DE19652293A1

DE19652293A1 - Universal measurement amplification module compatible with 5B amplifier module series

Info

Publication number: DE19652293A1
Application number: DE19652293A
Authority: DE
Inventors: Kay Wichmann; Robert Kindermann; Roland Rehberg; Klaus Kohl
Original assignee: Bmc Systeme 82216 Maisach De GmbH; BMC SYSTEME GmbH
Current assignee: Bmc Messsysteme 82140 Olching De GmbH
Priority date: 1996-01-20
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: DE19652293C2; DE19601992A1

Abstract

The universal measuring amplifier module combines all functions of most amplifiers of 5B industrial module series into a single module. Measurement sensors of direct current, voltage, resistance, inductance and resistance are provided. The amplifier additional transmission frequencies and a rectification function.

Description

Für industrielle Meßaufgaben werden heute eine Vielzahl unterschiedlicher Meßverstärker zur Aufbereitung von aktiven und passiven Meßaufnehmern benutzt. Besonders häufig werden Verstärker der 5B Modulserie verwendet, da diese sehr klein und einfach zu handhaben sind. Diese Verstärker sind Einbereichs meßverstärker, die Betriebsart sowie der Meßbereich der Module sind fest vorgegeben und kann nur durch Wahl eines anderen Moduls geändert werden. Bedingt durch die Vielzahl der Anwendungen sind so im Laufe der Zeit über 200 verschiedene Module entstanden. Genauere Daten können den Katalogen der Her steller (z. B. Analog Devices, Burr Brown usw.) entnommen werden.A large number are used today for industrial measuring tasks different measuring amplifiers for the preparation of active and passive sensors. Be particularly common 5B module series amplifiers are used because they are very small and are easy to use. These amplifiers are single-range measuring amplifier, the operating mode and the measuring range of the modules are fixed and can only be selected by another Module can be changed. Due to the large number of Applications are over 200 different over time Modules were created. More precise data can be found in the catalogs of Her controller (e.g. Analog Devices, Burr Brown etc.).

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Forder ung zugrunde, die Installation sowie die Lagerhaltung und den Service zu vereinfachen.The invention specified in claim 1 is the claim based on the installation as well as the storage and the Simplify service.

Dieses Problem wurde durch die im Patentanspruch 1 angeführten Merkmale gelöst. Es wurde ein Modul entwickelt, daß die meisten aller Forderungen erfüllt. Die Zusammenfassung der verschiedenen Module wurde möglich durch Einsatz von modernen Halbleitern und die Mehrfachnutzung der verschiedenen Schaltungsteile. Es wird damit eine bisher nicht gekannte Kleinheit des Universalmeßver stärkers bei geringem Stromverbrauch erreicht. Zusätzlich wurden weitere Funktionen realisiert die bei den üblichen 5B Modulen nicht verfügbar sind.This problem was solved by the claims cited in claim 1 Features resolved. A module has been developed that most all requirements met. The summary of the different Modules became possible through the use of modern semiconductors and the multiple use of the different circuit parts. It will thus a previously unknown smallness of the Universalmeßver stronger with low power consumption. In addition, were further functions are realized with the usual 5B modules are not available.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß statt einer Vielzahl von unterschiedlichen Modulen für die verschiedenen Anwendungen nur noch ein einziges Modul benötigt wird. Dadurch vereinfacht sich die Fertigung, Lager haltung, die Installation und der Service. Es muß erst am Ort der Anwendung die Einstellung getroffen werden. Da die Module untereinander tauschbar sind, wird auch die Wiederverwendung der Module für andere Anwendungen möglich.The advantages achieved with the invention are in particular in that instead of a variety of different modules only one module for the various applications is needed. This simplifies production, storage attitude, installation and service. It has to be there first of the application. Because the modules are interchangeable, the reuse of the Modules for other applications possible.

Im Patentanspruch 2 wurden weitere Funktionen des Moduls dargestellt, die so bei den üblichen Modulen nicht zur Verfügung stehen. Sie werden im folgenden vorgestellt.In claim 2, further functions of the module shown, which are not available in the usual modules stand. They are presented below.

Über eingebaute Schaltmöglichkeiten können die verschiedenen Betriebsarten angewählt werden. Je zwei Schaltstellungen stellen dabei 4 Meßbereiche und 4 Filtereckfrequenzen ein. Ein genauer Abgleich des Moduls zur Anpassung an den Meßaufnehmer ist vor Ort möglich. Eine Betriebsart ermöglicht die Gleichrichtung des Meßsignals, dadurch wird die Erfassung von Wechselspannung möglich. Auch induktive Aufnehmer sind anschließbar. Eine Wechselspannung zur Speisung steht hierfür zur Verfügung. Die Meßgröße wird nach dem Trägerfrequenzverfahren ermittelt. The various Operating modes can be selected. Set two switch positions each 4 measuring ranges and 4 filter corner frequencies. A precise one Alignment of the module to adapt to the sensor is before Location possible. An operating mode enables the rectification of the Measurement signal, this is the detection of AC voltage possible. Inductive sensors can also be connected. A AC voltage for the supply is available for this. The Measured variable is determined using the carrier frequency method.

Die Funktionen des Modules werden im folgenden beschrieben:The functions of the module are described below:

Das Modul ist für fast alle gängigen Meßgrößen und Meßaufnehmer geeignet. Es können direkt Spannungen, Ströme, Widerstände erfaßt werden. Anschließbar sind ebenfalls induktive und resistive Meßbrücken und Aufnehmer. Auch Tachogeneratoren können zur Drehzahlerfassung herangezogen werden. Die physikalischen Meßgrößen, wie z. B. Temperatur, Dehnung, Druck, Durchfluß, Feuchte, Helligkeit, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Winkel, Kraft und vieles mehr werden in ein normiertes, proportionales Spannungssignal aufbereitet. Durch wenige externe Bauteile ist das Modul auch an andere Meßbereiche und Meßaufgaben anpaßbar.The module is for almost all common measurands and sensors suitable. Voltages, currents, resistances can be used be recorded. You can also connect inductive and resistive measuring bridges and transducers. Tachometer generators can also be used for speed detection. The physical Measured variables, such as B. temperature, strain, pressure, flow, Humidity, brightness, acceleration, speed, angle, Power and much more are transformed into a normalized, proportional Voltage signal processed. With few external components the module can also be adapted to other measuring ranges and measuring tasks.

Die Betriebsarten werden mit 3 DIP-Schaltern ausgewählt, die Meßbereiche werden mit 2 DIP-Schalter in bis zu 4 Stufen eingestellt. Mit 2 DIP-Schaltern können 4 Filtereckfrequenzen angewählt werden. Ein DIP-Schalter vergrößert den Offset abgleichbereich. Nullpunkt (Offset) und Verstärkung (GAIN) können mit Trimmpotentiometern abgeglichen werden.The operating modes are selected with 3 DIP switches that Measuring ranges are with 2 DIP switches in up to 4 levels set. With 2 DIP switches, 4 filter corner frequencies can be selected. A DIP switch increases the offset adjustment range. Zero point (offset) and gain (GAIN) can be adjusted with trim potentiometers.

Spannungsmeßbetrieb: Die Meßbereiche sind 1 mV, 10 mV, 100 mV, 1 V, 10 V.Voltage measurement mode: The measuring ranges are 1 mV, 10 mV, 100 mV, 1 V, 10 V.

Der Eingangswiderstand des Moduls beträgt 1 MOhm. Der Eingang kann differenziell betrieben werden.The input resistance of the module is 1 MOhm. The entrance can be operated differentially.

Strommeßbetrieb: Die Meßbereiche sind 0,2 mA, 2 mA, 20 mA, 200 mA. Der Eingangswiderstand ist in allen Meßbereichen 5 Ohm. Der Stromshunt muß gesondert mit Hilfe einer Lötbrücke auf der Unterseite des Modules in Betrieb gesetzt werden.Current measuring mode: The measuring ranges are 0.2 mA, 2 mA, 20 mA, 200 mA. Of the Input resistance is 5 ohms in all measuring ranges. Of the Current shunt must be separately using a solder bridge on the The bottom of the module.

Widerstandmeßbetrieb: Die Meßbereiche sind 10 Ohm, 100 Ohm, 1 kOhm, 10 kOhm. In allen Bereichen wird mit einem 100 uA eingeprägten DC Strom gemessen. Die Messung ist eine 2-Leitermessung.Resistance measuring mode: The measuring ranges are 10 Ohm, 100 Ohm, 1 kOhm, 10 kOhm. A 100 uA DC is embossed in all areas Current measured. The measurement is a 2-wire measurement.

Trägerfrequenzbetrieb: Die Meßbereiche sind 100 mV/V und 1 V/V.Carrier frequency operation: The measuring ranges are 100 mV / V and 1 V / V.

Beim Trägerfrequenzbetrieb wird der induktive Aufnehmer mit einer 5 kHz/2 Veff Sinuswechselspannung gespeist. Mit einem Demodulator wird das Meßsignal abgetrennt. Im Trägerfrequenz betrieb beträgt die max. Bandbreite 400 Hz, gefiltert mit einem 3poligen Filter (18 dB/Okt). Ein Halbbrückenbetrieb ist möglich.In carrier frequency operation, the inductive pickup is included a 5 kHz / 2 Veff sine alternating voltage. With a Demodulator the measurement signal is separated. In carrier frequency operation is the max. Bandwidth 400 Hz, filtered with a 3-pin filter (18 dB / oct). Half-bridge operation is possible.

Betrieb mit resistiven Aufnehmern: Die Meßbereiche sind 0,2 mV/V, 2 mV/V, 20 mV/V und 200 mV/V. Das Modul stellt eine Versorgungs spannung von ± 2,5 V DC zur Verfügung. Es können Meßbrücken bzw. Aufnehmer < 100 Ohm angeschlossen werden. Ein Halb- und Viertelbrückenbetrieb ist möglich
Betrieb mit Gleichrichtung: In den Betriebsarten Spannung, Strom und Widerstand kann das Signal gleichgerichtet werden. Dabei wird eine Einweggleichrichtung mit Glättung angewandt. Die Glättung läßt nur eine Meßfrequenz bis ca. 10 Hz zu.Operation with resistive transducers: The measuring ranges are 0.2 mV / V, 2 mV / V, 20 mV / V and 200 mV / V. The module provides a supply voltage of ± 2.5 V DC. Measuring bridges or sensors <100 Ohm can be connected. Half and quarter bridge operation is possible
Operation with rectification: The signal can be rectified in the operating modes voltage, current and resistance. One-way rectification with smoothing is used. The smoothing only allows a measuring frequency up to approx. 10 Hz.

Die Funktionsgruppen sind wie folgt:
Eingangsvorverstärker, Signalaufbereitung, galvanische Signal trennung, Ausgangsteil mit Filter und Schalter, AC/DC Generator und Versorgungsteil. Die Verschaltung der einzelnen Teile wurde mit Halbleiterschaltern, gesteuert durch die DIP Schalter, realisiert. Alle Verstärker sind als CMOS-Operationsverstärker ausgeführt, um einen möglichst geringen Stromverbrauch zu ermöglichen. Die einzelnen Teile und Signalpfade sind im Blockschaltbild dargestellt und werden nun näher erläutert. The function groups are as follows:
Input preamplifier, signal processing, galvanic signal separation, output section with filter and switch, AC / DC generator and supply section. The individual parts were interconnected using semiconductor switches controlled by the DIP switches. All amplifiers are designed as CMOS operational amplifiers to enable the lowest possible power consumption. The individual parts and signal paths are shown in the block diagram and are now explained in more detail.

Der Eingangsvorverstärker ist ein digital programmierbarer Differenzverstärker und unterdrückt wirksam Brummstörungen.The input preamplifier is a digitally programmable Differential amplifier and effectively suppresses hum.

Die Eingangsschutzbeschaltung verhindert das versehentliche Zerstören des Moduls durch zu hohe Spannung.The input protection circuit prevents accidental Destruction of the module due to excessive voltage.

Die Signalaufbereitung wird durch entsprechende Anwahl der Betriebsart gesteuert und das Meßsignal wird je nach Anwendung aufbereitet. Bei den Gleichspannungs-, Strom- und Widerstands meßgrößen wird nur eine Verstärkungsanpassung vorgenommen. Bei betätigen der Gleichrichtfunktion wird das Meßsignal zusätzlich mit einem Präzisionsgleichrichter gleichgerichtet. Im Trägerfrequenzmeßbetrieb wird der Generator auf Wechsel spannung umgeschaltet und auf der Eingangsseite wird nach dem Vorverstärker das Meßsignal durch einen Demodulator geleitet.The signal processing is done by selecting the Operating mode controlled and the measurement signal is dependent on the application processed. With the DC voltage, current and resistance only a gain adjustment is made. At actuating the rectification function, the measurement signal is also rectified with a precision rectifier. in the Carrier frequency measurement mode is the generator on change voltage switched and on the input side after the Preamplifier passed the measurement signal through a demodulator.

Die Signaltrennung ist mit einem optischen Isolationsverstärker verwirklicht. Dies ermöglicht eine hohe Übertragungsbandbreite bei niedrigen Versorgungsströmen. Die Isolationsspannungen zwischen den einzelnen Signal und Versorgungspfaden betragen 1000 V, dies kann jedoch bei solch kleinen Modulen aus VDE Gründen nicht ausgenutzt werden.The signal separation is with an optical isolation amplifier realized. This enables a high transmission bandwidth at low supply currents. The insulation voltages between the individual signal and supply paths 1000 V, but this can happen with such small modules from VDE Reasons not to be exploited.

Der Ausgangsbereich besteht aus einem aktivem Ausgangsfilter mit nachgeschaltetem Halbleiterschalter.The output area consists of an active output filter with downstream semiconductor switch.

Der Meßverstärkerausgang liefert eine zum Meßeingang galvanisch getrennte Ausgangsspannung von ± 5 V DC proportional zum Eingangssignal und kann Lasten größer 1 kOhm treiben. Der Ausgang ist kurzschlußfest und gegen ESD Spannungen geschützt. Der Filter hat eine Steilheit von 6 dB/Okt. Der Halbleiter schalter erspart in vielen Fällen die Verwendung eines nachgeschalteten Multiplexers. Diese Funktion wird mit dem Enable Anschluß (PIN 22) aktiviert.The measuring amplifier output supplies one galvanically to the measuring input separate output voltage of ± 5 V DC proportional to Input signal and can drive loads greater than 1 kOhm. Of the The output is short-circuit proof and protected against ESD voltages. The filter has a slope of 6 dB / oct. The semiconductor switch saves the use of a downstream multiplexers. This function is with the Enable connection (PIN 22) activated.

Der Generator für die Sensorspeisung hat einen eingebauten AC- und DC-Generator, an dem induktive oder resistive Aufnehmer als Voll- oder Halbbrücke angeschlossen werden können. Der AC- Generator ist ein amplitudengeregelter Wienbrückengenerator und liefert ein sinusförmiges 5 kHz, 2 Veff Signal. Der DC-Generator ist eine Präzisionsstromreferenz und erzeugt eine 2,5 V DC Spannung. Bei der Widerstandmessung wird eine 100 uA Stromquelle zur Speisung benutzt. Dem Generator sind 2 Ausgangsverstärker nachgeschaltet die den Sensor speisen. Die "Sense" Anschlüsse greifen in die Ausgangsverstärker ein und dienen zur Reali sierung einer 6-Leiterschaltung. Sie werden zur Ausregelung von langen Leitungen benutzt.The generator for the sensor supply has a built-in AC and DC generator, on which inductive or resistive transducers as Full or half bridge can be connected. The AC Generator is an amplitude controlled Wienbrücken generator and provides a sinusoidal 5 kHz, 2 Veff signal. The DC generator is a precision current reference and generates a 2.5 V DC Tension. When measuring resistance, a 100 uA current source is used used for feeding. The generator has 2 output amplifiers downstream which feed the sensor. The "Sense" connections intervene in the output amplifiers and serve for reali 6-wire circuit. They are used to regulate long lines.

Der Versorgungsteil besteht aus 2 galvanisch trennenden Miniatur-DC/DC-Wandlern. Hier werden die Versorgungsspannungen für den Eingangs- und Ausgangsteil erzeugt. Die Versorgungs spannung des Moduls beträgt 5 V DC und muß geregelt sein.The supply section consists of 2 galvanically isolating ones Miniature DC / DC converters. Here are the supply voltages generated for the input and output part. The supply voltage of the module is 5 V DC and must be regulated.

In den beiliegenden Unterlagen sind weitere technische Einzelheiten entnehmbar.In the enclosed documents are further technical Details can be found.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild, Fig. 1 is a block diagram,

Fig. 2 Die elektrischen Anschlüsse und mechanischen Abmessungen, Fig. 2 shows the electrical connections and mechanical dimensions,

Fig. 3 Datenblatt des MV-UNI. Fig. 3 data sheet of the MV-UNI.

Claims

1. The MV-UNI is a universal measuring amplifier module which corresponds in its application to the 5B industrial module series, characterized in that this universal measuring amplifier module combines most of the amplifiers of this 5B module series in one module. Voltages, currents, resistances, inductive and resistive sensors can be recorded directly. The peculiarity lies above all in the fact that here, with modern semiconductor components and the multiple use of different circuit parts, a previously unknown smallness of the measuring amplifier was achieved with low power consumption.

2. The measuring amplifier module according to protection claim 1 is characterized, that the different operating modes (voltage, current, Resistance measurement etc.) with up to 5 measuring ranges and 4 corner frequencies can be selected digitally can. The module can be exactly matched and one Rectifier function can be activated. An integrated DC voltage generator stands for the detection of resistive transducers available. In the operating mode for inductive transducers become transducers with a change voltage supplied. The measurand is after the carrier frequency measurement method determined. The module has one galvanic isolation between input, output and Power supply.