DE2822509C3

DE2822509C3 - Meßschaltungsanordnung zur Messung analoger elektrischer Größen und analoger physikalischer Größen

Info

Publication number: DE2822509C3
Application number: DE2822509A
Authority: DE
Inventors: Masao Ichikawa Chiba Kato; Masanori Nakai; Hiroshi Yokohama Tamura; Yukuya Tokumaru
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-05-24
Filing date: 1978-05-23
Publication date: 1980-12-11
Also published as: JPS53145457A; DE2822509A1; DE2822509B2; US4172384A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßschaltungsanordnung zur Messung analoger elektrischer Größen und analoger physikalischer Größen, bestehend aus einer Bezugssignalgeneratorschaltung zur Lieferung eines Bezugssignals, einer Analoggrößen-Meßschaltung zur Lieferung eines Signals entsprechend einer zu messenden Analüggröße, einer ersten freischwingenden Oszillatorschaltung, die ein Ausgangssignal mit einer Frequenz erzeugt, welche derjenigen des Bezugssignals der Bezugssignalgeneratorschaltung entspricht, aus einer zweiten freischwingenden Oszillatorschaltung, die ein Ausgangssignal mit einer Frequenz erzeugt, welche derjenigen des Ausgangssignals der Analoggrößen-Meßschaltung entspricht, und aus einer Signalverarbeitungsschaltung, welche die Ausgangssignale der beiden freischwingenden Oszillatorschaltungen verarbeitet und daraus ein Ausgangssignal entsprechend dem Ausgangssignal der Analoggrößen-Meßschaltung ableitet.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 05 578 ist bereits eine Schaltungsanordnung zum automatischen Vergleich einer analogen Charakteristik eines Prüflings mit einer Soll-Charakteristik bekannt, wobei die Aufgabe gelöst werden soll, einen Vergleich einer Prüflings-Charakteristik mit ihren Sollwerten so zu automatisieren, daß menschliche Unzulänglichkeit keinen Einfluß auf die Beurteilung des Prüflings haben. Das Wesentliche dieser bekannten Schaltungsanordnung besteht darin, daß einem digitalen Speicher für aufeinanderfolgende diskrete Werte der Soll-Charakteristik ein Digital-Analog-Umsetzer nachgeschaltet ist und ein Takteingang des Speichers mit dem Ausgang eines über eine Triggerschaltung vom Ausgang eines Prüflings gesteuerten Taktgenerators verbunden ist, und der Ausgang des Prüflings sowie der Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers an je einen der beiden Eingänge eines Differenzverstärkers angeschlossen ist und der Ausgang des Differenzverstärkers an den Eingang mindestens eines Toleranzwertmelders angelegt ist.

Diese bekannte Schaltungsanordnung läßt sich jedoch nicht in integrierter Schaltungstechnik ausführen, da beispielsweise die Stufen, wie die Digitalspeicher

oder die Datenverarbeitungsanlage Kondensatoren enthalten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Meßschaltungsanordnung zum Messen analoger elektrischer Größen und analoger physikalischer Größen der eingangs definierten Art zu schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit besitzt und sich für die Herstellung aus integrierten Schaltkreisen eignet

Ausgehend von der Meßschaltungsanordnung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste freischwingende Oszillatorschaltung eine ungeradzahlige Anzahl von Umsetzern aufweist, die in Kaskade geschaltet sind und jeweils aus einem integrierten Injektionslogikschaltkreis bestehen, der ein Ausgangssignal der Bezugssignalgentratorschaltung an einem Stromversorgungsanschluß empfängt, daß der Ausgangsanschluß des letzten Umsetzers mit dem Eingangsanschluß des ersten Umsetzers verbunden ist. daß die zweite freischwingende Oszillatorschaltung eine ungeradzahlige A/szahl von Umsetzern aufweist, die in Kaskade geschaltet sind und jeweils aus einem integrierten Injektionslogikschaltkreis bestehen, der von der Analoggrößen-Meßschaltung ein Ausgangssignal an einem Stromversorgungsanschluß empfängt, und daß der Ausgangsanschluß des letzten Umsetzers mit dem Eingangsanschluß des ersten Umsetzers verbunden ist

Die Meßschaltungsanordnung mit den Merkmalen nach der Erfindung läßt sich im Gegensatz zu dem Bekannten vollständig in integrierter Schaltungstechnik ausführen.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eir Schaltbild einer freischwingenden Oszillatorschaltung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig.2 eine Meßschaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der Oszillatorschaltung nach Fig. 1 und

F i g. 3 ein Schaltbild eines Temperaturmeßgeräts gemäß einer anderen Ausführungsfoi m.

Die freischwingende bzw. mit variabler Frequenz arbeitende Oszillatorschaltung 1 gemäß Fig. 1 weist eine ungerade Zahl von in Kaskade geschalteten Umsetzern 2-1 bis 2-n auf, die jeweils aus einem Paar von npn- und pnp-Transistoren bestehen, wobei die pnp-Transhtoren dieser Umsetzer mit 77? 1-1 bis TR \-n und die npn-Transistoren mit 77?2-1 bis TR2-n bezeichnet sind. Mit anderen Worten: jeder Umsetzer 2 besteht aus einem integrierten Injektions-Logikschaltkreis mit Transistoren TR 1 und TR 2. Eine Stromeingangsklemme 3 dieser Schaltung ist mit dem Emitter des Transistors 77? 1 verbunden, der seinerseits am Kollektor mit der Basis des Transistors TR 2 verbunden ist. Der Kollektor des npn-Transistors TR 1 ist mit der Basis des npn-Transistors der folgenden Umsetzerstufe verbunden. Die Basis des Transistors TR1 und der Emitter des Transistors TR 2 liegen beide an Masse. Der npn-Transistor TR 2-n der letzten Umsetzerstufe 2-/7 ist ein Doppelkollektortransistor, der mit seinem ersten Kollektor an die Basis des npn-Transistors 7Ά 2-1 der ersten Umsetzerstufe ?·1 und mit seinem zweiten Kollektor an die Ausgangsklemme 4 des freischwingenden Oszillators 1 angeschlossen ist. Die Verzöeerungszeit des Umsetzers 2 variiert in Abhängigkeit vom Schaltungsstrom, so daß die Schwingfrequenz des freischwingenden Oszillators 1 in Abhängigkeit von dem über die Stromeingangsklemme 3 eingespeisten Stromquellenstrom variiert Der an die Klemme 3 angelegte Stromquellenstrom ist also der Schwingfrequenz des freischwingenden Oszillators 1 praktisch proportional.
F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Analoggrößen-Meßschaltung unter Verwendung des freischwingenden Oszillators gemäß F i g. 1. Die Schaltung gemäß Fig.2 ist mit zwei freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 mit dem Aufbau gemäß F i g. 1 versehen. Ein Spannungssignal Vs entsprechend einer Analoggröße, ζ. B. der Temperatur, wird über einen Widerstand 12 an eine Stromeingangsklemme 13 des Oszillators 11 angelegt Ein Bezugsspannungssignal VR entsprechend einer Bezugsanaloggröße wird über einen Widerstand 22 an eine Stromeingangs- bzw. Speiseklemme 23 des

:>o Oszillators 21 angelegt, dessen Ausghngsklemme 24 mit einer Zählschaltung 25 verbunden ist, dei während eines Intervalls von der Zählung 0 bis zur Zählung CX ein Signal hohen Pegels erzeugt Die Ausgangsklemme der Zählschaltung ist mit einer Eingangsklemme eines

:!5 UND-Glieds 15 verbunden, dessen andere Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme 14 des Oszillators 11 verbunden ist Die Ausgangsklemme des UND-Glieds 15 ist an die Eingangsklemme der Zählschaltung 16 angeschlossen, dessen Ausgangsklemme mit einer

:io Anzeigevorrichtung 17 zur Anzeige des Inhalts der Zählschaltung 16 verbunden ist.

Die Schwingfrequenzen der freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 bestimmen sich nach den Gleichungen

fs =

worin Ks und Kr Eigenkonstanten der Oszillatoren 11 ίο bzw. 21 und Rs und Rr die Widerstandswerte der Widerstände R 12 bzw. R 22 bedeuten.

Die Zählschaltung 25 erzeugt ein Signal hohen Pegels, bis sie den Impuls mil der aufgrund der Bezugjspannung Vn vom Oszillator 21 erzeugten Frequenz zählt und eine ■i) Zählung von Cl erreicht, wobei durch das Signal hohen Pegels das UND-Glied 15 aktiviert bzw. durchgeschaltet wird. Nach dem Durchschallen des UND-Glieds 15 wird der Impuls mit der Frequenz fs, der vom Oszillator 11 aufgrund der Spannung Vs erzeugt wird, über das •50 UND-Glied 15 zur Zählschaltung 16 geleitet. Der von der Zählschaltung 16 erreichte Zählwert Cs bestimmt sich wie folgt:

Cv = fs'f_R χ C) = Ks- Vs ■ R₁₁ZK₁, ■ V_RRs χ Cl

Wenn die freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 so ausgelegt sind, αε"3 die Konstanten Ks und Kr gleich groß sind und auch die Widerstandswerte der Widerstände /?12 und R22 gleich sind, d.h. Rs=Rr, ergibt sich die folgende Gleichung:

Cs = Vs.'V _κ χ Cl

Gemäß Gleichung (4) ist der Zählwert Cs der Eingangsspannung Ks proportional.

Wenn die freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 nach der Integrationstechnik auf einem Chip ausgebil-

det werden, sind sie jeweils denselben Temperaturbedingungen unterworfen, so daß sich (Schwingungs-)Fehler der Oszillatoren 11 und 21 aufgrund eines Temperaturunterschieds gegenseitig aufheben.

F i g. 3 ist ein Schaltbild einer Temperaturmeßschaltung, die — wie die Schaltung nach Fig 2 zeigt, zwei freischwingende Oszillatoren 11 und 21, eine Zählschaltung 25, ein UND-Glied 15, eine Zählschaltung 16 und eine Anzeigevorrichtung 17 aufweist. Zusätzlich ist diese Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einem Thermistor 31 und einem Widerstand 32 sowie einer anderen Reihenschaltung aus Widerständen 33 und 34 versehen. Diese Reihenschaltungen sind parallel zwischen eine Stromquellenklemme V_np und Masse geschaltet. Die Verzweigung bzw. Verbindung zwischen dem Thermistor 31 und dem Widerstand 33 ist über den Widerstand 12 an die Speiseklemme des Oszillators H angeschlnssnn. mit dem Ergebnis, daß ein Strom entsprechend dem Widerstandsverhältnis zwischen dem Thermistor 31 und dem Widerstand 32 an die Speiseklemme angelegt wird. Die Verzweigung zwischen den Widerständen 33 und 34 ist über einen Widerstand 22 mit der Speiseklemme des Oszillators 22 verbunden, so daß die Speiseklemme mit einem Strom entsprechend dem Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstand 32 und dem anderen Widerstand 33 beschickt wird.

Die Ausgangsklemme des UND-Glieds 15 ist mit einer der Eingangsklemme eines UND-Glieds 35 sowie einer Eingangsklemme eines UND-Glieds 36 verbunden, dessen Ausgangsklemme an die Eingangsklemme der Zählschaltung 16 angeschlossen ist. Die Ausgangsklemme des UND-Gliedes 35 ist mit der Eingangsklemme einer Zählschaltung 37 verbunden, deren Ausgang unmittelbar mit der anderen Eingangsklemme des UND-Glieds und über einen Umsetzer 38 mit der anderen Eingangsklemme des UND-Glieds 35 verbunden ist.

Der Temperaturbereich, in welchem sich de Widerstandswert des Thermistors 31 bei Temperaturän derung linear ändert, ist schmal. Aus diesem Grund is die Zählschaltung gemäß F i g. 3 so ausgelegt, daß sie ei

> Signal hohen Pegels erzeugt, wenn der Inhalt de Zählschaltung 37 C2 (C2<C\) entsprechend de

Mindestgröße des linearen Änderungsbereichs de Widerstandswerts des Thermistors erreicht.

Im Betrieb schwingt der freischwingende Oszillato

ic 21 bei Anlegung einer Spannung von der Verzweigun zwischen den Widerständen 33 und 34 auf de Bezugsfrequenz fs, so daß er Impulse mit derselbe Frequenz liefert. Die Zählschaltung 25 liefert ein hohe Signal, bis der Impuls vom Oszillator 21 auf C hochzählt, wodurch das UND-Glied 15 durchgeschalte wird. Andererseits wird bei Anlegung einer Spannun von der Verzweigung zwischen dem Thermistor 31 un dem Widerstand 32 der freischwingende Oszillator 1 angesteuert, um Impulse mit der variablen Frequenz /

-■" zu liefern. Das Impulssignal vom Oszillator 11 wird übe die UND-Glieder 15 und 35 an die Zählschaltung 3 angelegt, durch die es gezählt wird, solange da UND-Glied durchgeschaltet ist, d.h. bis die Zählschal tung 25 von 0 auf Cl zählt. Wenn der Inhalt de

:'· Zählschaltung 37 die Zählung C2 erreicht, liefert sie ei hohes Signal zum Deaktivieren bzw. Sperren de UND-GI'^ds 35 bei gleichzeitiger Aktivierung de UND-Glieds 36. Infolgedessen wird das Impulssign; vom Oszillator 11 über die UND-Glieder 15 und 16 a

in die Zählschaltung 16 angelegt. Die von der Zählscha tung 16 erreichte Zählung Ci läßt sich wie folg ausdrücken:

Cs=Cl χ fs/f_R- Ci.

ΙΊ Die Frequenz bleibt praktisch konstant, und di Frequenz fs ändert sich proportional zur Temperaturän derung. Der Inhalt der Zählschaltung 16 wird durch di Anzeigevorrichtung wiedergegeben.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Meßschaltungsanordnung zur Messung analoger elektrischer Größen und analoger physikalischer Größen, bestehend aus einer Bezugssignalgeneratorschaltung zur Lieferung eines Bezugssignals, einer Analoggrößen-Meßschaltung zur Lieferung eines Signals entsprechend einer zu messenden Analoggröße, einer ersten freischwingenden Oszillatorschaltung, die ein Ausgangssignal mit einer Frequenz erzeugt, weiche derjenigen des Bezugssignals der Bezugssignalgeneratorschaltung entspricht, aus einer zweiten freischwingenden Oszillatorschaltung, die ein Ausgangssignal mit einer Frequenz erzeugt, welche derjenigen des Ausgangssignals der Analoggrößen-Meßschaltung entspricht, und aus einer Signalverarbeitungsschaltung, welche die Ausgsrgssignale der beiden freischwingenden Oszillatorsi-naltungen verarbeitet und daraus ein Ausgangssignal entsprechend dem Ausgangssignal der Analoggrößen-Meßschaltung ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste freischwingende Oszillatorschaltung (21) eine ungeradzahlige Anzahl von Umsetzern (2-1 bis 2-/7,) aufweist, die in Kaskade geschaltet sind und jeweils aus einem integrierten Injektionslogikschaltkreis bestehen, der ein Ausgangssignal der Bezugssignalgeneratorschaltung (22, 33, 34) an einem Stromversorgungsanschluß (3) empfängt, daß der Ausgangsanschluß des letzteren Umsetzers (2-n) mit dem Eingangsanschluß des ersten Umsetzen, (2-1) verbunden ist, daß die zweite freischwingende Oszillatorschaltung (11) eine ungeradzahlige Anzahl von Ui setzern (2-1 bis 2-n) aufweist, die in Kaskade geschaltet sind und jeweils aus einem integrierten Injektionslogikschaltkreis bestehen, der von der Analoggrößen-Meßschaltung (12, 31, 32) ein Ausgangssignal an einem Stromversorgungsanschluß empfängt, und daß der Ausgangsanschluß des letzten Umsetzers {2-n) mit dem Eingangsanschluß des ersten Umsetzers (2-1) verbunden ist.

2. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschal-

ing eine erste Zählschaltung (25), die mit der ersten freischwingenden Oszillatorschaltung (21) verbunden ist und deren Ausgangssignal zur Lieferung eines Signals hohen Pegels in einem vorgegebenen Zählbereich zählt, ein an die Ausgangsklemmen der ersten Zählschaltung (25) und der zweiten Oszillatorschaltung (11) angeschlossenes UND-Glied (15) und eine zweite Zählschaltung (16) umfaßt, die mit der Ausgangsklemme des UND-Glieds (15) verbunden ist.

3. Meßschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zählschaltung (16) das Ausgangssignal der ersten Oszillatorschaltung (21) zählt und dann, wenn ihr Inhalt eine vorbestimmte Zählung erreicht, ein Signal hohen Pegels erzeugt, daß ein mit dem ersten UND-Glied (15) und der zweiten Zählschaltung (16) verbundenes zweiten UND-Glied (35) und eine an die Ausgangsklemme des zweiten UND-Glieds (35) angeschlossene dritte Zählschaltung (37) vorgesehen ist.

4. Meßschaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignalschal'.ung zwei Stromquellenklemmen (Vdd Masse) und eine Reihenschaltuns aus zwischen diese Klemmen eingeschalteten ersten und zweiten Widerständen (33,34) aufweist, daß die Verzweigung zwischen beiden Widerständen an die Stromeingangsklemme des integrierten Injektionslogikschaltkreise in der ersten freischwingenden Oszillatorschaltung (21) angeschlossen ist, daß die Analoggrößen-Meßschaltung aus einer zwischen die beiden Stromquellenklemmen (Vod Masse) eingeschalteten Reihenschaltung mit einem Thermistor (31) und einem dritten

ίο Widerstand (32) aufgebaut ist und daß die Verzweigung zwischen dem Thermistor (31) und dem dritten Widerstand (32) mit der Stromeingangsklemme des integrierten Injektionslogikschaltkreises der zweiten freischwingenden Oszillatorschaltung (11) verbundenisL

5. Meßschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung (17) vorgesehen ist

6. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden freischwingenden Oszillatorschaltungen (21, 11) auf einem einzigen Chip bzw. Plättchen ausgebildet sind.