DE2209770A1 - Schaltungsanordnung zur umwandlung einer widerstandsaenderung in eine frequenzaenderung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur umwandlung einer widerstandsaenderung in eine frequenzaenderung

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Description

Philips Patentverwaltung GmbH, Hamburg 1, Steindamm 94
Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Widerstandsänderung in eine Frequenzänderung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung der Widerstandsänderung eines Meßwertaufnehmers mit exponentieller Kennlinie des Widerstandswertes in Abhängigkeit vom Meßwert in eine dem Meßwert proportionale Frequenzänderung eines Oszillators.
Derartige Meßwertßufnehmer sind z.B. !Demperaturaufnelimer mit NTC-Widerstand en oder Halbleiter einlcristall-WiderstandsterKiometer. Die Berücksichtigung solcher exponentieller Kennlinien kann für die Anzeige durch entsprechende Skalen erfolgen. Damit sind jedoch spezielle Skalen notwendig, miü. außerdem ist damit keine linearisierung des elektrischen Signals möglich Dies kann zwar mit besonderen nichtlinearen elektriseilen Nets-= werken erfolgen, bei denen z.B. die exponentieile Strom- Spannungs-CharakteriBtik einer oder mehrerer Halbleiterdioden ausgenutzt wird. Eine gute Genauigkeit ist damit jedoch nur
PHD 72-020 Po/s. 309836/0717
unter hohem Aufwand zu erreichen, insbesondere erfordert die Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinien aufwendige Kompensationsmaßnahmen.
Es ist auch schon eine Schaltung angegeben worden, die die exponentielle Entladekennlinie eines RC-Gliedes ausnutzt, um einen Impuls zu erzeugen, dessen Dauer dem Logarithmus einer Eingangsspannung proportional ist. Damit kann jedoch kein
kontinuierliches Auscanffssicnal erzeugt werden.Außerdem ist damit eine gerade für die Tnjfeperaturmessung zusätzlich erforderliche Rezi
prokwertbildung nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit einem Oszillator anzugeben, dessen Frequenz logarithmisch von dem Widerstandswert eines Meßwertaufnehmers abhängt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Meßwertaufnehmer, drei ohmsche Widerstände und ein Kondensator eine Brückenschaltung derart bilden, daß der Meßwertaufnehmer und eine Serienschaltung aus dem Kondensator und einem der Widerstände jeweils eines der beiden mit einem der,BrückeneingangsLitimmen verbundenen Brückenelemente bilden, und daß die Brückeneingangsklemmen mit den Ausgangsklemmen des Komparators sowie die Brückenausgangsklemmen mit den Eingangsklemmen dieses Komparators so verbunden sind, daß die Schaltungsanordnung selbstschwingend ist. Auf diese Weise entsteht ein Relaxationsoszillator, dessen Frequenz im Prinzip nur von den Parametern linearer passiver Bauelemente abhängt, die sehr viel stabiler sein könne als diejenigen nichtlinearer sowie aktiver Bauelemente,, wie z.B. Dioden und Transistoren. Auf diese Weise kann mit wenig Aufwand ein quasi
- 3 309836/0717
kontinuierliches Ausgangssignal hoher Genauigkeit erreicht werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, daß diese frequenzanaloge Meßwertdarstellung eine Übertragung über galvanische und kapazitive Trennstellen sehr vereinfacht. Diese sind insbesondere in der Prozeßmeßtechnik (Explosionsschutz) und in der Medizinelektronik notwendig.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur erläutert, die ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt.
In der Figur bildet die Reihenschaltung aus dem Wideretands-Meßwertaufnehmer R. und dem festen Widerstand Rg den einen Brückenzweig 7 der zwischen den Brückeneingangsklemmen a und b liegt. Den zweiten Brückenzweig bilden die Reihenschaltung zweier fester Widerstände R,, und R- sowie eines Kondensators C, wobei der Kondensator an derselben Brückeneingangsklemme b angeschlossen ist wie der Meßwertaufnehmer R... Die Brückenausgangsklemmen c und d bilden die Zusammenschaltpunkte jeweils der Widerstände R2 und R^ sowie der Widerstände R, und R5.
Diese Brückenausgongsklemmen sind mit den Eingangskiemirien eines Komparators K verbunden, dessen Ausgangsklemmen mit den Eingangsklommen e und b der Brückenschaltung verbunden sind.
- 4 309836/0717
Dieser Komparator K wechselt die Polarität der Ausgangsspannung U., wenn die Spannung an seinen Eingangsklemmen durch Null geht und das Vorzeichen wechselt. Die Verbindungen zwischen der Brückenschaltung und dem Komparator sind so vorgenommen, daß eine selbstschwingende Schaltung entsteht, d.h. die Brücke stellt eine mitkoppelnde Rückkopplung für den Komparator dar.
Es sei zunächst angenommen, daß die Ausgangsspannung des Komparators eine sdche Polarität habe, daß die Brückeneingangsklemme a positiv gegenüber der Brückeneingangsklemme b ist. Der Kondensator C möge ganz entladen sein. Durch entsprechende Dimensionierung der Werte der Widerstände R,. bis R. kann erreicht werden, daß die Brückenausgangsklemme c positiver ist als die Brückenausgangsklemme d. Dazu werden zweckmäßig die Werte der beiden Widerstände R, und R, gleich gewählt, und der Wert des Widerstandes R2 wird größer gewählt als der des Meßwertaufnehmers im zu messenden Temperaturbereich. Der Kondensator C wird nun über die Widerstände R* und Rj aufgeladen, so daß die Spannung am Brückenpünkt d immer positiver wird. Sobald diese Spannung so positiv wird, daß die Brückenausgangsspannung, d.h. die Spannung tfg zwischen den Punkten C und D durch Null geht und das Vorzeichen wechselt, kehrt sich die Polarität der Ausgangsspannung U. am Komparator um. Da der Kondensator C positiv aufgeladen war, ist nun die Spannung am Brückenpunkt c wesentlich negativer als die am Punkt d. Der Kondensator C wird nun wieder über die
309836/0717 " 5 "
Widerstände R, und R. negativ aufgeladen, bis die Brückenausgangsspannung U-g wieder durch Null geht. Auf diese Weise wirkt die Schaltungsanordnung als Relaxationsoszillator, des sen Frequenz sowohl von den absoluten Werten der Widerstände R~ und Ri sowie des Kondensators O wie auch von dem Verhältnis der Widerstandswerte R1 und R2 abhängt.
Eine genaue Berechnung der vollständigen Schwingungsperiode Tq des Oszillators ergibt, wenn R~ = R, ist, folgenden Ausdruck:
T0 = 4 R5 C in ^
Bei einem Widerstandstermometer, das auf der Abhängigkeit der Eigenleitfähigkeit von der absoluten Temperatur !E "bei Halbleitermaterialien basiert, ist die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur
-v/m
R1 = R0 e /A jR0, k = konst.
Diese Charakteristik wird besonders bei Widerstandstermometern aus hochreinen einkristallinen Halbleitern sehr gut eingehalten. Aus den beiden Gleichungen ergibt sich, daß die Ossil™ latorfrequenz fQ der absoluten Temperatur proportional wird, wenn R2 = R0 ist:
f/x «
Ό - ""■ 4R3 C k
Abweichungen von der idealen Kennlinie, z.B. zur Korrektur von kleinen Abweichungen der Kennlinie des Meßwertaufnehmers
- 6 309836/0717
von dem idealen exponentiellen Verhalten, können durch Ungleichheit der Widerstände R, und R. bzw. Rg und RQ erzielt werden. Ebenso kann die endliche Schaltzeit des Komparators kompensiert werden.
Zur Weiterverarbeitung kann die Ausgangsfrequenz fQ des Oszillators einem Frequenz-Spannungs-Konverter zugeleitet werden, der z.B. in bekannter Weise durch Erzeugen von Impulsen konstanter Spannungszeitfläche und durch Mittelwertbildung dieser Impulse über ein Siebglied eine frequenzproportionale Spannung erzeugt. Auch eine Digitalisierung der Frequenz f^ ist durch die Anwendung von Impulszählern leicht möglich. Dies geschieht dadurch, daß einem in der Nullstellung stehenden Zähler die Impulse des Oszillators für eine bestimmte Zeitdauer zugeführt werden, so daß die Zählerstellung am Ende dieser Zeitdauer ein Maß für den Meßwert i^t, der z.B. bei Verwendung eines üblichen BinärZählers gleich kodiert vorliegt.
Eine Modifikation macht die Schaltung für sehr kleine relative Änderungen der Eingangsgröße, z.B. der Temperatur Q), näherungsweise linearjempfindlich. Wenn R« größer als R« gewählt und so dimensioniert wird, daß
In R2/R0 = k/T0
ist, so wird mit
309836/0717
— J-/-» — Λ X
die Periodendauer
η k ΔΤ
O O
Die Periodendauer tq kann mit ähnlichen Mitteln wie die Frequenz gemessen werden.
In dem Ausführungsbeispiel ist ein Komparator mit zwei Ausgangsklemmen angenommen, bei dem abhängig vom Eingangssignal die Polarität der Spannung zwischen diesen Ausgangsklemmen wechselt. Es sind jedoch auch Komparatoren mit einer Ausgangsklemme vorhanden, bei denen die Spannung an dieser Ausgangsklemme abhängig vom Wert der beiden Eingangsspannungen zwischen zwei festen Spannungswerten hin- und herschaltet. In diesem Pail kann z.B. die obere Brückeneingangsklemme a mit dieser Ausgangsklemme verbunden werden, während die untere Brückeneingangsklemme b mit einer festen Spannung verbunden wird, die gleich dem Mittelwert der beiden Ausgangsspannungswerte ist, um eine symmetrische Ausgangsspannung zu erhalten.
Pa terrfcfmsprüche: 309836/0717 *~~" —

Claims (3)

  1. Patentansprüche:
    (i·/ Schaltungsanordnung zur Umwandlung der Widerstandsänderung eines Meßwertaufnehmers mit exponentieller Kennlinie des Widerstandswertes in Abhängigkeit vom Meßwert in eine dem Meßwert proportionale Frequenzänderung eines Oszillators, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (R..), 3 ohmsche Widerstände (R21 R* und R,) und ein Kondensator (C) eine Brückenschaltung derart bilden, daß der Meßwertaufnehmer (R1) und eine Serienschaltung aus dem Kondensator (C) und einen der Widerstände (R,) jeweils eines der beiden mit einer der Brückeneingangskiemmen (b) verbundenen Brückenelemente bilden, und daß die Brückeneingsng klemmen (a, b) mit den Ausgangsklemmen eines Komparators (K) sowie die Brückenausgangsklemmen (c, d) mit den Eingangsklemmen dieses Komparators (K) so verbunden sind, dnß die Schaltungsanordnung selbstschwingend ist.
  2. 2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß an den Ausgangsklemmen des Komparators (K) ein Impulsformer mit nachfolgendem Siebglied angeschlossen ist und daß die an dem Siebglied entstehende Gleichspannung ein Maß für den Meßwert ist.
  3. 3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, daduirh gekennzeichnet, daß an den Ausgangsklemmen des Komparators (K) ein Zähler angeschlossen ist und die während einer vorgegebenen Zeitdauer von der Nullstellung aus erreichte Zählerstellung ein Maß für den Meßwert ist. 309838/0717
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