DE2822509A1

DE2822509A1 - Messgeraet, insbesondere temperaturmessgeraet

Info

Publication number: DE2822509A1
Application number: DE19782822509
Authority: DE
Inventors: Masao Kato; Masanori Nakai; Hiroshi Tamura; Yukuya Tokumaru
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-05-24
Filing date: 1978-05-23
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE2822509B2; DE2822509C3; JPS53145457A; US4172384A

Description

Henkel, Kern, Mfor&Hänzel Piä

Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd. MöNftraBe37

, . .. _ D-8000 Mönchen 80

Kawasaki-shi, Japan

: Tel: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: eipeoki

2 3. Mai 1978

Meßgerät, insbesondere Temperaturmeßgerät

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Messung einer Analoggrüße, etwa der Temperatur.

Ein bisheriges Meßgerät, z.B. ein Temperaturmeßgerät, ist mit einer Meßbrückenschaltung versehen, die Thermistoren und einen Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung eines Ausgangs-Gignals e ntsprechend der Umgebungstemperatur, das von der Meßbrückenschaltung geliefert wird, in das entsprechende Digitalsignal aufweist. Der Analog/Digital-Wandler besitzt jedoch einen komplexen Aufbau, und er eignet sich nicht zur Herstellung in Form eines integrierten Schaltkreises, weil er Kondensatoren enthält.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Meßgeräts, das eine Analoggröße, wie die Temperatur, genau zu messen erlaubt und sich für die Herstellung mit integrierten Schaltkreisen eignet.

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Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird also ein Meßgerät geschaffen, das gekennzeichnet ist durch eine Analoggrößen-Meßschaltung zur Erzeugung eines ersten Signals entsprechend einer zu messenden Analoggrüße und eines zweiten Signals entsprechend einer Bezugsanaloggröße, eine erste freischwingende Oszillatorschaltung (variable frequency oscillating circuit) mit einer ungeraden Zahl von Umsetzern, die in Kaskade geschaltet und jeweils aus einer integrierten Injektlons-Logikschaltung gebildot sind und welche dan erste Auagangssignal der Analogerüßon-Moßschaltung an einer StromeingangsklemmG abnehmen, wobei die Ausgangsklemme des Umsetzers der letzten Stufe mit der Eingangsklemme des Umsetzers der ersten Stufe verbunden ist, eine zweite freischwingende Oszillatorschaltung mit einer ungeraden Zahl von in Kaskade geschalteten Umsetzern, die jeweils aus einer integrierten Injektions-Loglkschaltung bestehen und das Ausgangssignal der Analoggroßen-Meßschaltung an einer Stromeingangsklemme abnehmen, wobei die Ausgangsklemme des Umsetzers der letzten Stufe mit der Eingangsklemme des Umsetzers der ersten Stufe verbunden ist, und eine Signalverarbeitungsschaltuns zur Verarbeitung der Ausgangssignale der beiden Oszillatorschaltungen zur Lieferung eines Ausgangs-· signals entsprechend einer zu messenden Analoggröße.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein Schaltbild einer bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten freischwingenden Oszillatorschaltung,

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FiG. 2 ein Schaltbild eines Meßgeräts gemäß einer Ausführungsforrn der Erfindung unter Verwendung der Oszillatorschaltung nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Schaltbild eines Temperaturmeßgeräts gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Die freischwingende bzw. mit variabler Frequenz: arbeitende Oszillatorschaltung 1 gemäß Fig. 1 weist eine ungerade Zahl von in Kaskade geschalteten Umsetzern 2-1 bis 2-n auf, die jeweils aus einem Paar von npn- und pnp-Transistoren bestehen, wobei die pnp-Transistoren dieser Umsetzer mit ΤΠ1-1 bis ΤΓΠ-η und die npn-Transistoren mit TR2-1 bis TR2-n bezeichnet sind. Mit anderen Worten: jeder Unsetzer 2 besteht aus einer integrierten Injektions-Logikschaltung (integrated injection Ionic circuit) mit Transistoren TR1 und TR2. Eine Stromeingangsklernme 3 dieser Schaltung ist mit dem Emitter des Transistors TR1 verbunden, der seinerseits am Kollektor mit der Basis des Transistors TR2 verbunden ist. Der Kollektor des npn-Tx^ansistors TR1 ist mit der Basis des npn-Translstors der folgenden Umsetzerstufe verbunden. Die Basis des Transistors TR1 und der Emitter des Transistors TR2 liegen beide an Masse. Der npn-Transistor TR2-n der letzten Umsetzerstufe 2-n ist ein Doppelkollektortransistor, der mit seinem ersten Kollektor an die Basis des npn-Transistors TR2-1 der ersten Umsetzerstufe 2-1 und mit seinem zweiten Kollektor an die Ausgangsklemme h des freischwingenden Oszillators 1 angeschlossen ist. Die Verzögerungszeit des Umsetzers 2 variiert in Abhängigkeit vom Schaltungsstrom, so daß die Schwingfrequenz des freischwingerden Oszillators 1 in Abhängigkeit von dem über die Stromeingangsklemme J5 eingespeisten Stromquellenstrom variiert. Der an die Klemme 3 angelegte Stromquellenstrom ist also der Schwingfrequenz des freischwingenden Oszillators 1 praktisch proportional.

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Pig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Analoggrößen-Meßschaltnng unter Verwendung des freischwingenden Oszillators gemäß Pig. 1. Die Schaltung gemäß Pig. 2 ist mit zwei freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 mit dem Aufbau ge mliti Pig. 1 versehen. Ein Spannungssignal Vs entsprechend einer Analoggröße, z.B. der Temperatur, wird über einen Widerstand 12 an eine Stromeingangsklemme 1j5 des Oszillators 11 angelegt. Ein Bezugsspannungssignal VR entsprechend einer Bezugsanaloggröße wird Über einen Widerstand 22 an eine Stromeingangs- bzw. Speiseklemme 2;J des Oszillators 21 angelegt, dessen Ausgangslclemme 2^ mit einem Zähler 25 verbunden ist, dor während eines Intervalls von ύαν Zählung O bis zur Zählung C1 ein Signal hohen Pegels erzeugt. Die Ausgangsklemme des Zählers ist mit einer Eingangsklemme eines UND-Glieds 15 verbunden, dessen andere Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme 14 des Oszillators 11 verbunden ist. Die Ausgangslclemme des UND-Glieds 15 ist an die Eingangsklemme des Zählers 16 angeschlossen, dessen Ausgangsklemme mit einer Anzeigevorrichtung 17 zur Anzeige des Inhalts des Zählers 16 verbunden ist.

Die Sohwirgfrequenzen der freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 bestimmen sich nach den Gleichungen

fs = KsVs/Rs (1)

worin Ks und K„ Eigenkonstanten der Oszillatoren 11 bzw. 21 und Rs und R-p die Widerstandswerte der Widerstände R12 bzw. R22 bedeuten.

Der Zähler 25 erzeugt ein Signal hohen Pegels, bis er den Impuls mit der aufgrund der Bezugsspannung V™ vom Oszillator 21 erzeugten Frequenz zählt und eine Zählung von C1 erreicht,

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wobei durch das Signal hohen Pegels das UND-Glied 15 aktiviert bzw. durchgeschaltet wird. Nach dem Durchschalten des UND-Glieds 15 wird der Impuls mit der Frequenz fs, der vom Oszillator 11 aufgrund der Spannung Vs erzeugt wird, über das UND-Glied 15 zum Zähler' 16 geleitet. Der vom Zähler 16 erreichte Zählwert Cs bestimmt sich wie folgt:

Cs = fs/f_R χ C1 = Ks.Vs.R_RA_R.V_RRs χ C1 ., (3)

Wenn die freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 so ausgelegt sind, daß die Konstanten Ks und IC, gleich groß sind

auch (Ho Widerstandswerte der Widerstünde R12 und R22 gleich sind, d.h. Rs = R„, ergibt sich die folgende Gleichung:

Gemäß Gleichung (4) ist der Zählwert Cs der Eingangsspannung Vs proportional.

Wenn die freischwingenden Oszillatoren 11 und 21 nach der Integrationstechnik auf einem Chip oder Plättchen ausgebildet werden, sind sie jeweils denselben Temperaturbedingungen unterworfen, so daß sich (Schwingungs-)Pehler der Oszillatoren 11 und 21 aufgrund eines Temperaturunterschieds gegenseitig aufheben.

Pig. 3 ist ein Schaltbild einer Temperaturmeßschaltung, * die - wie die Schaltung nach Fig. iS^j&ei freisohwingende Oszillatoren 11 und 21, einen Zähler 25, ein UND-Glied 15, einen Zähler 16 und eine Anzeigevorrichtung 17 aufweist. Zusätzlich ist diese Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einem Thermistor 31 und einem Widerstand 32 sowie ei-

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ner anderen Reihenschaltung aus Widerständen 33 und ~;A versehen. Diese Reihenschaltungen sind parallel zwischen eine Stromquellenklemme V_ßD und Masse geschaltet. Die Verzweigung bzw. Verbindung zwischen dem Thermistor 3I und dem Widerstand 33 ist über den Widerstand 12 an die Speiseklemme des Oszillators 11 angeschlossen, mit dem Ergebnis, daß ein Strom entsprechend dem Widerstandsverhältnis zwischen dem Thermistor 351 und dem Widerstand 32 and die Speiseklemme angelegt wird. Die Verzweigung zwischen den Widerständen 53 und 34 ist über einen Widerstand 22 mit der Speiseklemme des Oszillators 22 verbunden, so daß die Speiseklemme mit einem Strom entsprechend dom Wirtorotandsverhiiltnia zwischen dem Widerstand 32 und dem anderen Widerstand 33 beschickt wird.

Die Ausgangsklemme des UND-Glieds 15 ist mit einer der Eingangsklommen eines UND-Glieds 35 sowie einer Eingangsklemrne eines UND-Glieds J>6 verbunden, dessen Ausgangsklemme an die Eingangsklemme des Zählers 16 angeschlossen ist. Die Ausgangsklemme des UND-Glieds 35 ist mit der Eingangsklemme eines Zählers 37 verbunden, dessen Ausgang unmittelbar mit der anderen Eingangsklemme des UND-Glieds und über einen Umsetzer 38 mit der anderen Eingangsklemme des UND-Glieds 35 verbunden ist.

Der Temperaturbereich, in welchem sich der Widerstandswert dos Thermistors 3I bei Temperaturänderung linear ändert, ist sohmal. Aus diesem Grund ist der Zähler gemäß Fig. 3 so ausgelegt, daß er ein Signal hohen Pegels erzeugt, wenn der Inhalt des Zählers 37 C2 (C2<C1) entsprechend der Mindestgröße des linearen Knderungsbereichs des Widerstandswer.ts des Thermistors erreicht.

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Im Betrieb schwingt der freisohwingende Oszillator 21 bei Anlegung einer Spannung von der Verzweigung zwischen den Widerständen J53 und y\ auf der Bezugsfrequenz fs, so daß er Impulse mit derselben Frequenz liefert. Der Zähler 25 liefert ein hohes Signal, bis der Impuls vom Oszillator 21 auf C1 hochzählt, wodurch das UND-Glied 15 durchgeschaltet wird. Andererseits wird bei Anlegung einer Spannung von der Verzweigung zwischen dem Thermistor 51 und dem Widerstand ^2 der freischwingende Oszillator 11 angesteuert, um Impulse mit der variablen Frequenz fs zu liefern. Das Impulssignal vom Oszillator 11 wird über die UND-Glieder 15 und 35 an den Zähler JJ angelugt, durch ilen es gewählt wird, solange das UND-Glied durchi-i-nohaltot ist, d.h. bis eier :-iühlor 25 von O auf C1 zählt. Wenn der Inhalt des Zählers JJ die Zählung C2 erreicht, liefert or r*in hohes Signal zum Deaktivieren bzw. Sperren dos UND-J5 bei gleichzeitiger Aktivierung des UND-Glieds 36· doGJjen wird das Iinpulssignal vom Oscillator 11 über rlio UMD-Glieder 15 und 16 an den Zähler 16 angelegt. Die vom Zähler 1ö erreichte Zählung Cs läßt sich wie folgt ausdrücken:

Cs = C1 χ fs/f_R - C1.

Die Frequenz bleibt praktisch konstant, und die Frequenz fs ändert sich proportional zur Temperatüränderung. Der Inhalt dos Zählers (in) wird durch die Anzeigevorrichtung wiedergegeben.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler tr Hänzel Patentanwälte

Tokyo Ghibaura Electric Co., Ltd. Möhlstraße37

D-8000 München

Kawasaki-shi, Japan

: Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

23. Mai 1978

Patentansprüche

Meßgerät, gekennzeichnet.durch eine Bezugssignalgenerator-Dchaltung zur Lieferung eines Bezugssignals, durch eine Analoggrößen-Meßschaltung zur Lieferung eines Signals entsprechend einer zu messenden Analoggröße, durch eine erste freischwingende Oszillatorschaltung mit einor ungeraden :,uhl von in Kaskade geschalteten und aus einem integrierten Injektionslogikschaltkreis bestehenden Umsetzern zur Abnahme eines Ausgangssignals der Bezugssignal(generator)-schaltung an einer Stromeingangsklemme, wobei die Ausgangsklemme des Umsetzers der letzten Stufe mit der Eingangsklemme des Umsetzers der ersten Stufe verbunden ist und die erste Oszillatorschaltung ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz dem Ausgangssignal von der Bezugssignalschaltung entspricht, durch eine zweite freischwingende Oszillatorschaltung mit einer ungeraden Zahl von in Kaskade geschalteten und aus einem integrierten Injektionslogikschaltkreis bestehenden Umsetzern zur Abnahme eines Ausgangssignals der Meßschaltung an einer Stromeingangsklemme, vjobei die Ausgangsklemme des Umsetzers der letzten Stufe mit der Eingangsklemme des Umsetzers der ersten Stufe verbunden ist und die zweite Oszillatorschaltung ein Ausgangssignal liefert, dessen Frequenz dem Ausgangssignal von der Meßschaltung entspricht, und durch

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eine signal vex'arboi tunr\sschaltun<:, welche die Ausgnngssignale doi· beiden üszillatorschaltungen verarbeitet und daraus ein Ausgangssignal entsprechend dem Ausgangssignal der Analoggrößen-Mei3schaltung ableitet.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch cekennzelohnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung eine erste Zählschaltung, die mit der erster, ^reischwingenden Oszillatorychaltung verbunden ist und deren Ausgangssignal zur Lieferung eines Signals hohen Pegels in einem vorgegebenen Zählbereich zählt, ein an die Ausgangsklemmen der ersten Zählschaltung und der zweiten Oszillatorschaltun;·; arij';r;.;ch] uurono:; TlND-dliud und eino zwnito Z;üil schal tung umdie mit cicu¹ Auiigangsklemme des UND-Glieds verbunden ist.

;). Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge kenn zeichnet, daß die Signalvoi'nrbej tungsso.hallung eine erste 7AIhIschaltung, die mit der ιίi'sten fi'oiijchwingenden Oszillatorschaltung verbunden ist und deren Aucgangsslgnal zur Lieferung eines Signals hohen Pegels in einem vorgegebenen Zählbereich zählt, ein mit den Ausgangsklemmen der ersten Zählschaltung und der zweiten Oszillatorschaltung verbundenes erstes UND-Glied, eine zweite Zählschaltung, welche das Ausgangssignal der ersten Oszillatorschaltung zählt und dann, wenn ihr Inhalt eine vorbestimmte Zählung erreicht, ein Signal hohen Pegels erzeugt, ein mit dem ersten UND-Glied und der zweiten Zählschaltung verbundenes zweites UND-Glied und eine an die Ausgangsklemme des zweiten UND-Glieds angeschlossene dritte Zählschaltung aufweist.

l·. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* daß die Bezugssignalschaltung zwei Stromquellenklemmen und eine Reihenschaltung aus zwischen diese Klemmen eingeschalteten ersten und zweiten Widerständen aufweist, daß die Verzweigung zwischen beiden VJiderständen an die Stromeingangsklemme des

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integrierten Injektionslogikcchaltkreises in der ersten freischwingenden Oszillatorschaltung angeschlossen ist, daß die Analoggrößen-Meßschaltung aus einer zwischen die beiden Stromquellenklemmen eingeschalteten Reihenschaltung mit einem Thermistor und einem dritten Widerstand aufgebaut 1st und daß die Verzweigung zwischen dem Thermistor und dem dritten Widerstand mit der Stromeingangsklemme des integrierten Injektionslogikschaltkreises der zweiten freischwingenden Oszillatorschaltung verbunden ist.

f>. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist.

6. Heßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis K, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden freischwingenden Oszillatorschaltungen auf öl nein einzigen Chip b.-'-w. Plättchen ausgebildet sind.

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