DE2413761A1 - Kapazitiver druckwandler oder frequenzumsetzer - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. H. Negendanlc

Dipl. Ing. H. Hauck - Dip! p_hys. _W. Schmitz

DIpI. Ing. E. Graalfs - Dipl. Ing. V/. Wehnert

8 München 2, MözartstreBe 23

Telefon 5380586

The Bendix Corporation

Executive Offices

Bendix Cater

Southfield , Mich. 48o75 18. März 1974

USA Anwaltsakte M-3o25

Kapazitiver Druckwandler oder Frequenzumsetzer

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Meßwertwandler und insbesondere Heßwertwandler , die ein Ausgangssignal entsprechend einem abgetasteten Zustand abgeben. Insbesondere betrifft die Erfindung
einen kapazitiven Wandler, der ein digitales Ausgangssignal in Abhängigkeit von einem abgetasteten Zustand abgibt. Die Erfindung
wird mit Bezug auf einen kapazitiven Druckwandler beschrieben , der ein digitales Ausgangssignal entsprechend dem abgetasteten Druck
abgibt.

Die früheren kapazitiven Druckwandler, die beispielsweise bei Rechnern für Flugdaten eingesetzt wurden, besaßen die herkömmliche Anordnung , bei welcher der Druck als Funktion der Kapazität bestimmt wurde, und der Wandler ein entsprechendes analoges Ausgangssignal abgab. Da die meisten neueren Rechner für Flugdaten digital arbeiten, war es erforderlich, komplizierte, kostspielige und sehr geräumige Analog-Digital-Umsetzer bei diesen frühsten Anlagen vorzusehen , um die erwünschten Ergebnisse in Digitalform zu erhalten.

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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch Einführung eines Druckwandlers mit einem digitalen Ausgang.

Erfindungsgemäß ist ein kapazitiver Frequenzwandler mit einem spannungsgesteuerten Oszillator vorgesehen, um ein Rechtecksignal abzugeben. Dieses Ausgangssignal wird bis auf Niederfrequenzen herabgeteilt und integriert, um die höheren Harmonischen zu integrieren; dann wird das Ausgangssignal gefiltert, um ein Sinussignal zu ergeben, das einem Kondensator eingespeist wird. Das Sinussignal wird durch eine Integrationsschaltung mit konstanter Amplitude integriert, um ein um 90 phasenverschobenes Signal zu ergeben, das einem Festwiderstand zugeführt wird. Der in diesem Widerstand fließende Strom ist konstant und wird zu dem den Kondensator durchfließenden Strom hinzuaddiert, der gegenüber dem Widerstandsstrom um 180 phasenverschoben ist. Das daraus entstehende Fehlersignal wird demoduliert, und das demodulierte Gleichstromsignal dient zur Änderung der Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators Der Kondensatorstrom ist eine Funktion der vom Wandler symmetrierten Frequenz, und die Frequenz des Ausgangssignals des.Oszillators ist eine Funktion der Kapazität.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Frequenzumsetzer zu schaffen, bei welchem eine Kapazitätsänderung die Frequenzänderung eines Wechselspannungssignals bewirkt. Ferner soll mit der Erfindung ein Wandler geschaffen werden, der ein digitales Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer Kapazitätsänderung abgibt, ohne daß eine Notwendigkeit für einen komplizierten Analog-Digital-·

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Umsetzer besteht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Frequenzumsetzer vorgesehen, der nicht auf Streukapazitäten anspricht, sodaß kleine Kapazitätsänderungen mit höchster Genauigkeit gemessen werden können. Sodann soll mit der Erfindung ein kapazitiver Druckwandler geschaffen werden, dessen Frequenzänderung zur Druckänderung linear verläuft. Schließlich ist erfindungsgemäß ein symmetrierter Frequenzwandler vorgesehen , dessen Kondensatorstrom eine Funktion der Frequenz und dessen Ausgangsfrequenz seines Oszillators eine Funktion der Kapazität ist.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und'Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung erläutert. Es sei jedoch betont, daß die Zeichnung lediglich zu Erlauterungszwecken dient und nicht den Rahmen der Erfindung begrenzt. Die Zeichnung zeigt:

Die einzige Figur stellt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Frequenzwandlers dar.

Der slpannungsgesteuerte Oszillator 2 , der ein bekannter 10 MHz-Oszillator sein kann , gibt ein Ausgangssignal mit der Frequenz F₀ ab. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators ge- j langt an einen herkömmlichen Spannungsteiler 4, welcher die Frequenz F„ auf Frequenzen im Hör - bereich herabteilt, um e'in'Rechtecksignal mit der Wellenform (a) abzugeben, dessen Frequenz gleich

ist Uj - . Das Rechtecksignal wird durch die Integrations-

. ^K0

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schaltung 6 integriert, um die höheren harmonischen zu senken und ein Signal von der Wellenform (b) abzugeben, das dann durch das Filter 8 gefiltert wird, um das Sinussignal (c) zu erhalten, das mit L. bzeichnet wird.

Obwohl nach dem Schaltbild das Filter 8 das Signal E erzeugt, sei bemerkt, daß auch eine Digitaleinrichtung für diesen Zweck verwendet werden kann. Diese Einrichtung enthält beispielsweise einen 7 Bit-Zähler, der einen ROM (Read Only Memory = Programmspeicher) Code addressiert, der dem Analogwert der Sinuswelle zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht. Der gleiche Zähler kann einen zweiten, für eine Kosinusfunktion programmierten ROM (Programmspeicher) adressieren. Durch diese Anordnung ergeben sich

ο
zwei um 90 phasenverschobene Sinussignale, wobei eine minimale Amplitudenschwankung bei der Frequenz auftritt. Einrichtungen dieser Art werden von der Micro Networks Corporation, Worcester, Massachusetts unter der Bezeichnung MN 35o Sine Wave Generator j auf den Markt gebracht.

Das vom Filter 8 abgegebene Sinussignal E. jpLangt an die mit kon-

: stanter Amplitude arbeitenden Integrationsschaltung lo, welche

!die folgenden Bausteine umfaßt: die beiden Tastspeicherkreise ; und 14, den summierenden Verstärker 16, die Multiplizierschaltung

; 18 und die Integrationsschaltung 2o. Somit liegt das Sinussignal am Tastspeicherkreis 12 und am Multiplizierglied 18 an. Der Ausgang des Multipliziergliedes 18 beaufschlagt die Integrations-

schaltung 2o, dessen integriertes Ausgangssignal E„ über den Fest-!

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widerstand 2 2 an den Tastspeicherkreis 14 gelangt. Die Tastspeicherkreise 12 und 14 werden durch das Ausgangssignal des Spannungsteilers 4 bei einer bestimmten Frequenz gesteuert, um eine Phasenbeziehung zwischen den Signalen E. und E₉ herzustellen, wie nachstehend näher erläutert wird. Der Verstärker 16 addiert die Ausgangssignale der Tastspeicherkreise, und das Ausgangssummensignal steuert das Multiplizierglied 18 an.

Das Signal E₉ liegt am Widerstand 22 an, wie vorstehend bemerkt, und das Signal E. am Drehkondensator 24, der ein Bauteil eines all-¹ gemein bekannten kapazitiven Druckfühlers 26 ist. Der Widerstand- und der Kondensatorstrom werden durch den Verstärker 28 addiert. Das Fehlersignal des Verstärkers 28, das ein Wechselspannungssignal ist, gelangt an den herkömmlichen Demodulator 3o, der voneinem ; anderen Ausgangssignal des Spannungsteilers 4 bei einer anderen > vorgegebenen Frequenz gesteuert wird, um zu einem bestimmten Zeitpunkt ein auf das Fehlerwechselspannungssignal bezogenes Gleichs- ι spannungssignal abzugeben. Das Gleichspannungsausgangssignal gelangt an den spannungsgesteuerten Oszillator 2 , um dessen Frequenz ; zu ändern und dadurch die Gesamtanlage abzugleichen oder zu ?ymmetrieren. Somit ist die Ausgangsfrequenz F des spannungsge- ;

1 O j

! 1

Steuerten Oszillators 2 eine Funktion der Kapazität des Kondensators

2 4 und damit eine Funktion des Drucks.

]pas Sinussignal E₁ wird durch die mit konstanter Amplitude arbeitenf de Integrationsschaltung Io integriert, um das um 90- phasenverüchobene (cos-Welle) Signal E₉ zu erzeugen. Dieses liegt am Wider-

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stand 22 an, sodaß der WiderstandsStrom I„ konstant ist, dem der Strom I des Kondensators 2 4 infolge des Signals E entgegenarbeitet. Damit ist I. gegenüber I„ um 18o phasenverschoben.

Wenn sich die Kapazität des Kondensators 24· infolge einer abgetasteten Druckschwankung ändert, dann bewirkt der sich entwickelnde Fehlerstrom nach der Demodulation eine Änderung der Frequenz.F^. Da der Kondensatorstrom 1. eine Funktion der Frequenz ist, ist die Anlage symmetriert, und die Frequenz F_Q ist eine Funktion der !Kapazität des Kondensators 24.

Rechnerisch können E.,E^ ,1. und I_ wie folgt ausgedrückt werden:

E₁ = K₁ sinu>t . (1)

E₀ = -K₀ cosut (2)

I₂ = -K₃ cosot (3)

₂₄) cosut (4)

Im Gleichgewichtspotential ist I. + I» = ^Ο·1ο ^{ein Festwert}> ^und daher muß I₁ eine Konstante sein. Wenn sich die Kapazität des Kondensators 24 (C„ 3 ändert, muß auch eine Änderung der Frequenz F erfolgen, um das Gleichgewichtspotential herzustellen.

Aus den Gleichungen (3) und (4) kann die folgende Rechnung aufgemacht werden:

+ I„ = O (bei Gleichgewichtspotential) , I

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daher K₁₁ C - K =.- O und

^K3
^Cj("?U ⁼ ~~K— ⁼ ^R* worin K eine Konstante

ist .'.

K .

Für den "Parallelplattenkondensator 24 g&t'die folgende Gleichung, worin e die Dielektrizitätskonstante, A die Plattenfläche ( eine Konstante) und d der Abstand zwischen den Platten ist:

ς _ e ₉ oder

iFür die meisten Druckwandler gilt, daß d = K„ + K₀P, wobei P
ben Druck darstellt.

^Kfi
Daher ist C=

K_{7 +} K₈P ·

[Substituiert man die Gleichung 5, dann ergibt sich* das folgende:

^K6

^K7 ^{+ K}8^P

CO= K_Q + K. P . (6)

9 Io

lan erkennt somit, daß die FrequenzUiund damit auch die Ausgangsfrequenz F_n eine Linearfunktion des Druckes P sind.

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Aus der vorgehenden Beschreibung geht jetzt hervor, daß die Aufgabe der Erfindung gelöst worden ist. Ein dem Druck entsprechendes digitales Ausgangssignal wird ohne aufwendige und kostspielige Analog-Digital-Umsetzer und der zugehörigen Kopplungselektronxk erzeugt. Die Ausgangsfrequenz ändert sich linear in Abhängigkeit vom Druck, und die Einrichtung spricht nicht auf Streukapazitäten an, wodurch die Anlage einen hohen Genauigkeitsgrad besitzt.

Außerdem dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbexspiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (1)

1. Patentanwälte Dr. Ing. H. Negendank

   The Bendix Corporation ES ,^ fr ^f' ^" ^Phys· ^W"^Schmit2

   i MB Si⁸* " ^P'·^lng- ^W· ^Wehnert

   Executive Off ices ,Bendix Center ^{β Μβ}"*·η 2, Mozaristraße 25

   Telefon 5380586

   Southfield, Mich. 48o75 18. März 1974

   USA Anwaltsakte M-3o25

   Patentansprüche

   ο 1.!Frequenzwandler mit einem digitalen Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Bausteine umfaßt: Einrichtungen (2,4,6,8) zur Erzeugung eines ersten Wechselspannungssignals (I ,E), eine Einrichtung (lo) zur Erzeugung eines zweiten Wechselspannungssigna-ls (Ι^,Ε ), dessen Phase gegenüber dem ersten Wechselspannungssignal verschoben ist, einen Kondensator (24,26), an dem das erste Wechselspannungssignal anliegt, und dessen Kapazität sich in Abhängigkeit vom Druck ändert, einen Widerstand (22), an dem das phasenverschobene Wechselspannungssignal (I„,E„) anliegt, eine an den Ausgang des Konden-? sators (24) und des Widerstandes (22) angeschlossene Vorrichtung (28) zur Summierung der Ausgangssignale des Kondensators und des Widerstandes sowie eine zwischen den Ausgang des Summier- ] gliedes (28) und den Eingang der Signalerzeugungsvorrichtungen '-. (2,4,6,8) geschaltete Mitkopplung (3o), um ein erstes Wechselspannungssignal zur Änderung der Frequenz des Wechselspannungs- ,

   signals zu erzeugen. - ,

   I .j j

   |2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor-

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   - Io -

   richtung (2,4,6,8) zur Erzeugung des ersten Wechselspannungssignals (1..,E) die folgenden Bausteine umfaßt: einen ein Signal mit einer Ausgangsfrequenz erzeugenden Oszillator (2), einen an den Oszillatorausgang angeschlossenen Frequenzteiler (4), der mindestens ein Signal (a) mit einer niedrigeren Frequenz erzeugt, eine an den Ausgang des Frequenzteilers (4) geführte Integrationsschaltung (6) sowie ein mit der Integrationsschaltung (6) verbundenes Filter (8) zur Erzeugung eines ersten sinusförmigen Wechselspannungssignals.

   3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (lo) zur Erzeugung des zwd.ten Wechselspannungssignals (I ,E ) , dessen Phase gegenüber dem ersten Wechselspannungssignal verschoben ist, die folgenden Bausteine umfaßt: eine an den Ausgang der Vorrichtung zur Erzeugung des ersten Wechselspannungssignals geführte Integrationsschaltung (lo) mit konstanter Amplitude sowie einen Tastspeicherkreis (12,14·), der durchbin anderes Signal von einer zweiten niedrigeren Frequenz des Frequenzteilers (4) gesteuert wird.

   4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit konstanter Amplitude arbeitende Integrationsschaltung (lo) die folgenden Bausteine umfaßt: einen sowohl mit dem Frequenzteiler' (4) und dem Ausgang der Vorrichtung zur Erzeugung des ersten Wechselspannungssignals verbundenen Tastspeicherkreis (12), ein an den Ausgang der Vorrichtung zur Erzeugung des ersten ■, Wechselqannungssignals geführtes Multiplizierglied (18), dessen

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   : - 11 -

   Ausgang die Integrationsschaltung (2o) steuert, deren integriertes Signal (E₉) an dem Widerstand (22) sowie an einem zweiten Tastspeicherkreis (14) gelangt, der über einen zweiten Eingang an den Frequenzteiler (4) 'geführt ist sowie einen Verstärker (16), an welchem die Ausgangssignale der beiden Tastspeicherkreise (12,14) anliegen und der das Multiplizierglied (18) steuert.

   5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitkopplung einen an den Frequenzteiler (4) angeschlossenen Demodulator (3o) umfaßt:, der von einem weiteren Signal des Frequenzteilers mit noch einer anderen kleineren Frequenz gesteuert wird, um das demodulierte Signal zu einem, auf das Auftreten des Summensignals bezogenen bestimmten Zeitpunkt zu erzeugen.

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