CH662177A5

CH662177A5 - METHOD FOR CONVERTING A PHYSICAL SIZE AND TRANSMITTER FOR CARRYING OUT THE METHOD.

Info

Publication number: CH662177A5
Application number: CH1059/83A
Authority: CH
Inventors: Hans Keller
Original assignee: Bauer Messinstrumente Ag
Priority date: 1982-05-29
Filing date: 1983-02-25
Publication date: 1987-09-15
Also published as: DE3220419A1; DE3220419C2

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung jeweils nach der Gattung des ersten Verfahrensbzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs aus. Es ist bekannt, mit Hilfe eines sogenannten Ladungsverstärkers mit nachgeschaltetem Gleichrichter die Grösse und die Änderung einer Kapazität zu bestimmen, wobei allerdings nicht notwendigerweise eine vollständige Kapazitätsmessung mit numerischer Ausgabe durchgeführt wird, sondern die durch die Kapazität bzw. durch deren Änderung zu erfassende physikalische Grösse stetig als proportionaler Ausgangsgleichstrom abgebildet wird. Die physikalische Grösse kann beispielsweise ein Winkel, ein Weg o.dgl. sein und bewirkt in ihrer Veränderung eine entsprechende Änderung der Messkapazität. Das Grundprinzip eines solchen Ladungsverstärkers ist in seinem Schaltungsaufbau so getroffen, dass dem Eingang eines geeigneten Verstärkers, beispielsweise Operationsverstärkers, die Messkapazität vorgeschaltet wird, der dann eine The invention is based on a method and a device according to the genre of the first method or of the first device claim. It is known to determine the size and the change in a capacitance with the aid of a so-called charge amplifier with a rectifier connected downstream, although a complete capacitance measurement with numerical output is not necessarily carried out, but rather the physical quantity to be detected by the capacitance or by its change is represented as a proportional output direct current. The physical quantity can be, for example, an angle, a path or the like. and changes the measurement capacity accordingly. The basic principle of such a charge amplifier is designed in such a way that the measuring capacitance is connected upstream of the input of a suitable amplifier, for example an operational amplifier, which then has a

Sinusspannung mit konstanter Amplitude zugeführt wird. Der Aufbau der Schaltung vervollständigt sich durch einen weiteren Kondensator im Rückführkreis des Verstärkers, wobei sich dann die Grösse der Messkapazität nach der fol-s genden Formel Sinusoidal voltage with constant amplitude is supplied. The construction of the circuit is completed by a further capacitor in the feedback circuit of the amplifier, the size of the measuring capacitance then according to the following formula

Cx = U2 • Cr/Ul bestimmt. Die umzuformende physikalische Grösse ist der io Kapazität Cx zugeordnet und bei konstanter Sinus-Speisespannung U1 und konstanter Rückkopplungskapazität Cr ist die Messkapazität bzw. deren Änderung proportional zur Ausgangsspannung U2 des Ladungsverstärkers bzw. dessen Änderung. Cx = U2 • Cr / Ul determined. The physical quantity to be reshaped is assigned to the io capacitance Cx and, with a constant sine supply voltage U1 and constant feedback capacitance Cr, the measurement capacitance or its change is proportional to the output voltage U2 of the charge amplifier or its change.

15 Relativ aufwendig bei einem solchen Ladungsverstärker ist die Erzeugung einer genauen Sinusspannung als Eingangsmessspannung sowie die phasengerechte Gleichrichtung der Verstärkerausgangsspannung U2. Ferner werden zur Sicherstellung von hinreichend präzisen Messergebnissen Schal-20 tungselemente mit geringer Zeitverzögerung benötigt. 15 The generation of a precise sinusoidal voltage as the input measurement voltage and the phase-correct rectification of the amplifier output voltage U2 are relatively complex in such a charge amplifier. Furthermore, circuit elements with a short time delay are required to ensure sufficiently precise measurement results.

Es besteht daher Bedarf nach einem nach dem Prinzip des Ladungsverstärkers arbeitenden Winkelmessumformer, der eine hohe Messgenauigkeit auch dann sicherstellt, wenn mit kostengünstigen Schaltungselementen bei insgesamt verein-25 fachtem Aufbau gearbeitet wird. There is therefore a need for an angle transmitter which works on the principle of the charge amplifier and which ensures a high level of measurement accuracy even when working with inexpensive circuit elements with an overall simplified structure.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umwandlung einer physikalischen Grösse (Winkel, Weg) in einen proportionalen Ausgangsgleichstrom durch Messung einer Kapazität und ihrer Änderung sowie 30 einen Messumformer zur Durchführung des Verfahrens nach dem Prinzip des Ladungsverstärkers dahingehend zu verbessern, dass auch bei Einsatz kostengünstiger Schaltungselemente sehr genaue Messergebnisse erzielt werden, auch dann, wenn der Aufwand bezüglich der phasenge-35 rechten Gleichrichtung gering gehalten wird. The invention is therefore based on the object of improving a method for converting a physical variable (angle, path) into a proportional output direct current by measuring a capacitance and its change, and also a measuring transducer for carrying out the method according to the principle of the charge amplifier When using inexpensive circuit elements, very precise measurement results can be achieved, even if the effort with regard to right-phase rectification is kept low.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. 3 und hat gegenüber den bekannten Messumformern mit Ladungsverstärker den Vorteil, dass trotz Verzicht auf die 40 bisher unerlässliche Erzeugung von sehr genauen Eingangs-Sinusspannungen Störungen oder Messfehler aufgrund von Zeitverzögerungen der Elemente oder des Einschwingverhai-tens nicht in das Messergebnis eingehen. Obwohl bei einer Speisung des Ladungsverstärkers mit Rechteckspannungen 45 zur einwandfreien Übertragung der Schaltsprünge die verwendeten Schaltungselemente sowie der Verstärker eigentlich so ausgelegt sein müssten, dass auch die Übertragung der in dem Rechtecksignal enthaltenden höheren harmonischen Schwingungen, die ein Mehrfaches der Grundfre-50 quenz darstellen, möglich ist, macht die spezielle Art der bei der Erfindung vorgesehenen Gleichrichtung solche Forderungen entbehrlich. The invention solves this problem with the characterizing features of independent claims 1 and 3 and has the advantage over the known transducers with charge amplifier that despite the fact that 40 previously indispensable generation of very precise input sinusoidal voltages, faults or measurement errors due to time delays of the elements or the transient response is not included in the measurement result. Although when the charge amplifier is supplied with square-wave voltages 45 for the correct transmission of the switching jumps, the circuit elements used and the amplifier should actually be designed such that the transmission of the higher harmonic vibrations contained in the square-wave signal, which represent a multiple of the fundamental frequency, is also possible is, the special type of rectification provided in the invention makes such demands unnecessary.

Hierdurch ergibt sich einerseits der Vorteil, mit in einfacher Weise erzeugten Rechteckspannungen am Eingang des Ladungsverstärkers arbeiten zu können - solche Rechteckspannungen lassen sich beispielsweise mit CMOS-Schalt-kreisen kostengünstig erzeugen - andererseits aber ein Ausgangsmessergebnis erzielt wird, welches ausschliesslich eine Funktion der Messkapazität ist und Störungseinflüsse, die durch die Vorder- und Rückflanken des Speise- und Rechtecksignals entstehen können, nicht enthält. On the one hand, this results in the advantage of being able to work with square-wave voltages generated in a simple manner at the input of the charge amplifier - such square-wave voltages can be produced inexpensively, for example, using CMOS circuits - but on the other hand an output measurement result is achieved which is exclusively a function of the measuring capacitance and Does not contain interference effects that can arise from the leading and trailing edges of the feed and square wave signals.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. The measures listed in the dependent claims allow advantageous developments and improvements of the invention.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen : An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description. Show it :

55 55

60 60

65 65

3 3rd

662 177 662 177

Fig. 1 in schematisierter Darstellung die Schaltung eines erfindungsgemässen Ausführungsbeispiels und Fig. 1 shows a schematic representation of the circuit of an embodiment according to the invention and

Fig. 2 Impulsdiagramme von Spannungsverläufen an verschiedenen Punkten der Schaltung bzw. Schalterstellungen bei der phasengerechten Gleichrichtung. Fig. 2 pulse diagrams of voltage profiles at different points of the circuit or switch positions in the phase-correct rectification.

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, bei einem Ladungsverstärker mit Gleichrichter, etwa für die Winkelmessumformung, die Eingangs-Speisespannung als Rechteckspannung auszubilden und andererseits gleichzeitig die phasengerechte Gleichrichtung so durchzuführen, dass die Aufschaltung der am Ausgang des Ladungsverstärkers sich bildenden Spannung nur während eines Zeitraumes erfolgt, der einerseits kürzer als die jeweilige Impulsdauer des Rechtecksignals ist und andererseits mindestens zur Vorder-, vorzugsweise auch zur Rückflanke dieses Signals einen vorgegebenen Abstand einhält. Die Auswertung des Ausgangssignals des Ladungsverstärkers erfolgt daher erst dann, wenn dieses auf einen konstanten Wert eingeschwungen ist. The basic idea of the present invention is to design the input supply voltage as a square-wave voltage in a charge amplifier with a rectifier, for example for angular measurement conversion, and on the other hand to carry out the phase-correct rectification in such a way that the voltage formed at the output of the charge amplifier is only applied for a period of time , which on the one hand is shorter than the respective pulse duration of the square-wave signal and on the other hand maintains a predetermined distance at least from the leading, preferably also from the trailing edge of this signal. The output signal of the charge amplifier is therefore only evaluated when it has settled to a constant value.

In Fig. 1 ist die Messkapazität, deren Grösse oder Veränderung durch Umformung in einen proportionalen Ausgangsgleichstrom gemessen werden soll, mit Cx bezeichnet; durch den Pfeil A ist die Einwirkung der im Endeffekt zu bestimmenden bzw. abzubildenden physikalischen Grösse angedeutet, die ein Drehwinkel, ein Weg o. dgl. sein kann. Die Messkapazität Cx ändert sich der Einwirkung der physikalischen Grösse entsprechend. Die Messkapazität Cx liegt am Eingang eines Verstärkers V, der über einen weiteren Kondensator Cr rückgekoppelt ist, wodurch sich entsprechend der weiter vorn schon angegebenen Formel eine Proportionalität zwischen der Ausgangsspannung U2 und der Messkapazität Cx ergibt, wenn Cr sowie die Eingangs-Speisespannung U1 konstant sind. Die Eingangs-Speisespannung U1 ist eine Rechteckspannung; zu ihrer Erzeugung ist ein Taktgeneratorblock TG vorgesehen, dessen Rechteckspannungssignal auch einem nachgeschalteten Verzögerungs- und Verkürzungsblock VK zugeführt wird. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen. In Fig. 1, the measuring capacitance, the size or change of which is to be measured by converting it into a proportional output direct current, is designated by Cx; arrow A indicates the effect of the physical quantity to be determined or imaged in the end, which can be an angle of rotation, a path or the like. The measuring capacity Cx changes according to the influence of the physical quantity. The measuring capacitance Cx is at the input of an amplifier V, which is fed back via a further capacitor Cr, which results in a proportionality between the output voltage U2 and the measuring capacitance Cx if the Cr and the input supply voltage U1 are constant in accordance with the formula given above . The input supply voltage U1 is a square wave voltage; To generate them, a clock generator block TG is provided, the square-wave voltage signal of which is also fed to a downstream delay and shortening block VK. This will be discussed further below.

Das Ausgangssignal U2 des Verstärkers V gelangt über einen Kondensator Cl auf den phasenrichtigen Gleichrichter G, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Längszweig einen Schalter S2 und einen Schalter S1 im Querzweig gegen Masse aufweist. Schliesslich ist zur Speicherung des jeweils letzten Spannungswertes bei eingeschaltetem Schalter S2 ein Kondensator C2 vorgesehen; da das Schaltungsbeispiel der Fig. 1 das Grundprinzip der Erfindung lediglich in stark schematisierter Form darstellt, kann anstelle des Kondensators C2 insgesamt auch eine sogenannte «Sample and Hold»-Schaltung vorgesehen sein, d.h. mit einem zusätzlichen, dem beibehaltenen Kondensator C2 nachgeschalteten Operationsverstärker in entsprechender Beschaltung. The output signal U2 of the amplifier V passes through a capacitor C1 to the in-phase rectifier G, which in the exemplary embodiment shown has a switch S2 in the series branch and a switch S1 in the cross branch to ground. Finally, a capacitor C2 is provided for storing the last voltage value when switch S2 is switched on; 1 represents the basic principle of the invention only in a highly schematic form, instead of the capacitor C2 as a whole, a so-called "sample and hold" circuit can also be provided, i.e. with an additional operational amplifier connected downstream of the retained capacitor C2 in a corresponding circuit.

s Aus den Impulsdiagrammen der Fig. 2 erkennt man zunächst die Phasenumkehr der Verstärkerausgangsspannung U2 mit Bezug auf die Rechteck-Eingangs-Speisespannung U1 und die zeitlich so weit verkürzten und entsprechend positionierten Einschaltdauern der Schalter S1 und S2. io Da, wie ersichtlich, die Schalter S1 und S2 nur während der Zeitdauer jeweils eingeschaltet werden, während der das Ausgangssignal U2 des Ladungsverstärkers auf einen konstanten Wert eingeschwungen ist, haben Verzögerungen im Ladungsverstärker sowie in den Schaltern keinen Einfluss 15 auf die Ausgangsspannung U3. Man erkennt, dass daher auch stark veränderte Auf- und Abflanken etwa des Ausgangssignals U2 keinen Einfluss auf das im Kurvenverlauf der Fig. 2 bei e) dargestellte Ausgangssignal haben, denn die Schalter fragen die Ausgangsspannung U2 immer nur dann 20 ab, wenn diese einwandfrei auf das Plateau des Rechteckimpulses eingeschwungen ist. Da die Abfragedauern der Schalter S2 und S1 bis zu einem gegebenen Wert verkleinert werden können, spielen auch evtl. auftretende Spannungsänderungen während der Impulsdauern des Rechtecksignals 25 keine Rolle ; die Einschaltdauern der Schalter S2 und S1 sind stets zeitlich an vorgegebener Stelle in der Rechteckimpulsfolge des Ausgangssignals U2 positioniert. Hierzu ist der Schaltungsblock VK vorgesehen, der, beispielsweise mittels eines einfachen RC-Gliedes, zunächst die Weiterleitung der 30 Vorder- bzw. Rückflanke des Rechtecksignals um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert, so dass ein nachgeschaltetes Schwellenglied, welches beispielsweise ein Schmitt-Trigger im bevorzugten Fall sein kann, erst nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer anspricht, während welcher Verzögerung 35 und Einschwingverhalten bezüglich der Rechteckspannung abgeklungen sind. From the pulse diagrams of FIG. 2, one can first recognize the phase reversal of the amplifier output voltage U2 with reference to the square-wave input supply voltage U1 and the switching times of the switches S1 and S2 that have been shortened and positioned so far in terms of time. Since, as can be seen, the switches S1 and S2 are only switched on during the period in which the output signal U2 of the charge amplifier has settled to a constant value, delays in the charge amplifier and in the switches have no influence 15 on the output voltage U3. It can be seen that, therefore, strongly changed up and down edges, for example of the output signal U2, have no influence on the output signal shown at e) in the curve of FIG. 2, because the switches only interrogate the output voltage U2 when it is perfectly correct the plateau of the rectangular pulse has settled. Since the query times of the switches S2 and S1 can be reduced to a given value, any voltage changes that may occur during the pulse durations of the square-wave signal 25 also play no role; the switch-on times of the switches S2 and S1 are always positioned at a predetermined time in the rectangular pulse train of the output signal U2. For this purpose, the circuit block VK is provided, which, for example by means of a simple RC element, first delays the forwarding of the leading or trailing edge of the square-wave signal by a predetermined period of time, so that a downstream threshold element, which, for example, a Schmitt trigger in the preferred case can only respond after a predetermined period of time, during which delay 35 and transient response with respect to the square-wave voltage have subsided.

In gleicher Weise kann das dem RC-Glied nachgeschaltete Schwellenglied (Schmitt-Trigger) in seiner Ausbildung als Monoflop so geschaltet sein, dass bei konstanter und 40 bekannter Frequenz der Rechteckspannung das Rückkippen in die Ausgangsposition zeitlich früher liegt als die Beendigung der Impulsdauer jeweils der Rechteckschwingung. Steuert man mit entsprechenden Ausgangssignalen dieser Verzögerungs- und Verkürzungsschaltung die Schalter S1 45 und S2 an, die vorzugsweise elektrische Schalter sind, dann ergeben sich die Impulsverhältnisse, wie sie in dem Impulsdiagramm der Fig. 2 dargestellt sind. Durch den Schalter S1 wird die zwischengeschaltete Kapazität Cl jeweils bei niedergehender Verstärkerausgangsspannung U2 entladen. In the same way, the threshold element connected downstream of the RC element (Schmitt trigger) can be configured as a monoflop in such a way that, at a constant and known frequency of the square wave voltage, the tipping back into the starting position is earlier than the termination of the pulse duration of the square wave . If one switches the switches S1 45 and S2, which are preferably electrical switches, with corresponding output signals of this delay and shortening circuit, then the pulse ratios result as they are shown in the pulse diagram in FIG. 2. The interposed capacitance C1 is discharged by the switch S1 each time the amplifier output voltage U2 drops.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

662 177 PATENT CLAIMS

1. A method for converting a physical variable into a proportional output direct current, an AC voltage signal being supplied to an amplifier via a capacitor, the capacitance of which changes according to the physical variable, and the amplifier output signal is rectified in phase, characterized in that when the variable voltage is supplied Amplifier input capacitance (Cx) with a square-wave signal, at least one switch (S2, S1) arranged at the amplifier output for rectification is operated with a duty cycle (TO) that is shorter than the pulse duration (Tl) of the square-wave signal and a time-predetermined interval to it Observes the leading edge as well as the trailing edge.

2. The method according to claim 1, characterized in that at the output of an amplifier arranged longitudinal switch (S2) and cross switch (Sl) are each operated in push-pull.

3. Transmitter, for carrying out the method according to claim 1 or 2, for converting a physical variable into a proportional output direct current, with a charge amplifier, an AC voltage-like signal is supplied via a measuring capacitor, the capacitance of which changes in accordance with the action of the physical variable, and with a rectifier in phase at the amplifier output, characterized in that a square-wave voltage generator (TG) is provided, which supplies the charge amplifier (V) with its measuring capacitance (Cx) a square-wave supply voltage and that a duty cycle of at least one switch (S2) connected downstream of the charge amplifier serves as a rectifier determining delay and shortening block (VK) is provided, which positions the square-wave voltage supplied to it by delay and pulse shortening in relation to the pulse durations of the square-wave supply voltage in such a way that the at least one switch (S2) connects the V amplifier output signal (U2) is only switched on for evaluation when deceleration and transient processes in the charge amplifier, the circuit elements involved and the switches have been completed.

4. Transmitter according to claim 3, characterized in that a series switch (S2) and a cross-switching switch (Sl) with a downstream storage capacity (C2) are provided at the output of the charge amplifier, with a control of the switches (S2, Sl) in Push-pull.