DE2844120A1

DE2844120A1 - Elektronischer umschalter, insbesondere fuer telemeteranwendung in sonden

Info

Publication number: DE2844120A1
Application number: DE19782844120
Authority: DE
Inventors: Jorma Ponkala
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1979-04-19
Also published as: US4295090A; DE2844120C2; FI54664C; CA1130381A; AU4067478A; BR7806787A; FR2406347A1; GB2006971B; ZA785695B; JPS5498638A; FI54664B; IT1099740B; IT7828738A0; JPH0118361B2; GB2006971A; AU529614B2; FR2406347B1

Description

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akte : ;·9 ¹^H 10. Oktober

Vaisala Oy
Helsinki/Finnland

Elektronischer Umschalter, insbesondere für Telemeteranwendung in Sonden

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen insbesondere für Telemeteranwendung bestimmten, elektronischen Umschalter mit dem eine Reihe zu messender Impedanzen an einen Meßkreis geschaltet wird.

Die vorliegende Erfindung soll einen einfacher und sicherer als bisher arbeitenden elektronischen Umschalter für den vorher bestimmten Zweck schaffen. Außerdem soll die Erfindung einen für die Zusammenarbeit mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Umschalter besonders geeigneten Meßkreis schaffen, vor allem einen IC-Oszillatorkreis, mit dem besonders kleine Kapazitanzen genauer als bisher so gemessen werden können, daß der Einfluß von Streukapazitanzen eliminiert wird.

Zur Erreichung der vorher und nachfolgend beschriebenen Aufgaben ist für die Erfindung im wesentlichen charakteristisch, daß als elektronischer Umschalter eine CMOS-Invertergruppe oder dergleichen verwendet wird, von deren einzelnen Verstärkerausgängen jeder an eine zu messende Impedanz und die Eingänge an einen Schrittkreis angeschlossen sind und daß das zu messende Signal von der Spannungseinspeisung der CMOS-Gruppe oder dergleichen zum Ausgang des Meßkreises geleitet wird.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf das in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfin

dung, bei dem die zu messenden Impedanzen eine Reihe von Kapazitanzen sind, die abwechselnd mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Umschalter an den Meßkreis geschaltet werden.

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Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der in

Fig. 1 dargestellten CMOS-Inverter im Detail.

Fig. 3 zeigt einen RC-Oszillatorkreis, der sich

zur Verwendung als Kombination mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Umschalter besonders gut eignet.

Fig. 4 zeigt eine Variation der Erfindung nach

Fig. 3 bei der eine zu messende Kapazitanz mit Hilfe zweier Koaxialkabel vom Meßkreis entfernt angeschlossen ist.

In Fig. 1 und 2 ist ein günstiges Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Umschalters dargestellt, in dessen Verbindung ein besonderer RC-Oszillatorkreis verwendet ist. Nach Fig. 1 hat der Umschalter eine CMOS-Invertergruppe, die sechs Verstärkereinheiten 7 ...7 _ hat. In dem erfindungsgemäßen elektronischen Umschalter ist charakteristisch und neu, daß die Verstärker "falschherum" geschaltet sind in der Art, daß die Ausgänge b, bis b^ der Verstärker 7_T bis 7_TV an die zu messenden Kapazitanzen C_M1 bis Cg und die Eingänge a.. bis a_g an einen ansich bekannten Schrittkreis 8 angeschlossen sind, der über einen mit dem Pfeil 9 gekennzeichneten Einflußweg abwechselnd an jeden der Eingangspole a.. bis a_fi der Verstärkergruppe 6 einen Impuls P gibt. Schrittkreis 8 und Verstärkergruppe 6 können sich vorteilhaft aus integrierten Gruppen zusammensetzen, die im Handel erhältlich sind.

Aus Fig. 4 geht genauer ein Beispiel für den Aufbau eines CMOS-Inverters in seiner einfachsten Form hervor, danach setzt sich dieser aus zwei Transistoren T und T_n zusammen, von denen T ein P-channel-MOS-Transistor und T =

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N-channel-MOS—Transistor ist. Der Widerstand hat im leitfähigen Transistor T , T eine Größenordnung von 500 SL und ist im nicht leitfähigen Transistor T , T einige Dekaden größer. Nach Fig. 3 befinden sich sechs der vorher beschriebenen Verstärker in einer Gruppe 7 und alle VDD's dieser Verstärker sind zusammengeschaltet ebenso wie alle YSS untereirancler.

Das wesentliche des vorher beschriebenen erfindungsgemäßen Umschalters ist erstens, wie vorher festgestellt, daß die Verstärker 7 "falschherum" geschaltet sind und daß das zu messende Signal von der Spannungseinspeisung der CMOS-Gruppe 6, z. B. von deren VDD, zum vorher beschriebenen Meßkreis geleitet wird. Nach Fig. 3 geschieht dies so, daß der Widerstand R. die Betriebsspannung +U zum Umschalter bringt und genannte Spannung durch die Kapazitanz C₁ von dem erfindungsgemäßen RC-Oszillatorkreis getrennt ist. Der Widerstand R. hat zweckmäßig eine Größenordnung von 150-Ω.und die Kapazitanz CL eine Größenordnung von 10 nF. Genannte Kapazitanz C, muß naturgemäß ausreichend groß sein, damit ihr Anteil an der zu messenden Frequenz f verschwindend klein ist. Die vorher genannte Größe von 10 nF ist geeignet, wenn die Größenordnung der zu messenden Kapazitanzen C_M von einigen pF bis zu mehreren zehn pF beträgt. Für die Funktion des vorher beschriebenen elektronischen Umschalters ist cha-

rakteristischv daß die übrigen Kapazitanzen an Masse geschaltet werden, wenn jede der Kapazitanzen C_M1 bis C_Mf- nach Art der Fig. 3 der Reihe nach an den Meßkreis geschaltet wird.

Nach Fig. 1, 3 und 4 gehört zu dem in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Umschalter verwendeten Meßkreis 10 zwischen den Punkten A und B ein invertierender Verstärker 1. Der invertierende Verstärker ist über einen Widerstand R. an den Eingang C eines bis tabuen OszilLationskreises 4 geschaltet. Der bistabiie Oszillationskreis 5 wird den Figuren entsprechend aus zwei invertierenden Ver-

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stärkern 2 und 3 gebildet und sein Ausgang D ist mit einem Widerstand R- an seinen Eingang rückgekoppelt. Betreffender bistabiler Kreis 4 ist z. B. ein Schmitt-Trigger, für dessen Funktion bekanntlich zwei Spannungsebenen und die Hysterese zwischen diesen charakteristisch sind.

Nach Fig. 1,3 und 4 v/erden die zu messenden Kapazitanzen CL, dargestellt, die zwischen Ausgang A und Eingang B an den invertierenden Verstärker 1 geschaltet sind. Am Ausgang D des bistabilen Kreises 4 wird eine Frequenz f = 1/T erhalten, die ein Maß für die zu messende Kapazitanz C_M ist, zweckmäßig in der Art, daß sich die Ausgangsfrequenz f des betreffenden RC-Oszillatorkreises umgekehrt zur zu messenden Kapazitanz C verhält. Eine wesentliche Eigenschaft der das erfindungsgemäße Verfahren anwendenden Kreisausführung ist, daß der Ausgang D des bistabilen Kreises 4 widerstandsmäßig über einen Widerstand R„ mit dem Ausgang A des invertierenden Verstärkers 1 rückgekoppelt ist. Wichtig ist auch, daß die Funktion der vorher beschriebenen Schaltung folgende ist. Es wird angenommen, daß der Punkt D anfangs auf der positiven Seite der Einspeisungsspannung liegt. Damit ist der Strom des Widerstandes R₂ bestrebt, die Spannung im Punkt A zu steigern. Da der Verstärker 1 invertiert, wirkt das Steigerungsbestreben der Spannung des Punktes A auf die Spannung im Punkt B absenkend und über die zu messende Kapazitanz C auch absenkend auf die Spannung im Punkt A. Endergebnis ist, das sich die Spannung im Punkt A im Idealfall überhaupt nicht ändert. Damit: wird die zu messende Kapazitanz C mit konstantem Strom aufgeladen, dessen Größe von der Resistanz R_ und der Spannung zwischen den Punkten D und A bestimmt wird. Wenn die Spannung im Punkt B auf ein niedrigeres Aus Lösungsniveau des bis tab L Leu Kreises, In den Figuren Schmitt-Trigger 4, gesunken ist, wechselt damit der bistabile Kreis seinen Zustand und die Spannung des Punktes D fällt plötz-5 Hch auf die negative Seite der Einspeisungsspannung, womit

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die Arbeit des Kreises auf die vorher beschriebene Weise fortgesetzt wird, jedoch in der Art, daß die Ströme gegenüber dem vorher beschriebenen entgegengesetzte Richtung haben.

Wichtig ist in dem vorher beschriebenen zu erkennen, daß sich die Spannung im Punkt A während der Arbeitsperiode in keiner Phase verändert hat. Hieraus ist eine wichtige Folge, daß sich die vom Punkt A an Masse schaltende, in beigefügter Fig. 3 durch die gestrichelte Linie dargestellte Streukapazitanz C„_A gerade deshalb die Ausgangsfrequenz f

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nicht beeinflußt, weil sich die Spannung im Punkt A nicht ändert und die Streukapazitanz C₁₁₁ nicht ge- und nicht entladen wird. Ebenso verhält es sich wenn an den Punkt B eine Streukapazitanz geschaltet wird, auch dann ändert sich die Ausgangsfrequenz f nicht, da der invertierende Verstärker im Idealfall in der Lage ist, einen ausreichend großen Strom so abzugeben oder aufzunehmen, daß er neben seiner anderen Funktion die betreffende Streukapazitanz R^_? auf- oder entladen kann.

Das im vorstehenden Beschriebene beruht darauf, daß die zu messende Kapazitanz C_M nach Fig. 4 z.B. mit Hilfe zweier Koaxialkabel 5a und 5b relativ weit entfernt vom eigentlichen Meßkreis angeordnet werden kann. Dies ist in der Praxis ein sehr großer Vorteil, denn z. B. in Radiosonden zu messende Kapazitanzen sind voneinander getrennt angeordnet und bei Anwendung der Erfindung können die zu messenden Kapazitanzen mit Koaxialkabeln an einen erfindungsgemäßen Umschalter und dieser kann mit einem Koaxialkabel weiter an einen vorher beschriebenen Meßkreis angeschlossen werden ohne daß die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

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Claims

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Patentansprüche

1 y Insbesondere für Telemeteranwendung geeigneter, elektronischer Umschalter, mit dem eine Reihe zu messender Impedanzen an einen Meßkreis geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Umschalter eine CMOS-Invertergruppe oder dergleichen (6,7.....7 ) verwendet wird, von deren einzelnen Ausgängen (b.. .. .b ) der Verstärker (7.....7 ) jeder an eine zu messende Impedanz (C_M1 · · -C™) und die Eingänge (a.....a_w) an einen Schrittkreis (8) angeschlossen sind und daß das zu messende Signal (C_M1-..C „) von der Spannungseinspeisung (VDD; VSS) der CMOS-Gruppe (6) oder dergleichen zum Ausgang des Meßkreises geleitet wird.
2. Elektronischer Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Pole der zu messenden Impedanzen (C_M1-..C _w) zusammen an den einen Eingang (B) eines Meßkreises und die anderen Pole abwechselnd über den elektronischen Umschalter (6,7,8) an den anderen Eingang (A) des Meßkreises geschaltet sind.
3. Zur Kapazitanzmessung bestimmter, elektronischer Umschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Spannungseinspeisung (VSS) einer CMOS-Gruppe

(6) oder dergleichen an Masse geschaltet ist und die andere Spannungseinspeisung (VDD) über eine um mehrere Dekaden als die zu messenden Kapazitanzen (C ) größere Kapazitanz (C₁) an den Eingang (A) eines Meßkreises geschaltet ist und daß letztgenannte Spannungseinspeisung (VDD) über einen großen Widerstand (R.) mit einer zweckmäßigen Größenordnung von 100 kJ2- an eine Einspeisespannung (+U) angeschlossen ist.

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