DE2913163C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Analog-Digitalwandler und insbesondere Wandler zur Umsetzung des Ausgangssignals eines Abtastkondensators für Fluglagen oder Flugverhältnisse in ein Digitalwort. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wandler, der zwecks erhöhter Stabilität gegen Umwelteinflüsse isoliert ist.

Flugdatenrechner für Flugnavigationszwecke verwenden Kondensatoranordnungen, wodurch sich die Kapazität in Abhängigkeit vom Luftdruck ändert und damit ein Maß für die Höhe des Flugzeugs darstellt. Die Kondensatoren erzeugen Analogsignale, welche für die meisten modernen Anwendungen in Digitalwörter umgesetzt werden müssen. Bisher wurden Umsetzer oder Wandler verwendet, die mit Präzisionsbrückenschaltungen arbeiten, welche eine auf die zu messende Kapazitätsänderung bezogene Wechselspannung erzeugen. Diese wird dann mit Hilfe eines Präzisionsumsetzers (z. B. US-Patentschrift 38 82 488) in ein Digitalwort umgesetzt.

Der in diesem Patent beschriebene Umsetzer oder Wandler kann für Messungen des statischen und dynamischen Drucks verwendet werden, die vom Flugdatenrechner für die erwähnten Flugnavigationszwecke verwendet werden.

Die Brückenschaltungen der beschriebenen Anlagen erfordern eine große Anzahl von passiven und aktiven Präzisionsbauteilen, um die erforderlichen auf den statischen und dynamischen Druck bezogenen Absolutspannungen zu erhalten. Außerdem ist ein erheblicher Aufwand an Filtern erforderlich, um die durch Klirrfaktor und Stromversorgungsschwankungen eingeführten Fehler klein zu halten. Dies wiederum macht die Ausgänge der Oszillatoren der Anlage frequenzempfindlich, wodurch sehr stabile Oszillatoren erforderlich sind. Der Fachmann erkennt, daß diese Punkte erhebliche Nachteile bei einem Wandler für den vorbezeichneten Zweck bilden.

Ein verbesserter Wandler ist im US-Patent 40 01 813 beschrieben. Diese Anlage besitzt einen Umsetzer für Kapazitätswerte in Digitalwerte, wobei die verhältnis- oder zustandsabgreifenden Kondensatoren mit Bezugskondensatoren in einer Schaltung zusammengefaßt sind, so daß keine absolute Wechselspannung mehr gebraucht wird, wodurch die Anlage einen hohen Grad von Präzision erhält. Die hauptsächlichen Fehlerquellen werden praktisch ausgeschaltet, da alle Arbeitsgänge auf der Grundlage eines Fehlersignals durchgeführt werden und ein einziger Oszillator sowohl den Abtast- als auch den Bezugskondensator steuert, so daß Frequenzveränderungen am Ausgang des Oszillators keine Wirkung auf die Meßgenauigkeit ausüben. Außerdem wird der hohe Genauigkeitsgrad mit erheblich weniger Bauteilen erreicht.

Der Kapazitätswert-Digitalwertumsetzer des US-Patents 40 01 813 ist weniger stabil als gewünscht, besonders wenn kleine Kapazitätsänderungen gemessen werden sollen. Dies rührt daher, weil die Kondensatoren und die zugeordneten Schaltungen nicht abgeschirmt sind, und daher ist die Anlage für Umgebungszustände empfindlich, woraus sich Streukapazitäten ergeben, welche die Stabilität der Anlage beeinträchtigen.

Die erfindungsgemäße Anlage schafft eine feste Umgebung bzw. feste Verhältnisse für die Schaltung, wodurch die Wirkung solcher Streukapazitäten kontrolliert und die Stabilität der Anlage erhöht wird.

Erfindungsgemäß, vgl. Patentanspruch 1 ist ein Kapazitätswert-Digitalwertumsetzer mit Bezugs- und Abtastkondensatoren sowie einer speziellen Verstärkerschaltung vorgesehen, die in einem abgedichteten Gehäuse untergebracht ist, das feste Umgebungsverhältnisse bietet, wodurch Streukapazitäten überwacht werden, die sonst die Stabilität der Anlage beeinträchtigen. Ein Oszillator gibt eine Spannung (E _R ) ab, um die Bezugskondensatoren sowie einen Digital-Analogwandler für N-Bits zu steuern. Der Digital-Analogwandler gibt ein Signal (E _S ) ab, um die Abtastkondensatoren zu steuern. Das Signal (E _S ) ist um 180° gegenüber dem Signal (E _R ) bei einer Größe von versetzt (X = Eingangssignal des Digital- Analogwandlers) und besitzt einen Pegel, nach der die Abtastkondensatoren durchfließende Strom gleich ist der negativen Stromkomponente in den Bezugskondensatoren. Wenn die Ströme in den Bezugs- und den Abtastkondensatoren nicht gleich und entgegengesetzt gepolt sind, wird eine Fehlerspannung am Ausgang des Spezialverstärkers entwickelt, die zur Erzeugung eines Gleichspannungsfehlersignals dient, das entweder auf ein abgetastetes statisches Verhältnis (Druck) P _S oder eines abgetasteten dynamischen Verhältnisses (Druck) P _T bezogen ist. Das Gleichspannungsfehlersignal wird in ein Digitalsignal umgesetzt und integriert, wobei dessen Zählung eine indirekte Messung der Kapazität des Abtastkondensators darstellt, und da die Kapazität direkt auf das zu messende Verhältnis bezogen ist, ist die Digitalzählung indirekt auf dieses Verhältnis oder diesen Zustand bezogen. Mit Ausnahme der Fehler im Digital-Analogumsetzer, die normalerweise eine Größenordnung kleiner sind als die geforderte Genauigkeit der Anlage, gibt es keine anderen Hauptfehlerquellen, da alle Arbeitsgänge auf der Grundlage eines Fehlersignals durchgeführt werden. Da außerdem sowohl die Abtast- als auch die Bezugskondensatoren direkt durch einen einzigen Oszillator angesteuert werden, haben die Frequenzänderungen des Oszillators keine Auswirkung auf die Genauigkeit der vorgenommenen Messungen. Weiterhin wird auch die Stabilität der Anlage infolge der Isolierung gegen Umwelteinflüsse erhöht, wobei stabile Umgebungsbedingungen für die Meßschaltung der Anlage geschaffen werden.

Die Erfindung ist nachstehend erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Kombination von Blockschaltbild und Stromlaufplan mit Darstellung der Schaltungsbeziehungen der erfindungsgemäßen Bausteine,

Fig. 2 ein Flußdiagramm mit Darstellung der rechnergesteuerten Funktion der Erfindung.

Ein Oszillator 2 (Fig. 1), der ein herkömmlicher Oszillator mit niedrigem Innenwiderstand sein kann, erzeugt ein Wechselspannungssignal E _R , dessen Frequenz beispielsweise 3 kHz ist. Das Signal E _R liegt an einem Mehrbit-Digital-Analogumsetzer 8 an, der beispielsweise ein 18-Bit-Umsetzer sein kann und ein Signal E _S erzeugt. Der Digital-Analog-Umsetzer 8 ist so beschaltet, daß das Signal E _S stets um 180° gegenüber dem Signal E _R phasenversetzt ist, wobei das Signal E _R eine Größe von besitzt (X = Eingangssignal des Digital-Analogumsetzers). Das Signal E _R liegt an einem Bezugskondensator 4 und einem Bezugskondensator 12 an.

Das Signal E _S liegt an einem Abtast- oder Meßkondensator 6 sowie an einem Abtast- oder Meßkondensator 10 an. Es braucht solch einen Spannungspegel, daß der den Meßkondensator 10 durchfließende Strom gleich ist dem Negativwert des Stromes im Bezugskondensator 10 oder, daß der den Meßkondensator 6 durchfließende Strom ist gleich dem Negativwert des Stromes im Kondensator 12 wie nachstehend näher erläutert wird.

Der Bezugskondensator 4 ist am Knotenpunkt 5 mit dem Meßkondensator 10 verbunden. Der Knotenpunkt 5 ist an die negative oder Inversionseingangsklemme eines Rechenverstärkers 14 geführt. Der Bezugskondensator 12 ist an einem Knotenpunkt 7 mit dem Meßkondensator 6 verbunden. Der Knotenpunkt 7 ist an die negative oder Inversionseingangsklemme eines Rechenverstärkers 16 geführt. Die nicht invertierenden oder positiven Eingangsklemmen der Rechenverstärker 14 und 16 sind an Masse gelegt.

Ein Kondensator 15 ist an eine Ausgangsklemme 11 des Rechenverstärkers 14 sowie an den Knotenpunkt 5 rückgekoppelt, und ein Kondensator 17 ist an eine Ausgangsklemme 13 des Rechenverstärkers 16 sowie an den Knotenpunkt 7 rückgekoppelt. Es sei bemerkt, daß die Knotenpunkte 5 und 7 effektive Massepunkte darstellen.

Der Bezugskondensator 4, der Meßkondensator 10 und die Verstärkerschaltung einschließlich des Verstärkers 14 des Kondensators 15 und des effektiven Massepunktes 5 sind in einem abgedichteten Gehäuse 9 untergebracht, während der Bezugskondensator 12, der Meßkondensator 10 und die Verstärkerschaltung mit dem Verstärker 16, dem Kondensator 17 und dem effektiven Massepunkt in einem versiegelten Gehäuse 11 untergebracht sind. Die Gehäuse 9 und 1 sind an Masse gelegt. Es sei bemerkt, daß das Gehäuse 9 und der Verstärker 14 sowie das Gehäuse 11 und der Verstärker 16 jeweils an einen gemeinsamen Massepunkt geführt sind, so daß die entsprechenden Verstärker und Gehäuse auf dem gleichen Potential liegen.

Die Ausgangsklemme 11 des Verstärkers 14 ist an einen Schalter 18 mit Arbeitskontakten, und die Ausgangsklemme 13 des Verstärkers 16 an einen Schalter 20 mit Arbeitskontakten geführt. Wenn die Schalter 18 und 20 schließen, verbinden sie die entsprechenden Verstärker 14 und 16 mit einem Knotenpunkt 19, der seinerseits über einen Widerstand 21 an die negative oder Inversionseingangsklemme eines Verstärkers 22 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors geführt ist. Der Verstärker 22 besitzt eine an Masse geführte nicht invertierende oder positive Eingangsklemme, und ein Rückkopplungswiderstand 25 ist an eine Ausgangsklemme 23 sowie an die negative oder Inversionseingangsklemme des Verstärkers 22 angeschlossen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann die gemessene Kapazitätsänderung verwenden, die durch die Meßkondensatoren 6 und 10 gegeben wird, um Messungen des statischen und dynamischen Drucks durchzuführen, und zu diesem Zweck sind die Kondensatoren in Multiplexschaltung ausgelegt.

Um die gewünschte Meßwertwandlung von einer Kapazität in einen statischen oder dynamischen Druck zu erreichen, ist ein herkömmlicher Demultiplexer 34 mit der Ausgangsklemme 23 des Verstärkers 22 verbunden und gibt ein Ausgangssignal an eine Ausgangsleitung 36 und ein anderes Ausgangssignal an eine Ausgangsleitung 38 ab. Das Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 36 gelangt an einen herkömmlichen Gleichrichter 40, und das Ausgangssignal an der Leitung 38 an einen gleichen Gleichrichter 42. Die Gleichrichter 40 und 42 dienen außerdem dem Zweck, eine 90°-Phasenverschiebung zu unterdrücken. Der Gleichrichter 40 erzeugt ein Fehlersignal Δ P _T entsprechend dem dynamischen Druck, und der Gleichrichter 42 erzeugt ein Fehlersignal Δ P _S entsprechend dem statischen Druck.

Die Fehlersignale Δ P _S und Δ P _T liegen über einen herkömmlichen Analog-Digitalwandler 43 an einem Rechner 44 an, der arithmetische und eine Integrationsschaltung zur Verarbeitung der Fehlersignale nach dem US-Patent 38 82 488 enthält. Das Ausgangssignal des Rechners wird über ein herkömmliches Faßspeicher- oder Halteregister 46 an einen Digital-Analogumsetzer 8 zurückgeführt.

Die Schalter 18 und 20, die elektronische Schalter wie Transistoren oder dergleichen sein können, werden wie der Demultiplexer 34 durch den Rechner 44 beaufschlagt, so daß eine Digitalzählung für den dynamischen oder statischen Druck geschaffen wird. Eine Digitalzählung für den dynamischen Druck ergibt sich durch Öffnung des Schalters 18 und Schließen des Schalters 20, während eine Digitalzählung für den statischen Druck durch Schließen des Schalters 18 und Öffnen des Schalters 20 erreicht wird, wie nachstehend anhand des Schlußdiagramms der Fig. 2 näher erläutert wird.

Wie bereits erwähnt, ist der Digital-Analogumsetzer 8 so ausgelegt, daß sein Ausgangssignal E _S um 180° gegenüber dem Bezugssignal E _R des Oszillators 2 bei einer Größenordnung von versetzt ist. Die Aufgabe des Ausgangssignal E _S des Digital-Analogumsetzers 8 besteht darin, einen solchen Spannungspegel zu finden, daß der den Kondensator 10 durchfließende Strom gleich ist dem Negativwert des Stromes im Kondensator 4 oder daß der den Kondensator 6 durchfließende Strom gleich ist dem Negativwert des Stroms im Kondensator 12.

Nimmt man an, der Schalter 18 sei geschlossen und der Schalter 20 durch die Wirkung des Rechners 44 geöffnet (Fig. 2) und daß die Ströme in den Kondensatoren 4 und 10 nicht gleich und von entgegengesetzter Polarität sind, dann entsteht eine Fehlerspannung an der Ausgangsklemme 11 des Verstärkers 14. Diese Fehlerspannung wird über den Rückführungskondensator 15 an den effektiven Massepunkt 5 zurückgeführt. Folglich liegt an der Ausgangsklemme des Verstärkers 14 eine Fehlerwechselspannung an, die gleich ist:

Die Fehlerspannung wird über den Verstärker 22 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors sowie den Demultiplexer 34 beispielsweise an dem Umsetzer 42 angelegt, um ein dem Fehler des statischen Druck entsprechendes Gleichspannungsfehlersignal Δ P _S zu erzeugen.

Das Fehlersignal Δ P _S gelangt über den Analog-Digitalumsetzer 43 an den Rechner 44 (US-Patent 38 82 488) und wird über das Tastspeicherregister 46 an den Digital-Analogumsetzer 8 zurückgeführt. Die Rückführung über den Rechner 44 zwingt das Signal E _S , einen Wert anzunehmen wie beispielsweise:

Unter dieser Bedingung gilt die folgende Beziehung:

Daß das Signal E _S der mit dem Signal multiplizierten Digitalzählung des Rechners 44 gleich ist, ist die Digitalzählung gleich und da C ₄ und 2¹⁸ konstant sind, stellt die Digitalzählung eine indirekte Messung der Kapazität des Kondensators 10 dar. Da die Kapazität des Kondensators 10 außerdem direkt auf den statischen Druck bezogen ist, ist auch die Digitalzählung indirekt auf den statischen Druck bezogen

Daraus ergibt sich, daß eine indirekt auf den dynamischen Druck bezogene Digitalzählung, d. h. bezogen auf P _T in gleicher Weise durch Öffnen des Schalters 18 und Schließen des Schalters 20 über den Rechner 44 erreicht wird (Fig. 2). Falls direkt auf den statischen und dynamischen Druck bezogene Digitalzählungen gewünscht werden, kann man sie dadurch erhalten, daß man die Inversion im Digital-Analogumsetzer 8 entfallen läßt und ihn durch -E _R aufhebt, wobei dann E _S durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:

Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung eines Programms des Rechners 44, das über den Digital-Analogumsetzer 8, den Demultiplexer 34 und die Schalter 18 und 20 ausgeführt wird. Es sei bemerkt, daß die Bezeichnungen A ₀ bis A ₉ im Flußdiagramm der Fig. 2 Rechenwerkregister oder Akkumulatoren des Rechners darstellen.

Die Programmfolge beginnt nach dem Aufbau der Fig. 1, wenn Ausgangssignale am Digital-Analogumsetzer 8 anliegen, wodurch die Steuerung für den zu öffnenden Schalter 18 und den zu schließenden Schalter 20 sowie durch die Steuerung zur Wahl des Fehlersignals Δ P _T über den Gleichrichter 40 und den Demultiplexer 34 ausgelöst werden.

Die Programmfolge setzt sich mit einer entsprechenden Echtzeitkonstante fort, die in das Programm eingebaut ist, worauf das Fehlersignal Δ P _T integriert und normiert wird und dann an den Digital-Analogumsetzer 8 ausgegeben wird. Daraufhin öffnet die Ausgangssteuerung des Rechners den Schalter 20, während der Schalter 18 zur Wahl des Fehlersignals Δ P _S über den Multiplexer 34 und den Gleichrichter 42 geschlossen wird.

Sodann ist eine entsprechende Echtzeitkonstante in das Programm eingebaut, und das Signal Δ P _S wird integriert und normiert, um an den Digital-Analogumsetzer 8 angelegt zu werden, worauf die Programmfolge wiederholt wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ergibt sich, daß keine anderen Hauptfehlerquellen vorhanden sind außer möglicherweise im Digital-Anlogumsetzer 8, wobei jedoch diese Fehler normalerweise um eine Größenordnung kleiner sind als die erforderlichen Genauigkeiten der Anlage, da alle Funktionen aufgrund eines Fehlersignals durchgeführt werden. Da außerdem sowohl die Meß- als auch die Bezugskondensatoren direkt durch einen einzigen Oszillator, d. h. den Oszillator 2 angesteuert werden, haben Frequenzänderungen des Oszillators keine Auswirkungen auf die Genauigkeit der Meßwertumsetzung. Aus dem gleichen Grunde ist auch keine Zwischenfilterung erforderlich, und Spannungsänderungen sowie Klirrfaktoren heben einander auf. Erfindungswesentlich ist sodann die Tatsache, daß sich eine erhebliche Einsparung an Bauteilen durch die Erfindung im Vergleich zu den jetzt erhältlichen Vorrichtungen des früheren Standes der Technik ergibt.

Außerdem bewirkt die Ausführung der Erfindung, bei welcher die Verstärkerschaltungen einer jeden verhältnismessenden (druckmessenden) Zelle zugeordnet und angepaßt sind, und bei welcher die Zellen in dichten Gehäusen untergebracht sind, daß die Anlage gegen Umgebungseinflüsse, die zu Streukapazitäten führen, welche die Stabilität der Anlage beeinflussen können, isoliert ist. Es sei bemerkt, daß bei der vorstehend beschriebenen Anordnung durch den Einsatz der Rückführungskondensatoren 15 und 17 die Verstärker 14 und 16 einen konstanten Verstärkungsgrad erhalten, so daß die Rückführungskapazität proportional dem durch die Kapazität des Rückführungskondensators 15 oder 17 dividierten Quotienten der Kapazität des Kondensators 10 oder 6 ist, d. h. entweder

Claims (4)

1. Kapazitätswert-Digitalumsetzer, der eine digitale Darstellung des Kapazitätswertes eines Zustandsmeßkondensators oder des Auslösewertes bietet, welchem der Zustandsmeßkondensator ausgesetzt ist, mit folgenden Bauteilen: mindestens einem Zustandsmeßkondensator, mindestens einem Bezugskondensator, mindestens einem Rückführungskondensator, ferner mindestens einem Rechenverstärker, welchem der Zustandsmeßkondensator und der Bezugskondensator als Eingangsimpedanzen vorgeschaltet sind, wobei der Rückführungskondensator zwischen den Ausgang und den Eingang des Rechenverstärkers in Gegenkopplung geschaltet ist und das Ausgangssignal des Rechenverstärkers ein Fehlersignal darstellt, weiter mit Einrichtungen zur Umsetzung des Fehlersignals in ein digitales Fehlersignal, mit einer Einrichtung zur Integration des digitalen Fehlersignals und zur Speicherung des Ergebnisses der Integration, mit einer Wechselspannungsbezugssignalquelle sowie Einrichtungen zur Veränderung der Amplitude des Bezugssignals in Abhängigkeit vom integrierten Fehlersignal, um ein Meßsignal zu erzeugen, wobei das Bezugssignal und das Meßsignal um 180° phasenversetzt am Bezugskondensator und am Meßkondensator anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer die folgenden Bauteile umfaßt:
ein elektrisch leitendes Gehäuse (9), welches als Baublock den Bezugskondensator (4), den Meßkondensator (10), den Rückführungskondensator (15) sowie den Rechenverstärker (14) umfaßt, ferner dadurch, daß der Rechenverstärker (14) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang versehen ist, wobei der Bezugskondensator (4), der Meßkondensator (10) sowie der Rückführungskondensator (15) ständig an den Inversionseingang des Verstärkers (14) angeschlossen sind und schließlich dadurch, daß das Gehäuse (9) und der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers (14) an einen Punkt mit gemeinsamem Potential angeschlossen sind.

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (9) hermetisch dicht ist.

3. Umsetzer nach Anspruch 1 mit einer Anzahl von Zustandsmeßkondensatoren, einer gleichen Anzahl von Bezugskondensatoren, weiter einer gleichen Anzahl von Rückführungskondensatoren und ebenfalls einer gleichen Anzahl von Rechenverstärkern, deren Ausgangssignale einzelne Fehlersignale darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (18, 20) an den Ausgang eines jeden Rechenverstärkers (14, 16) angeschlossen ist, um einen bestimmten Ausgang zur Erzeugung des einzelnen Fehlersignals zu wählen.

4. Umsetzer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von elektrisch leitenden Gehäusen (9, 11) vorgesehen ist, von denen jedes einen einzelnen Baublock mit jeweils einem Rechenverstärker (14, 16) und dem zugeordneten Rückführungs-, Zustandsmeß- und Bezugskondensatoren (15, 10, 4; 17, 6, 12) enthält.