DE2819516A1 - Kapazitaets-spannungswandler - Google Patents

Kapazitaets-spannungswandler

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DE2819516A1
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capacitance
capacitor
variable capacitor
variable
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DE19782819516
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English (en)
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Allen A Bukosky
Paul Peter Monroe
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Bunker Ramo Corp
Original Assignee
Bunker Ramo Corp
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
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Description

PAT E .NiTAN WA LTE
A. GRUNECKER
QPL-ING
H. KINKELDEY
tXt-ING.
W. STOCKMAIR
DRING. · AeE iCALTECH)
K. SCHUMANN
DR R£ft MCT. D»Fl. -PHYS.
P- H. JAKOB
DlPL-(NG
G. BEZOLD
DR R£R ISWX OrL-CHEM.
BUIiKER RAMO CORPORATION 900 Commerce Drive Oak Brook, Illinois USA
8 MÜNCHEN 22
MAXlMIt-IANSTRASSE -S-3
5. Mai 1978 P 12 610
Kapazitäts-Spannungswandler
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für die Anzeige von Kapazitätsänderungen und betrifft
insbesondere eine Kapazitäts-Spannungswandleranordnung
zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, deren Größe den
Änderungen einer Kapazität direkt proportional ist.
Es gibt zahlreiche Fälle, in denen die Ermittlung von
Änderungen einer Kapazität wünschenswert oder gar notwendig ist. Beispielsweise für die Messung von Flüssig-
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TELEFON (OSB) Sa SB 63 TELEX OB-SB 38O TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER
keitsständen werden zwei Platten so in eine Flüssigkeit eingetaucht, daß sich die Kapazität zwischen den Platten in Abhängigkeit von der Standhöhe der Flüssigkeit zwischen den Platten ändert. Die Standhöhe der Flüssigkeit läßt sich dabei somit anhand der Kapazität zwischen den beiden Platten ermitteln.
In einem anderen Beispiel, nämlich bei Druckmeßsystemen, finden Druck-Kapazitätswandler verbreitet Anwendung, bei denen sich die Kapazität proportional den Änderungen des Drucks ändert. Anhand der jeweiligen Kapazität läßt sich daher der jeweilige Druck ermitteln.
Dies sind lediglich zwei Beispiele für die zahlreichen Fälle, in denen Informationen durch Kapazitätsänderungen dargestellt werden. Zum Auswerten derartiger Informationen muß die jeweilige Kapazität in eine geeignete Form umgewandelt werden, beispielsweise in eine Spannung, deren Größe in direkter Beziehung zu Änderungen der Kapazität steht. Die Spannung kann dann an ein Meßgerät od. dergl. gelegt werden, an welchem dann der absolute Wert der Kapazität oder absolute oder relative Änderungen der Kapazität abgelesen werden können.
Für die Erzeugung einer Ausgangsspannung, deren größe sich linear mit Änderungen der Kapazität ändert, wurden bereits verschiedene Kapazitäts-Spannungswandleranordnungen entwickelt. Die bekannten Anordnungen weisen jedoch verschiedene Mängel auf, welche ihre "Verwendbarkeit beeinträchtigen.
Eine Art derartiger Kapazitäts-Spannungswandler arbeitet mit Komparatorschaltungen oder Schmitt-Triggern. Diese sind jedoch dadurch gekennzeichnet, daß sie rausch- bzw. störungsempfindlich sind. Solche Anordnungen sind daher ungeeignet für die Verwendung in einer Umgebung,
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ir -
in welcher Störungen durch. Relais, die Zündung von Brennkraftmaschinen oder Hochspannungsleitungen auftreten. Derartige Störungen haben einen nachteiligen Einfluß auf die Punktion von Komparatorschaltungen oder Schmitt-Triggem, so daß eine genaue Ermittlung der Kapazitätsänderungen nicht gewährleistet wäre.
Eine andere Art von Kapazitäts-Spannungswandlern arbeitet mit einem Oszillator, welcher eine Dioden-Brückenschaltung ansteuert. Derartige Schaltungsanordnungen sprechen jedoch auf die Oszillatoramplitude an und eignen sich daher nicht für den Einsatz unter Bedingungen, unter denen die Speisespannung stärkeren Schwankungen unterworfen ist. Selbst kleinere Schwankungen der Speisespannung und damit geringfügige .Änderungen der Oszillatoramplitude stören bei derartigen Anordnungen die Ermittlung von Kapazitätsänderungen in erheblichem Maße.
Einige Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität, beispielsweise die vorstehend erwähnten Druck-Kapazitätswandler, haben eine stabile und eine veränderliche Kapazität skomponente. Soll in einem solchen Falle die veränderliche Kapazitätskomponente genutzt werden, so ist es häufig zweckmäßig, die stabile Kapazitätskomponente zu unterdrücken, um ein sicheres Funktionieren der Schaltungsanordnung zu gewährleisten. Wird nämlich in bestimmten Fällen die stabile Kapazitätskomponente nicht unterdrückt, so kann der auf diese zurückzuführende Anteil der Ausgangsspannung übermäßig groß werden. Deswegen muß dann der Verstärkungsfaktor der Kapazitäts-Spannungswandlerschaltung verringert werden, so daß die Teile der Schaltung innerhalb sicherer Spannungsbereiche arbeiten. Wird jedoch der Verstärkungsfaktor derart verringert, so wird es dadurch äußerst schwierig, kleinere Kapazitätsänderungen zu erfassen.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer neuartigen und verbesserten Kapazitäts-Spannungswandleranordnung für die Erzeugung einer Ausgangsspannung, deren Größe Änderungen der Kapazität proportional ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der genannten Art, welche im wesentlichen unempfindlich gegen äußere Störungen ist.
Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Anordnung der genannten Art, welche im wesentlichen unempfindlich gegenüber einer Oszillatoramplitude ist.
Weiterhin bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Anordnung der genannten Art, bei welcher die stabile Kapazität skomponente eines eine variable Kapazität aufweisenden Kondensators unterdrückt wird.
Die Erfindung schafft eine Kapazitäts-Spannungswandleranordnung zum Erzeugen einer in Abhängigkeit von den Änderungen der Kapazität eines eine variable Kapazität aufweisenden Kondensators veränderlichen Ausgangsspannung, mit einer Einrichtung zum Anlegen einer Bezugsspannung,, damit verbundenen Einrichtungen zum Aufladen des Kondensators auf die Bezugsspannung, einer Schalteinrichtung zum zyklisch abwechselnden Verbinden des Kondensators mit der Einrichtung zum Anlegen der Beζugsspannung und mit einer Massenspannung und einer zwischen der Einrichtung zum Anlegen der Bezugsspannung und der Schalteinrichtung angeordnete Impedanzeinrichtung zum Anlegen der von der vorgenannten Einrichtung gelieferten Bezugsspannung an den Kondensator während eines vorbestimmten Abschnitts jedes der Schaltzyklen und zum Hervorbringen einer von den Änderungen der Kapazität des eine variable Kapazität aufweisenden Kondensators abhängigen Änderung der Ausgangsspannung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den Ansprüchen hervor. Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kapazitätsspannungswandlers und
Fig. 2 ein Schaltbild einer !Compensationseinrichtung zum Unterdrücken der stabilen Kapazitätskomponente eines eine zu messende variable Kapazität aufweisenden Kondensators in einer anderen Ausführungsforra der Erfindung.
Ein in Form eines Schaltbilds in 51Xg. 1 dargestellter Kapazitäts-Spannungswandler gemäß der Erfindung umfaßt einen Oszillator 10, eine Schalteinrichtung 11, einen eine variable Kapazität aufweisenden Kondensator 12, eine Spannungsquelle 13, eine Aufladeeinrichtung 14, eine Impedanzeinrichtung 15 und einen Verstärker 16.
Der Oszillator 10 ist lediglich in Blockform dargestellt, da sein Aufbau sowie seine Punktion allgemein bekannt sind und sich im übrigen aus der folgenden Beschreibung ergeben. Der beispielsweise als astabiler Multivibrator ausgeführte Oszillator 10 hat zwei Ausgänge 20, 21, an denen zwei in bezug auf einen mittleren Bezugspunkt zwischen einander entgegengesetzten Polaritäten alternierende Ausgangssignale in Form von Rechteckwellen Q, ^ erscheinen. Bei Erscheinen des positiven Ausgangssignals Q am Ausgang 20 ist also das Signal Qi des Ausgangs 21 . negativ und umgekehrt. Die Frequenz des Oszillators 10 ist so gewählt, daß eine volle Aufladung des Kondensators 12 bei jedem Ladezyklus gewährleistet ist. Die Frequenz des Oszillators 10 ist also nach oben durch die Ladezeitkonstante des Kondensators 12 begrenzt. Diese ergibt sich aus der Kapzität des Kondensators 12, dem Widerstandswert
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eines Widerstands 45 und dem inneren Widerstand eines Schaltglieds 23- Bei einer Kapazität des Kondensators 12 von 10 Pikofarad, einem Widerstandswert des Widerstands von 10 bis 50 Tausend Ohm und einem inneren Widerstand des Schaltglieds 23 von ca. 100 Ohm kann die In Pig. 1 gezeigte Anordnung beispielsweise mit einer Oszillatorfrequenz von 200 kHz sicher arbeiten.
Die Schalteinrichtung 11 enthält zwei Schaltglieder 23» 24, welche von den an den Ausgängen 20 bzw. 21 des Oszillators 10 erscheinenden Signalen gesteuert sind, wie durch die die Ausgänge 20, 21 mit den Schaltgliedern 23 bzw. 24 verbindenden gestrichelten Linien dargestellt. Zum Zweck der Erläuterung sind die Schaltglieder 23» 24 der Schalteinrichtung 11 als mechanische Schalter dargestellt, in der praktischen Ausführung handelt es sich jedoch um bekannte elektronische Schaltglieder wie Feldeffekttransistoren od. dergl.. Die Schaltglieder 23, 24 sind in Abhängigkeit von der Dauer der als Eechteckwellen ausgebildeten Ausgangssignale des Oszillators 10 abwechselnd und einander entgegengesetzt öffnend und schließend betätigbar. Die Schaltglieder 23» 24 weisen Anschlüsse 25» 26 bzw. 27» 28 auf, von denen die beiden Anschlüsse 25» 27 miteinander verbunden sind.
Der eine variable Kapazität aufweisende Kondensator kann in verschiedener Weise ausgebildet sein. In bezug auf die dargestellte Ausführungsform sei. angenommen, daß es sich um einen Druck-Kapazitätswandler handelt. Ein solcher Wandler hat gewöhnlich eine isolierende Unterlage, welche auf jeder Seite eine ebene metallene Membrane trägt. Änderungen des die Membranen beaufschlagenden Drucks bewirken eine direkt oder linear proportionale Änderung der Kapazität zwischen den beiden Membranen, welche über mit den beiden Membranen verbundene Anschlüsse gemessen werden kann. In gewissen Eällen, beispielsweise wenn ein die gemessene Kapazität anzeigendes Instrument
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eine nicht lineare Charakteristik hat, kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn der Kondensator 12 eine komplementäre nicht-lineare Charakteristik aufweist. Ein erster Anschluß 30 des Wandlers 12 ist vorzugsweise gemeinsam mit dem Anschluß 28 des Schaltglieds 24 an Masse gelegt. Ein zweiter Anschluß 31 cLes Wandlers 12 ist gemeinsam mit dem Anschluß 25 des Schaltglieds 23 und dem Anschluß 27 des Schaltglieds 24 verbunden.
Die Bezugsspannungsquelle 13 umfaßt eine mit einem Anschluß 35 verbundene Gleichspannungsquelle Vs von positiver Polarität und Widerstände 36 > 37·> 38. Die Widerstände 36 und 37 liegen hintereinander zwischen der Gleichspannungsquelle Vs und Masse und bilden so einen Spannungsteiler, an dessen gemeinsamer Verbindungsstelle eine vorbestimmte Bezugsspannung von positiver Polarität erscheint. Die gemeinsame Verbindungsstelle der Widerstände 36, 37 ist über einen Widerstand 38 mit dem nicht invertierenden Eingang 40 eines Operationsverstärkers 41 verbunden. Der Widerstand 38 dient dazu, irgendwelche Spannungsabweichungen zu unterdrücken, welche dadurch entstehen können, daß ein Vorspannungsstrom den Eingängen des Operationsverstärkers 41 über ungleiche Widerstände zufließt.
Die Aufladeeinrichtung 14 enthält den in der üblichen Symbolform dargestellten herkömmlichen Operationsverstärker 41, welcher außer dem Eingang 40 einen invertierenden Eingang 42 und einen Ausgang 43 aufweist. Der invertierende Eingang 42 ist über einen Widerstand 45 mit dem Anschluß 26 des Schaltglieds 23 verbunden. Der Ausgangs des Operationsverstärkers 40 ist über eine Impedanzeinrichtung 15, welche einen Widerstand 50 und einen parallel dazu geschalteten Kondensator 5I aufweist, mit dem invertierenden Eingang 42 verbunden. Somit sind also die Widerstände 45 und 50 sowie der Kondensator 51 gemeinsam mit dem invertierenden Eingang 42 des Operationsverstärkers
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verbunden.
Die Verstärkerschaltung 16 enthält einen zweiten herkömmlichen Operationsverstärker 55 mit einem nicht invertierenden Eingang 56, einem invertierenden Eingang 57 und einem Ausgang 58. Der Ausgang 43 des Operationsverstärkers 41 ist über einen Widerstand 60 mit dem invertierenden Eingang 57 des Operationsverstärkers 55 verbunden. Der Ausgang 58 des Verstärkers 55 ist über einen Rückkoppelungs-Stellwiderstand 61 ebenfalls mit dem invertierenden Eingang 57 verbunden.
Der nicht invertierende Eingang 56 des Verstärkers 55
liegt an einer Bezugsspannungsquelle am mittleren Verbindungspunkt einer Spannungsteilerschaltung. Diese
setzt sich zusammen aus einem Stellwiderstand 63 und
einem nicht veränderlichen Widerstand 64, welche in
Reihe zwischen einer Spannungsquelle Vs und Masse liegen. Die Widerstände 63, 64 bilden somit eine justierbare
Spannungsteilerschaltung, wobei der Verbindungspunkt
zwischen den Widerständen 63 und 64 mit dem nicht invertierenden Eingang 56 des Operationsverstärkers 55 verbunden ist, so daß an diesem eine einstellbare Bezugsspannung liegt.
Im Betrieb der gezeigten Anordnung erscheinen an den
Ausgängen 20, 21 des Oszillators 10 einander entgegengesetzt mit einer Frequenz von beispielsweise 200 kHz
alternierende Rechteckwellensignale. Da die am Ausgang 20 erscheinenden Signale das Schaltglied 23 und die am anderen Ausgang 21 erscheinenden Signale das andere Schalt glied 24 steuern, öffnet das Schaltglied 23 jeweils wenn das Schaltglied 24 schließt und umgekehrt. Bei geschlossenem Schaltglied 24 und geöffnetem Schaltglied 23 sind beide Anschlüsse 30, 31 des Kondensators 12, wie dargestellt, mit Masse verbunden. Bei geschlossenem Schalter und geöffnetem Schaltglied 24 ist der Anschluß 31 des
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Kondensators 12 demgegenüber über den Widerstand 45 mit der Aufladeeinrichtung 14 verbunden. Die Schaltglieder 23, 24 sind vorzugsweise so ausgeführt, daß das Öffnen des einen Schaltglieds jeweils vor dem Schließen des anderen erfolgt- Der Zweite Anschluß 31 des Kondensators 12 ist somit abxvechselnd mit Masse und mit der Aufladeeinrichtung 14 verbunden. Da der Ausgang 43 des Verstärkers 41 mit dem invertierenden Eingang 42 verbunden ist, wird der Kondensator 12 von dem vom Ausgang 43 gelieferten Ladestrom mit der am nicht invertierenden Eingang 40 liegenden Bezugsspannung aufgeladen.
Wird der Kondensator 12 über die Schalteinrichtung 11 mit Masse verbunden, so wird er dabei vollständig entladen. Verbindet, die Schalteinrichtung dann des Kondensator 12 mit der Aufladeeinrichtung, so fließt ein Ladestrom, dessen Größe durch die Kapazität bestimmt ist. Der Strom für die elektrische Aufladung fließt dabei über den Widerstand 50 der Impedanzeinrichtung 15- Aus dem über den Widerstand 50 fließenden mittleren Ladestrom ergibt sich eine mittlere Spannung, welche am Ausgang 43 des Operationsverstärkers 41 erscheint und eine Ausgangsspannung darstellt, welche der Kapazität des eine variable Kapazität aufweisenden Kondensators 12 direkt proportional ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erzeugt somit eine Ausgangsspannung, deren Größe direkt proportional der Kapazität des eine variable Kapazität aufweisenden Kondensators 12 ist.
Die Kapazität des mit dem Widerstand 50 parallel geschalteten Kondensators 51 ist so gewählt, daß nicht auf die jeweilige Kapazität des variablen Kondensators 12 bezogene vorübergehende SpannungsSchwankungen unterdrückt werden. Der Kondensator 51 unterdrückt also Spannungsspitζen und anschließenden Spannungsabfall, wie sie anderenfalls über den Widerstand 50 aufträten, solange der variable Kon-
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densator 12 an Hasse gelegt ist. Der Kondensator 51 integriert somit also die über den Widerstand 50 angelegte Spannung, so daß sich eine gemittelte Spannung ergibt, deren Größe proportional der jeweiligen Kapazität des variablen Kondensators 12 ist.
Die am Ausgang 4-3 des Operationsverstärkers 41 erscheinende Spannung wird durch den zweiten Operationsverstärker um einen gegebenen Faktor verstärkt, so daß an dessea Ausgang 58 ein entsprechend verstärktes Spannungssignal erscheint. Die mit dem zweiten Verstärker 16 bzw. 55 verbundenen Stellwiderstände 61 und 63 bilden eine justierbare Schaltungsanordnung zum Einstellen des Anstiegs der zweiten Ausgangsspannung in bezug auf Änderungen der Kapazität und des Nullpunktdurchgangs der zweiten Ausgangsspannung. Der zwischen dem invertierenden Eingang 57 und dem Ausgang 58 des Verstärkers 55 liegende Stellwiderstand 61 dient dazu, den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 55 zu variieren. Je nach der Einstellung des Widerstands 61 ändert sich somit die Beziehung zwischen dem Anstieg der zweiten Ausgangsspannung und den Änderungen der Kapazität.
Der andere Stellwiderstand 63 dient dazu, eine einstellbare Bezugsspannung an den nicht invertierenden Eingang zu legen. Durch Verstellen des Stellwiderstands 63 läßt sich somit der Nulldurchgangspunkt der zweiten Ausgangsspannung variieren. Durch die Verwendung des Stellwiderstands 63 läßt sich der Verstärker 55 somit derart einregeln, daß ein mit seinem Ausgang 58 verbundenes Meßinstrument seine Nullstellung einnimmt, wenn die variable Kapazitätskomponente des variablen Kondensators 12 gleich Full ist.
Fig. 2 zeigt eine Kompensationseinrichtung, welche gemäß der Erfindung dazu verwendet werden kann, die stabile
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Kapazitatskomponente des variablen Kondensators 12 zu unterdrücken oder abzuschwächen. Die Kompensationseinrichtung umfaßt eine zweite Schalteinrichtung mit zwei Schaltgliedern 73? 7^-, einen Kondensator 75 rait konstanter Kapazität, und eine am Anschluß 76 des einen Schaltglieds 73 liegende zweite Spannungsquelle 2V. Die hier ebenfalls als mechanische Schalter dargestellten Schaltglieder 73, 74- öffnen und schließen synchron mit den Schaltgliedern 23 bzw. 24. Das Schaltglied 73 kann daher über den einen Ausgang 20 und das andere Schaltglied 74 über den anderen Ausgang 21 des in Fig. 1 dargestellten Oszillators 10 gesteuert sein.
Die Kapazität des Kondensators 75 entspricht vorzugsweise der stabilen Kapazitätskomponente des variablen Kondensators 12. Dementsprechend ist die am Anschluß 76 des Schaltglieds 73 liegende zweite Spannung vorzugsweise doppelt so hoch wie die am Eingang 40 des Operationsverstärkers 41 liegende. Ein erster Anschluß 80 des Kondensators 75 ist gemeinsam mit dem zweiten Anschluß des variablen Kondensators 12, einem Anschluß 81 des Schaltglieds 74, dem Anschluß 25 des Schaltglieds 23 und dem Anschluß 27 des Schaltglieds 24 verbunden. Ein zweiter Anschluß 82 des Kondensators 75 ist mit einem Anschluß 83 des Schaltglieds 73 und einem Anschluß 84 des Schaltglieds 74 verbunden.
Wie in der Ausführungsform nach !ig. 1 liegt der zweite Anschluß 28 des Schaltglieds 24 direkt an Masse, und der Anschluß 26 des Schaltglieds 23 ist mit dem Widerstand 45 verbunden. Dieser kann seinerseits mit dem invertierenden Eingang 42 des in Fig. 1 gezeigten Operationsverstärkers 41 verbunden sein. Im übrigen kann die weiterhin zur Ausführungsform nach Fig. 2 gehörige Schaltungsanordnung der in Fig. 1 dargestellten entsprechen.
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Λ2Τ -
40,
Da die Schaltglieder 73 5 74- synchron mit den Schaltgliedern 23 bzw. 24- öffnen und schließen, ist der zweite Anschluß 82 des Kondensators 75 jeweils mit der zweiten Spannungsquelle 2V verbunden, wenn der variable Kondensator 12 mit der Aufladeeinrichtung verbunden ist, während er über den zweiten Anschluß 80 an Masse liegt, wenn der variable Kondensator 12 Massenschluß hat. Bei geschlossenem Schaltglied 73 und geöffnetem Schaltglied 74· ist der zweite Anschluß 82 des Kondensators 75 als mit der zweiten Spannungsquelle 2V verbunden, während er bei geöffnetem Schaltglied 73 und geschlossenem Schaltglied 7^- über den ersten Anschluß 80 des Kondensators parallel zum variablen Kondensator 12 an Masse liegt. Die Schaltglieder 73» 74- sind ebenso wie die Schaltglieder 23» 24- vorzugsweise so ausgebildet, daß der eine jeweils vor dem Schließen des anderen öffnet.
Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ist es möglich, die stabile Kapazitätskoraponente des variablen Kondensators 12 wirksam zu unterdrücken, so daß sie keinerlei Einfluß auf die Ausgangsspannung hat. Durch die Aufladung des Kondensators 75 mit dem am Anschluß 76 liegenden zweiten Spannung, welche doppelt so hoch ist wie die am nicht invertierenden Eingang 4-0 des Operationsverstärkers 4-1 liegende Bezugs spannung, fließt am Eingang 40 ein Strom , welcher dem durch die stabile
Kapazitätskomponente des variablen Kondensators 12 .verursachte Strom entgegengesetzt ist. Durch die einander entgegengesetzten Ströme wird die stabile Kapazität skomponente unterdrückt, so daß die Operationsverstärker 4-1, 55 in Fig. 1 mit dem optimalen Verstärkungsfaktor arbeiten können, da dann eine auf die stabile Kapazitätskomponente zurückgehende übermäßig hohe Ausgangsspannungskomponente nicht auftreten kann. Außerdem sind dadurch die Anforderungen bezüglich Eingangs-Offset-Drift und Stromversorgungs-Unterdrückungsverhältnis verringert. Da die Operationsverstärker mit ihrem optimalen
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Verstärkungsfaktor arbeiten können, lassen sich auch sehr kleine Kapazitätsänderungen mit größerer Leichtigkeit ermitteln.
In einer weiteren Abwandlung kann der in Fig. 2 dargestellte Kondensator 75 ebenso wie der Kondensator 12 eine variable Kapazität aufweisen. In diesem Falle entspricht dann die am Ausgang 58 äes Operationsverstärkers 55 in. Fig. 1 erscheinende Spannung dem Kapazitätsunterschied zwischen den Kondensatoren 12 und 75- Handelt es sich bei den beiden Kondensatoren 12 und 75 um Druck-Kapazitätswandler, so entspricht dann die Ausgangsspannung der Differenz zwischen den die Kondensatoren 12 und 75 beaufschlagenden Drücken.
Die erfindungsgemäße Kapazitäts-Spannungswandleranordnung ist unempfindlich gegenüber Störungen, da sie nicht mit Komparatorschaltungen oder Schmitt-Triggern arbeitet. Da der variable Kondensator mit einer Seite an Masse liegt, ist die eine Hälfte des Kondensators durch die andere gegenüber äußeren Störungen abgeschirmt, wodurch sich die Störungsempfindlichkeit der Anordnung weiter verringert. Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch nicht durch die Oszillatoramplitude beeinflußt, da die Ausgangssignale des Oszillators allein dazu verwendet werden, die Schaltglieder 23, 24- und, bei Verwendung der Kompensationseinrichtung, die Schaltglieder 73 > 7^· öffnend und schließend zu steuern. Da die erfindungsgemäße Wandleranordnung somit also unempfindlich gegenüber Störungen sowie Schwankungen der Oszillatoramplitude ist, läßt sie sich in nahezu jeder Umgebung für die Ermittlung von . Kapazitätsänderungen verwenden.
Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehende Merkmale und Vorteile der Erfindung können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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, Ι ■
Leerseite

Claims (1)

  1. PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
    DIPL-ING.
    H. KINKELDEY
    DfVlNG.
    W. STOCKMAIR
    DR-ING. · AaE (CAUTECH)
    K. SCHUMANN
    DR REfI NAT - DIPU-PHYS
    P. H. JAKOB
    DlPU-ING
    G. BEZOLD
    DR RER. NAT ■ DIPL-CHEM
    8 MÜNCHEN
    MAXIMILIANSTRASSE
    3. Mai 1978 P 12 610
    P_a_t_e_n_t_a_n_s_p_r_ü_c_h_e
    Λ J Kapazitäts-Spannungswandleranordnung zum Erzeugen einer in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen eines eine veränderliche Kapazität aufweisenden Kondensators veränderlichen Ausgangsspannung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zum Anlegen einer Bezugsspannung (Vs ), durch eine damit verbundene Schaltungseinrichtung (14) zum Aufladen des die veränderliche Kapazität aufweisenden Kondensators (12) auf die Bezugsspannung, durch eine Schalteinrichtung (11) zum zyklisch wechselnden Verbinden des variablen Kondensators (12)
    mit der Schaltungseinrichtung (140 und einem Massepotential und durch eine zwischen der Schaltungseinrichtung (14) und der Schalteinrichtung (11) angeordnete
    Impedanzeinrichtung (15) für die Zuleitung des von der
    Schaltungseinrichtung abgegebenen Ladestroms zum variablen Kondensator während eines vorbestimmten Abschnitts
    eines jeden Schaltzyklus und zum Erzeugen einer von
    den Kapazitätsänderungen des variablen Kondensators
    abhängigen Änderung den? Ausgangsspannung.
    2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Kondensator (12) ein
    Druck-Kapazitätswandler ist.
    80984 5/0998 original inspected
    TELEFON (03Θ) 02 08 63 TELEX Ο5-ΟΘ3ΒΟ TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER
    3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (14-) einen ersten Operationsverstärker (41), dessen Ausgang (4-3) mit einer Seite der Impedanzeinrichtung (15) verbunden ist, aufweist, mit einem mit der Einrichtung (13) zum Anlegen der Bezugsspannung verbundenen nicht invertierenden Eingang (40) und einem mit der anderen Seite der Impedanzeinrichtung verbundenen invertierenden Eingang (42).
    4·. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (11) mit einem Oszillator (10) verbunden und durch diesen zum zyklischen Verbinden des variablen Kondensators (12) mit der Schaltungseinrichtung (14) und dem Massepotential gesteuert ist.
    5- Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzeinrichtung (15) einen eine unveränderliche Kapazität aufweisenden Kondensator (51) zum Unterdrücken von nicht durch Kapazitätsänderungen hervorgerufenen, vorübergehenden Änderungen der Ausgangsspannung enthält.
    6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zweiten Operationsverstärker (55) aufweist, welcher mit einem Eingang (57) mit der Impedanzeinrichtung (15) verbunden ist, so daß an seinem Ausgang eine der Ausgangsspannung der Impedanzeinrichtung entsprechende, um einen gegebenen Faktor verstärkte zweite Ausgangsspannung erscheint.
    7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Operationsverstärker (55) justierbare Schaltungseinrichtungen (61, 63) zum Einstellen des Anstiegs der zweiten Ausgangsspannung in Abhängigkeit
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    von Kapazitatsanderungen sowie des Mulldurchgangs der zweiten Ausgangsspannung zugeordnet sind.
    8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Kondensator eine stabile sowie eine veränderliche Kapazitätskomponente hat und daß eine Kompensationseinrichtung zum wirksamen Unterdrücken der stabilen Kapazitätskomponente vorhanden ist.
    9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung einen eine unveränderliche Kapazität aufv/eisenden Kondensator (75)» welcher mit einer ersten Seite (80) mit dem variablen Kondensator (12) verbunden ist, eine Einrichtung (76) zum Anlegen einer zweiten Bezugsspannung (2V) und eine zweite Schalteinrichtung (73■> 7^) aufweist, und daß die zweite Schalteinrichtung die andere Seite des die unveränderliche Kapazität aufweisenden Kondensators, solange der variable Kondensator mit der Schaltung seinrichtung (14·) verbunden ist, mit der Einrichtung zum Anlegen der zweiten Bezugsspannung und, solange der variable Kondensator mit dem Massepotential verbunden ist, mit der ersten Seite des die unveränderliche Kapazität aufweisenden Kondensators verbindet.
    10. Anordnung nach Anspruch 9? dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des die unveränderliche Kapazität aufweisenden Kondensators (75) gleich der stabilen Kapazitätskomponente des variablen Kondensators (12) ist und daß die zweite angelegte Bezugsspannung doppelt so hoch ist wie die erste Bezugsspannung.
    11. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten variablen Kondensator, welcher mit einer ersten Seite mit dem ersten variablen Kondensator verbunden ist, durch eine Einrich-
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    tung zum Anlegen einer zweiten Bezugsspannung und durch eine zweite Schalteinrichtung, welche die andere Seite des zweiten variablen Kondensators, solange der erste variable Kondensator mit der Schaltungseinrichtung verbunden ist, mit der Einrichtung zum Anlegen der zweiten Bezugsspannung und, solange der erste variable Kondensator mit dem Massepotential verbunden ist, mit der ersten Seite des zweiten variablen Kondensators verbindet.
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