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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen
langsamer und kleiner Änderungen
elektrischer Signale inklusive des Vorzeichens der Änderungen.
Unter dem Ausdruck "elektrische
Signale" werden
eine Gleichspannung oder Größen verstanden,
die durch die Messung von Gleichspannungen dargestellt werden können, solche
Größen sind
beispielsweise Ausgangssignale von Strom- oder Temperatursensoren.
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Gleichspannungen
können
im allgemeinen mit einer benötigten
Genauigkeit gemessen werden. Es gibt jedoch spezielle Messaufgaben,
bei denen Änderungen
exakt erfasst werden sollen, die verglichen mit dem Pegel der Gleichspannung
sehr gering sind, beispielsweise das 10–3-fache
oder 10–4-fache des
DC-Pegels, und wobei solche Änderungen
langsam stattfinden, beispielsweise während einiger Stunden. Die
Schwierigkeit der Aufgabe nimmt zu, wenn das Auftreten solcher langsamen Änderungen sehr
schnell erfasst werden soll, d. h. in weniger als einigen Minuten,
und die Erfassungszeit könnte
in der Größenordnung
von 10 Sekunden liegen. Im Falle solcher Erfassungsaufgaben können herkömmliche
Verfahren zum Messen von Spannungen nicht eingesetzt werden, da
das Nutzsignal nicht höher
ist als die Genauigkeit der Messungen.
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Normalerweise
ist solch eine Aufgabe die Ermittlung des Zeitpunktes des Endes
des Ladens im Falle des Batterieladens. Insbesondere sollte der
Ladeprozess, wenn die Batterie intensiv mit einem hohen Ladestrom
geladen wird, beendet werden, sobald der Vollladezustand erreicht
worden ist, ansonsten könnte
die Batterie einen irreversiblen Schaden erleiden. Das Ende des
Ladens wird oft durch eine sehr geringe Änderung der Batteriespannung
angezeigt, wobei die Änderung
unterhalb von 1 mV liegen kann, oder solch ein Anzeichen kann das
Ende einer ähnlich
kleinen Verringerung der Batteriespannung sein.
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In
der Broschüre
der Motorola Inc. SG 73/D, Rev. 17, 1998 der „Master Selection Guide"-Serie wird ein integrierter
Batterieladegeräte-Schaltkreistyp
MC 33340P beschrieben, der die Verringerung der Batteriespannung
mit einer Empfindlichkeit von 4 mV erfassen kann. Die erforderliche
Genauigkeit ist viel höher
als dieser Wert, und es genügt
nicht, nur die Verrirgerung der Spannung zu erfassen, sondern die
Tendenz der Änderung
muss ebenso bestimmt werden. Die Tendenz bedeutet die Erfassung,
ob sich das Signal um einen vorbestimmten Wert verringert hat, ob
es sich zumindest um diesen Wert erhöht hat, oder ob es unverändert geblieben
ist, d.h. ob die Schwankungen den vorbestimmten Pegel nicht überschritten
haben.
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Das
US-Patent 4,137,493 beschreibt eine Erfassungsschaltung zum Erfassen
von Änderungen beim
Pegel einer DC-Spannung, die zum Steuern des Lade-Endzeitpunktes
eines Batterieladegerätes verwendet
wird. Bei diesem Detektor wird ein Kondensator in Abtastperioden
auf die DC-Spannung geladen, und in jeder Abtastperiode wird, wenn
sich der DC-Spannungspegel seit der vorherigen Periode geändert hat,
ein Lade- oder Entladestrom verursacht, der durch die Ausgangsleitung
des Kondensators fließt,
bis der Kondensator den neuen DC-Wert angenommen hat. Die am Widerstand
aufgrund des Transientenstroms anliegende Spannung wird überwacht und
mit einer Referenzspannung verglichen. Die Genauigkeit dieses Detektors
ist durch den nicht kompensierten DC-Offset der angewendeten Schaltung begrenzt.
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Im
Falle sehr kleiner Spannungssignal-Änderungen ist kein Typ zuverlässiger und
genauer Einrichtungen verfügbar,
die in der Lage sind, die Steilheit der Änderungen oder das Bestehenbleiben
eines unveränderten
Signalzustands zu erfassen. Die Kenntnis solcher Parameter wäre jedoch
auf mehreren Gebieten der Technik wünschenswert.
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Im
Fall, in dem das zu überwachende
Signal nicht durch eine Gleichspannung, sondern durch eine Größe gebildet
wird, die periodisch wiederholt wird, wie Impulse, wird das Erfassungsproblem schwieriger,
da keine Spitzenwert-Erfassungseinrichtung bekannt ist, die einen
Gleichstrom-Pegel
von dem pulsierenden elektrischen Signal mit der erforderlichen
Genauigkeit erzeugen könnte.
Die für
die Erfassung verwendeten nichtlinearen Komponenten weisen temperaturabhängige Eigenschaften
auf die oft schwanken, und die Gleichstrom-Signalverarbeitung weist sowohl Offset-
als auch Abweichungsfehler auf. Diese Nebeneffekte werden nicht
mehr unbedeutend sein, wenn solche Signaländerungen ermittelt werden
müssen,
die um Größenordnungen
unterhalb des Signalpegels liegen.
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Ein
Spitzenwert-Detektor ist im DDR-Patent 101 998 beschrieben, wobei
die Eingangs-AC-Spannung
gleichgerichtet und gefiltert wird. Diese DC-Spannung wird dann
abgetastet, und ein Kondensator wird geladen. Die Abtastimpulse
werden mittels Bildens des ersten und zweiten Differentialquotienten-Signals
der gleichgerichteten Spannung gebildet, und die Schaltung ist befähigt, jeweils
ein einzelnes Maximum zu erfassen. Die Genauigkeit ist durch die
Kürze der
Abtastimpulse und durch die Tatsache herabgesetzt, dass die gleichgerichtete
Spannung eine wesentliche DC-Komponente aufweist, die die Verarbeitung
erschwert.
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Das
Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen,
die sowohl die sichere Erfassung der langsamen und kleinen Änderungen
einer Gleichspannung als auch die Erfassung der Tendenz der Änderungen
ermöglichen,
wobei die Änderungen
um drei Dezimal-Größenordnungen kleiner
in Bezug auf die Größenordnung
der DC-Pegel sind, und das bzw. die ein Schaltungsdesign aufweist,
das bzw. die die Massenproduktion vereinfacht.
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Dieses
Ziel ist mittels der Lösung
erreicht worden, wie in den angehängten Ansprüchen definiert.
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Die
Erfindung wird jetzt in Verbindung mit deren bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben, worin auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen
wird. In der Zeichnung:
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ist 1 ein
vereinfachter Schaltplan einer beispielhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Erfassungsschaltung;
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zeigt 2 die
Formen der Impulse des Pulsgenerators 5 9; und
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zeigen 3a bis 3k die
Zeitdiagramme der Signale, die an einer gewissen Anzahl charakteristischer
Stellen der Erfassungsschaltung gemessen werden können.
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In
der in 1 gezeigten Schaltung ist das zu überwachende
Signal eine Gleichspannung, und deren Leitung ist mit dem Eingangsanschluss 1 gekoppelt.
Ein gesteuerter Schalter 2, realisiert mittels eines Kontaktes
des Relais' 10 oder
mittels eines hochqualitativen elektronischen Schalters, ist mit dem
Eingangsanschluss 1 in Serie geschaltet. Die andere Leitung
des Schalters 2 ist mit einem Anschluss eines Kondensators 3 mit
Präzisionsdesign gekoppelt,
und der andere Anschluss ist mit einem Widerstand 4 und
mit einem positiven Eingang eines gesteuerten Verstärkers 5 gekoppelt,
der eine Rückkopplungsschleife
aufweist. Der Ausgang des gesteuerten Verstärkers 5 ist mittels
eines Zweigs mit seinem eigenen, negativen Eingang gekoppelt, wobei
der Zweig ein Potentiometer 6 und eine RC-Einheit aufweist,
die ferner mit dem negativen Eingang gekoppelt ist. Das Potentiometer 6 ist
zum Einstellen der Verstärkung
eingerichtet. Wenn ein kurzer einpolarer Spannungsimpuls auf den
positiven Eingang des gesteuerten Verstärkers 5 aufgeschaltet
wird, und er klingt ab, erscheint durch den Effekt der Rückkopplung
ein Halbwellen-Impuls am Ausgang, der eine inverse Phase in Bezug
auf den Impuls am Eingang aufweist.
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Der
Ausgang des gesteuerten Verstärkers 5 ist
mit dem Signaleingang eines Fenster-Komparators 7 gekoppelt.
Die Breite des Fensters für
den Vergleich kann eingestellt werden, zu diesem Zweck werden zwei
stabilisierte Spannungen +UR und –UR verwendet, und ihre Pegel können mittels
Schaltungen geändert
werden, die nicht in 1 gezeigt sind. Ein Potentiometer 12 wird
verwendet, um das Gleichstrom-Fenster derart einzustellen, dass
es symmetrisch in Bezug auf den DC-Pegel an dem Signaleingang ist. Der
Fenster-Komparator 7 weist zwei Ausgänge auf, bei denen ein Signal
an dem Ausgang erscheint, der in der Richtung liegt, in der die
Signalspannung die eingestellte Spannungsgrenze 5 kreuzt.
Die Ausgänge
des Fenster-Komparators 7 sind mittels entsprechender UND-Gatter 13 und 14 gekoppelt,
um Eingänge
entsprechender bistabiler Einheiten 8a und 8b zu
beschreiben. Die zweiten Eingänge
der UND-Gatter 13, 14 sind mit dem invertierten
Ausgang der anderen bistabilen Einheit 8b und 8a gekoppelt,
und die Verwendung dieser Gatter hat eine stabilisierende Wirkung
auf den Betrieb.
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Der
gemeinsame Aktivierungseingang der bistabilen Einheiten 8a und 8b ist
mit dem Ausgang eines Pulsgenerators 9 gekoppelt, und dieser
Ausgang steuert sowohl das Relais 10, das den Schalter 2 aufweist,
als auch mittels eines Inverters 16 den dynamischen Eingang
von zwei weiteren bistabilen Einheiten 11a und 11b.
Schreibeingänge
der bistabilen Einheiten 11a und 11b sind mit
den Ausgängen
Q der ersten zwei bistabilen Einheiten 8a und 8b gekoppelt. Die
Ausgänge
Q der zwei zweiten bistabilen Einheiten 11a und 11b bilden
die Ausgänge
a und b der Vorrichtung. Ein dritter Ausgang c ist mit dem Ausgang eines
UND-Gatters 15 gekoppelt, das mit den invertierten Ausgängen der
zweiten bistabilen Einheiten 11a und 11b gekoppelte
Eingänge
aufweist.
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Der
Betrieb der Spannungs-Erfassensvorrichtung gemäß der Erfindung ist wie folgt:
Das überwachte
Gerät,
beispielsweise eine Batterie, ist direkt mit dem Eingangsanschluss 1 gekoppelt. Der
Pulsgenerator 9 erzeugt Impulse mit vorbestimmter Wiederholungsfrequenz
und mit gegebener Dauer. Bei der beispielhaften Ausführungsform
beträgt
die Dauer der Impulse zwischen etwa 100 und 500 ms, und die Periodenzeit
der Impulse kann zwischen etwa 1 s und 3 min eingestellt werden. 2 zeigt
die Form der Impulse des Pulsgenerators 9. Die gleichen
Impulse können
in 3a gesehen werden, jedoch mit einer
anderen Zeitskala.
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Für die Dauer
der Impulse ist der Schalter 2 geschlossen und koppelt
den Eingangsanschluss 1 mit dem Kondensator 3.
Bevor der Schalter 2 geschlossen wurde, war die Spannung
an dem Kondensator 3 gleich der Spannung, die an dem Eingangsanschluss
während
des Endes des vorherigen Impulses anlag. Dies ist infolge der Tatsache,
dass durch das Ende des geschlossenen Zustands des Schalters 2 der
Kondensator 3 auf 5 die an dem Eingangsanschluss 1 anliegende
Spannung geladen wird. Im Fall, wenn sich diese Spannung verglichen
mit dem während
des letzten Impulses angenommenen Wert geändert hat, wird der Kondensator 3 auf
diesen neuen Spannungswert geladen oder entladen, und sein Lade-
oder Entladestrom erzeugt an dem Widerstand 4 einen abfallenden
positiven oder negativen Spannungsimpuls.
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Wenn
sich die Spannung seit dem letzten Taktimpuls erhöht hat,
dann erzeugt der Ladestrom-Störimpuls
ein Ausgangssignal, das in positiver Richtung t und dann auf Null
abfällt.
Dieses Ausgangssignal ist in 3b gezeigt.
Der Ladeprozess des Kondensators der RC-Einheit im Rückkopplungszweig
erzeugt einen Störimpuls
mit einem entgegengesetzten Vorzeichen, und die Spannung des Ausgangssignals
ist, wie in 3c gezeigt. Der DC-Durchschnitt
dieses Ausgangssignals wird Null sein. Es ist bevorzugt, dass, wenn
die Zeitkonstanten der zwei anschließenden auftretenden Störimpulse gewählt werden,
sie fast gleich sind, da dies das Signal fast symmetrisch macht,
das die zwei Halbwellen aufweist. Die Verwendung der zweiten Halbwelle
ist bedeutsam vom Standpunkt der langfristigen Stabilität der DC-Komponente
des Ausgangssignals aus. Der gesteuerte Verstärker 5 weist eine
besonders hohe Eingangimpedanz auf, weshalb die dadurch repräsentierte
Last vernchlässigbar
niedrig ist und die Spannung des Kondensators 3 innerhalb
der Abtastperiode nicht ändern
kann.
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Wenn
am Eingangsanschluss eine Spannungsverminderung relativ zu dem vorherigen
Zustand stattfindet, dann wird der Kondensator 3 auf den
neuen, verminderten Pegel entladen. Nun weist der Entladestrom ein
umgekehrtes Vorzeichen in Bezug auf das Vorzeichen des Ladestroms
im vorherigen Fall auf weshalb ein negativer Impuls an dem Widerstand 4 in
Bezug auf die Erdung erscheint. An dem Ausgang des gesteuerten Verstärkers 5 erscheint
ein Vollwellen-Spannungsimpuls, der mit einer negativen Halbwelle
beginnt.
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Die
Dauer des in 2a gezeigten Abtastimpulses
ist länger
als die Zeitkonstante der RC-Einheit,
bestehend aus dem Kondensator 3 und dem Widerstand 4,
weshalb bis zum Ende des Impulses der Lade- oder Entlade-Störimpuls
beendet sein wird. Wenn sich der Schalter 2 öffnet, hält der Kondensator 3 seine
Spannung, und wegen seines Genauigkeitsdesigns wird diese Spannung
exakt bis zum nächsten
Impuls beibehalten. Das Verhältnis
der Periodendauer und der Abtastzeit ist wesentlich höher als
die von 2 ableitbare, die eine verzerrte
Skala hat.
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Wie
beschrieben, verursacht die Spannungsänderung des Eingangssignals
in einer Abtastperiode eine Spannungswelle an dem Ausgang des gesteuerten
Verstärkers 5.
Abhängig
von der Tatsache, ob sich die Eingangsspannung erhöht oder
verringert hat, beginnt diese Spannungswelle mit einer positiven
oder negativen Halbwelle. Die Breite des Spannungsfensters des Fenster-Komparators 7 wird mittels
der Vergleichs-Schwellenspannungen +UK und –UK derart eingestellt, dass sie wesentlich
kleiner sind als die Amplitude dieser Welle. Das Vergleichsfenster
sollte symmetrisch zur Ausgabe des DC-Pegels des gesteuerten Verstärkers 5 sein,
und die Symmetrie kann mittels des Potentiometers 12 eingestellt
werden. 3c zeigt, dass die positive Schwelle
der Vergleichsspannung +UK in der ersten Halbperiode
der Vollwelle zweimal von der Spannung gekreuzt wird, die dem Signaleingang
des Komparators 7 in der ersten Halbperiode der Vollwelle
zugeführt
worden ist. Gemäß dieser
Tatsache wird an dem oberen Ausgang des Komparators 7,
die dem oberen (positiven) Kreuzen des Schwellwertes zugeordnet ist,
ein wie in 3d gezeigter Impuls auftreten.
In der zweiten Halbperiode kreuzt das Spannungssignal zweimal die
niedrigere (negative) Schwelle der Vergleichsspannung –UK, und zu dieser Zeit tritt ein in 3e gezeigter Impuls an dem unteren Ausgang des
Komparators auf, der dem Durchkreuzen des unteren Schwellwertes
zugeordnet ist.
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Die
bistabilen Einheiten 8a und 8b werden mittels
eines ansteigenden 0–1
Sprungs des Taktimpulses zurückgesetzt,
weshalb beide von ihnen einen logischen Wert 1 an ihren invertierten
Ausgängen und
einen Wert 0 an den nicht-invertierten Ausgängen aufweisen. Die UND-Gatter 13 und 14 sind
mittels der invertierten Ausgänge
der jeweils anderen des Paares bistabiler Einheiten verknüpft. Am
Anfang des Taktimpulses befinden sich die invertierten Ausgänge beider
5 bistabiler Einheiten 8a und 8b im 1-Zustand,
das Schreiben in beide bistabile Einheiten ist möglich. In dem beispielhaften
Fall hat sich das Signal an dem Eingangsanschluss geändert, nämlich erhöht, was
zur Folge hat, dass die Welle mit einer positiven Halbperiode beginnt.
Als ein Ergebnis davon tritt ein Impuls zunächst an dem oberen Ausgang des
Komparators 7 ( 3d) auf und
der Wert 1 wird in die bistabile Einheit 8a geschrieben. 3f zeigt den Zustand des UND-Gatters 13,
und 3g zeigt den Zustand des UND-Gatters 14. 3h zeigt den logischen Wert der bistabilen
Einheit 8a, und 3i zeigt
den der bistabilen Einheit 8b. Wenn die Spannung an dem
Ausgang des gesteuerten Verstärkers 5 in
die zweite Halbperiode des Wellensignals eintritt und ein Impuls
an dem unteren Ausgang des Komparators 7 auftritt ( 3e), ist kein Schreiben in die bistabile
Einheit 8b erlaubt. Dies ist so, weil sich der invertierte
Ausgang der anderen bistabilen Einheit 8a im 0-Zustand
befindet, der den Durchgang durch das UND-Gatter 14 verhindert.
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Am
Ende des Abtast-Taktimpulses reagieren die bistabilen Einheiten 11a und 11b auf
die abfallende Flanke des Impulses und speichern die momentanen
Zustände
der anderen bistabilen Einheiten 8a und 8b, und
diese werden bis zum Ende der nächsten
Periode gehalten. Die bistabile Einheit 11a speichert den "Eins"-Zustand (3j), und die bistabile Einheit 11b speichert
den "Null"-Zustand (3k). Aus
diesem Prinzip folgt, dass ein Signal an dem Ausgang a auftritt,
wenn sich die Spannung an dem Eingangsanschluss in Bezug auf den
während
des vorherigen Abtastimpulses aufgenommenen Wert erhöht. Am Ausgang
b liegt ein Signal an, wenn sich die Eingangsspannung verringert
hat, und schließlich liegt
am Ausgang c ein Signal an, wenn sich die Eingangsspannung nicht
geändert
hat, d.h. sie ist innerhalb der Empfindlichkeitsschwelle der Vorrichtung verblieben.
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Die
Spannungsänderungsrate
an dem Eingangsanschluss 1 ist praktisch für ein breites
Spektrum von Anwendungen bedeutsam. Die Empfindlichkeit der Messung
der Änderungsrate
kann innerhalb eines breiten Spektrums durch das Ändern der Periodendauer
der Abtastimpulse eingestellt werden. Bei einer gegebenen Konfiguration
weist die Schaltung eine vorbestimmte Empfindlichkeitsschwelle auf.
Diese kann beispielsweise 1 mV betragen. Wenn die Periodendauer
der Abtastung mit 1 min gewählt wird,
dann beträgt
die Empfindlichkeit der Änderungsrate
1 mV/min, allerdings kommen in diesem Fall die Daten, die die neuen
Zustände
darstellen, mit einer Periodizität
von 1 min an. Wenn die Aufgabe durch die Ermittlung des Zeitpunktes
des Endes des Ladens einer Batterie gebildet wird und diese Bedingung
dann mit der Tatsache im Zusammenhang steht, wenn sich die früher ändernde
Batteriespannung stabilisiert oder konstant ist, dann ist die Empfindlichkeit
mit 1 mV/min sehr hoch. Solch eine Bedingung kann auf normale Lade-Aufgaben
angewendet werden. Im Fall schneller Ladegeräte kann der Ladestrom so hoch
sein, dass sich das 1 min-Intervall zwischen zwei anschließenden Erfassungen
als zu groß erweist,
da eine Überladung,
die bis zu 1 min dauern kann, die Lebensdauer der Batterie vermindern
kann. In diesem Fall sollte die Abtastperiode verkürzt werden,
wodurch die Empfindlichkeit für
das Ende des Ladens kleiner sein wird, aber gleichzeitig wird die
Gefahr, die Batterie zu überladen,
praktisch beseitigt. Die Tatsache, dass der Ladeprozess auf einem
Pegel geringfügig
unterhalb des Volllade-Zustands beendet wird, hat bei schnellen
Ladegeräten keine
Bedeutung.
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Die
Lösung
gemäß der Erfindung
kann daher mit einer hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit entscheiden,
ob sich die Spannung an dem Eingangsanschluss erhöht oder
verringert hat, bzw. ob sie unverändert geblieben ist in Bezug
auf einen früheren Wert.
Diese Information hat eine besondere Bedeutung beim Liefern eines
Lade-Endesignals im Falle des Ladens von Batterien.
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Die
in 1 gezeigte Schaltung kann lediglich die Änderung
von Spannungssignalen ermitteln. Auf mehreren Gebieten der Technik
gibt es zahlreiche Aufgaben, bei denen die Änderung von anderen Charakteristika,
wie Temperatur oder Strom, erfasst werden muss. Im Fall, wenn der
geprüfte
Parameter eine Spannung ist, oder wenn er einfach in ein Spannungssignal
umgewandelt werden kann, wie im Fall des Erfassens von Temperaturwerten,
kann die Schaltung, wie in 1 gezeigt,
ohne Änderung
verwendet werden. Jedoch im Fall, wenn das geprüfte Merkmal durch den Spitzenwert
einer pulsierenden Signalsequenz repräsentiert wird, ist die Situation nicht
mehr so einfach, da der herkömmliche
Weg der Spitzenwert-Erfassung mit Offsetfehlern einhergeht, die
größer sind
als die erforderliche Empfindlichkeit. Solch eine 10 Spitzenwert-Erfassungsaufgabe
kann bei solchen Lade-Prozessen
von Batterien gefunden werden, bei denen die Änderung des Ladestroms erfasst
werden soll oder der Moment bekannt sein soll, wenn sich die Spitzenwerte
stabilisiert haben.
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Der
Ladestrom wird von einem pulsierenden Gleichstrom gebildet, wobei
das Pulsieren in eine Spannungsimpuls-Sequenz mittels eines herkömmlichen
Strom-Spannung-Wandlers umgewandelt werden kann.