (3,5V) sind
- kein Laden des Elkos entgegen seiner Polung
- Kein Ausnutzen einer zufälligen Asymmetrie des Komparators (z.B.
  Offsetspannung), wenn beide Eingänge auf dem gleichen Pegel liegen

Da aber auch IC2a außerhalb seiner Spezifikation betrieben wird (die
Spannung am nichtinvertierenden Eingang liegt bei 4,5V>3,5V), kann es
durchaus sein, dass auch bei IC1a mit unlauteren Tricks gearbeitet wird.

Da man mit einem Komparator keine linear ansteigende oder abfallende
Rampe erzeugen kann, stellt sich die Frage, warum man hier überhaupt
einen Komparator bemühen muss. Das Ganze ginge viel eleganter mit nur
einem RC-Glied und zwei µC-Ausgängen. Vielleicht hat der Komparator ja
gar keine nennenswerte Funktion mher und ist nur aus irgendwelchen his-
torischen Gründen noch in der Schaltung verblieben.

Noch ein Frage: Mit welchen Spannungen werden IC1 und IC2 versorgt? Mit
5V und GND? Ist das auch bei IC1 so?

Steffen H. schrieb:
> Ich werde heute Abend mal das Oszi dran hängen und schauen was am PIN35
> und PIN7 sowie am Ausgang des IC1a anliegt.

Das wird sicher Licht ins Dunkel bringen. Ich bin mir aber schon jetzt
fast sicher, dass da irgendetwas gemurkst worden ist :)

von Steffen H. (avrsteffen)


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Yalu X. schrieb:
> Noch ein Frage: Mit welchen Spannungen werden IC1 und IC2 versorgt? Mit
> 5V und GND? Ist das auch bei IC1 so?

Beide Komperator IC's werden mit 12V versorgt. Der PIC16C65 mit 5V. 
Teilweise dient der Komperator auch als Pegelwandler.

Yalu X. schrieb:
> Ich bin mir aber schon jetzt
> fast sicher, dass da irgendetwas gemurkst worden ist :)

Diese Schaltung wurde von den Ingenieuren bei Mecedes entwichlelt und so 
in den MB Vito verbaut.

Bin gleich am Messen.

Gruß Steffen

von 1234 (Gast)


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Steffen H. schrieb:
> Beide Komperator IC's
Komp_a_rator ICs

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Steffen H. schrieb:
> Beide Komperator IC's werden mit 12V versorgt.

Ah, dann sieht die Sache schon etwas anders aus. Ich dachte, weil im
Schaltplan so oft "Vcc50" auftaucht, würde vielleicht die komplette
Schaltung mit 5V laufen. Auf jeden Fall stimmt dann auch der Eingangs-
pegel am nichtinvertierenden Eingang von IC2a, den ich oben angezweifelt
habe.

von Steffen H. (avrsteffen)



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1234 schrieb:
> Steffen H. schrieb:
>> Beide Komperator IC's
> Komp_a_rator ICs

Oh nein, ich schreib es immer noch falsch :-(
Und dabei hab ich sogar noch anfangs richtig geschrieben und dann falsch 
verbessert..

Nun aber zum eigentlichen Thema.
Hier jetzt mal die Messungen. Nur wie die Schaltung des IC1a 
funktioniert ist mir immer noch unklar.

Gruß Steffen

von Messi (Gast)


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Eine Simu zeigt das gleiche Verhalten. C3 ist für die Funktion übrigens 
nicht erforderlich!

Jetzt ist die Funktion der Schaltung klar, oder?

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Also:

Wenn mich nicht alles täuscht ist Pin 35 ständig high. Die Einbrüche,
die im Oszibild zu sehen sind, kommen daher, dass zeitweise hohe Ströme
aus dem Pin gezogen werden. Pin 35 stellt zusammen mit den 270Ω und den
47kΩ eine Spannungsquelle mit der Spannung

  U1 = 5V · 47kΩ / (270Ω + 47kΩ) = 4,971V

und dem Innenwiderstand

  Ri = 270Ω || 47kΩ = 268Ω

dar.

Ist Pin 7 low, ist die Differenzspannung am Komparator negativ, d.h.
sein Ausgang wird low. Jetzt wird der Kondensator über die 270Ω schnell
(innerhalb von wenigen ms) auf U1 geladen.

Nun geht Pin 7 auf high. Da die Spannung am invertierenden Eingang (U1)
etwas niedriger als 5V ist, sperrt der Ausgangstransistor des
Komparators. Nun entlädt sich der Kondensator über die 270Ω und die 1kΩ.
Normalerweise würde ein anfänglicher Entladestrom von

  U1 / (270Ω + 47kΩ) = 3,9mA

fließen. Bei diesem Strom würde aber an den 270Ω ein Spannungsabfall von

  3,9mA * 270Ω = 1,05V

entstehen, am invertierenden Eingang des Komparators also eine Spannung
von über 6V. Schon wenn diese Spannung 5V überschreitet, geht der
Komparatorausgang wieder auf low und unterbindet damit den Entladestrom.
Das Ganze pendelt sich schließlich so ein, dass am invertierenden
Eingang die gleiche Spannung wie am nichtinvertierenden (5V) anliegt.
Damit wird der Entladestrom auf konstante

  Ie = (5V - U1) / 270Ω = 107µA

geregelt. Entsprechend steigt der die Ausgangsspannung des Komparators
von 0V mit

  107µA / 1µF = 107V/s

an. Nach

  U1 · 1µF / 107µA  = 46,5ms

ist der Kondensator entladen und die Ausgangsspannung auf U1 gestiegen.
In diesem Zustand verharrt das System, bis Pin 7 erneut einen Low-Inpuls
ausgibt.

Die starken Spannungseinbrüche an Pin 35 bei der fallenden Flanke von
Pin 7 sind durch den hohen Ladestrom von theoretisch

  U1 / 268Ω = 18,5mA

bedingt, die der PIC offensichtlich nicht liefern kann. der linke
100nF-Kondensator wirkt dabei zwar unterstützend, kann aber mit einem
Zehntel der Kapazität gegen den 1µF-Kondensator nicht allzu viel
bewirken.

Der Grund, warum Pin 35 verwendet wird und die 270Ω nicht einfach fest
mit den Versorgungs-5V verbunden sind, liegt darin, dass die µC-Ausgänge
die 5V nie ganz erreichen. Eine Diferenz von ein paar mV würde den
Entladestrom und damit die Anstiegszeit des Komparatorausgangssignals
deutlich verändern. In der Annahme, dass alle Ausgänge des PICs etwa
gleich sind, hat man diesen Effekt kompensiert.

Interessant an dieser Schaltung ist, dass ein Komparator entgegen
gängiger Gepflogenheiten als Linearschaltung betrieben wird. In diesem
Fall ist das nicht einmal Murks.

von Steffen H. (avrsteffen)


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Wahnsinn, das muss ich jetzt erst mal verinnerlichen. Also habt alle 
recht vielen Dank für euere Hilfe.

Steffen

von Messi (Gast)


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Die Schaltung mag zwar funktionieren, aber sie hat erhebliche Mängel.

1. Wenn sich die Spannung an Pin35 gegenüber der an Pin7 nur um 30mV 
verringert, halbiert sich die Rampenanstiegszeit! Wenn man bedenkt, daß 
Pin35 ein digitaler Portausgang ist, die Ausgangsspannung also alles 
andere als stabil und vor allem stark verrauscht ist, weil ja der 
Versorgungsspannungripple voll auf den Ausgang durchschlägt, dann ist 
nicht nur mit starken Schwankungen der Rampenanstiegszeit zu rechnen, 
sondern auch mit Abweichungen von der Linearität.

Der oberste Komparator, der Pin3 füttert, ist also von zentraler 
Bedeutung hier. Ohne diesen könnten die starken Schwankungen der 
Rampenanstiegszeit nicht kompensiert werden.

Die Ausgangsimpedanz von PIN35 formt mit dem 100nF Cap außerdem wohl ein 
Tiefpaßfilter, das den durchschlagenden Versorgungsspannungsripple 
minimieren soll.

2. Der durch den 270R Widerstand begrenzte Ladestrom ist unnötig hoch 
und verursacht einen völig unnötigen Groundbounce. Selbst mit einem 
Portausgangsimpedanz von 250R ergibt sich eine Zeitkonstante von rund 
500µsec. Schon nach 5 x 500µsec = 2,5msec ist der Cap vollständig 
aufgeladen. Den Oszibildchen von Steffen kan man entnehmen, daß die 
Ladephase aber rund 10 mal länger dauert.

3. Betrachtet man die Simulation ganz genau, stellt man eine leichte 
Bauchigleit der Rampe fest. Eine Verbesserung der Linearität stellt sich 
(zumindest in der Simulation) ein, wenn man alle relevanten Widerstände 
um den Faktor 10 vergrößert und den 1µ Cap auf 100n verkleinert.

5. Ein 100n Cap am Ausgang eines schnell schaltenden Komparators ist 
natürlich Obergranatenmurks! Ein Cap an so einer Stelle ist fast immer 
eine Verzweiflungstat und ein Indiz dafür, daß die Schaltung 
wahrscheinlich doch nicht so zuverlässig arbeitet...

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Messi schrieb:
> 1. Wenn sich die Spannung an Pin35 gegenüber der an Pin7 nur um 30mV
> verringert, halbiert sich die Rampenanstiegszeit!

Viel schlimmer wäre es, wenn sich die Spannung um 30mV vergrößern würde.
Dann funktioniert die Schaltung nicht einmal mehr ansatzweise.

> 5. Ein 100n Cap am Ausgang eines schnell schaltenden Komparators ist
> natürlich Obergranatenmurks!

Der war mir von Anfang an auch völlig suspekt, aber schadet wahrschein-
lich auch nicht arg.

> Ein Cap an so einer Stelle ist fast immer eine Verzweiflungstat und
> ein Indiz dafür, daß die Schaltung wahrscheinlich doch nicht so
> zuverlässig arbeitet...

Irgendwoher müssen ja die Qualitätsprobleme bei Mercedes (aber auch den
meisten anderen Autoherstellern) kommen ;-)

Mich würde auch mal interessieren, ob die die Periodendauer der Rampen-
generierung fest oder variabel ist. Eigentlich sollte sie variabel sein,
denn alleine die Offsetspannung des LM2901 von bis zu ±15mV über den
gesamten Temperaturbereich (den man bei Automotive schon berücksichtigen
sollte) lässt die Rampe bis um den Faktor 2 langsamer ansteigen, so dass
die 85ms aus dem Oszibild bei Weitem nicht mehr reichen. Spannungs- und
Bauteiltoleranzen verstärken diesen Effekt ggf. noch.

Allerdings hängt an der Messung ja wahrscheinlich irgendein Regelalgo-
rithmus dahinter, der vermutlich mit konstanter Zykluszeit arbeitet und
es nahelegen würde, die Sensoren mit derselben Zykluszeit abzutasten.
Aber beides (konstante Zykluszeit und Ausgleich von Toleranzen) lässt
sich eben mit dieser Anordnung nicht erreichen.

@Steffen:
Nur wenn es nicht zu viel Umstände macht: Könntest du mal parallel zum
1µF-Kondensator einen zweiten der gleichen Größenrodnung parallelschal-
ten und nachschauen, ob das die Periodendauer des Ausgangssignals ver-
größert. Ändert sie sich nicht, müsste die Rampe abgeschnitten werden,
bevor sie die 5V erreicht, was natürlich übel wäre.

von Messi (Gast)


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>Viel schlimmer wäre es, wenn sich die Spannung um 30mV vergrößern würde.
>Dann funktioniert die Schaltung nicht einmal mehr ansatzweise.

Genau!

>Ändert sie sich nicht, müsste die Rampe abgeschnitten werden,
>bevor sie die 5V erreicht, was natürlich übel wäre.

Der oberste Komparator könnte genau diesen Fall abfangen. Er merkt ja, 
ob die Rampe regulär ansteigt und der µC verlängert einfach das 
Meßintervall solange, bis dieser Komparator kippt.

>Mich würde auch mal interessieren, ob die die Periodendauer der Rampen-
>generierung fest oder variabel ist. Eigentlich sollte sie variabel sein,
>denn alleine die Offsetspannung des LM2901 von bis zu ±15mV über den
>gesamten Temperaturbereich (den man bei Automotive schon berücksichtigen
>sollte) lässt die Rampe bis um den Faktor 2 langsamer ansteigen, so dass
>die 85ms aus dem Oszibild bei Weitem nicht mehr reichen. Spannungs- und
>Bauteiltoleranzen verstärken diesen Effekt ggf. noch.

Das ist eine ganz windige Schaltung! Ist die Spannung an Pin35 nur 30mV 
größer als an Pin7, wie du schon richtig geschrieben hast, ist die 
Schaltung tot!

von Steffen H. (avrsteffen)


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Yalu X. schrieb:
>@Steffen:
>Nur wenn es nicht zu viel Umstände macht: Könntest du mal parallel zum
>1µF-Kondensator einen zweiten der gleichen Größenrodnung parallelschal-
>ten und nachschauen, ob das die Periodendauer des Ausgangssignals ver-
>größert. Ändert sie sich nicht, müsste die Rampe abgeschnitten werden,
>bevor sie die 5V erreicht, was natürlich übel wäre.


Würde ich gerne mal tun, aber die ganze Elektronik hat zig Mechanismen 
intus die den Fehlerspeicher füttert. Deswegen will ich es lieber nicht 
probieren. Immerhin muss das Steuergerät wieder eingebaut werden. Nur 
hab ich jetzt mehr Durchblick durch euch was das Schaltungstechnische 
betrifft und will mich nicht mehr mit emensen Werkstattkosten Bei MB 
rumschlagen, nur weil die nur noch mit nem Laptop rumspielen können und 
von der Materie selber kaum Ahnung haben.

Echt Schade dass es schon soweit gekommen ist.

Allerdings habe ich vollen Respekt vor euer Wissen. Da habe ich ja wohl 
noch einiges nachzuholen. Also Hut ab.

Gruß Steffen

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