DE2346307B1 - Electrical circuit arrangement for the linear conversion of changes in capacity depending on the measurement size - Google Patents

Description

Gesteuerte Stromquellen bilden zusammen mit den Meßaufnehmerkondensatoren C1 und C2 Integratoren, Die Stromquellen sind so gestaltet, daß ihre Ströme il und i2 von gleicher Größe, aber entgegengesetztem Vorzeichen sind, wenn beide Stromquellen von derselben Steuerspannung us gesteuert werden: Die sich an den Kapazitäten C1 und C2 aufbauenden Spannungen sowie us selbst werden mittels eines Summierverstärkers SV summiert. Ausgehend vom entladenen Zustand der Kapazitäten C1 und C2, nimmt die Summenspannung (vorausgesetzt X 0) so lange ab, bis Null erreicht ist.Together with the sensor capacitors C1 and C2, controlled current sources form integrators.The current sources are designed in such a way that their currents il and i2 are of the same magnitude but opposite signs if both current sources are controlled by the same control voltage us: The voltages that build up across capacitances C1 and C2 and us itself are summed by means of a summing amplifier SV. Based on the discharged state of the capacitors C1 and C2, the total voltage increases (assuming X 0) until zero is reached.

Ein nachfolgender Komparator K schaltet in diesem Moment mittels eines Schalters S die Spannung us von der positiven Referenzspannung, U,, auf die negative Referenzspannung - U« von vorzugsweise etwa gleichem Betrag. Die auf diese Weise umgepolten Ströme i1 und i2 entladen nun C, und - und laden sie in der entgegengesetzten Richtung auf. bis wiederum U = 0 erreicht ist und its auf + U0 zurückgeschaltet wird. Diese Spannungsverläufe sind in F i g. 1 b skizziert. Ein vollständiger Zyklus der entstehenden Schwingung ist nach einer Zeit T=4 Co/2x.k abgeschlossen, so daß die Schwingfrequenz proportional zur Meßgröße ist.At this moment, a subsequent comparator K uses a switch S to switch the voltage us from the positive reference voltage, U ,, to the negative reference voltage - U «of preferably approximately the same amount. The polarity reversed in this way currents i1 and i2 now discharge C, and - and charge them in the opposite direction. until U = 0 is reached again and its is switched back to + U0. These voltage profiles are shown in FIG. 1 b outlined. A complete cycle of the resulting oscillation is completed after a time T = 4 Co / 2x.k, so that the oscillation frequency is proportional to the measurand.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der Strom i1 wird durch einen Differenzverstärker D V1 erzeugt. F i g. 3 shows an embodiment. The current i1 is through a Differential amplifier D V1 generated.

Dieser ist mit Widerständen R1a, R1, Rle und R1d so beschaltet, daß der Spannungsabfall des Ausgangsstromes an einem Widerstand R1 der Eingangsspannung proportional ist. Ein Pufferverstärker PV1 ermöglicht die Abhahme der Kondensatorspannung, ohne daß der Kondensator C1 belastet wird. Ent- sprechend besteht die Stromquelle für den Kondensator C aus einem Differenzverstärker Di mit Eingangs- und Rückkopplungswiderständen R2a, R.b, R2c, R2d und einem Strommeßwiderstand R. sowie einem Pufferverstärker PV2 Die Ausgangsspannungen von PV1 und PV2, nämlich uc1 und uc-. sowie z(s selbst werden über Summierwiderstände Rs1, Rs2 und Rst in einem mit einem Rückkopplungswiderstand Rs, geschalteten Summierverstärker Si summiert. Dessen Ausgangsspannung - u2 wird einem Komparator K zugeführt, der über einen Schalter S die Umschaltung von us besorgt.This is wired with resistors R1a, R1, Rle and R1d so that the voltage drop of the output current across a resistor R1 of the input voltage is proportional. A buffer amplifier PV1 enables the capacitor voltage to be picked up, without loading the capacitor C1. Development speaking there is the power source for the capacitor C from a differential amplifier Di with input and feedback resistors R2a, R.b, R2c, R2d and a current measuring resistor R. and a buffer amplifier PV2 The output voltages from PV1 and PV2, namely uc1 and uc-. as well as z (s itself are via summing resistors Rs1, Rs2 and Rst in one with a feedback resistor Rs, switched summing amplifier Si is summed. Whose output voltage - u2 becomes fed to a comparator K, which switches over from us via a switch S.

Eine Besonderheit stellt noch der Integrator IV dar. The integrator IV is another special feature.

Dieser konventionell mit einem Kondensator C und einem Widerstand Ri beschaltete Integrator erzeugt eine Integrationsspannung, die mit ztC1 gleichsinnig ist. Sie wird über Rs3 ebenfalls zu u# addiert. Auf diese Weise wird erreicht, daß schon bei fV= 0 eine Schwingung mit endlicher Frequenz erzeugt wird (life zero«-Effekt), so daß .Y auch negativ werden kann.This conventionally with a capacitor C and a resistor Ri connected integrator generates an integration voltage which is in the same direction as ztC1 is. It is also added to u # via Rs3. In this way it is achieved that already at fV = 0 an oscillation with a finite frequency is generated (life zero «effect), so that .Y can also be negative.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung bringt folgende Vorteile mit sich. Zunächst einmal ist der Zusammenhang zwischen Meßgröße und Frequenz linear. Parasitäre Parallelkapazitäten erzeugen Fehler von erst höherer Ordnung. Offsetspannungen sämtlicher Verstärker und auch des Komparators heben sich in den entgegengesetzten Halbzyklen der symmetrischen Schwingung selbst auf. Schließlich haben auch Veränderungen der Referenzspannungen, Uo und - Uo und damit auch Anderungen der Betriebsspannung des Umsetzers keinen Einfluß auf die Schwingfrequenz. The proposed circuit arrangement has the following advantages themselves. First of all, the relationship between the measured variable and frequency is linear. Parasitic parallel capacitances produce errors of a higher order. Offset voltages all amplifiers and also the comparator stand out in the opposite Half-cycles of the symmetrical oscillation itself. After all, you have changes too the reference voltages, Uo and - Uo and thus also changes in the operating voltage of the converter has no effect on the oscillation frequency.

Claims (7)

Patentansprüche: 1. Elektrische Schaltungsanordnung zur linearen Umwandlung meßgrößenabhängiger Kapazitätenänderungen in Frequenzänderungen, enthaltend zuei gegensinnig gesteuerte Kapazitäten und einen Frequenzgenerator, da d u r c h gek e n II-z e 1 c h n e t, daß der Generator als Dreieckoszillator ausgebildet ist, dessen Integrationsglieder aus den zwei Meßaufnehmerkapazitäten (C1, C2), gebildet sind, die aus je einer Stromquelle gegensinnig mit einem Konstantstrom (il, i2) wechselnder Polarität eingeströmt werden, und zum Polaritätswechsel ein bei bestimmten Summen der Ladespannungen der Kapazitäten umschaltender Komparator (K) vorhanden ist. Claims: 1. Electrical circuit arrangement for linear Conversion of measured variable dependent capacitance changes into frequency changes, containing zuei oppositely controlled capacitances and a frequency generator, since d u r c h gek e n II-z e 1 c h n e t that the generator is designed as a triangular oscillator is, the integration elements of which are formed from the two measuring sensor capacitances (C1, C2) are generated by a current source in opposite directions with a constant current (il, i2) alternating polarity are flowed in, and to change polarity a at certain Sums of the charging voltages of the comparator switching capacities (K) are available is. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer als Zweifach-Plattenkondensator ausgebildet ist. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the transducer is designed as a double plate capacitor. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Summierung der Ladespannungen ein Summierverstärker (SV) vorhanden ist. 3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that a summing amplifier (SV) is available for summing the charging voltages. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen steuerbar sind. 4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the current sources are controllable. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kapazitäten (C1, C2) und dem Summierverstärker (SV) Pufferverstärker (PV1, PV2) geschaltet sind. 5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that between the capacitors (C1, C2) and the summing amplifier (SV) buffer amplifiers (PV1, PV2) are switched. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquellen Differenzverstärker (dz1, D V2) vorhanden sind. 6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that differential amplifiers (dz1, D V2) are present as current sources. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine in dem Integrator(IV) erzeugte Spannung (Integrationsspannung) zur Summenspannung der Kapazitäten addiert wird. 7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that a voltage generated in the integrator (IV) (integration voltage) is added to the total voltage of the capacities. Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltungsanordnung zur; linearen Umwandlung meßgrößenabhängiger Kapazitätsänderungen in Frequenzänderungen, enthaltend zwei gegensinnig gesteuerte Kapazitäten und einen Frequenzgenerator. The invention relates to an electrical circuit arrangement to the; linear conversion of measured variable dependent capacitance changes into frequency changes, Containing two oppositely controlled capacitors and a frequency generator. Aus dem »Handbuch für Elektrisches Messen mechanischer Größen« von Christof R o h r b a c h, VDE Verlag, Düsseldorf 1967, insbesondere aus Kapitel G 10 sind Meßzellen bekannt, bei denen z. B. From the "Handbook for Electrical Measurement of Mechanical Quantities" by Christof R o h r b a c h, VDE Verlag, Düsseldorf 1967, especially from Chapter G 10 measuring cells are known in which z. B. der Plattenabstand von Plattenkondensatoren durch eine Meßgröße (Kraft, Druck usw.) verändert wird.the plate spacing of plate capacitors by a measurand (force, Pressure etc.) is changed. Diese Meßzellen weisen jedoch extrem hohe Innenwiderstände auf.However, these measuring cells have extremely high internal resistances. Weiterhin sind darin elektronische Schaltungen zur analogen Messung kapazitiver Verstimmungen angegeben. Diese haben jedoch den Nachteil, sehr empfindlich gegen Störungen und Veränderungen der Zuleitungskapazitäten zu sein. It also contains electronic circuits for analog measurement capacitive detunings indicated. However, these have the disadvantage of being very sensitive to be against disturbances and changes in the supply line capacities. Weiterhin sind daraus Schaltungen zur Umformung der kapazitiven Verstimmung in Frequenzen bekannt. Furthermore, there are circuits for reshaping the capacitive detuning known in frequencies. Aus dem Prospektblatt über den »Type 4-460 Digital Pressure Transducer« der Firma Bell & Howell ist außerdem bekannt, zwei HF-Oszillatoren mit gleicher Grundfrequenz zu verwenden, die durch zwei Teilkapazitäten des Meßaufnehmers, die durch die zu bestimmende Meßgröße gegensinnig verändert werden, in entgegengesetzter Richtung verstimmt werden. Die Differenzfrequenz wird als Meßsignal weiterverarbeitet. Dabei ergibt sich jedoch eine nichtlineare Umformungskennlinie, und außerdem ist ein exakter Temperaturgleichlauf der beiden Oszillatoren erforderlich.From the brochure about the »Type 4-460 Digital Pressure Transducer« from Bell & Howell also known to have two RF oscillators with the same To use the basic frequency, which by two partial capacitances of the measuring transducer, the are changed in opposite directions by the measured variable to be determined, in opposite directions Direction can be detuned. The difference frequency is processed further as a measuring signal. However, this results in a non-linear deformation characteristic, and also is an exact temperature synchronization of the two oscillators is required. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine lineare Umformung bewirkt und mit nur einer Oszillatorschaltung auskommt. The object of the present invention is therefore to provide a circuit arrangement to create the type mentioned, which causes a linear deformation and with only one oscillator circuit gets by. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Generator als Dreieckoszillator ausgebildet ist, dessen Integrationsglieder aus den zwei Meßaufnehmerkapazitäten gebildet sind, die aus je einer Stromquelle gegensinnig mit einem Konstantstrom wechselnder Polarität eingeströmt werden, und zum Polaritätswechsel ein bei bestimmten Summen der Ladespannungen der Kapazitäten umschaltender Komparator vorhanden ist. According to the invention, this object is achieved in that the generator is designed as a triangular oscillator, the integration elements of which consist of the two measuring transducer capacitances are formed, each from a current source in opposite directions with a constant current alternating polarity are flowed in, and to change polarity a at certain Sum of the charging voltages of the comparator switching capacities is present. An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigt F i g. 1 ein Prinzipschaltbild mit zugehörigen Spannungsdiagrammen und F i g. 2 ein ausführliches Schaltungsbeispiel. An exemplary embodiment of the invention is illustrated with the aid of the drawing described in more detail. In it, F i g. 1 is a block diagram with associated voltage diagrams and F i g. 2 shows a detailed circuit example. C1 und C seien die Kapazitäten eines Meßaufnehmers, der als Zweifach-Plattenkondensator ausgebildet ist. Eine Meßgröße X verändere den Plattenabstand der beiden Kondensatoren entgegengesetzt und linear, so daß worin C0 die Ruhekapazität beider Kondensatoren ist.C1 and C are the capacitances of a measuring transducer, which is designed as a double plate capacitor. A measured variable X changes the plate spacing of the two capacitors in an opposite and linear manner, so that where C0 is the quiescent capacitance of both capacitors.