DE1956888C3 - Circuit arrangement for transmitting electrical charge or voltage signals over a long measuring line - Google Patents
Circuit arrangement for transmitting electrical charge or voltage signals over a long measuring lineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich uuf eine Schaltungsanordnung zum Übertragen elektrischer Ladungs- oder Spannungssignale Ober eine lange Meßleitung, insbesondere für piezoelektrische Meßwertwandler, wobei dem Ausgang des das Ladungs- oder Spannungssignal liefernden Gebers als erstes aktives Schaltelement ein Feldeffekt-Transistor nachgeschaltet ist, dessen Steuereingang vom Ladungs- oder Spannungssignal beaufschlagt istThe invention relates to a circuit arrangement for transmitting electrical charge or voltage signals over a long measuring line, in particular for piezoelectric transducers, with the output of the charge or voltage signal supplying encoder is followed by a field effect transistor as the first active switching element, the control input of which is acted upon by the charge or voltage signal
Bei der Messung physikalischer Größen wie Druck, Kraft und Beschleunigung mit Hilfe mechanisch-elektrischer Wandler, insbesondere bei der Durchführung von Messungen oder laufenden Betriebsüberwachungen mit Hilfe von piezoelektrischen Meßwertwandlern, tritt bekanntlich das Problem auf, verhältnismäßig schwache Ladungs- oder Spannungssignaie möglichst unverfälscht von der Meßstelie an ein von dieser entfernt angeordnetes Auswertegerät weiterzugeben. Für diesen Zweck werden bei den bekannten Schaltungeanordnungen hochisolicrende Verbindungsleitungen, meist Koaxialkabel, verwendet, die vom Signalgeber zu einem Verstärker führen, von dem das verstärkte Signal zum Auswertegerät weitergeleitet wird. Bei den in der Praxis unvermeidlichen größeren Leitungslangen führen die Isolationswiderstände, Leitungswiderstände und Leitungskapazitäten zu oft erheblichen Meßfehlern, die insbesondere durch magnetische Wechselfelder, durch Störspannungen aufgrund Von Efd- öder Mäiisestfomen und durch andere elektrostatische Störeinflüsse verursacht werden, z. B. durch sogenannte Brummeinstreuungen. Ferner entstehen bei hohen Frequenzen störende Verzerrungen.When measuring physical quantities such as pressure, force and acceleration with the help of mechanical-electrical Converter, especially when carrying out measurements or ongoing operational monitoring With the help of piezoelectric transducers, the problem occurs, as is known, relatively weak Charge or voltage signals as unadulterated as possible from the measuring point at a distance from it to pass on the arranged evaluation device. For this purpose, in the known circuit arrangements hochisolicrende connection lines, mostly coaxial cables, used from the signal transmitter to a Lead amplifier, from which the amplified signal is forwarded to the evaluation device. In practice unavoidable longer cable lengths lead to the insulation resistances, line resistances and line capacitances too often considerable measurement errors, in particular due to alternating magnetic fields Interference stresses due to Von Efdöder Mäiisestfomen and caused by other electrostatic interference, e.g. B. by so-called hum interferences. Furthermore, disturbing distortions arise at high frequencies.
Um diese Störeinflüsse möglichst klein zu halten, ist es schon bekannt, Impedanzwandler oder Ladungsverstärker direkt in das GehSuse oder Meßgebers einzubauen, um dadurch die gegen Störeinflösse empfindlich hochohmige Signalleitung möglichst kurz zu halten und eine relativ problemlose Verbindungslei-In order to keep this interference as small as possible, it is already known to use impedance converters or charge amplifiers to be installed directly in the housing or measuring transducer in order to protect against interference to keep sensitive high-resistance signal lines as short as possible and to have a relatively problem-free connecting line
tung zum Auswertegerät m ermöglichen. Die bekannten Impedanzwandler bringen jedoch verschiedene Nachteile mit sich. Um durch sogenannte Brummeinstreuungen und Erd- oder Masseströme verursachte Störungen, die bei langen Kabeln und großenenable the evaluation device m. The known impedance converters, however, have various disadvantages. To interference caused by so-called hum and earth or ground currents, with long and large cables
io" Erdströmen die Größenordnung des nur einige Volt betragenden Meßsignals erreichen können, zu vermeiden, müssen das Gebergehäuse und die Bezugspotentialleitung vom Meßobjekt isoliert montiert werden. Außerdem weisen die Impedanzwandler keine Spannungsverstärkung auf, so daß eine nachfolgende eigene Signalverstärkung notwendig ist Meßfehler durch die Leitungswiderstände und Verzerrungen durch die Kabelkapazitäten werden nicht sicher vermieden und wenn für die Speisung und für das Signal eine Doppelleitung verwendet werden soll, ist für den Impedanzwandler eine besondere Transistor-Ausführung erforderlich.io "earth currents the order of just a few volts The encoder housing and the reference potential line must be able to achieve the amount of the measurement signal be mounted isolated from the test object. In addition, the impedance converters have no voltage gain so that a subsequent own signal amplification is necessary Line resistances and distortions due to the cable capacitance are not reliably avoided and if a double line is to be used for the supply and for the signal, the Impedance converter requires a special transistor design.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch eine Schaltungsanordnung, die als erstes aktives Schaltelement einen Feldeffekt-Transistor verwendet und erfindungsgemäß darin besteht, daß die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors mit dem Kollektor eines weiteren Transistors verbunden ist dessen Emitter über einen Arbeitswiderstand des Feldeffekt-Transistors und dessen Basis unmittelbar mit der Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors zusammengeschaltet sind, daß in den Stromkreis der von den beiden Transistoren gebildeten komplementären Schaltung zwischen die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors und das Bezugspotential ein Widerstand, der zusammen mit der Transistorschaltung eine durch das Ladungs- oder Spannungssighal des Gebers gesteuerte Stromquelle bildet, und in die an den Ausgang der Transistorschaltung anschließende Meßleitung, am Ende derselben, ein Arbeitswiderstand oder ein Operationsverstärker und eine Speisespannungsquelle eingeschaltet sind.The invention avoids these disadvantages by means of a circuit arrangement which is the first active switching element a field effect transistor is used and according to the invention consists in that the source electrode of the field effect transistor is connected to the collector of another transistor whose emitter is connected via a working resistance of the field effect transistor and its base directly to the drain electrode of the Field effect transistor are interconnected that in the circuit of the two transistors formed complementary circuit between the source electrode of the field effect transistor and the Reference potential a resistance which, together with the Transistor circuit a current source controlled by the charge or voltage signal of the encoder forms, and into the measuring line connected to the output of the transistor circuit, at the end of the same Working resistor or an operational amplifier and a supply voltage source are switched on.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird das vom Meßwandler abgegebene Ladungs- oder Spannungssignal in ein Stromsignal umgewandelt und eine Stromquelle mit hohem Ausgangswiderstand gebildet so daß die nachteiligen Eigenschaften eines niederohmigen Spannungssignals durch die Vorteile eines hochohmigen Stromsignals umgangen werden. Auf diese Weise wird bei der Übertragung desThe circuit arrangement according to the invention, the charge or Voltage signal converted into a current signal and a current source with high output resistance formed so that the disadvantageous properties of a low-resistance voltage signal by the advantages a high-resistance current signal can be bypassed. In this way, when the
so Meßsignals eine weitgehende Störsignalunterdrückung erzielt, und zwar werden Störsignale durch Erdströme oder magnetische Einstreuungen eliminiert und wird auch bei extremen Kabelkapazitäten der Frequenzgang nach höheren Frequenzen hin nicht beeinflußt, weil Spannungsänderungen zwischen dem Ausgang der gebildeten Stromquelle und dem Bezugspotential praktisch keinen Einfluß auf das eingeprägte Stromsignal in der Meßleitung haben. Eine gegen das Erd' oder Massepotential isolierte Montage des Gebers kann daher wegfallen, und ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine einzige Leitung zur Speisung und zur Signalübertragung verwendet werden kann. Die gemäß der Erfindung gebildete Stromquelle kann bei geeigneter Wahl der Transistoren unmittelbar in das Gehäuse des Gebers eingebaut und über einen verhältnismäßig großen Temperaturbereich, etwa von -40 bis ungefähr 4-15O0C, betriebsfähig gehalten werden, so daß eine Verbindungsleitung zwischen demIn this way, the measurement signal achieves extensive interference signal suppression, namely interference signals from earth currents or magnetic interference are eliminated and the frequency response towards higher frequencies is not influenced even with extreme cable capacities, because voltage changes between the output of the current source and the reference potential have practically no influence on the impressed current signal have in the test lead. A mounting of the transmitter that is isolated from the ground or ground potential can therefore be omitted, and a further advantage of the invention is that a single line can be used for the supply and for the signal transmission. The current source formed according to the invention can be built directly into the housing of the encoder with a suitable choice of transistors and kept operational over a relatively large temperature range, from about -40 to about 4-15O 0 C, so that a connecting line between the
Geber und der Stromquelle praktisch zur Gänze wegfftllt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können somit die Meßsignale eines Meßwertwandlers z, B, eines piezoelektrischen Gebers, auf verhältnismäßig einfache Weise über beliebig lange Meßleitungen unverfälscht übertragen werden.Encoder and the power source practically entirely drops away. With the help of the circuit arrangement according to the invention can thus the measurement signals of a transducer z, B, a piezoelectric transmitter on can be transmitted in a relatively simple manner via measuring lines of any length without adulteration.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der -erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, welches anhand der Zeichnung erläu- ι Q tertistFurther details and advantages of the invention emerge from the following description of a Embodiment of the circuit arrangement according to the invention, which is explained with the aid of the drawing
In dem in der Zeichnung dargestellten Schaltbild ist der das Ladungs- oder Spannungssignal liefernde Meßgeber mit t bezeichnet Der Meßgeber 1, der beispielsweise aus einem piezoelektrischen Druck- oder Beschleunigungsgeber bestehen kann, ist zwischen eine geerdete oder an Masse liegende Bezugsleitung 2 und eine Signalleitung 3 geschaltet, die zum Steuereingang eines FeMeffekt-Transistors 4 führt. Parallel zum Meßgeber 1 sind zwischen die Bezugsleitung 2 und die Signalleitung 3 eine Eingangskapazität 9 und ein Ableitwiderstand 10 eingeschaltet, wodurch das vom piezoelektrischen Meßgeber 1 abgegebene Ladungssignal in ein Spannungssignal am Steuereingang des Transistors 4 umgewandelt wird. Der Feldeffekt-Transistor 4 ist mit einem weiteren Transistor 11 zu einer komplementären Schaltung zusammengeschaltet: Die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 4 ist mit dem Kollektor und dessen Drain-Elektrode mit der Basis des Transistors 11 verbunden, während der 3C Emitter des Transistors 11 über einen Arbeitswiderstand 12 des Feldeffekt-Transistors 4 an die Verbindung zwischen dessen Drain-Elektrode und der Basis des Transistors 11 angeschlossen ist Als Feldeffekt-Transistor 4 wird vorteilhaft ein sogenannter Depletion-Typ MOSFET oder ein Junction-Typ FET verwendetIn the circuit diagram shown in the drawing is the one that supplies the charge or voltage signal Encoder with t denotes the encoder 1, for example, from a piezoelectric pressure or Accelerometer can exist is between a grounded or grounded reference line 2 and a signal line 3 connected to the control input a FeMeffekt transistor 4 leads. Parallel to the encoder 1 are between the reference line 2 and the Signal line 3, an input capacitance 9 and a bleeder resistor 10 switched on, whereby the from Piezoelectric transducer 1 output charge signal into a voltage signal at the control input of the Transistor 4 is converted. The field effect transistor 4 is interconnected with a further transistor 11 to form a complementary circuit: The The source electrode of the field effect transistor 4 is connected to the collector and its drain electrode is connected to the Base of transistor 11 connected, while the 3C emitter of transistor 11 via a load resistor 12 of the field effect transistor 4 to the connection between its drain electrode and the base of the Transistor 11 is connected. A so-called depletion type is advantageously used as the field effect transistor 4 MOSFET or a junction type FET used
In den Stromkreis der durch die beiden Transistoren 4,11 gebildeten komplementären Schaltung ist zwischen die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 4 und die Bezugspotentialleitung 2 ein Widerstand 7 und <to außerdem ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand 13 eingeschaltet An die Ausgangsseite der Transistorschaltung schließt zwischen dem Emitter des Transistors 11 und dem Arbeitswiderstand 12 die mit 5 bezeichnete Meßleitung an, die eine beliebige Länge aufweisen kann. Am Ende der Meßleitung 5 sind in diese eine Last, die aus einem Arbeitswicfcrstand 14 oder einem Operationsverstärker 15 bestehen kann, sowie eine Speisespannungsquelle 8 eingeschaltet Schließlich ist ein Auswertegerät 6 für die Meßsignale über so Leitungen 16 und 17 dem Arbeitswiderstand 14 bzw. dem Operationsverstärker 15 nachgeordnetIn the circuit of the complementary circuit formed by the two transistors 4.11 is between the source electrode of the field effect transistor 4 and the reference potential line 2 a resistor 7 and <to also another temperature-dependent resistor 13 switched on to the output side of the The transistor circuit closes between the emitter of the transistor 11 and the load resistor 12 with the number 5 designated measuring line, which can be of any length. At the end of the measuring line 5 are in this a load resulting from a work load 14 or an operational amplifier 15 may exist, as well as a supply voltage source 8 switched on Finally is an evaluation device 6 for the measurement signals via lines 16 and 17 to the working resistance 14 and downstream of the operational amplifier 15
Das durch den Meßgeber 1 abgegebene Ladungssignal wird durch die Eingangskapazität 9 in ein Spannungssignal umgewandelt, welches über die Signalleitung 3 dem Eingang des Feldeffekt-Transistors 4 zugeführt wird. Dieses Signal steuert den Stromdurchgang durch die aus den Transistoren 4 und 11 bestehende komplementäre Schaltung. Der zwischen Emitter und Basis des Transistors 11 liegende Widerstand 12 läßt einen durch die Emitter-Basis-Spannung bestimmten Strom durch den Feldeffekt-Transistor 4 fließt η und eliminiert eine kontinuierliche Ladungsdrift auf den Eingang. Der in die Source-Leitung des Feldeffekt-Transistors 4 eingeschaltete Wider- 6r> stand 7 bestimmt zusammen mit der durch den eingestellten Drain-Ctrom bedingten Gate-Source-Spannung den durch die Transistorschaltung hindurchgehenden Dauerstrom ohne Eingangssignal. Durch ein der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 4 zugeführtes Eingangssignal wird der Slromdurchgang verändert und so das zugeführte Spannungssignal in ein eingeprägtes Stromsignal umgewandeltThe charge signal emitted by the measuring transducer 1 is converted by the input capacitance 9 into a voltage signal which is fed to the input of the field effect transistor 4 via the signal line 3. This signal controls the passage of current through the complementary circuit consisting of transistors 4 and 11. The resistor 12 located between the emitter and base of the transistor 11 allows a current determined by the emitter-base voltage to flow through the field effect transistor 4 and eliminates a continuous charge drift on the input. The switched-on in the source line of the field effect transistor 4 6 resistance r> was 7 determines, together with the conditional by the set drain Ctrom gate-source voltage of the current passing through the transistor circuit continuous current without an input signal. The current passage is changed by an input signal fed to the gate electrode of the field effect transistor 4 and the voltage signal fed in is thus converted into an impressed current signal
Die auf das Ladungssignal des Meßgebers 1 bezogene Stromempfindlichkeit der Schaltung hängt von der Größe der Eingangskapazität 9 und dem im Stromkreis liegenden Widerstand 7 ab. Da die Stromsteilheit durch den hohen Stromgegenkopplungsfaktor, bewirkt durch den Widerstand 7, praktisch nur vom Wert dieses Widerstandes abhängt, ist der Ausgangswiderstand der Schaltung sehr hoch. Die Transistoren 4 und 11 bilden somit zusammen mit dem Widerstand 7 eine durch das Ladungs- oder Spannungssignal gesteuerte Stromquelle mit hohem Ausgangswiderstand.The current sensitivity of the circuit related to the charge signal of the transducer 1 depends on the Size of the input capacitance 9 and the resistor 7 lying in the circuit. Since the steepness of the current is through the high current negative feedback factor, caused by the resistor 7, practically only from the value of this Resistance depends, the output resistance of the circuit is very high. The transistors 4 and 11 form thus, together with the resistor 7, a current source controlled by the charge or voltage signal with high output resistance.
Das von der Stromquelle abgegebene Stromsignal fließt über die Meßleitung 5 zum Arbeitswiderstand 14, an dem das eingeprägte Stromsignal wieder in ein Spannungssignal umgewandelt und über die Leitungen 16 und 17 dem Auswertegerät 6 zugeführt wird. Die am Arbeitswiderstand 14 auftretende Sp^.nungsänderung wird durch folgende Gleichung bestimmt:The current signal emitted by the current source flows via the measuring line 5 to the working resistor 14, at which the impressed current signal is converted back into a voltage signal and via the lines 16 and 17 is fed to the evaluation device 6. The on Working resistance 14 occurring tension change is determined by the following equation:
AUa = AUa =
-AUe-S- Ri ■ Ra-AUe-S- Ri ■ Ra
Ri + RaRi + Ra
wobei Ue die Eingangsspannung am Feldeffekt-Transistor 4, 5 die Stromsteilheit in mA/V, Ri den Ausgangswiderstand der durch die Transistoren 4 und U gebildeten Stromquelle an der Meßleitung 5 und Ra die Größe des Arbeitswiderstandes 14 bedeutet Da der Ausgangswiderstand Ri sehr hoch ist in der Praxis ungefähr tausendmal größer als der Arbeitswiderstand Ra, gilt die Näherungwhere Ue is the input voltage at the field effect transistor 4, 5 is the rate of rise of the current in mA / V, Ri is the output resistance of the current source formed by the transistors 4 and U on the measuring line 5 and Ra is the size of the working resistance 14 Since the output resistance Ri is very high in in practice about a thousand times greater than the work resistance Ra, the approximation applies
AUa = -AUe- S- Ra. AUa = -AUe- S- Ra.
Somit kann durch Wahl der Größe des Arbeitswiderstandes 14 jede beliebige Spannungsverstärkung zwischen 0 und ungefähr 10 mit einer Linearität von einigen Promillen für 80% des Aussteuerbereiches eingestellt werden. Die Stromsteilheit der Schaltung wird durch den Widerstand 7 bestimmt Mit einer praktisch ausgeführten Schaltung, die bei einer Stromsteilheit von 3 mA/V einen Ausgangswiderstand von 1ΜΩ im mittleren Aussteuerbereich besaß, wurde mittels eines Arbeitswiderstandes Ra =■ 333 kh eine Verstärkung von 9,98 (anstatt 939) erzieltThus, by selecting the size of the working resistor 14, any voltage gain between 0 and approximately 10 can be set with a linearity of a few per mill for 80% of the control range. The current gradient of the circuit is determined by the resistance 7 with a practical embodiment of circuit which possessed an output resistance of 1ΜΩ in the middle dynamic range at a current rate of rise of 3 mA / V, was measured by a load resistor Ra = ■ 333 kh, a gain of 9.98 ( instead of 939)
Aufgrund des hohen Ausgangswiderstandes der durch die Transistoren 4 und 11 gebildeten Stromquelle werden Meßfehler durch Störeinflüsse auf die als Meßrückleitung für das Stromsignal dienenden Bezugsleitung 2 von vornherein praktisch zur Gänze ausgeschaltet Eine von der Meßleitung 5 aufgenommene Störspannung wird bei einem Ausgangswiderstand von 1 ΜΩ der Stromquelle ungefähr um den Faktor 3000 unterdrückt, solange sie etwa ±5 V nicht überschreitet Aus dem gleichen Grund ergeben Leitungswiderstände von einigen 100 Ohm Fehler von weniger als 1 Promill. Am Auswertegerät 6 wird dadurch eine weitgehend unverfälschte Wiedergabe des durch den Meßgeber 1 aufgenommenen Signals erhielt.Due to the high output resistance of the current source formed by transistors 4 and 11 measurement errors due to interfering influences on the reference line 2 serving as the measurement return line for the current signal are practically all of them from the outset switched off An interference voltage picked up by the measuring line 5 is switched off at an output resistance of 1 ΜΩ of the current source by approximately the factor 3000 suppressed as long as it does not exceed about ± 5 V For the same reason Line resistances of a few 100 ohms, errors of less than 1 per mill. On the evaluation device 6 as a result, a largely unadulterated reproduction of the signal recorded by the transducer 1 was obtained.
Wenn anstelle des Arbeitswiderstandes 14 ein invertierender Operationsverstärker 15 verwendet wird, dessen Eingang ein virtueller Bezugspunkt darstellt, wird ein niederohmiger Ausgang erhalten. Dadurch wird der Frequenzgang der Schaltung nachIf an inverting operational amplifier 15 is used instead of the load resistor 14 whose input represents a virtual reference point, a low-resistance output is obtained. This will adjust the frequency response of the circuit
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höheren Frequenzen hin auch durch extreme Kabelka- Widerstand 13 zusammen mit den Transistoren 4 und 11Higher frequencies also due to extreme Kabelka resistance 13 together with transistors 4 and 11
pazitäten nicht beeinflußt, weil das Potential der und den Widerständen 7 und 12 unmittelbar in dascapacities are not affected because the potential of and the resistors 7 and 12 directly into the
turabhängige Widerstand 13 hat die Aufgabe, den ί Dabei fällt ferner die hochohmige Signalleitung 3The task of the temperature-dependent resistor 13 is to prevent the high-resistance signal line 3 from falling
gebers 1 und der Eingangskapazität 9 zu kompensieren. Feldeffekt-Transistors 4 praktisch zur Gänze weg.
Diese Maßnahme ist vor allem dann sinnvoll, wenn derencoder 1 and the input capacitance 9 to compensate. Field effect transistor 4 practically completely gone.
This measure is especially useful when the
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