DE2844120A1 - Elektronischer umschalter, insbesondere fuer telemeteranwendung in sonden - Google Patents
Elektronischer umschalter, insbesondere fuer telemeteranwendung in sondenInfo
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Description
j, „ u u .j ■, η « c- ■ . . « M ·~. ? τ ·. r F
akte : ;·9 1^H 10. Oktober
Vaisala Oy
Helsinki/Finnland
Helsinki/Finnland
Elektronischer Umschalter, insbesondere für Telemeteranwendung in Sonden
909816/088 6
-3- 28U120
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 7T bis 7TV an die zu messenden Kapazitanzen CM1
bis Cg und die Eingänge a.. bis ag an einen ansich bekannten
Schrittkreis 8 angeschlossen sind, der über einen mit dem Pfeil 9 gekennzeichneten Einflußweg abwechselnd an jeden der
Eingangspole a.. bis afi 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 Tn 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 CM 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 CM1 bis CMf- 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 CM 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
rl I
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 CM 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 (3)
- AnwaJtpqkte: ?9 *?UP "' ' . ·■···■·-■■'"■·Patentansprüche1 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 (CM1 · · -C™) und die Eingänge (a.....aw) an einen Schrittkreis (8) angeschlossen sind und daß das zu messende Signal (CM1-..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 (CM1-..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.909816/08 86
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