DE2209770B2 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung des exponentiell mit einer Meßgröße verknüpften Widerstandswerts eines Widerstandsgebers in eine der Meßgröße proportionale Frequenz einer elektrischen Schwingung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Umwandlung des exponentiell mit einer Meßgröße verknüpften Widerstandswerts eines Widerstandsgebers in eine der Meßgröße proportionale Frequenz einer elektrischen Schwingung

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    • H03B5/02—Details
    • H03B5/04—Modifications of generator to compensate for variations in physical values, e.g. power supply, load, temperature

Description

Schaltungsanordnung zur Umwandlung des exponentiell mit einer Meßgröße verknüpften Widerstandswerts eines Widerstandsgebers in eine der Meßgröße proportionale Frequenz einer elektrischen Schwingung.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.
Infrage kommende Widerstandsgeber sind z. B. Temperaturaufnehmer mit NTC-Widerständen oder Halbleitereinkristall-Widerstandstherniometer. Die Berücksichtigung solcher cxponentieller Kennlinien kann für die Anzeige durch entsprechend»: Skalen erfolgen.
Damit sind jedoch spezielle Skalen notwendig, und außerdem ist damit keine Linearisierung des elektrischen Signals möglich.
Dies kann zwar mit besonderen nichtlinearen elektrischen Netzwerken erfolgen, bei denen z. B. die exponentiell Strom-Spannungs-Charakteristik einer oder mehrerer Halbleiterdioden ausgenutzt wird. Eine gute Genauigkeit ist damit jedoch nur unter hohem Aufwand zu erreichen, insbesondere erfordert die Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinien aufwendige Kompensationsmaßnahmen.
Aus der Zeitschrift »IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT«, February 1971, Seiten 74 — 76, ist eine Schaltung bekannt, die die exponentiell Entladekennlinie eines /?C-Gliedes ausnutzt, um einen Impuls zu erzeugen, dessen Dauer dem Logarithmus einer Eingangsspannung proportional ist. Damit kann jedoch kein kontinuierliches Ausgangssignal erzeugt werden. Außerdem ist damit eine gerade für die Temperaturmessung zusätzlich erforderliche Reziprokwertbildung nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine Schwingung mit einer logarithmisch von dem Widerstandswert eines Wider-Standsgebers abhängenden Frequenz liefert. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs I bzw. des Anspruchs 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Schaltungsanordnung bildet also einen Relaxationsoszillator, dessen Frequenz im Prinzip nur von den Parametern linearer passiver Bauelemente abhängt, die sehr viel stabiler sein können, als diejenigen nichtlinearer sowie aktiver Bauelemente, wie z. B. Dioden und Transistoren. Auf diese Weise kann mit wenig Aufwand ein quasi kontinuierliches Ausgangssignal hoher Genauigkeit erreicht werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, daß diese frequenzanaloge Meßwertdarstellung eine Übertragung über galvanische und kapazitive Trennstellen sehr vereinfacht Diese sind insbesondere in der Prozeßmeßtechnik (Explosionsschutz) und in der Medizinelektronik notwendig.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein AusführungsbeispicJ der Erfindung wird anhand der Figur erläutert, die ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt.
In der Figur bildet die Reihenschaltung aus dem Widerstands-Meßwertaufnehmer R] und dem festen Widerstand Ri den einen Brückenz'.veig, der zwischen den Brückeneingangsklemmen a und b Hegt. Den zweiten Brückenzweig bilden die Reihenschaltung zweier fester Widerstände Rj, und Rs sowie eines Kondensators C, wobei der Kondensator an derselben Brückeneingangsklemme b angeschlossen ist wie der Meßwertaufnehmer R\. Die Brückenausgangsklemmen c und d bilden die Zusammenschaltpunkte jeweils der Widerstände R2 und R\ sowie der Widerstände Rt und Ri.
Diese Brückenausgangsklemmen sind mit den Eingangsklemmen eines Komparators K verbunden, desser. Ausgangsklemmen mit den Eingangsklemmen a und b der Brückenschaltung verbunden sind.
Dieser Komparator K wechselt die Polarität der Ausgangsspannung LZ1, wenn die Spannung an seinen Eingangsklemmen durch Null geht und das Vorzeichen wechselt. Die Verbindungen zwischen der Brückenschaltung und dem Komparator sind so vorgenommen, daß eine selbstschwingende Schaltung entsteht, d. h. die Brücke stellt eine mitkoppelnde Rückkopplung für den Komparator dar.
Es sei zunächst angenommen, daß die Ausgangsspannung des Komparators eine solche Polarität habe, daß die Brückeneingangsklemme a positiv gegenüber der Brückeneingangsklemme b ist. Der Kondensator C möge ganz entladen sein. Durch entsprechende Dimensionierung der Werte der Widerstände R\ bis Ra kann erreicht werden, daß die Brückenausgangsk'iemme c positiver ist als die Brückenausgangsklemme d. Dazu werden zweckmäßig die Werte der beiden Widerstände Rs und Ra gleich gewählt, und der Wert des Widerstandes R2 wird kleiner gewählt als der des Meßwertaufnehmers im zu messenden Temperaturbereich. Der Kondensator C wird nun über die Widerstände R1 und Ra aufgeladen, so daß die Spannung am Brückenpunk: d immer positiver wird. Sobald diese Spannung so positiv wird, daß die Brückenausgangsspannung, d. h. die Spannung Uezwischen den Punkten Curd D durch Null geht und das Vorzeichen wechselt, kehrt sich die Polarität der Ausgangsspannung Ua am Komparator um. Da der Kondensator C positiv aufgeladen war, ist nun die Spannung am Brückenpunkt c wesentlich negativer als die am Punkt d. Der Kondensator C wird nun wieder über die Widerstände R] und R* negativ aufgeladen, bis die Brückenausgangsspannung Ui: wieder durch Null geht. Auf diese Weise wirkt die Schaltungsanordnung a;s Relaxationsoszillator, dessen Frequenz sowohl von den absoluten Werten der Widerstände Rs und Ra sowie des Kondensators C wie auch von üem Verhältnis der Widerstandswerte R1 und Rj abhängt.
Eine genaue Berechnung der vollständigen Schwingungsperiode ro des Oszillators ergibt, wenn Rs = Λ, ist, folgenden Ausdruck:
K2
Bei einem Widerstandsthermometer, das auf der Abhängigkeit der Eigenleitfähigkeit von der absoluten Temperatur Γ bei Halbleitermaterialien basiert, ist die ι ϊ Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur
R1 = R11 c1- ' : Rn. k = konst.
Diese Charakteristik wird besonders bei Wider- :n Standsthermometern aus hochreinen einkristallinen Halbleitern sehr gut eingehalten. Aus den beiden Gleichungen ergibt sich, daLJ die OszilLtorfrequenz fr, der absoluten Temperatur proportional wird, wenn R2 = /?oist:
4 Ri C L
Abweichungen von der idealen Kennlinie, z. B. zur Korrektur von kleinen Abweichungen uer Kennlinie des Meßwertaufnehmers von dem idealen exponentiellen Verhalten können durch Ungleichheit der Widerstände R1 und Ri bzw. R2 und R0 erzielt werden. Ebenso kann die endliche Schaltzeit des Komparators kompensiert werden.
Zur Weiterverarbeitung kann die Ausgangsfrequenz /n des Oszillators einem Frequenz-Spannungs-Konver- ;er zugeleitet werden, der z. B. in bekannter Weise durch Erzeugen von Impulsen konstanter Span.ungszeitfläche und durch Mittelwertbildung dieser Impulse über ein Siebglied eine frequenzproportionale Spannur.g erzeugt. Auch eine Digitalisierung der Frequenz f„ ist durch die Anwendung von Impulszählern leicht möglich. Dies geschieht dadurch, daß einem in der Nullstellung stehenden Zähler die Impulse des Oszillators für eine bestimmte Zeitdauer zugeführt werden, so daß die Zählerstellung am Ende dieser Zeitdauer ein Maß für den Meßwert ist, der z. B. bei Verwendung eines üblichen Binärzählers gleich kodiert vorliegt.
Eine Modifikation macht die Schaltung für sehr kleine relative Änderungen der Eingangsgröße, z. B. der Temperatur T, näherungsweise linear empfindlich. Wenn R2 größer als /?c gewählt und so dimensioniert wird, ΊεΒ
so wird mit In R2ZRn - kZTu
ist,
Periodendauer T= Tu -ΔΤ
ι die = 4 R, C
'ο A \T 17
7;, *
4 Rt C
k 17
T1, Tu '
h-, Die Periodendauer ro kann mit ähnlichen Mitteln wie die Frequenz gemessen werden.
In dem Ausführungsbeispiel ist ein Komparator mit zwei Ausgangsklemmen angenommen, bei dem abhän-
gig vom Eingangssignal die Polarität der Spannung obere Briickeneingangsklemme a mit dieser Ausgangs·
zwischen diesen Ausgangsklemmen wechselt. Es sind klemme verbunden werden, während die untere
jedoch auch Komparatoren mit einer Ausgangsklemme Briickeneingangsklemme b mit einer festen Spannung
vorhanden, bei denen die Spannung an dieser verbunden wird, die gleich dem Mittelwert der beiden
Ausgangsklemme abhängig vom Wert der beiden > Ausgangsspannungswerte ist, um eine symmetrische
Eingangsspannungen zwischen zwei festen Spannungs- Ausgangsspanniing zu erhalten,
werten hin- und herschaltet. In diesem Fall kann z. B. die
liier/u I Hliiit Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung des exponentiell mit einer Meßgröße verknüpften Widerstandswerts eines Widerstandsgebers in eine der Meßgröße proportionale Frequenz einer elektrischen Schwingung
dadurch gekennzeichnet, daß
a) eine Brückenschaltung vorgesehen ist, die umfaßt:
a 1) eine erste Serienschaltung aus dem Widerstandsgeber (R 1) und einem ersten ohmschen Widerstand (R 2),
a 2) eine der ersten Serienschaltung parallel geschaltete zweite Serienschaltung aus einem Kondensator (C), einem zweiten und einem dritten ohmschen Widerstand (R 2 bzw. Λ 4),
a 3) zwei von den beiden Verbindungspunkten (a. b) der parallelgeschalteten Serienschaltung gebildete Eingangsklemmcn, sowie
a 4) zwei von dem Verbindungspunkt (c) des Widerstandsgebers (R 1) und des ersten ohmschen Widerstands (R 2) sowie von dem Verbindungspunkt (d) des zweiten und dritten ohmschen Widerstands (R 3 bzw. R 4)gebildete Ausgangsklemmen;
b) ein Komparator (K)mh zwei Eingangsklemmen und zwei ihre Polarität bei einem Polaritätswechsel der Spannung zwischen den Eingangsklemmu ι umkehrenden Ausgangsklemmen vorgesehen ist, welch le".tere an die Eingangskiemmen der Brückenschaltung angeschlossen sind;
c) die Elemente der Brückenschaltung so bemessen und die Ausgangsklemmen der Brückenschaltung derart mit den beiden Eingangskleminen des Koinparaiors verbunden sind, daß eine selbsterregte Schwingung entsteht.
2. Schaltungsanordnung zur Umwandlung des exponentiell mit einer Meßgröße verknüpften Widerstandswerts eines Widerstandsgebers in eire der Meßgröße proportionale Frequenz einer elektrischen Schwingung
dadurch gekennzeichnet, daß
a) eine Brückenschaltung vorgesehen ist, die umfaßt:
a 1) eine erste Serienschaltung aus dem Widerstandsgeber (R 1) und einem ersten ohmschen Widerstand (R 2),
a 2) eine der ersten Serienschaltung parallel geschaltete zweite Serienschaltung aus einem Kondensator (C), einem zweiten und einem dritten ohmschen Widerstand (R 2 bzw. R 4),
a J) zwei von den beiden Verbindungspunkten (a, b)der parallelgeschalteten Serienschaltung gebildete Eingangsklemmen, sowie
■\ 4) zwei von dem Verbindungspunkt (c) des Widerstandsgebers (R \) und des ersten ohmschen Widerstands (R 2) sowie von dem Verbindungspunkt (d)des zweiten und dritten ohmschen Widerstands (R 3 bzw. R 4) gebildete Ausgangsklemmen;
b) ein Komparator^mit zwei Eingangsklemmen und einer bei Polaritätswechseln der an den Eingangsklemmen liegenden Spannung zwisehen zwei Spannungswerten umschaltenden Ausgangsklemme vorgesehen ist, die an eine der Eingangsklemmen der Brückenschaltung angeschlossen ist,
■) c) die andere Eingangsklemme der Brückenschal
tung an eine Referenzspannung angeschlossen ist, die zwischen den beiden möglichen Spannungswerten der Ausgangsklemme des Komparators liegt; und
in d) die Elemente der Brückenschaltung so bemes
sen und die Ausgangsklemmen der Brückenschaltung derart mit den beiden Eingangsklemmen des Komparators verbunden sind, daß eine selbsterregte Schwingung entsteht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgangsklemmen des Komparators (K) ein Impulsformer mit nachfolgendem Siebglied zur Erzeugung einer der Meßgröße entsprechenden Gleichspannung ange-Jd schlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgangsklemmen des Komparators (K) ein Zähler angeschlossen ist, dessen während einer vorgegebenen Zeitdauer von der Nullstellung aus erreichte Zählerstellung ein Maß für den Meßwert ist.
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