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Schaltungsanordnung zum Übertragen elektrischer Ladung- oder Spannungssignale über eine lange Messleitung
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effekttransistors und das Bezugspotential ein Widerstand eingeschaltet ist, der zusammen mit der Tran- sistorschaltung eine durch das Ladungs- oder Spannungssignal des Gebers gesteuerte Stromquelle bildet, und dass am Ende der an den Ausgang der Transistorschaltung, der durch den Emitter des weiteren Tran- sistors gebildet ist, angeschlossenen Messleitung ein Arbeitswiderstand oder ein Operationsverstärker und eine Speisespannungsquelle angeschaltet sind.
Durch die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung wird das vom Messwertwandler abgegebene La- dungs- oder Spannungssignal in ein Stromsignal umgewandelt und eine Stromquelle mit hohem Aus- gangswiderstand gebildet, so dass die nachteiligen Eigenschaften eines niederohmigen Spannungssignals durch die Vorteile eines hochohmigen Stromsignals umgangen werden.
Auf diese Weise wird bei der Übertragung des Messsignals eine weitgehendestörsignalunterdrückung erzielt, u. zw. werden Störsignale durch Erdströme oder magnetische Einstreuungen eliminiert und wird auch bei extremen Kabelkapazi- täten der Frequenzgang nach höheren Frequenzen hin nicht beeinflusst, weil Spannungsänderungen zwi- schen 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 +150 C, betriebsfähig gehalten werden, so dass eine Verbindungsleitung zwischen dem Geber und der Stromquelle praktisch zur Gänze wegfällt 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.
Es ist zwar schonbekannt, für die Messwertverarbeitung und Messwert-Formübertragung eine Gleichspannung in einen eingeprägten Gleichstrom zu verwandeln. Dabei handelt es sich um die Messung kleiner Gleichspannungen oder Gleichströme mittels Gleichstrom-Kompensatoren bzw. um die Messung von Drücken oder Temperaturen mittels induktiver Messumformer oder Thermoelemente, wobei die Umwandlung der Messspannung in den eingeprägten Gleichstrom mit Hilfe eines Funktionsverstärkers erfolgt, der stromgegengekoppelt ist. Eine solche Anordnung ist für die Übertragung der Messsignale piezoelektrischer Messwertwandler nicht geeignet, vor allem weil die Messsignale hiebei sehr klein sind und durch die bekannten Schaltungen Störeinflüsse nicht ausgeschaltet werden.
Ferner sind Impedanz-Verstärker bekannt, die aus einem Feldeffekttransistor und einem bipolaren Transistor bestehen, wobei die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors mit dem Kollektor und die Senkenelektrode mit der Basis des bipolaren Transistors verbunden ist. Mit dieser Schaltung wird eine niederohmig Spannungsquelle gebildet, wobei die Ausgangsspannung an einem zwischen die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors und Masse geschalteten Widerstand abgenommen wird. Die Speisung der Transistorschaltung erfolgt über eine eigene Speiseleitung, die an den Emitter des bipolaren Transistors angeschlossen ist, der über einen Gegenkopplungswiderstand mit der Basis in Verbindung steht.
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Weiters ist ein Vorverstärker mit ähnlicher Zusammenschaltung der beiden Transistoren bekannt, bei welchem der Ausgangsstrom der Schaltung als Signal abgenommen wird.
Die weitere erfindungsgemässe Verarbeitung dieses Stroms war jedoch nicht bekannt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, welches in der Zeichnung dargestellt ist.
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Spannungssignal lieferndeDruck- oder Beschleunigungsgeber bestehen kann, ist zwischen eine geerdete oder an Masse liegende Bezugsleitung --2-- und eine Signalleitung-3-geschaltet, die zum Steuereingang eines Feldeffekt- 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 Feldeffekttransistor --4-- ist mit einem weiteren Transistor --11- zu einer komplementären Schaltung zusammengeschaltet : Die Quellen-
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und der Basis des Transistors --11-- angeschlossen ist. Als Feldeffekttransistor --4- wird vorteilhaft ein sogenannter Depletion-Typ MOSFET oder ein Junction-Typ FET verwendet.
In den Stromkreis der durch die beiden Transistoren --4, 11-- gebildeten komplementären Schaltung ist zwischen die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors --4- und die Bezugspotentialleitung - -2- ein Widerstand --7- und ausserdem ein weiterer temperaturabhängiger Widerstand-13-eingeschaltet. An die Ausgangsseite der Transistorschaltung schliesst zwischen dem Emitter des Transistors
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mit-5-bezeichneteArbeitswiderstand -14- oder einem Operationsverstärker --15-- bestehen kann, sowie eine Speise- spannungsquelle-8-eingeschaltet. Schliesslich ist ein Auswertegerät --6-- für die Messsignale über Leitungen --16 und 17-- dem Arbeitswiderstand --14-- bzw. dem Operationsverstäker --15-- nachgeordnet,
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den Eingang.
Der in die Quellenleitung des Feldeffekttransistors --4-- eingeschaltete Widerstand --7-bestimmt zusammen mit der durch den eingestellten Senkenstrom bedingten Tor-Quellen-Spannung den durch die Transistorschaltung hindurchgehenden Dauerstrom ohne Eingangssignal. Durch ein der Torelektrode des Feldeffekttransistors --4-- zugeführtes Eingangssignal wird der Stromdurchgang verändert und so das zugeführte Spannungssignal in ein eingeprägtes Stromsignal umgewandelt.
Die auf das Ladungssigna1 des Messgebers-l-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.
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und über die Leitungen --16 und 17-- dem Auswertegerät --6-- zugeführt wird, Die am Arbeitswiderstand *-14-auftretende Spannungsänderung wird durch folgende Gleichung bestimmt :
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wobei Ue die Eingangsspannung am Feldeffekttransistor --4--, S die Stromsteilheit in mA/V, Ri den Ausgangswiderstand der durch die Transistoren-4 und 11-- gebildeten Stromquelle an der Messleitung - und Ra die Grösse des Arbeitswiderstandes --14-- bedeuten, Da der Ausgangswiderstand Ri sehr hoch ist, in der Praxis ungefähr tausendmal grösser als der Arbeitswiderstand Ra, gilt die Näherung AUa=-Ue. 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-be- stimmt.
Mit einer praktisch ausgeführten Schaltung, die bei einer Stromsteilheit von 3 mA/V einen Ausgangswiderstand von 1 Mss im mittleren Aussteuerbereich besass, wurde mittels eines Arbeitswiderstandes Ra = 3,33 KQ eine Verstärkung von 9,98 (anstatt 9,99) erzielt,
Auf Grund des hohen Ausgangswiderstandes der durch die Transistoren--4 und 11-gebildeten Stromquelle werden Messfehler durch Störeinflüsse auf die als Messrückleitung für das Stromsignal dienende Bezugsleitung --2-- von vornherein praktisch zur Gänze ausgeschaltet.
Eine von der Messleitung - aufgenommene Störspannung wird bei einem Ausgangswiderstand von 1. Mss 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 Promille, Am Aus-
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wertegerät --6-- wird dadurch eine weitgehend unverfälschte Wiedergabe des durch den Messgeber-l- aufgenommenen Signals erzielt.
Wenn an Stelle des Arbeitswiderstandes-14-ein. invertierender Operationsverstärker --15-- ver- wendet wird, dessen Eingang ein virtueller Bezugspunkt darstellt, wird ein niederohmiger Ausgang erhalten. Dadurch wird der Frequenzgang der Schaltung nach höheren Frequenzen hin auch durch extreme
Kabelkapazitäten nicht beeinflusst, weil das Potential der Messleitung praktisch konstant bleibt,
Der in den Stromkreis noch eingeschaltete temperaturabhängige Widerstand --13- hat die Auf- gabe, den Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit des Messgebers-l-und der Eingangskapazität - 9- zu kompensieren. Diese Massnahme ist vor allem dann sinnvoll,
wenn der Widerstand -13-- zu- sammen mit den Transistoren-4 und 11-und den Widerständen-7 und 12-- unmittelbar in das Ge- häuse des Messgebers-l-eingebaul ist, was bei geeigneter Wahl der Bauteile ohne weiteres möglich ist. Dabei fällt ferner die hochohmige Signalleitung --3-- zwischen dem Messgeber --1-- und dem
Steuereingang des Feldeffekttransistors-4-praktisch zur Gänze weg.