DE2258613C3 - Circuit arrangement for converting a detuning of a resistor bridge into a proportional frequency change of an RC oscillator - Google Patents
Circuit arrangement for converting a detuning of a resistor bridge into a proportional frequency change of an RC oscillatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Verstimmung einer aus einer aus einer Spannungsquelle gespeisten Widerstandsbrücke mit vier Widerständen in eine dazu proportionale Frequenzänderung eines RC-Oszillators, wobei die Ausgangsklemmen der Brücke mit den Eingangsklemmen eines Kompensationsverstärkers verbunden sind, dessen Ausgangsspannung einen steuerbaren Widerstand mittelbar oder unmittelbar steuert, wobei eine der Ausgangsklemmen der Brücke außerdem über einen Widerstand mit dem Zusammenschaltpunkt eines gegen Masse geschalteten Widerstands und des an die Spannungsquelle angeschlossenen steuerbaren Widerstands verbunden ist und wobei der steuerbare Widerstand Bestandteil des frequenzbestimmenden Netzwerkes des RC-Oszillators ist, nach Patent 19 24 783.The invention relates to a circuit arrangement for converting a detuning one from one from one a voltage source fed resistor bridge with four resistors in a proportional one Frequency change of an RC oscillator, the output terminals of the bridge with the input terminals a compensation amplifier are connected, the output voltage of which has a controllable resistor directly or indirectly controls, one of the output terminals of the bridge also via a Resistance with the interconnection point of a resistor connected to ground and the resistor connected to the Voltage source connected controllable resistor is connected and wherein the controllable Resistance is part of the frequency-determining network of the RC oscillator, according to the patent 19 24 783.
Eine ähnliche Schaltung ist in dem Aufsatz von D. Meyer «Präzisions-4R-4f-Umformer für frequenzanaloges Messen mit DMS«, VDI Berichte 137,1970, S. 41 —44, beschrieben. Darin liegen die variablen Widerstände des Meßwertaufnehmers als Brückenschaltung in einem Regelkreis, der durch Veränderung eines steuerbaren Widerstandes die Verstimmung der Brücke kompensiert Da der steuerbare Widerstand gleichzeitig ein frequenzbestimmender Bestandteil eines RC-Oszillators ist, wird die Verstimmung der Brücke in eine Änderung der Frequenz des Oszillators umgewandelt Bei der in der genannten Literaturstelle beschriebenen Schaltung ist der steuerbare Widerstand mit dem Eingang eines gegengekoppelten Operations-Verstärkers verbunden. Dieser Verstärker kann ohne grundsätzliche Änderung der Funktion auch durch einen gegen Masse geschalteten Widerstand ersetzt werden. Der Wert des steuerbaren Widerstandes ist jedoch stets im Kompensationsfall linear abhängig von der Brücken-A similar circuit is in the article by D. Meyer “Precision 4R-4f converter for frequency analog Measuring with DMS ", VDI Reports 137, 1970, pp. 41-44. This is where the variable resistances are of the transducer as a bridge circuit in a control loop, which is created by changing a controllable resistance compensates the detuning of the bridge Since the controllable resistance at the same time is a frequency-determining component of an RC oscillator, the detuning of the bridge becomes a Change in the frequency of the oscillator converted to the case described in the cited reference The circuit is the controllable resistor with the input of a counter-coupled operational amplifier tied together. This amplifier can also be replaced by a resistor switched to ground must be replaced. However, the value of the controllable resistance is always in the case of compensation linearly dependent on the bridge
In manchen Fällen ist es nun notwendig, daß die Brückenverstimmung nicht in eine lineare Frequenzänderung umgewandelt wird, sondern daß die Umwandlung möglichst genau einer nichtlinearen Funktion folgt.In some cases it is now necessary that the bridge detuning does not result in a linear frequency change is converted, but that the conversion follows a nonlinear function as closely as possible.
Dies ist z. B. der Fall bei der Messung des Volumendurchflusses nach dem Differenzdruckprinzip, wo ein quadratischer Zusammenhang zwischen zu messender Durchflußgeschwindigkeit und gemessenem Blenden-Differenzdruck besteht Hier muß zum Ausgleich die Umwandlung in eine Frequenz nach einer radizierenden Kennlinie erfolgen.This is e.g. B. the case when measuring the volume flow according to the differential pressure principle, where there is a quadratic relationship between the The flow rate and the measured orifice differential pressure must exist Conversion into a frequency take place according to a square root characteristic.
Dies kann z. B. durch einen Verstärker mit radizierender Kennlinie und nachgeschaltetem Spannungs-Frequenz-Umformer geschehen. Der Nachteil hierbei ist aber ein großer technischer Aufwand besonders zur Realisierung der radizierenden Kennlinie mittels nichtlinearen Bauelementen, deren Tempersturgang außerdem schwierig zu kompensieren ist. Eine andere Möglichkeit ist aus der DE-OS 15 16394 bekannt wo im Gegenkopplungszweig eines Verstärkers durch ein Magnetfeld gesteuerte Widerstände liegen und die Steuerung der Frequenz eines RL-Oszillators mittels durch dasselbe Magnetfeld gesteuerter Widerstände erfolgt Nachteilig ist hierbei, daß die UngenauigkeitenThis can e.g. B. by means of an amplifier with a square root characteristic and a downstream voltage-frequency converter happen. The disadvantage here is a great technical effort, especially for Realization of the square root characteristic by means of non-linear components, their tempering also difficult to compensate. Another possibility is known from DE-OS 15 16394 where in the negative feedback branch of an amplifier are resistors controlled by a magnetic field and the Control of the frequency of an RL oscillator by means of resistors controlled by the same magnetic field The disadvantage here is that the inaccuracies
so in den Steuerkennlinien der magnetfeldabhängigen Widerstände die Umformung beeinflussen.so influence the deformation in the control characteristics of the magnetic field-dependent resistors.
Aus dem Aufsatz von LE. Mac Hattie, »Transistor RC-oszillator with single-element tuning«, IEEE Trans. IM (1965) Seite 204-208, ist ein RC-Oszillator bekannt, dessen Frequenz durch den Leitwert des einen Widerstandes mit radizierender Kennlinie gesteuertwird. Dazu ist jedoch ein Widerstands-Meßwertaufnehmer mit großer Widerstandsvariation notwendig, der zudem mit beiden Enden innerhalb des Oszillators angeschlossen werden muß.From the article by LE. Mac Hattie, "Transistor RC oscillator with single-element tuning", IEEE Trans. IM (1965) pages 204-208, is an RC oscillator known, the frequency of which is controlled by the conductance of a resistor with a square root characteristic. For this, however, a resistance transducer with a large resistance variation is necessary. which must also be connected with both ends inside the oscillator.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Umformerschaltung anzugeben, mittels der eine kleine Verstimmung einer Widerstandsbrücke über eine möglichst genau radizierende Kennlinie in eine große FrequenzänderungThe object of the invention is to specify a converter circuit by means of which a small detuning a resistor bridge into a large frequency change over a characteristic curve that extracts as precisely as possible
h5 eines Oszillators umzuformen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Zusammenschaltpunkt ferner der Eingang einer Kettenschaltung aus zwei Integratoren und eines Invertersh5 of an oscillator. This task will solved according to the invention in that furthermore the input of a chain connection at the interconnection point from two integrators and one inverter
angeschlossen ist und der Ausgang des Inverters die Spannungsquelle darstellt Eine derartige Oszillatorschaltung ist an sich bekannt aus dem Buch von G. A. K ο r a und T. M. K ο r η, »Electronic analog and hybrid computers«, Mc Graw Hill, 1964, Seite 358, Fig. 9-15. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird aber nicht die gesamte Ausgangsspannung auf den Eingang übertragen, sondern nur ein Bruchteil entsprechend dem Übertragungsfaktor aus dem steuerbaren Widerstand und dem gegen Masse geschalteten Widerstand. Die Frequenz des Oszillators ist dann eine radizierende Funktion des Übertragungsfaktors, wie später erläutert wird. Andererseits bestimmt der Übertragungsfaktor aber auch die Kompensationsspannung für die verstimmte Brücke, so daß auf diese Weise der gewünschte Zusammenhang zwischen der Oszillatorfrequenz und der Brückenverstimmung zwangsläufig erreicht wird.is connected and the output of the inverter represents the voltage source. Such an oscillator circuit is known per se from the book by G. A. Kο r a and T. M. Kο r η, "Electronic analog and hybrid computers, "McGraw Hill, 1964, p. 358, Figs. 9-15. According to the present invention, however, not the entire output voltage is applied to the input transferred, but only a fraction corresponding to the transfer factor from the controllable resistor and the resistor connected to ground. The frequency of the oscillator is then a square root Function of the transfer factor, as will be explained later. On the other hand, the transfer factor determines but also the compensation voltage for the detuned bridge, so that in this way the desired Relationship between the oscillator frequency and the bridge detuning is inevitably achieved.
Die Integratoren bestehen zweckmäßig jeweils aus einem Operationsverstärker, der durch einen Kondensator überbrückt ist und dessen Eingang ei»· ohmscher Widerstand vorgeschaltet ist. Da die Verstärkung des Inverters in der Kette unabhängig von der Frequenz nahezu gleich eins ist, ist vor dem Inverter die invertierte Ausgangsspannung des Oszillators vorhanden, so daß der Fußpunkt der Brücke zweckmäßig damit verbunden wird, um die Empfindlichkeit der Brücke zu erhöhen.The integrators expediently each consist of an operational amplifier, which is driven by a capacitor is bridged and the input of an ohmic resistor is connected upstream. Since the reinforcement of the Inverter in the chain is almost equal to one regardless of the frequency, is before the inverter inverted output voltage of the oscillator available, so that the base of the bridge expediently with it connected to increase the sensitivity of the bridge.
Der steuerbare Widerstand kann ein Feldeffekt-Transistor oder ein durch eine lichtemittierende Diode gesteuerter Fotowiderstand sein. Der steuerbare Widerstand und der gegen Masse geschaltete Widerstand Rs können auch zusammengefaßt und durch ein Potentiometer realisiert werden. Dieses Potentiometer ist zweckmäßig eine elektronische Multiplizierschaltung, die auf einfache Weise elektrisch gesteuert werden kann.The controllable resistor can be a field effect transistor or a photoresistor controlled by a light-emitting diode. The controllable resistor and the resistor Rs connected to ground can also be combined and implemented by a potentiometer. This potentiometer is expediently an electronic multiplier circuit which can be controlled electrically in a simple manner.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert Deren einzige Figur zeigt eine Brückenschaltung aus vier Widerständen Rb i, Rb 2, Rb 3 und Rb α, von denen mindestens zwei Meßaufnehmer, z.B. Dehnungsmeßstreifen-Aufnehmer sind. Diese Widerstandsbrücke wird an einem Punkt mit der Oszillatorausgangsspannung Us gespeist Der diagonal gegenüberliegende Fußpunkt der Widerstandsbrücke wird hier mit einer gegenphasigen Spannung — Us gespeist, die aufgrund des Aufbaues des Oszillators hier ohnehin vorhanden ist Diese symmetrische Speisung bewirkt vor allem eine bessere Symmetrie der Brückenausgangsklemmen sowie eine Erhöhung der Brückenempfindlichkeit gegenüber dem Fall, daß der Fußpunkt der Widerstandsbrücke mit Masse verbunden ist Die anderen beiden Punkte der Widerstandsbrücke stellen deren Ausgang dar und sind mit einem Kompensationsverstärker K verbunden. Bei einer Verstimmung der Widerstandsbrücke entsteht zwischen deren Ausgängen eine Spannung, die am Ausgang des Kompensationsverstärkers K eine entsprechend verstärkte Ausgangsspannung erzeugt. Diese Ausgangsspannung verstellt ein Potentiometer P so lange, bis die Kompensationsspannung Uk am Ausgang des Potentiometers über den Kompensationswiderstand Rk einen derartigen Strom in eine der Brückenausgänge erzeugt, daß die Spannung zwischen den Brückenausgängen wieder verschwindet Die Kompensationsspannung ist die mit dem Übertragungsfaktor k des Potentiometers multiplizierte Ausgangsspannung U5 des Oszillators OS, und sie ist proportional der Brückenverstimmung.An embodiment of the invention is explained with reference to the drawing. The single figure shows a bridge circuit made up of four resistors Rb i, Rb 2, Rb 3 and Rb α, of which at least two are measuring sensors, for example strain gauges. This resistive bridge is U at a point of the oscillator output voltage s supplied the diagonally opposite low end of the resistor bridge is here with an anti-phase voltage - U s fed, by virtue of the structure of the oscillator here this balanced feed is present in any case causes mainly a better symmetry of the bridge output terminals and an increase in bridge sensitivity compared to the case that the base of the resistor bridge is connected to ground. The other two points of the resistor bridge represent its output and are connected to a compensation amplifier K. If the resistor bridge is detuned, a voltage arises between its outputs which generates a correspondingly amplified output voltage at the output of the compensation amplifier K. This output voltage is adjusted by a potentiometer P until the compensation voltage Uk at the output of the potentiometer generates such a current in one of the bridge outputs via the compensation resistor Rk that the voltage between the bridge outputs disappears again.The compensation voltage is the output voltage multiplied by the transfer factor k of the potentiometer U 5 of the oscillator OS, and it is proportional to the bridge detuning.
Der Oszillator OS besteht aus einer Kettenschaltung von zwei Integratoren und einem Inverter. Die Integratoren sind in bekannter Weise aus jeweils einem Operationsverstärker Vi bzw. V2 gebildet der durch einen Kondensator Ci bzw. C2 überbrückt ist und dessen Eingang ein ohmscher Widerstand R\ bzw. R2 vorgeschaltet ist Der Inverter der Kette besteht ebenfalls aus einem Operationsverstärker V3, der durch die Widerstände fa und A4 gegengekoppelt ist, um eine definierteThe oscillator OS consists of a chain circuit of two integrators and an inverter. The integrators are each formed in a known manner from an operational amplifier Vi or V 2 which is bridged by a capacitor Ci or C 2 and whose input is preceded by an ohmic resistor R \ or R2 . The inverter of the chain also consists of an operational amplifier V3 , which is fed back through the resistors fa and A4 to a defined
Es wird nun nicht die volle Ausgangsspannung des Inverters, d. h. die volle Ausgangsspannung U5 des Oszillators OS auf den Eingang der Kette übertragen, sondern nur ein Bruchteil entsprechend dem Übertragungsfaktor k des Potentiometers P, der proportional der Brückenverstimmung ist, wie bereits beschrieben wurde. Wenn dem Widerstand R\ des ersten Integrators eine kleinere Spannung zugeführt wird, wirkt dies aber ebenso, als würde der Wert des Widerstandes R\ vergrößert, d. h. die Zeitkonstante des ersten Integrators und damit die Frequenz des Oszillators OS wird verändert. Da die scheinbare Veränderung der Zeitkonstante nur einen Integrator betrifft, ist die Frequenz des Oszillators OS proportional der Wurzel aus demThe full output voltage of the inverter, ie the full output voltage U 5 of the oscillator OS , is not transmitted to the input of the chain, but only a fraction corresponding to the transmission factor k of the potentiometer P, which is proportional to the bridge detuning, as already described. If a lower voltage is fed to the resistor R \ of the first integrator, this also acts as if the value of the resistor R \ were increased, ie the time constant of the first integrator and thus the frequency of the oscillator OS is changed. Since the apparent change in the time constant affects only one integrator, the frequency of the oscillator OS is proportional to the square root of the
Übertragungsfaktor Jt, wie auch aus der Differentialgleichung des Oszillators hervorgeht, die man leicht aus den Gleichungen für die beiden Integratoren und den Inverter mit anschließendem Potentiometer erhält. Gleichzeitig geht aus der Oszillatorgleichung hervor, daß der Oszillator bei idealen Bauteilen keine Dämpfung besitzt, so daß die Einstellung des Potentiometers P überraschenderweise nicht die Stabilität des Oszillators beeinflußt Da die Operationsverstärker Vi und V2 nicht unendlich sind und die Kondensatoren Q und Ci gewisse Verluste besitzen, ist aus diesen Gründen doch eine Amplitudenregelung des Oszillators notwendig, die z. B. durch die drei Widerstände Rs, Rt und /fy gebildet werden kann. Dabei ist der Widerstand Rt, ein verlustleistungsabhängiger Widerstand (NTC), so daß an dem Zusammenschaltpunkt der drei Widerstände eine Spannung entsteht, deren Amplitude abhängig von der Ausgangsamplitude des Ozsillators ist und durch Null geht und dabei die Phase wechselt, so daß der zweite Integrator abhängig von der Amplitude der Ausgangsspannung U1 des Oszillators entdämpft oder bedämpft wird.Transfer factor Jt, as can also be seen from the differential equation of the oscillator, which can easily be obtained from the equations for the two integrators and the inverter with a subsequent potentiometer. At the same time, the oscillator equation shows that the oscillator has no damping with ideal components, so that the setting of the potentiometer P surprisingly does not affect the stability of the oscillator, since the operational amplifiers Vi and V 2 are not infinite and the capacitors Q and Ci have certain losses , for these reasons it is necessary to regulate the amplitude of the oscillator. B. can be formed by the three resistors Rs, Rt and / fy. The resistor Rt is a power loss- dependent resistor (NTC), so that a voltage is created at the point of connection of the three resistors, the amplitude of which is dependent on the output amplitude of the oscillator and goes through zero and the phase changes so that the second integrator is dependent is undamped or attenuated by the amplitude of the output voltage U 1 of the oscillator.
Das Potentiometer P kann z. B. durch die Reihenschaltung eines steuerbaren Widerstandes und eines gegen Masse geschalteten Festwiderstandes R% gebildet werden. Es kann auch ohne weiteres durch eine elektronische Multiplizierschaltung ersetzt werden, da es einseitig an Masse liegt, so daß eine schnelle elektronische Steuerung des Übertragungsfaktors k möglich ist. Der Widerstand R'k von einem Brückenaus-The potentiometer P can, for. B. can be formed by the series connection of a controllable resistor and a fixed resistor R% connected to ground. It can easily be replaced by an electronic multiplier circuit, since it is connected to ground on one side, so that rapid electronic control of the transfer factor k is possible. The resistance R'k from a bridge
bo gang gegen Masse kann vorgesehen werden, um restliche Unsymmetrien bei der Speisung der Brücke auszugleichen.bo gang against ground can be provided to to compensate for remaining asymmetries in the supply of the bridge.
Claims (7)
Priority Applications (1)
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| DE19722258613 DE2258613C3 (en) | 1972-11-30 | 1972-11-30 | Circuit arrangement for converting a detuning of a resistor bridge into a proportional frequency change of an RC oscillator |
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE2453704C2 (en) * | 1974-11-13 | 1981-05-27 | Vogel & Halke, 2000 Hamburg | Circuit arrangement of a signal amplifier for a signal generated by means of a measuring bridge |
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1972
- 1972-11-30 DE DE19722258613 patent/DE2258613C3/en not_active Expired
Also Published As
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| DE2258613B2 (en) | 1978-02-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8340 | Patent of addition ceased/non-payment of fee of main patent |